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DE102009052814B3 - Ultrasonic transducer-arrangement for use in flow measuring device for gaseous or liquid medium, has coating extending from front and rear sides of transducer element into cavities, and connection elements engaged into cavities - Google Patents

Ultrasonic transducer-arrangement for use in flow measuring device for gaseous or liquid medium, has coating extending from front and rear sides of transducer element into cavities, and connection elements engaged into cavities Download PDF

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DE102009052814B3
DE102009052814B3 DE200910052814 DE102009052814A DE102009052814B3 DE 102009052814 B3 DE102009052814 B3 DE 102009052814B3 DE 200910052814 DE200910052814 DE 200910052814 DE 102009052814 A DE102009052814 A DE 102009052814A DE 102009052814 B3 DE102009052814 B3 DE 102009052814B3
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DE
Germany
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transducer element
ultrasonic transducer
electrical connection
connection elements
arrangement according
Prior art date
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Expired - Fee Related
Application number
DE200910052814
Other languages
German (de)
Inventor
Roland Dr. Horn
Axel Dipl.-Ing.(FH) Schmidt-Schoenian
Ulrich Dipl.-Ing.(FH) Gaugler
Gerhard Dipl.-Ing.(FH) Dietz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Diehl Metering GmbH
Original Assignee
Hydrometer GmbH
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662Constructional details
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0651Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of circular shape

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Abstract

The arrangement (1) has a piezoelectric transducer element (2) i.e. piezoelectric disk, with a mantle surface (3), a front side turned towards a medium and a rear side turned away from the medium. The front side and the rear side are provided with an electrically conductive coating. Electrical connection elements (7) are provided for electrical connection of the front and rear sides of the piezoelectric transducer element. The coating extends from the front and rear sides of the transducer element into cavities (8). The connection elements are engaged into the cavities.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung einen Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium mit mindestens einer erfindungsgemäßen Ultraschallwandler-Anordnung.The invention relates to an ultrasonic transducer assembly for use in a flow meter for gaseous or liquid medium with the further features of the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a flow meter for gaseous or liquid medium with at least one ultrasonic transducer assembly according to the invention.

Bisher bekannte Ultraschallwandler-Anordnungen, die insbesondere für den Einsatz in einem Durchflussmesser für flüssiges oder gasförmiges Medium konzipiert sind, weisen mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement, insbesondere eine piezoelektrische Scheibe auf, deren dem Medium zugewandte Vorder- und deren dem Medium abgewandte Rückseite jeweils mit einer leitfähigen Beschichtung, wie z. B. einer Silber- oder Goldschicht, versehen sind. Auf der Vorderseite ist außerdem eine Membran auf der elektrisch leitfähigen Beschichtung angeordnet. Auf der Rückseite ist eine Elektrode auf der leitfähigen Beschichtung vorgesehen. Elektrode und Membran erstrecken sich vollflächig oder nahezu vollflächig über Vorder- und Rückseite bzw. die Stirnseiten des Wandlerelementes, wobei sie stirnseitig mit der Piezokeramik bzw. den elektrisch leitfähigen Beschichtungen verklebt sind. Diese stirnseitige Anordnung von Elektrode und Membran muss gleichzeitig verschiedene Funktionen erfüllen. Sie dient zur Fixierung der Piezokeramik, zur Herstellung einer elektrischen Verbindung sowie zur Gewährleistung einer großflächigen akustischen Ankopplung.Previously known ultrasonic transducer arrangements, which are designed in particular for use in a flow meter for liquid or gaseous medium, have at least one piezoelectric transducer element, in particular a piezoelectric disk whose front facing the medium and the back facing away from the medium each with a conductive Coating such. As a silver or gold layer are provided. In addition, a membrane is arranged on the electrically conductive coating on the front side. On the back of an electrode on the conductive coating is provided. Electrode and membrane extend over the entire surface or almost the entire surface over the front and back or the end faces of the transducer element, wherein they are glued to the front side with the piezoceramic or the electrically conductive coatings. This end-face arrangement of electrode and membrane must simultaneously fulfill different functions. It serves to fix the piezoceramic, to produce an electrical connection and to ensure a large-area acoustic coupling.

