مبدأ محول بالموجات فوق الصوتية

1 مقدمة

مع تطور التقنيات الجديدة مثل الأتمتة، أصبح عدد تتزايد محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية ، ولا يمكن فصل جميع الأدوات والمعدات الحديثة عن أجهزة الاستشعار في الإنتاج الصناعي، وخاصة في عمليات الإنتاج، ويتم استخدام محولات الطاقة المختلفة لرصد والتحكم في مختلف معلمات عملية الإنتاج، مثل درجة الحرارة والضغط والتدفق وما إلى ذلك، من أجل جعل المعدات تعمل في أفضل حالاتها ويكون المنتج في أفضل حالاته. في منتصف القرن العشرين، وجد أن بلورات محولات الطاقة لبعض الوسائط (مثل بلورات الكوارتز، وبلورات طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم، وبلورات PZT، وما إلى ذلك) يمكنها توليد موجات فوق صوتية ذات طاقة أعلى تحت تأثير الجهد العالي والنبض الضيق. وهو يختلف عن الموجات الصوتية المسموعة، ويمكن استخدامه في لحام الدوائر المتكاملة والتنظيف داخل أنبوب الصورة. ومن حيث الكشف، يتميز محول الطاقة للعمق بخصائص الانكسار والانعكاس المشابهة لموجات الضوء، ويمكن استخدام أجهزة الكشف النانوية بالموجات فوق الصوتية. فهو يكتشف حطام السفن في قاع البحر وغواصات العدو. لقد اخترقت الموجات فوق الصوتية العديد من مجالات حياتنا الآن، مثل الموجات فوق الصوتية ب، والتحكم عن بعد، واختبارات مكافحة السرقة غير المدمرة، وما إلى ذلك.

2. مفهوم الموجات فوق الصوتية

يمكن للناس أن يسمعوا أن الصوت يتولد عن اهتزاز الجسم. يتراوح ترددها بين 20 هرتز و20 كيلو هرتز، وهو ما يسمى بالموجة الصوتية المسموعة. الاهتزازات الميكانيكية التي تكون أقل من 20 هرتز غير مسموعة للأذن البشرية، وتسمى الموجات تحت الصوتية؛ تسمى الاهتزازات الميكانيكية التي تزيد عن 20 كيلو هرتز بالموجات فوق الصوتية، وتستخدم عادة للموجات فوق الصوتية، وترددات يتراوح محول مسبار الصدى بالموجات فوق الصوتية من عشرات كيلو هرتز إلى عشرات ميجا هرتز. الموجات فوق الصوتية هي تذبذبات ميكانيكية في الوسائط المرنة. هناك شكلان: التذبذب الجانبي (الموجة المستعرضة) والتذبذب الطولي (الموجة الطولية). غالبًا ما تستخدم التطبيقات المستخدمة في الصناعة التذبذبات الطولية. يمكن للموجات فوق الصوتية أن تنتقل في الغازات والسوائل والمواد الصلبة، ولكن بمعدلات انتشار مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، فإن ظواهر الانكسار والانعكاس تتحلل أثناء الانتشار. تردد الموجات فوق الصوتية التي تنتشر في الهواء منخفض نسبيًا، وعمومًا يبلغ عشرات كيلو هرتز، ولكن التوهين يكون أسرع؛ ويكون تردد الانتشار في المواد الصلبة والسوائل أعلى، ولكن التوهين أصغر والانتشار أبعد.

3. مميزات الموجات فوق الصوتية

الاتجاهية تركيب محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية جيد، وليس من السهل أن يتباعد، وتتركز الطاقة. ولذلك، فإن قوة الاختراق كبيرة، وفقدان الطاقة صغير بعد اختراق اللوحة الفولاذية التي يبلغ سمكها عدة أمتار. يمكن أن تنتج الموجات فوق الصوتية انعكاسًا وانكسارًا كبيرًا عندما تواجه الواجهة بين الوسيطتين. هذه الظاهرة تشبه موجات الضوء. أعلى التردد هو الموجات فوق الصوتية محول الطاقة لمقياس الجريان ، كلما كان اتجاه المجال الصوتي أفضل، وكلما اقتربت خصائص الانعكاس والانكسار لموجة الضوء. باستخدام خصائص الموجات فوق الصوتية، يمكن استخدام أجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية المختلفة، ويمكن استخدام دوائر مختلفة لصنع أدوات وأجهزة قياس بالموجات فوق الصوتية المختلفة، وتستخدم على نطاق واسع في الاتصالات تحت الماء، والأجهزة الطبية، والأجهزة المنزلية.

4. مبدأ جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية

جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية هو جهاز استشعار تم تطويره باستخدام خصائص الموجات فوق الصوتية، ويتكون من جهاز استشعار الإرسال، جهاز استشعار الاستقبال، وجزء التحكم، وجزء إمدادات الطاقة. يتكون مستشعر المرسل من جهاز إرسال ومحول هزاز سيراميك بيزو يبلغ قطره حوالي 15 مم. وظائف محول مقياس الجريان بالموجات فوق الصوتية هو تحويل طاقة الاهتزاز الكهربائية لهزاز السيراميك إلى طاقة فائقة وتشع في الهواء؛ مستشعر الاستقبال عبارة عن محول هزاز سيراميك بيزو. وهي مكونة من دائرة تضخيم وهي دائرة الاستقبال يعمل مستشعر الموجات فوق الصوتية بسرعة 2 ميجاهرتز على توليد اهتزازات ميكانيكية، وتحويلها إلى طاقة كهربائية، ويعمل كمخرج لجهاز استقبال المستشعر للكشف عن الموجات فوق الصوتية المرسلة. في الاستخدام الفعلي، يتم استخدام هزاز السيراميك الانضغاطي لمستشعر الإرسال. والذي يمكن استخدامه أيضًا كهزاز سيراميك على مستشعر الاستقبال. يتحكم الجزء بشكل أساسي في تردد النبض، ودورة العمل، والتعديل والعد المتناثر، ومسافة الكشف التي يرسلها جهاز الإرسال. يمكن أن يكون مصدر الطاقة لمستشعر مستوى الزيت بالموجات فوق الصوتية DC12V ± 10٪ أو 24V ± 10٪.