DE102020129196A1

DE102020129196A1 - Ultraschallwandler, Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers, Ultraschalldurchflussmessgerät und Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts

Info

Publication number: DE102020129196A1
Application number: DE102020129196.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Vogt
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2022-03-31

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Ultraschallwandler (1), insbesondere für ein Ultraschalldurchflussmessgerät (3), wobei der Ultraschallwandler (1) wenigstens ein elektroakustisches Element (7), wenigstens ein Gehäuse (5), wenigstens ein akustisches Fenster (6) und wenigstens eine Steuereinheit (13) aufweist, wobei das elektroakustisches Element (7) innerhalb des Gehäuses (5) derart auf dem akustischen Fenster (6) angeordnet ist, dass im Betrieb ein von dem elektroakustischem Element (7) erzeugten Ultraschallsignal das Gehäuse (5) durch das akustische Fenster (6) verlässt.Die Aufgabe, einen Ultraschallwandler anzugeben, der eine Verbesserung der Qualität des Messsignals und damit eine Vergrößerung des Messbereichs gewährleistet, ist dadurch gelöst, dass das elektroakustische Element (7) wenigstens zwei elektroakustische Scheiben (10) aufweist, wobei die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben (10) übereinander angeordnet sind und wobei wenigstens eine elektroakustische Scheibe (10) von der Steuereinheit (13) zumindest zeitweise separat angeregt werden kann.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Ultraschallwandler, insbesondere für ein Ultraschalldurchflussmessgerät, wobei der Ultraschallwandler wenigstens ein elektroakustisches Element, wenigstens ein Gehäuse, wenigstens ein akustisches Fenster und wenigstens eine Steuereinheit aufweist,
wobei das elektroakustische Element innerhalb des Gehäuses derart auf dem akustischen Fenster angeordnet ist, dass im Betrieb ein von dem elektroakustischen Element erzeugtes Ultraschallsignal das Gehäuse durch das akustische Fenster verlässt.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers in einer Messumgebung, ein Ultraschalldurchflussmessgerät mit wenigstens einem Messrohr, mit wenigstens einem Ultraschallwandler und mit wenigstens einer Steuer- und Auswerteeinheit, wobei der wenigstens eine Ultraschallwandler zumindest als Ultraschallsender, vorzugsweise als Ultraschallsender und -empfänger, ausgebildet ist und wobei der Ultraschallwandler derart an dem Messrohr angeordnet ist, dass er im Betrieb ein Ultraschallsignal in oder entgegen der Strömungsrichtung eines strömenden Mediums in das Messrohr aussendet, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts.
Aus dem Stand der Technik bekannte Ultraschallwandler zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines durch ein Messrohr strömenden Mediums senden im Betrieb unabhängig von der aktuellen Prozesssituation ein Ultraschallsignal mit fester Frequenz und mit einer festen Strahlbreite aus.
Grundsätzlich ist die Qualität eines Ultraschallmesssignals, das ein Medium durchläuft, abhängig von den Absorptionseigenschaften des Mediums, der Viskosität des Mediums sowie von den aktuellen Prozessbedingungen. Die Qualität des Transmissionssignals mindernde Effekte sind beispielsweise die Dämpfung des Signals durch das Medium oder Verwehungseffekte bei hohen Fließgeschwindigkeiten im Fall einer Messung von strömenden Medien. Im Folgenden wird ein Ultraschallsignal, das ein Medium durchquert hat, als Empfangssignal bezeichnet.
Zur Vermeidung oder Reduzierung der zuvor dargelegten Nachteile ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Ultraschallwandler anzugeben, der eine Verbesserung der Qualität des Empfangssignals gewährleistet.
Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers, ein Ultraschalldurchflussmessgerät und ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts anzugeben, das jeweils eine Verbesserung der Qualität eines Empfangssignals gewährleistet.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die zuvor dargelegte Aufgabe dadurch gelöst, dass das elektroakustische Element wenigstens zwei elektroakustische Scheiben aufweist, wobei die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben übereinander angeordnet sind und wobei wenigstens eine elektroakustische Scheibe von der Steuereinheit zumindest zeitweise separat angeregt werden kann.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das elektroakustische Element eines Ultraschallwandlers modular ausgebildet sein kann, sodass es in unterschiedlicher Weise angeregt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass Einfluss auf die Eigenschaften des im Betrieb erzeugten Ultraschallsignals genommen werden kann. Im Detail können die Eigenschaften des Ultraschallsignals an die Eigenschaften des Mediums und/oder an die aktuelle Prozesssituation angepasst werden, wodurch im Ergebnis die Qualität des Empfangssignals verbessert werden kann.
Im Betrieb kann beispielsweise genau eine elektroakustische Scheibe zur Schwingung angeregt werden, wobei die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben derart miteinander verbunden sind, dass die zweite elektroakustische Scheibe mitschwingt, sodass im Ergebnis die Resonanzfrequenz des durch das elektroakustische Element gebildeten Resonators durch die Kombination der wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben bestimmt wird. Unter einer separaten Anregung im Sinne der Erfindung ist damit nicht gemeint, dass eine separat angeregte elektroakustische Scheibe alleine frei schwingt.
Durch die Ausgestaltung und/oder Ansteuerung der zweiten elektroakustischen Scheibe kann die Resonanzfrequenz des elektroakustischen Elements insgesamt beeinflusst werden, wodurch im Ergebnis die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals variiert werden kann. Dies wird nachfolgend für unterschiedliche Ausgestaltungen detaillierter ausgeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben separat angesteuert werden. In diesem Fall sind beide elektroakustischen Scheiben separat mit der Steuereinheit verbunden. Im Betrieb können die wenigstens zwei Scheiben beispielsweise unterschiedlich angeregt werden. Denkbar ist auch, dass die elektroakustischen Scheiben zumindest zeitweise parallel oder in Serie geschaltet sind. Besonders bevorzugt sind die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben derart mit der Steuereinheit verbunden, dass im Betrieb zwischen unterschiedlichen Ansteuerungen der einzelnen elektroakustischen Scheiben umgeschaltet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das elektroakustische Element ein Piezoelement, also ein Element aus einem piezokeramischen Material, und/oder ein mikromechanisches Element eines kapazitiv mikromechanischen Ultraschallwandlers. Vorzugsweise ist weiterhin eine elektroakustische Scheibe eine Piezoscheibe, also eine Scheibe aus einem piezokeramischen Material, und/oder eine mikromechanische Scheibe eines kapazitiv mikromechanischen Ultraschallwandlers. Andere elektroakustische Elemente bzw. Scheiben sind für die Realisierung der Erfindung ebenfalls denkbar.
Besonders bevorzugt weisen die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben jeweils eine erste und eine zweite Stirnfläche auf, wobei mit dem elektroakustischen Element wenigstens drei Elektroden verbunden sind, wobei wenigstens eine Elektrode auf der dem akustischen Fenster zugewandten Stirnfläche der ersten elektroakustischen Scheiben angeordnet ist, wobei wenigstens eine Elektrode zwischen der ersten und der zweiten elektroakustischen Scheibe angeordnet ist, und wobei wenigstens eine Elektrode auf der dem akustischen Fenster abgewandten Stirnfläche der zweiten elektroakustischen Scheibe angeordnet ist.
Ist die elektroakustische Scheibe im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet, so entsprechen die Stirnflächen einer elektroakustischen Scheibe den einander gegenüberliegenden Grundflächen des Zylinders. Diese Grundflächen können kreisförmig ausgebildet sein oder auch die Form eines Vielecks oder einer Ellipse aufweisen.
Besonders bevorzugt sind auf wenigstens einer Stirnfläche der ersten und/oder der zweiten elektroakustischen Scheibe wenigstens zwei Elektroden angeordnet, wobei die wenigstens zwei Elektroden sich in ihrer Form und/oder ihrer Größe unterscheiden.