Ein entsprechender Ultraschallwandler-Aufbau geht aus der DE 101 58 015 A1 hervor, bei welchem eine piezoelektrische Scheibe in einem topfförmigen Wandlergehäuse mit nach vorne offener Seite angeordnet ist. An der dem Medium zugewandten Vorderseite ist die erste Elektrode mit einer ersten Anschlusselektrode zur Stromzuführung kontaktiert, wobei die erste Anschlusselektrode das Wandlergehäuse verschließt. Auf der Rückseite ist eine zweite Elektrode mit einer zweiten Anschlusselektrode zur Stromzuführung kontaktiert.A corresponding ultrasonic transducer assembly goes out of the DE 101 58 015 A1 in which a piezoelectric disc is arranged in a cup-shaped converter housing with the front side open. At the front side facing the medium, the first electrode is contacted with a first connection electrode for supplying current, wherein the first connection electrode closes the converter housing. On the back of a second electrode is contacted with a second connection electrode for supplying power.

Aus DE 10 2007 037 088 A1 ist ein Ultraschallwandler bekannt, der ein piezoelektrisches Wandlerelement und einen Anpasskörper mit einer Anpassschicht zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und einem umgebenen fluiden Medium aufweist. In einer Ausführungsvariante ist das piezoelektrische Wandlerelement mit seitlich anzusetzenden Klammern fixiert, wobei jeweils mindestens eine Klammer die obere Elektrode des piezoelektrischen Wandlerelementes und mindestens eine weitere Klammer die untere Elektrode kontaktiert. Die Klammern selbst weisen einen Anschlusskontakt zur Kontaktierung von Elektrodenzuleitungen auf.Out DE 10 2007 037 088 A1 For example, an ultrasonic transducer is known which has a piezoelectric transducer element and a matching body with a matching layer for promoting vibration coupling between the piezoelectric transducer element and a surrounding fluid medium. In one embodiment variant, the piezoelectric transducer element is fixed with laterally attachable clamps, wherein in each case at least one clamp contacts the upper electrode of the piezoelectric transducer element and at least one further clamp contacts the lower electrode. The brackets themselves have a connection contact for contacting electrode leads.

Bei dem aus DE 196 26 293 A1 bekannten Ultraschallwandler wird die elektrische Kontaktierung mit Hilfe von mindestens einer federnd auf dem Piezokristall oder dem Schwingelement aufsitzenden Kontaktfeder geschaffen. Dabei werden Kontaktfedern durch einen Verbindungskörper gehalten, der in den Innenraum eines topfförmigen Schwingelementes eingepresst ist. Dadurch wird die notwendige Abstützung für die mit dem Verbindungskörper vergossenen Federkontakte geschaffen, so dass diese mit einer entsprechenden Auflagekraft auf der Piezoscheibe aufliegen können.At the DE 196 26 293 A1 known ultrasonic transducer, the electrical contact is created by means of at least one resiliently seated on the piezoelectric crystal or the vibrating element contact spring. In this case, contact springs are held by a connecting body, which is pressed into the interior of a pot-shaped oscillating element. As a result, the necessary support for the molded with the connecting body spring contacts is created so that they can rest with a corresponding bearing force on the piezoelectric disk.

Aus JP 08205287 A ist eine elektro-akustische Wandlervorrichtung offenbart, bei welcher ein piezoelektrisches Diaphragma zwischen einem oberseitigen und einem unterseitigen Gehäuseteil gehalten wird. Randseitige U-förmige Klammern sind in Federkontakt mit einer piezokeramischen Scheibe sowie einem metallischen Substrat des piezoelektrischen Diaphragmas.Out JP 08205287 A there is disclosed an electro-acoustic transducer device in which a piezoelectric diaphragm is held between top and bottom housing parts. Edge-side U-shaped clamps are in spring contact with a piezoceramic disk and a metallic substrate of the piezoelectric diaphragm.

Aus US 4,429,247 A ist ein Knotenpunktkontakt für piezoelektrische Audiowandler bekannt, bei welchem innerhalb eines Gehäuses ein scheibenförmiger Wandler mit einer randseitigen Nut vorgesehen ist. An der Innenseite des Gehäuses verläuft eine nach innen abstehende Rippe, welche in die Nut des Wandlers eingreift. Die Nut am Wandler dient damit lediglich der Positionierung des Gehäuses.Out US 4,429,247 A a node contact for piezoelectric audio transducer is known, in which within a housing a disc-shaped transducer is provided with a peripheral groove. On the inside of the housing extends an inwardly projecting rib which engages in the groove of the transducer. The groove on the converter thus serves only to position the housing.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflussmesser zur Verfügung zu stellen, welche mit einem geringen Fertigungsaufwand herstellbar ist.The object of the present invention is to provide a novel ultrasonic transducer assembly for use in a flow meter, which can be produced with a low production cost.

