Результат интеллектуальной деятельности: ДЕМПФЕР ДЛЯ МАГНИТОСТРИКЦИОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Изобретение относится к измерительной технике, конкретно к магнитострикционным преобразователям.

В технике широко применяются магнитострикционные преобразователи в линиях задержки (например, описанная в а.с. СССР № 336770, М.кл. H03H 7/30), в датчиках перемещений (например, описанном в а.с. СССР № 956965, М.кл. G01B 7/00), в преобразователях перемещения в код (например, описанном в патенте РФ RU № 2080559, М.кл. G01D 5/12) и датчиках уровня и плотности (например, описанном в патенте РФ RU № 2285908, М.кл. G01N 9/10).

Магнитострикционные преобразователи состоят из следующих основных узлов: волновод, по которому распространяется ультразвуковая волна (далее - УЗВ), устройство формирования УЗВ, устройство приема УЗВ, демпферы (гасители).

Функция демпфера - погасить остаточную УЗВ в волноводе (звукопроводе) после рабочего цикла до величины, не создающей помех для приема рабочей УЗВ в следующем рабочем цикле.

Из книги «Конструирование линий задержки», Захарьящев Л.И., «Советское радио», 1972 г., стр. 52, 53, известно, что «плавное увеличение затухания звукопровода в поглотителе достигается приданием телу поглотителя экспоненциальной формы». В этом же источнике отмечается, что «высокой степенью поглощения обладает битум, клей БФ-2, просушенный шеллак. При этом длина поглощающей нагрузки выбирается раной 80-100 мм и наибольший диаметр грушевидной нагрузки 4-5 мм. Отсутствие отражений обеспечивается приданием нагрузке точной грушевидной формы». Там же отмечается, что «несколько лучшие физико-механические свойства по сравнению с отмеченными материалами имеют поглотители из твердого воска или синтетической смолы, насыщенные суриком или каким-либо другим наполнителем с большим удельным весом, например порошкообразным серебром. Кроме того, рекомендуется использовать термопластическую массу типа гуттаперчи на базе, например, акрилата. Но так как последний материал обладает большой адгезионной способностью, то целесообразно поглотитель покрывать слоем лака. Максимальный поглощающий эффект у поглотителя из термопластической мастики наблюдается в том случае, если наружное осевое сечение поглотителя имеет экспоненциальную форму».

Известен демпфер звукопровода по патенту Чехословакии № 106821, кл. 21 а⁴, 74. 1963 г., в котором были запатентованы описанные выше форма и материал демпфера, а именно грушевидная форма, твердый воск и синтетические смолы.

Известен демпфер звукопровода по а.с. СССР № 801150, М.кл. H01L 41/06, в котором демпфер имеет аналогичную форму, но отличается от описанного в патенте Чехословакии № 106821 тем, что он выполнен многослойным, что повышает уровень затухания УЗВ.

Однако все описанные выше демпферы хорошо работают при температурах выше минус 10°С. При более низких температурах используемые материалы становятся менее эластичными и демпфер теряет свои свойства и наблюдается слабое затухание отраженных сигналов.

Известен демпфер для линии задержки по патенту Японии № 46-32138, кл. 98/3/А8, 1971 г. Указанный демпфер содержит эластичный поглощающий материал, внутри которого расположен звукопровод. Недостатком этого демпфера также является слабое затухание УЗВ при низких температурах.

Известен демпфер, описанный в патенте США «Измерительная система с магнитострикционным преобразователем» US № 5076100, М.кл. G01F 23/00, G01R 33/18, US C1, 73/290, состоящий из двух противоположных друг другу эластичных полосок. Полоски закреплены внутри полости датчика в верхнем корпусе опоры, книзу они отклоняются от волновода, а их верхние концы прижаты к волноводу внутренними стенками полости корпуса. Ввиду возрастания кверху степени взаимодействия полосок с волноводом, идущий вверх ультразвуковой импульс поглощается полосками без существенного отражения энергии импульса.