Beispielsweise umgibt eine als Ringelektrode ausgebildete erste Elektrode eine zweite innerhalb der Ringelektrode liegende zweite Elektrode. Vorzugsweise sind gemäß dieser Ausgestaltung beide Elektroden kreisförmig oder elliptisch ausgebildet. Gemäß dieser Ausgestaltung können die beiden Elektroden im Betrieb einzeln oder parallel angesteuert werden.
Die Form und/oder die Größe der Elektroden hat bei Anregung der elektroakustischen Scheibe Einfluss auf die Form des erzeugten Ultraschallsignals.
Neben der Ausgestaltung als Ringelektrode mit einer innenliegenden Elektrode sind ebenfalls andere Elektrodenformen denkbar und vorteilhaft. Beispielsweise kann auf einer Stirnfläche eine Mehrzahl an Elektroden vorhanden sein, wobei im Betrieb die einzelnen Elektroden zur Einstellung der Strahlform, insbesondere der Strahlbreite, des ausgesendeten Ultraschallsignals separat und/oder in unterschiedlichen Kombinationen angesteuert werden können.
Beispielsweise können die Elektroden sechseckig und/oder rechteckig, vorzugsweise quadratisch, ausgebildet sein, sodass sich insgesamt ein Raster mit separat ansteuerbaren Elektroden ergibt. Die angesteuerte geometrische Form kann gemäß dieser Ausgestaltung besonders flexibel eingestellt werden. Besonders bevorzugt ist auf einer Stirnfläche eine Kombination aus sieben oder 19 sechseckförmigen Waben oder eine Kombination aus 4, 6, 9 oder 12 Quadraten angeordnet. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Strahlform einerseits besonders flexibel eingestellt werden kann und weiterhin neben der symmetrischen Form auch als unsymmetrische Strahlform ausgebildet sein kann.
Durch die Ansteuerung von unterschiedlichen Elektroden kann im Betrieb insofern auch die Form des Ultraschallsignals variiert werden. Durch die alternative Ansteuerung von zwei Elektrodengeometrien kann im Betrieb in vorteilhafter Weise zwischen zwei Strahlformen umgeschaltet werden. Insofern weist diese Ausgestaltung den Vorteil auf, dass das erzeugte Ultraschallsignal besonders gut auf die aktuelle Messsituation eingestellt werden kann.
Ist das zu messende Medium ein strömendes Medium, so kann es passieren, dass das in das Medium ausgesendete Ultraschallsignal die Empfangseinheit aufgrund des Verwehungseffektes nicht erreicht. In diesem Fall ist es vorteilhaft die Strahlbreite zu vergrößern, sodass auch hohe Strömungsgeschwindigkeiten erfasst werden können. Zudem kann eine Überlagerung von Reflexionen an Oberflächen der Messumgebung, wie beispielsweise an der Innenwand eines Messrohrs, mit dem Empfangssignal reduziert werden, wenn die Strahlbreite des erzeugten Ultraschallsignals reduziert wird.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens eine Elektrode als Masseelektrode ausgebildet, wobei die Masseelektrode vorzugsweise gemeinsame Masseelektrode für die wenigstens zwei anderen Elektroden ist. Besonders bevorzugt ist die Masseelektrode auf der dem akustischen Fenster zugewandten Stirnfläche des elektroakustischen Elementes angeordnet. In diesem Fall hat die Masseelektrode dasselbe Potenzial wie das Gehäuse. Besonders bevorzugt bedeckt die Masseelektrode die Stirnfläche, auf der die Masseelektrode angeordnet ist, im Wesentlichen vollständig.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weisen wenigstens zwei elektroakustische Scheiben im Wesentlichen die gleiche Dicke auf. Die Dicke einer elektroakustischen Scheibe ist im Fall einer zylinderförmigen Scheibe gleichbedeutend mit der Höhe der Scheibe.