Die Erfindung wird durch die gesamte Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–12. Ein erfindungsgemäßer Durchflussmesser wird in Patentanspruch 13 gelehrt.The invention is solved by the entire teaching of claim 1. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims 2-12. An inventive flow meter is taught in claim 13.

Die erfindungsgemäße Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium weist ein piezoelektrisches Wandlerelement, insbesondere eine piezoelektrische Scheibe, auch Piezokeramik genannt, auf, das eine Mantelfläche hat, wobei die dem Medium zugewandte Vorderseite sowie die dem Medium abgewandte Rückseite des Wandlerelementes jeweils zumindest bereichsweise mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen sind, sowie elektrische Verbindungselemente zur elektrischen Verbindung von Vorder- bzw. Rückseite des piezoelektrischen Wandlerelementes mit der Elektronik vorgesehen sind. Die Mantelfläche weist zwei Einformungen auf, wobei sich die leitfähige Beschichtung von der Vorderseite des piezoelektrischen Wandlerelements in die eine Einformung und die leitfähige Beschichtung von der Rückseite des piezoelektrischen Wandlerelementes sich in die andere Einformung erstreckt und jeweils ein elektrisches Verbindungselement in jeweils einer Einformung eingreift. Somit erfolgt eine laterale Fixierung und elektrische Kontaktierung der Piezokeramik durch dieselben Elemente. Vorzugsweise wird ein zylinderförmiges piezoelektrisches Wandlerelement verwendet, das an zwei verschiedenen Stellen der Mantelfläche jeweils eine Einformung aufweist, in die hinein von jeweils einer der beiden Stirnflächen eine Umkontaktierung (elektrisch leitfähige Beschichtung) gelegt wird. Die elektrisch leitfähige Beschichtung kann insbesondere eine Silber- oder Goldschicht sein, welche sich in die jeweilige Einformung erstreckt. Die elektrischen Verbindungselemente greifen in die Einformungen ein, wobei sie das piezoelektrische Wandlerelement fixieren und gleichzeitig elektrisch kontaktieren. Ein Klebeprozess ist nicht notwendig. Fixierung und Kontaktierung des piezoelektrischen Wandlerelementes können vorzugsweise durch eine einfache Klemmung erfolgen. Der Montageaufwand ist demnach gering.The ultrasonic transducer arrangement according to the invention for use in a flowmeter for gaseous or liquid medium has a piezoelectric transducer element, in particular a piezoelectric disc, also called piezoceramic, which has a lateral surface, wherein the front side facing the medium and the rear side facing away from the medium Transducer element are each at least partially provided with an electrically conductive coating, and electrical connection elements for electrically connecting the front and rear of the piezoelectric transducer element are provided with the electronics. The lateral surface has two Einformungen, wherein the conductive coating from the front of the piezoelectric transducer element in the one indentation and the conductive coating from the back of the piezoelectric transducer element extends into the other indentation and engages in each case an electrical connection element in a respective indentation. Thus, a lateral fixation and electrical contacting of the piezoceramic by the same elements. Preferably, a cylindrical piezoelectric transducer element is used, which in each case has a indentation at two different locations of the lateral surface, into which a re-contacting (electrically conductive coating) is applied from in each case one of the two end faces. The electrically conductive coating may in particular be a silver or gold layer which extends into the respective indentation. The electrical connection elements engage in the recesses, wherein they fix the piezoelectric transducer element and simultaneously contact electrically. A gluing process is not necessary. Fixation and contacting of the piezoelectric transducer element can preferably be done by a simple clamping. The assembly effort is therefore low.

Das piezoelektrische Wandlerelement kann auf einer zu durchschallenden Wand oder einem zu durchschallenden Gehäuse, welches mit dem Medium in Kontakt steht, angeordnet sein. Bei der zu durchschallenden Wand oder dem zu durchschallenden Gehäuse kann es sich um ein Kunststoffteil handeln. Die zu durchschallende Wand kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen und die bisher dünne Metallmembran ersetzen. Das piezoelektrische Wandlerelement wird auf diese Weise sicher an der zu durchschallenden Wand bzw. Gehäuse fixiert.The piezoelectric transducer element can be arranged on a wall to be penetrated or a housing to be audible, which is in contact with the medium. The wall to be penetrated or the housing to be penetrated can be a plastic part. The wall to be penetrated can consist of one or more layers and replace the previously thin metal membrane. The piezoelectric transducer element is securely fixed in this way to the wall or housing to be penetrated.