Однако указанная конструкция плохо работает при низких температурах из-за уменьшения эластичности материала полосок.

Известен композитный материал акустического демпфера по а.с. СССР SU № 1043816, М.кл. Н03Н 9/12, который с целью повышения стабильности демпфирующих свойств содержит полидиенуретановый каучук. Однако при низких температурах указанный материал также уменьшает эластичность, что существенно ухудшает его демпфирующие свойства.

Известен материал акустического демпфера по патенту РФ RU № 2159503, М.кл. Н09Н 9/30, содержащий в качестве эпоксидной смолы эпоксидную низкомолекулярную диановую смолу, а в качестве отвердителя низкомолекулярный алифатический полиамид. Указанный материал обладает хорошими свойствами поглощения УЗВ, но так же как и описанные выше демпферы, теряет свои свойства при низких температурах.

Наиболее близким техническим решением является демпфер для линии задержки по а.с. СССР № 628606, М.кл. Н03Н 7/30. Указанный демпфер для линии задержки содержит три элемента: две резиновые трубки, причем одна трубка выполнена с меньшим внутренним диаметром, а другая с большим, и эластичный поглощающий материал, внутри которого расположен звукопровод (волновод), при этом с целью увеличения затухания отраженных сигналов между звукопроводом и эластичным материалом размещена металлическая оплетка, которая плотно прилегает внутренней стороной к поверхности звукопровода, а внешней к эластичному поглощающему материалу.

Указанная конструкция позволяет увеличить затухание УЗВ, но она, так же как и ранее описанные, теряет свои свойства при низких температурах из-за уменьшения эластичности резиновых трубок и эластичного материала, внутрь которого запрессована металлическая оплетка, и, кроме этого, данная конструкция имеет достаточно большую длину (приблизительно 300 мм), что затрудняет проектирование датчиков при ограниченных габаритах устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что демпфер для магнитострикционного преобразователя выполнен в виде цилиндра, плотно насаженного на волновод по оси цилиндра и изготовлен из отрезков металлической проволоки, навитых в спираль заданной длины и подвергнутых прессованию в пресс-формах, имеющих форму цилиндра, причем демпфер может как быть сплошным, так и состоять из нескольких частей, плотно прижатых друг к другу, например трех или четырех, а его суммарная длина равна длине волны ультразвукового колебания в магнитострикционном волноводе.

Целью изобретения является улучшение затухания УЗВ при одновременном расширении температурного диапазона эксплуатации магнитострикционных датчиков, особенно при работе в диапазоне низких температур.

Поставленная задача достигается за счет того, что демпфер для магнитострикционного преобразователя выполнен в виде цилиндра, плотно насаженного на волновод по оси цилиндра, и изготовлен из отрезков металлической проволоки, навитых в спираль заданной длины и подвергнутых прессованию в пресс-формах, имеющих форму цилиндра, причем демпфер может как быть сплошным, так и состоять из нескольких частей, плотно прижатых друг к другу, например трех или четырех, а его суммарная длина равна длине волны ультразвукового колебания в магнитострикционном волноводе.

Техническим результатом является получение демпфера для магнитострикционного преобразователя, обладающего хорошим подавлением магнитострикционного ультразвукового сигнала в широком диапазоне рабочих температур от минус 100°С до плюс 400°С.

Материал, из которого изготовлен демпфер, известен, впервые он был опубликован в а.с. СССР № 136608, кл. 47а, 8, в 1961 году под названием «Упругий элемент для систем демпфирования». Указанный упругий элемент нашел широкое применение в механических амортизаторах, например, описанных в авторских свидетельствах: а.с. СССР № 191280, кл. 47а, 16/10, а.с. СССР № 194478, кл. 47а, 16/10, а.с. СССР № 308254, М.кл. F16F 13/00, а.с. СССР № 968538, М.кл. F16F 13/00, а.с. СССР № 1281781, М.кл. F16F 3/08, и др., а также в патентах: Франции FR 1440023 А, F16F, Великобритании GB 1079736 A, F16F, США US 3844545 A, F16F 13/00, и др.