Zudem ist es auch vorteilhaft, wenn wenigstens zwei elektroakustische Scheiben eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Beispielsweise kann die zur Anregung vorgesehene elektroakustische Scheibe dicker ausgebildet sein als die auf dieser Scheibe angeordnete zweite elektroakustische Scheibe.
Denkbar ist ebenfalls, dass das elektroakustische Element eine Mehrzahl an elektroakustischen Scheiben aufweist, die teilweise eine gleiche Dicke und/oder teilweise eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Diese Scheiben können im Betrieb parallel oder in Serie betrieben werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen wenigstens zwei elektroakustische Scheiben das gleiche Material auf. Beispielsweise sind wenigstens zwei elektroakustische Scheiben aus einer Piezokeramik ausgebildet.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn wenigstens zwei elektroakustische Scheiben ein unterschiedliches Material aufweisen.
Besonders bevorzugt ist wenigstens eine elektroakustische Scheibe mit einer einstellbaren Last, insbesondere einer induktiven und/oder kapazitiven Last, verbunden. Im Betrieb kann durch Anlegen der Last eine akustische Impedanz in diese elektroakustische Scheibe transformiert werden, die die Schwingung der anderen, aktiv angeregten elektroakustischen Scheibe beeinflusst. Im Ergebnis kann so die Resonanzfrequenz des gesamten elektroakustischen Elementes und damit die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals verändert werden. Im Betrieb kann so die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals beispielsweise derart angepasst werden, dass die Absorption durch das Medium minimal ist.
Denkbar ist ebenfalls, dass eine Mehrzahl von elektroakustischen Scheiben mit unterschiedlichen Lasten beaufschlagt werden.
Beispielsweise kann die einstellbare Last als Gyrator ausgebildet sein. Weiterhin kann die Last eine hochohmige Last sein. Zudem kann die Last mit einem Schalter derart verbunden sein, dass die Last im Betrieb bedarfsweise zu geschaltet werden kann. Gemäß dieser Ausgestaltung kann im Betrieb besonders leicht zwischen der Aussendung von zwei unterschiedlichen Frequenzen umgeschaltet werden.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs dargelegte Aufgabe durch ein eingangs genanntes Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers in einer Messumgebung, dadurch gelöst, dass der Ultraschallwandler gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist,
dass der Ultraschallwandler ein Ultraschallsignal in ein Medium aussendet und
dass in Abhängigkeit von der Viskosität des Mediums und/oder der Absorption des erzeugten Ultraschallsignals durch das Medium das elektroakustische Element, insbesondere wenigstens eine elektroakustische Scheibe, angesteuert wird.
Wenn es heißt, dass in Abhängigkeit von der Viskosität des Mediums und/oder in Abhängigkeit von der Absorption des erzeugten Ultraschallsignals durch das Medium das elektroakustische Element angesteuert wird, so ist damit gemeint, dass wenn der Wert der Viskosität des Mediums unterhalb von einem Grenzwert liegt, die elektroakustischen Scheiben derart angesteuert werden, dass das Ultraschallsignal eine erste Frequenz aufweist, liegt der Wert der Viskosität oberhalb von einem Grenzwert, werden die elektroakustischen Scheiben derart angesteuert, dass das Ultraschallsignal eine zweite Frequenz aufweist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Transmission des Ultraschallsignals durch das Medium bei den wenigstens zwei zu realisierenden Frequenzen bestimmt werden, wobei das elektroakustische Element dann derart angesteuert wird, das ein Ultraschallsignal mit einer Frequenz ausgesendet werden, deren Absorption minimal ist.
Besonders bevorzugt kann im Betrieb der Ultraschallwandler zwischen zwei Frequenzen, beispielsweise zwischen 1 MHz und 2 MHz, umgeschaltet werden.
Beispielsweise kann das Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers zur Messung des Durchflusses eines strömenden Mediums oder auch zur Füllstandmessung eingesetzt werden.