Auch die elektrischen Verbindungselemente können zumindest bereichsweise an der zu durchschallenden Wand oder dem zu durchschallenden Gehäuse befestigt sein. Beispielsweise können die elektrischen Verbindungselemente als Einlegeteile in einem Kunststoffspritzgussprozess bereits eingebracht werden. Rückseitig werden die elektrischen Verbindungselemente beispielsweise an der dort vorgesehenen Elektronik bzw. an einer Platine befestigt.The electrical connection elements can also be fastened at least in regions to the wall to be penetrated or the housing to be penetrated. For example, the electrical connection elements can already be introduced as inserts in a plastic injection molding process. On the back side, the electrical connection elements are fastened, for example, to the electronics provided there or to a circuit board.

Auf diese Weise wird kein Klebeprozess benötigt. Vor Aufbringen der piezokeramischen Scheibe auf die zu durchschallende Wand kann vorher noch ein Koppelgel oder eine Koppelpaste auf die Wand aufgebracht werden. Anschließend muss die piezokeramische Scheibe nur noch aufgesteckt werden.In this way no gluing process is needed. Before applying the piezoceramic disk on the wall to be penetrated by a coupling gel or a coupling paste can be applied to the wall before. Subsequently, the piezoceramic disc only has to be plugged on.

Die oben beschriebenen Einformungen können als Nuten ausgebildet sein, die sich von Vorder- bzw. Rückseite zur Rück- bzw. Vorderseite der piezoelektrischen Scheibe zumindest teilweise erstrecken. Die Nuten können unterschiedlich in ihrer Form ausgestaltet sein und z. B. halbrund oder auch eckig ausgebildet sein. Die Nuten lassen sich fertigungstechnisch einfach in das piezoelektrische Wandlerelement bzw. die piezoelektrische Scheibe einbringen. Sie stehen jeweils mit nur einer Stirnseite, also Vorder- oder Rückseite des Wandlerelements in elektrischer Verbindung, zur jeweils anderen Stirnseite sind sie isoliert bzw. nicht leitend.The indentations described above may be formed as grooves which extend at least partially from front or back to the rear or front side of the piezoelectric disk. The grooves may be configured differently in shape and z. B. semicircular or square be formed. The grooves can be easily incorporated into the piezoelectric transducer element or the piezoelectric disc. They are in each case with only one end face, ie the front or rear side of the transducer element in electrical connection to the other end face they are insulated or non-conductive.

Die Einformungen können zweckmäßigerweise an gegenüberliegenden Positionen des elektrischen Wandlerelementes vorgesehen sein. Die darin eingreifenden elektrischen Verbindungselemente fixieren auf diese Weise das elektrische Wandlerelement sicher.The indentations may expediently be provided at opposite positions of the electrical transducer element. The engaging therein electrical connection elements securely fix the electrical transducer element in this way.

Die elektrischen Verbindungselemente können zur erhöhten Fixierung des Wandlerelementes auch seine Vorder- und/oder Rückseite kontaktieren. Die elektrischen Verbindungselemente können dann entsprechend klammerartig ausgebildet sein.The electrical connection elements can contact the front and / or rear side for increased fixation of the transducer element. The electrical connection elements can then be designed according to a clip.

Die elektrischen Verbindungselemente können demnach als klammerartige Federn oder auch als Stifte, insbesondere passgenaue Stifte, ausgebildet sein. Die Stifte liegen in den Einformungen passgenau ein und sind darin sicher fixiert.The electrical connection elements can therefore be designed as clip-like springs or as pins, in particular precisely fitting pins. The pins are precisely in the recesses and are securely fixed therein.

Die Fixierung und/oder elektrische Kontaktierung der elektrischen Verbindungselemente kann durch (Leit-)Kleber oder Löten unterstützt werden. Die elektrischen Verbindungselemente werden dabei an die elektrisch leitende Beschichtung geklebt und/oder angelötet.The fixation and / or electrical contacting of the electrical connection elements can be supported by (conductive) adhesive or soldering. The electrical connection elements are glued to the electrically conductive coating and / or soldered.

