Piezoelektryczny przetwornik ultradźwiękowy i sposób jego sterowania

Zespół:

Istota wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest piezoelektryczny przetwornik ultradźwiękowy wraz z opracowanym sposobem jego sterowania, przeznaczony do wykrywania uszkodzeń w różnorodnych konstrukcjach mechanicznych. Zasada zastosowania przetwornika do diagnostyki oraz jego efektywność są zbliżone do badań ultrasonograficznych stosowanych w medycynie (USG), przy czym wykorzystuje on inny rodzaj fal ultradźwiękowych, tzw. fale Lamba, rozchodzące się w konstrukcjach płytowych i cienkościennych. Własności zastosowanych fal, zaprojektowana geometria przetwornika oraz innowacyjny sposób sterowania przesądzają o dużym potencjale wdrożeniowym wynalazku w diagnostyce.

Przetwornik składa się z cienkiej warstwy materiału piezoelektrycznego obustronnie pokrytej specjalnie ukształtowanymi elektrodami. Zastosowany materiał piezoelektryczny odkształca się pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego, natomiast deformowany generuje ładunki elektryczne. Dzięki temu przetwornik może służyć jednocześnie do wzbudzania fal poprzez zasilenie go zmiennymi sygnałami elektrycznymi, jak i do rejestracji sygnałów pochodzących od fal odbitych od elementów konstrukcji oraz uszkodzeń. Sygnały te po odpowiedniej analizie wykorzystywane są do obrazowania wewnętrznej struktury badanej konstrukcji, w tym do określania wielkości i lokalizacji uszkodzenia.

Innowacyjny charakter patentu wynika przede wszystkim ze sposobu ukształtowania elektrod przetwornika oraz sposobu ich zasilania. Na górnej powierzchni warstwy materiału piezoelektrycznego umieszczono określoną liczbę elektrod w postaci wąskich pasków prostopadłych do kierunku generowanej fali, natomiast na dolnej powierzchni grupę elektrod równoległych do tego kierunku. Przez zastosowanie odpowiedniego układu sterowania możliwe jest łączenie poszczególnych elektrod w grupy. Odpowiedni dobór rozmiaru oraz rozmieszczenia grup elektrod umożliwia uzyskanie pożądanych parametrów fali ultradźwiękowej. Sąsiadujące ze sobą grupy pasków zasilane są sygnałami o przeciwnych znakach, dzięki czemu osiągany jest efekt tzw. elektrody grzebieniowe, odpowiedzialnej za proces generacji pożądanej fali w konstrukcji. W odróżnieniu od obecnie stosowanych urządzeń diagnostycznych, zastosowane rozwiązanie pozwala na zmianę parametrów generowanej fali, a przez to poszerzenie możliwości i podniesienie efektywności procesu diagnostycznego, bez konieczności wymiany przetwornika w czasie badania. Ponadto jeden przetwornik może służyć do detekcji uszkodzeń w różnorodnych konstrukcjach mechanicznych.

Podawanie na elektrody sygnałów elektrycznych odpowiednio opóźnionych w czasie pozwala generować oraz odbierać sekwencje fal Lamba o różnej długości, kącie oraz kierunku rozchodzenia. Możliwe jest więc sterowanie wiązką fal i skupianie jej w wybranym miejscu, np. potencjalnym rejonie wystąpienia uszkodzenia. Dzięki tym cechom wynalazek znacząco przewyższa funkcjonalnością przetworniki dotychczas stosowane do generowania i odbioru fal Lamba.

Korzyści z zastosowania wynalazku

Duże znaczenie ma obecnie utrzymanie w dobrym stanie technicznym instalacji energetycznych, instalacji służących do produkcji niebezpiecznych substancji chemicznych czy też transportu ludzi.

Zastosowanie wynalazku w systemach diagnostycznych pozwoli na kontrolę starzejącej się infrastruktury technicznej oraz monitorowanie nowopowstających obiektów, umożliwiając bezpieczniejszą eksploatację. Zastosowanie przetworników do ciągłego monitorowania stanu obiektów przemysłowych pozwoli także zapobiegać katastrofom ekologicznym oraz chronić zasoby środowiska naturalnego.

Wdrożenie wynalazku może przynieść wymierne korzyści finansowe operatorom konstrukcji i urządzeń, istotnie redukując koszty nie wykrytych w porę awarii. Zastosowanie wynalazku umożliwi oszacowanie dopuszczalnego okresu użytkowania konstrukcji oraz optymalne planowanie niezbędnych przestojów i napraw.
Na uwagę zasługuje relatywnie niski koszt wykonania przetwornika, porównywalny z ponoszonymi w obecnie prowadzonych badaniach.

Potencjał komercjalizacyjny

Wynalazek zwiększy możliwości wykrywania uszkodzeń elementów kompozytowych oraz klejonych, które coraz częściej występują w nowoczesnych konstrukcjach z branży lotniczej oraz branży energii odnawialnej (samoloty, turbiny wiatrowe).

Przetwornik może być również zastosowany w przemyśle przetwórczym, chemicznym, rafineryjnym, a także przez przedsiębiorstwa zajmujące się produkcją oraz dystrybucją energii elektrycznej i cieplnej, wody oraz gazu, w których niezbędne jest monitorowanie stanu linii produkcyjnych oraz przesyłowych. W zakładach produkcyjnych często występują obiekty wymagające kontroli stanu technicznego, do których można zaliczyć rurociągi, kotły, wymienniki ciepła, zbiorniki ciśnieniowe oraz reaktory chemiczne.

Do potencjalnych odbiorców nowej technologii należą również firmy z branży budowlanej i architektonicznej, gdyż obecny trend rozwojowy zakłada wyposażenie każdej nowoczesnej budowli w system monitorowania stanu technicznego umożliwiający długie i bezpieczne użytkowanie.