Grundsätzlich kann das Medium, in das das Ultraschallsignal ausgesendet wird ein flüssiges Medium oder ein gasförmiges Medium sein.
Gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs dargelegte Aufgabe durch ein eingangs beschriebenes Ultraschalldurchflussmessgerät dadurch gelöst, dass der wenigstens eine Ultraschallwandler gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind wenigstens zwei Ultraschallwandler vorhanden, wobei beide Ultraschallwandler als Ultraschallsender und als Ultraschallempfänger ausgebildet sind und wobei beide Ultraschallwandler gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet sind. Die beiden Ultraschallwandler können hinsichtlich der Ausgestaltung des elektroakustischen Elementes gleich ausgebildet sein. Alternativ kann der Aufbau der elektroakustischen Elemente der beiden Ultraschallwandler sich unterscheiden.
Besonders bevorzugt ist in der Steuer- und Auswerteeinheit ein Zusammenhang zwischen der Viskosität des Mediums und/oder der Absorption des Ultraschallsignals durch das Medium und der Ansteuerung des elektroakustischen Elementes hinterlegt.
Vorzugsweise weist das Ultraschalldurchflussmessgerät eine weitere Sensoreinheit zur Erfassung der Viskosität des Mediums auf.
Gemäß einer vierten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs dargelegte Aufgabe durch ein eingangs beschriebenes Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts dadurch gelöst, dass das Ultraschalldurchflussmessgerät gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist und dass der wenigstens eine Ultraschallwandler nach einem oben beschriebenen Verfahren betrieben wird.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Ultraschalldurchflussmessgerät wenigstens zwei Ultraschallwandler auf, wobei beide Ultraschallwandler als Ultraschallsender und als Ultraschallempfänger ausgebildet sind, wobei beide Ultraschallwandler gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet sind, wobei beide Ultraschallwandler im Hinblick auf die Ausgestaltung des elektroakustischen Elementes gleich ausgebildet sind und wobei die beiden Ultraschallwandler im Betrieb gleich angesteuert werden.
Im Detail werden die beiden Ultraschallwandler derart angesteuert, dass sie dieselbe Frequenz aussenden. Gemäß dieser Ausgestaltung arbeiten die Ultraschallwandler im Sendemodus und im Empfangsmodus auf derselben Frequenz.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens sendet ein erster Ultraschallwandler ein Ultraschallsignal mit einer ersten Frequenz f₁ und ein zweiter Ultraschallwandler sendet ein Ultraschallsignal mit einer zweiten Frequenz f₂. Gemäß dieser Ausgestaltung arbeiten die Ultraschallwandler im Sendemodus und im Empfangsmodus auf unterschiedlichen Frequenzen. Im Detail wird der erste Ultraschallwandler im Empfangsmodus derart betrieben, dass er eine Frequenz f₂ empfängt, der zweite Ultraschallwandler wird im Empfangsmodus derart betrieben, dass eine Frequenz f₁ empfängt.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler, das erfindungsgemäße Ultraschalldurchflussmessgerät und die erfindungsgemäßen Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele zusammen mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1a einen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallwandler,
1b ein aus dem Stand der Technik bekanntes Piezoelement,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflussmessgeräts,
10 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Ultraschallwandlers und
11 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts.

1a zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallwandler 1, der für den Einsatz in einem Ultraschalldurchflussmessgerät 3 geeignet ist. Der Ultraschallwandler 1 weist ein Gehäuse 5 und ein akustisches Fenster 6 auf. Zudem ist ein elektroakustisches Element 7 vorhanden, das als Piezoelement ausgestaltet ist und das auf dem akustischen Fenster 6 angeordnet ist. Im Betrieb wird an das elektroakustische Element 7 eine Spannung angelegt, wodurch das elektroakustische Element 7 in Schwingung versetzt wird. Die Weitergabe dieser Schwingung durch das akustische Fenster 6 erzeugt im Betrieb ein Ultraschallsignal in dem vor dem akustischen Fenster 6 angeordneten Medium.