Wie oben bereits beschrieben, kann zwischen Vorderseite des piezoelektrischen Wandlerelementes und der zu durchschallenden Wand ein akustisches Koppelmittel, insbesondere ein Koppelgel oder eine Koppelpaste, vorgesehen sein. Die akustische Ankopplung wird dadurch realisiert oder wesentlich verbessert. So ist eine sehr robuste akustische Ankopplung des piezoelektrischen Wanderelementes bzw. der Piezokeramik an die zu durchschallende Wand sowie das Medium möglich.As already described above, an acoustic coupling agent, in particular a coupling gel or a coupling paste, can be provided between the front side of the piezoelectric transducer element and the wall to be penetrated. The acoustic coupling is thereby realized or substantially improved. Thus, a very robust acoustic coupling of the piezoelectric traveling element or the piezoceramic to the wall to be penetrated and the medium is possible.

Die dem Medium abgewandte Rückseite des Wandlerelementes kann zumindest bereichsweise mit Luft in Verbindung stehen und dadurch frei in Luft schwingen. Dadurch werden Dämpfung, die Erzeugung von Körperschall und eine (möglicherweise temperaturabhängige) Rückkopplung vermieden.The rear side facing away from the medium of the transducer element may at least partially communicate with air and thereby swing freely in the air. As a result, damping, the generation of structure-borne noise and (possibly temperature-dependent) feedback are avoided.

Die erfindungsgemäße Ultraschallwandler-Anordnung steht in ihrer Funktion und räumlich zwischen dem durchströmten Rohr und der Elektronik. Gegen Ende der Fertigung werden diese beiden Teile zusammengebracht. Diese Montage kann wahlweise wie folgt erfolgen:

  • – Das piezoelektrische Wandlerelement kann zunächst beim durchströmten Rohr (Grundzähler) mit montiert werden. In diesem Fall stehen je Ultraschallwandler zwei Stifte bzw. Anschlussenden der elektrischen Verbindungselemente für den elektrischen Kontakt hervor, die am Ende an passender Stelle in die Elektronik bzw. die Platine gesteckt und eventuell verlötet werden.
  • – Es besteht auch die Möglichkeit, das piezoelektrische Wandlerelement zunächst auf der Elektronikseite zu montieren. Bei der Endmontage wird die akustische Verbindung an der zu durchschallenden Wand mit Hilfe eines akustischen Koppelmittels, z. B. einem Kontaktgel oder einer Kontaktpaste, hergestellt.
The ultrasonic transducer assembly according to the invention is in its function and spatially between the flow-through pipe and the electronics. Towards the end of production, these two parts are brought together. This assembly can optionally be done as follows:
  • - The piezoelectric transducer element can first be mounted on the flow-through pipe (basic meter). In this case, each ultrasonic transducer two pins or terminal ends of the electrical connection elements for the electrical contact out, which are inserted at the end of an appropriate location in the electronics or the board and possibly soldered.
  • - It is also possible to first mount the piezoelectric transducer element on the electronics side. During final assembly, the acoustic connection to the wall to be penetrated by means of an acoustic coupling agent, for. As a contact gel or a contact paste produced.

Die Erfindung ist anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:The invention is explained in more detail with reference to an advantageous embodiment in the drawing figures. These show:

1A: perspektivische Darstellung (teilweise im Schnitt) des auf eine zu durchschallende Wand eingesetzten piezoelektrischen Wandlerelementes mit herausstehenden Kontakten der elektrischen Verbindungselemente; 1A : perspective view (partially in section) of the piezoelectric transducer element inserted on a wall to be penetrated through with protruding contacts of the electrical connecting elements;

1B: Seitendarstellung der Anordnung gemäß 1A; 1B : Page presentation of the arrangement according to 1A ;

2A: perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Wandlerelementes mit zwei Nuten sowie 2A : Perspective illustration of a piezoelectric transducer element with two grooves as well

2B: Seitenansicht auf das Wandlerelement gemäß 2A; 2 B : Side view of the transducer element according to 2A ;