Указанные амортизаторы хорошо зарекомендовали себя при работе в широком диапазоне температур, включая низкие температуры, и использовались в механических амортизаторах, причем амортизация осуществлялась за счет прикрепления амортизируемого устройства и опорного основания к разным плоскостям амортизатора. Однако для гашения магнитострикционных ультразвуковых волн указанный материал не использовался.

Следует отметить, что в отличие от классического механического амортизатора, который одной плоскостью жестко фиксируются на основании, а другая плоскость соединятся с демпфируемым объектом, указанный демпфер плотно надевается на волновод и с внешней стороны не фиксируется.

В отличие от изображенного на чертеже к авторскому свидетельству № 136608 упругого элемента, предлагаемый демпфер выполнен в форме цилиндра, и волновод в виде поволоки пропускается через его середину (осевая линия цилиндра), что способствует хорошему механическому контакту демпфера (упругого элемента) и волновода. Для улучшения технологичности изготовления и сборки демпфирующий элемент может быть выполнен как целиковым, так и состоять из нескольких частей, плотно прижатых друг к другу, например из трех или четырех, а суммарная длина демпфера равна длине волны ультразвуковых колебаний в волноводе.

Следует отметить, что при изготовлении демпфера из пластических и резиновых материалов при изменении температуры изменение длины демпфера и волновода имеет разные значения. При этом нарушается оптимальное соотношение L/γ=1, где L - длина демпфера, γ - длина волны. Это приводит к ухудшению работы демпфера.

В случае объемного проволочного демпфера можно подобрать материал проволоки демпфера таким образом, чтобы линейное температурное расширение демпфера и волновода было одинаково, например, для волновода используются, как правило, сплавы типа элинвар, при этом для проволочного демпфера подходит сплав 36НХТЮ. Это позволяет существенно улучшить стабильность работы демпфера в широком диапазоне температур.

На чертеже изображен волновод 1, на конец которого надет демпфер 2. В случае, изображенном на чертеже, демпфер 2 состоит из трех частей, плотно прижатых друг к другу. Демпфер 2 может быть сплошным или составным, причем количество составных частей определяется исходя из технологичности изготовления демпфера.

Работает демпфер следующим образом. При прохождении по волноводу магнитострикционных ультразвуковых колебаний, указанные колебания достигают демпфера, и за счет рассеивания волны в разных направлениях в точках касания проволоки демпфера и волновода происходит поглощение энергии магнитострикционных ультразвуковых колебаний, что приводит к затуханию импульсов, и вместо них наблюдается небольшой шум, который легко отфильтровывается. Следует заметить, что шум наблюдается на всех типах демпферов, но опасность для измерений представляют только не полностью погашенные отраженные импульсы.

Важно отметить, что упругие элементы типа резины, пластика и т.п. после прохождения магнитострикционных ультразвуковых колебаний деформируются и стремятся вернуться в исходную форму, что приводит к колебаниям системы «демпфер - волновод» и, в конечном счете, к плохому демпфированию. В случае с заявляемым демпфером из спрессованного проволочного материала этого явления не наблюдается.

Следует отметить, что демпферы из пластических материалов и резины быстро теряют свои свойства из-за старения материала (3-4 года), особенно при воздействии изменений температуры окружающей среды. Демпфер, изготовленный из спрессованной проволоки, является более долговечным и служит 12 лет и более.

На предприятии изготовлены магнитострикционные датчики для измерения уровня и плотности жидкости в резервуаре с использованием описанного демпфера, длина демпфера составляла 75 мм. В этих датчиках подтверждено улучшение затухания отраженных ультразвуковых сигналов при одновременном расширении температурного диапазона эксплуатации магнитострикционных датчиков.

Как показали исследования, указанный демпфер сохраняет работоспособность в диапазоне температур от минус 100°С до плюс 400°С без ухудшения гашения УЗВ магнитострикционного волновода.