1b zeigt das elektroakustische Element 7 in vergrößerter Ansicht. Auf den Stirnflächen 8 des elektroakustischen Elementes 7 sind Elektroden 9 angeordnet, an die im Betrieb eine Spannung zur Anregung des elektroakustischen Elements 7 gelegt wird. Grundsätzlich bestimmt die Form der Elektroden 9 die Form des von dem elektroakustischen Element 7 ausgesendeten Ultraschallsignals, insbesondere die Breite des Ultraschallkegels. Die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals ist abhängig von der Höhe des elektroakustischen Elements. Üblicherweise wird ein elektroakustisches Element so angeregt, dass es in Resonanz schwingt. Dabei schwingt das elektroakustische Element derart, dass die Höhe des elektroakustischen Elementes einem ganzzahligen, vorzugsweise ungeraden, Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements 7, das als Piezoelement ausgestaltet ist. Das elektroakustische Element 7 weist zwei elektroakustische Scheiben 10 in Form von Piezoscheiben auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die elektroakustischen Scheiben 10 die gleiche Dicke sowie das gleiche Material auf. Zudem sind die elektroakustischen Scheiben 10 im Betrieb separat ansteuerbar. Im Detail können die elektroakustischen Scheiben 10 einzeln mit einer Spannung beaufschlagt werden. Im Betrieb können die elektroakustischen Scheiben 10 insofern mit der gleichen Spannung oder auch mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Elements 7 in Form eines Piezoelements, wobei das elektroakustische Element 7 ebenfalls zwei elektroakustische Scheiben 10 gleicher Dicke aufweist. Alternativ zu der separaten Ansteuerung der einzelnen elektroakustischen Scheiben 10 können die elektroakustischen Scheiben 10 auch zusammen angeregt werden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Elements 7 in Form eines Piezoelements, wobei das elektroakustische Element 7 zwei elektroakustische Scheiben 10 in Form von Piezoscheiben aufweist. Im Betrieb wird die untere elektroakustische Scheibe durch Anlegen einer Spannung angeregt. Die obere Scheibe ist mit einer elektrischen Last 11 verbunden, die im Betrieb die Schwingung der oberen elektroakustischen Scheibe 10 beeinflusst. Die Resonanzfrequenz der Kombination der beiden elektroakustischen Scheiben 10 kann im Betrieb auf diese Weise verstimmt werden, sodass das auch die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals angepasst werden kann.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements 7 in Form eines Piezoelements, wobei das elektroakustische Element 7 zwei elektroakustische Scheiben 10 Form von Piezoscheiben aufweist. Im Unterschied zu den in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die elektroakustischen Scheiben 10 eine unterschiedliche Dicke auf. Die untere elektroakustische Scheibe 10 weist eine Dicke d₂ auf, die größer ist als die Dicke d₁ der oberen elektroakustischen Scheibe.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Elements 7 in Form eines Piezoelements dargestellt, wobei das elektroakustische Element 7 drei elektroakustische Scheiben 10 in Form von Piezoscheiben umfasst. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist derart ausgestaltet, dass im Betrieb an die mittlere elektroakustische Scheibe 10, die eine größere Dicke d₂ als die beiden äußeren elektroakustischen Scheiben 10 aufweist, eine Spannung zur Anregung des elektroakustischen Elements 7 angelegt wird. Die beiden äußeren elektroakustischen Scheiben sind jeweils mit einer einstellbaren Last verbunden, durch die im Betrieb die Schwingung der Kombination aus den drei elektroakustischen Scheiben beeinflusst werden kann.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Elements 7 in Form eines Piezoelements, wobei das elektroakustische Element 7 zwei elektroakustische Scheiben 10 in Form von Piezoscheiben aufweist. Jede elektroakustische Scheibe 10 weist eine obere Stirnfläche 8 und eine untere Stirnfläche 8 auf, wobei die elektroakustischen Scheiben 10 über die obere Stirnfläche 8 des unteren elektroakustischen Elements 10 und die untere Stirnfläche 8 des oberen elektroakustischen Elements 10 miteinander verbunden sind. Auf der unteren Stirnfläche 8 der unteren elektroakustischen Scheibe 10 ist eine Elektrode 9 angeordnet, die als Masseelektrode ausgebildet ist. Diese Elektrode dient für sämtliche anderen Elektroden 9, die mit dem elektroakustischen Element 7 verbunden sind, als Masseelektrode. Auf der oberen Stirnfläche 8 der unteren elektroakustischen Scheibe 10 ist eine äußere Ringelektrode 9 und eine weitere innerhalb der Ringelektrode 9 angeordnete Elektrode vorhanden. Auf der oberen Stirnfläche der oberen elektroakustischen Scheibe 8 ist eine Mehrzahl von sechseckigen Elektroden 9 angeordnet, die im Betrieb einzeln oder auch parallel angesteuert werden können.