Die in 1 dargestellte Ultraschallwandler-Anordnung ist mit Bezugsziffer 1 versehen und für den Einsatz in einem Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium bestimmt. Sie umfasst ein piezoelektrisches Wandlerelement 2, welches als piezoelektrische Scheibe ausgebildet ist. Die Mantelfläche des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 ist mit Bezugsziffer 3 versehen. Die dem Medium zugewandte Vorderseite 4 sowie die dem Medium abgewandte Rückseite 5 des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 sind jeweils bis auf den Randbereich mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung 6 versehen. Elektrische Verbindungselemente 7 sind zur elektrischen Verbindung von Vorder- 4 bzw. Rückseite 5 des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 mit einer (in den Zeichnungsfiguren nicht dargestellten) Elektronik vorgesehen. Die elektrischen Verbindungselemente 7 dienen gleichzeitig der mechanischen Fixierung.In the 1 illustrated ultrasonic transducer assembly is denoted by reference numeral 1 and intended for use in a gaseous or liquid medium flowmeter. It comprises a piezoelectric transducer element 2 which is formed as a piezoelectric disc. The lateral surface of the piezoelectric transducer element 2 is with reference number 3 Mistake. The medium facing front 4 as well as the rear facing away from the medium 5 the piezoelectric transducer element 2 are each up to the edge area with an electrically conductive coating 6 Mistake. Electrical connection elements 7 are used for electrical connection of front 4 or back 5 the piezoelectric transducer element 2 provided with an electronics (not shown in the drawing figures). The electrical connection elements 7 serve at the same time the mechanical fixation.

Die Mantelfläche 3 weist zwei Einformungen 8, 9 auf, die in 2A deutlich zu sehen sind. Wie außerdem aus den 2A und 2B hervorgeht, erstreckt sich die elektrisch leitfähige Beschichtung 6 von der Vorderseite 4 des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 in die Einformung 8. Gleichzeitig erstreckt sich die elektrisch leitfähige Beschichtung 6 von der Rückseite 5 des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 in die andere Einformung 9. Dies ist zwar in der Zeichnungsfigur 2A nicht zu erkennen, jedoch entspricht die Rückseite 5 der Vorderseite 4, wobei die Umkontaktierung der elektrisch leitfähigen Beschichtung 6 von den beiden Stirnflächen jeweils nur in eine Einformung gelegt ist. Die seitliche Fixierung und Kontaktierung der Piezokeramik bzw. des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 erfolgt mit entsprechender Umkontaktierung durch die elektrischen Verbindungselemente 7 in Form von federartigen Klammerelementen. Die elektrischen Vebindungselemente 7 sind so geformt, dass sie das piezoelektrische Wandlerelement 2 einklemmen. Damit ist ein nur geringer Montageaufwand verbunden.The lateral surface 3 has two indentations 8th . 9 on that in 2A can be clearly seen. As well as from the 2A and 2 B shows, extends the electrically conductive coating 6 from the front 4 the piezoelectric transducer element 2 in the indentation 8th , At the same time extends the electrically conductive coating 6 from the back 5 the piezoelectric transducer element 2 in the other impression 9 , This is indeed in the drawing figure 2A not recognizable, however corresponds the back 5 the front 4 , wherein the re-contacting of the electrically conductive coating 6 is placed by the two end faces in each case only in a molding. The lateral fixing and contacting of the piezoceramic or the piezoelectric transducer element 2 takes place with appropriate Umkontaktierung by the electrical connection elements 7 in the form of spring-like clamp elements. The electrical connecting elements 7 are shaped to be the piezoelectric transducer element 2 pinch. This is connected to only a small amount of assembly work.

Das piezoelektrische Wandlerelement 2 ist zudem auf einer zu durchschallenden Wand 10 aus Kunststoff angeordnet, welche mit dem Medium direkt in Verbindung steht. Die zu durchschallende Wand 10 dient der akustischen Ankopplung zum Medium.The piezoelectric transducer element 2 is also on a wall to be penetrated 10 made of plastic, which communicates directly with the medium. The wall to be penetrated 10 serves the acoustic coupling to the medium.

Die Einformungen 8, 9 sind als halbrunde Nuten ausgebildet, die sich von der Vorderseite 4 zur Rückseite 5 erstrecken. Diese Nuten können fertigungstechnisch ohne großen Aufwand eingebracht werden.The indentations 8th . 9 are formed as semicircular grooves extending from the front 4 to the back 5 extend. These grooves can be introduced manufacturing technology without much effort.

Die zu durchschallende Wand 10 dient gleichzeitig – wie aus den 1A und 1B ersichtlich – der Fixierung der elektrischen Verbindungselemente 7. Die elektrischen Verbindungselemente 7 sind als Einlegeteile in einem Kunststoffspritzgussprozess bereits in die zu durchschallende Wand 10 aus Kunststoff eingebracht.The wall to be penetrated 10 serves at the same time - as from the 1A and 1B visible - the fixation of the electrical connection elements 7 , The electrical connection elements 7 are as inserts in a plastic injection molding process already in the wall to be penetrated 10 made of plastic.

Die Einformungen 8, 9 sind an gegenüberliegenden Positionen des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 vorgesehen und dienen dadurch der optimalen Fixierung des Wandlerelementes 2. Außerdem sind auf diese Weise die elektrischen Verbindungen ausreichend voneinander beabstandet.The indentations 8th . 9 are at opposite positions of the piezoelectric transducer element 2 provided and thereby serve the optimal fixation of the transducer element 2 , In addition, in this way, the electrical connections are sufficiently spaced apart.

Die elektrischen Verbindungselemente 7 kontaktieren auch geringfügig die Rückseite 5 des piezoelektrischen Wandlerelementes 2, wodurch die Klemmwirkung herbeigeführt wird.The electrical connection elements 7 also slightly contact the back 5 the piezoelectric transducer element 2 , whereby the clamping effect is brought about.

Bei den elektrischen Verbindungselementen 2 handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um klammerartige Federn. Es können auch passgenaue Stifte vorgesehen sein, die in den Einformungen 8, 9 einliegen.For the electrical connection elements 2 is in the illustrated embodiment, clip-like springs. It can also be accurately fitted pins are provided in the recesses 8th . 9 einliegen.

Zusätzlich können die elektrischen Verbindungselemente 7 an die elektrisch leitende Beschichtung 6 geklebt und/oder angelötet sein, wodurch die Fixierung sowie elektrische Kontaktierung unterstützt wird.In addition, the electrical connection elements 7 to the electrically conductive coating 6 glued and / or soldered, whereby the fixation and electrical contact is supported.

Zwischen Vorderseite 4 des Wandlerelementes 2 und der zu durchschallenden Wand 10 ist ein pastöses akustisches Koppelmittel zur Realisierung einer sehr robusten akustischen Ankopplung vorgesehen.Between front 4 the transducer element 2 and the wall to be penetrated 10 is a pasty acoustic coupling means for realizing a very robust acoustic coupling provided.

Die Rückseite 5 des Wandlerelements 2 steht zumindest bereichsweise mit Luft in Verbindung, so dass auch diese dem Medium abgewandte Seite frei schwingen kann. Bereichsweise liegt die Rückseite 5 des Wandlerelementes 2 auf einer Abstützung bzw. einem Gehäuseabschnitt auf.The backside 5 of the transducer element 2 is at least partially in contact with air, so that even this side facing away from the medium can swing freely. The back is area wise 5 the transducer element 2 on a support or a housing section.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Ultraschallwandler-AnordnungUltrasound transducer assembly
22
piezoelektrisches Wandlerelementpiezoelectric transducer element
33
Mantelflächelateral surface
44
Vorderseitefront
55
Rückseiteback
66
elektrisch leitfähige Beschichtungelectrically conductive coating
77
elektrische Verbindungselementeelectrical connection elements
88th
Einformungindentation
99
Einformungindentation
1010
zu durchschallende Wandto durchschallende wall

Claims (13)

Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium, mit einem eine Mantelfläche (3) aufweisenden piezoelektrischen Wandlerelement (2), dessen dem Medium zugewandte Vorderseite (4) und dessen dem Medium abgewandte Rückseite (5) jeweils zumindest bereichsweise mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (6) versehen sind, sowie elektrischen Verbindungselementen (7) zur elektrischen Verbindung von Vorder-(4) bzw. Rückseite (5) des piezoelektrischen Wandlerelementes (2), dadurch gekennzeichnet, dass – die Mantelfläche (3) zwei Einformungen (8, 9) aufweist, – sich die elektrisch leitfähige Beschichtung (6) von der Vorderseite (4) des piezoelektrischen Wandlerelementes (2) in eine Einformung (8) erstreckt, – sich die elektrisch leitfähige Beschichtung (6) von der Rückseite (5) des piezoelektrischen Wandlerelementes (2) in die andere Einformung (9) erstreckt und – jeweils ein elektrisches Verbindungselement (7) in jeweils eine Einformung (8, 9) eingreift.Ultrasonic transducer arrangement for use in a flow meter for gaseous or liquid medium, with an outer surface ( 3 ) having piezoelectric transducer element ( 2 ), whose front facing the medium ( 4 ) and its rear side facing away from the medium ( 5 ) each at least partially with an electrically conductive coating ( 6 ), as well as electrical connecting elements ( 7 ) for the electrical connection of front ( 4 ) or back ( 5 ) of the piezoelectric transducer element ( 2 ), characterized in that - the lateral surface ( 3 ) two impressions ( 8th . 9 ), - the electrically conductive coating ( 6 ) from the front ( 4 ) of the piezoelectric transducer element ( 2 ) in a molding ( 8th ), - the electrically conductive coating ( 6 ) from the back ( 5 ) of the piezoelectric transducer element ( 2 ) into the other impression ( 9 ) and - in each case an electrical connection element ( 7 ) in each case a molding ( 8th . 9 ) intervenes. Ultraschallwandler-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement (2) auf einer zu durchschallenden Wand (10), welche mit dem Medium in Verbindung steht, angeordnet ist.Ultrasonic transducer assembly according to claim 1, characterized in that the piezoelectric transducer element ( 2 ) on a wall to be penetrated ( 10 ) which is in communication with the medium. Ultraschallwandler-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungselemente (7) zumindest bereichsweise an der zu durchschallenden Wand (10 befestigt sind.Ultrasonic transducer arrangement according to claim 2, characterized in that the electrical connection elements ( 7 ) at least partially on the wall to be audible ( 10 are attached. Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu durchschallende Wand (10) ein Bauteil aus Kunststoff ist.Ultrasonic transducer arrangement according to one of claims 2 and 3, characterized in that the wall to be penetrated through ( 10 ) is a plastic component. Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformungen (8, 9) als Nuten ausgebildet sind, die sich von Vorder-(4) bzw. Rückseite (5) zur Rück-(5) bzw. Vorderseite (4) zumindest teilweise erstrecken.Ultrasonic transducer arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the indentations ( 8th . 9 ) are formed as grooves extending from front ( 4 ) or back ( 5 ) to the return ( 5 ) or front side ( 4 ) at least partially extend. Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformungen (8, 9) an gegenüberliegenden Positionen des piezoelektrischen Wandlerelementes (2) vorgesehen sind.Ultrasonic transducer arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the indentations ( 8th . 9 ) at opposite positions of the piezoelectric transducer element ( 2 ) are provided. Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungselemente (7) auch die Vorder-(4) und/oder Rückseite (5) des piezoelektrischen Wandlerelementes (2) kontaktieren.Ultrasonic transducer arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical connection elements ( 7 ) also the front ( 4 ) and / or back ( 5 ) of the piezoelectric transducer element ( 2 ) to contact. Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungselemente (7) klammerartige Federn oder Stifte sind.Ultrasonic transducer arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical connection elements ( 7 ) are staple-like springs or pins. Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungselemente (7) an die elektrisch leitende Beschichtung (6) geklebt und/oder angelötet sind.Ultrasonic transducer arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical connection elements ( 7 ) to the electrically conductive coating ( 6 ) are glued and / or soldered. Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement (2) zwischen den elektrischen Verbindungselementen (7) und der zu durchschallenden Wand (10) fixiert ist.Ultrasonic transducer arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric transducer element ( 2 ) between the electrical connection elements ( 7 ) and the wall to be penetrated ( 10 ) is fixed. Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vorderseite (4) des Wandlerelementes (2) und zu durchschallender Wand (10) ein akustisches Koppelmittel vorgesehen ist.Ultrasonic transducer arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that between front side ( 4 ) of the transducer element ( 2 ) and through-wall ( 10 ) An acoustic coupling means is provided. Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (5) des Wandlerelementes (2) mit Luft in Verbindung steht.Ultrasonic transducer arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the rear side ( 5 ) of the transducer element ( 2 ) communicates with air. Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium mit mindestens einer Ultraschallwandler-Anordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.Flow meter for gaseous or liquid medium with at least one Ultrasonic transducer arrangement ( 1 ) according to any one of claims 1 to 12.
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