Im Betrieb kann entweder eine oder auch beide elektroakustischen Scheiben angeregt werden, wobei durch eine unterschiedliche Ansteuerung der Elektroden auch die Strahlform des erzeugten Ultraschallsignals beeinflusst werden kann.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements 7, das als Piezoelement ausgebildet ist. Das elektroakustische Element 7 weist ebenfalls zwei übereinander angeordnete elektroakustische Scheiben 10 in Form von Piezoscheiben auf, wobei auf den Stirnflächen 7 der elektroakustischen Scheiben 10 jeweils wenigstens eine Elektrode 9 angeordnet ist.
Auf der oberen Stirnfläche 8 der unteren elektroakustischen Scheibe 10 und auf der oberen Stirnfläche 8 der oberen elektroakustischen Scheibe 10 sind jeweils zwei separat oder parallel ansteuerbare Elektroden 9 angeordnet, wobei jeweils eine äußere Ringelektrode 9 eine innere kreisförmige Elektrode 9 umgibt.
Im Betrieb wird an wenigstens eine auf der oberen Stirnfläche 8 der unteren elektroakustischen Scheibe 10 und an die auf der unteren Stirnfläche 8 der unteren elektroakustischen Scheibe 10 angeordnete Elektrode 9 eine Spannung zur Anregung der unteren elektroakustischen Scheibe 10 angelegt. Durch die Anregung der unteren elektroakustischen Scheibe 10 wird im Betrieb die obere elektroakustische Scheibe 10 ebenfalls zur Schwingung angeregt. Zwischen wenigstens einer Elektrode 9 auf der unteren Stirnfläche 8 der oberen elektroakustischen Scheibe 10 und wenigstens einer auf der oberen Stirnfläche 8 der oberen elektroakustischen Scheibe 10 angeordneten Elektrode 9 liegt eine zusätzliche elektrische Last an, über die im Betrieb die Schwingung der oberen elektroakustischen Scheibe 10 gedämpft werden kann, sodass im Ergebnis die Resonanzschwingung des elektroakustischen Elementes 7 insgesamt verstimmt werden kann. Die Steuereinheit 13 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Multiplexer oder als schaltbare Matrix ausgebildet. Im Ergebnis kann mittels des dargestellten Ausführungsbeispiels sowohl durch die Mehrzahl an verschiedenen Elektroden 9 die Strahlform angepasst werden als auch durch die gesonderte Ansteuerung der elektroakustischen Scheiben 10 die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals beeinflusst werden kann.
Zudem kann die dargestellte elektroakustische Scheibe im Betrieb im Sendemodus anders betrieben werden als im Empfangsmodus.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist insofern besonders flexibel einstellbar im Hinblick auf die Eigenschaften des erzeugten Ultraschallsignals.
9 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflussmessgeräts 3 mit zwei erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern 1. Beide Ultraschallwandler 1 sind sowohl als Ultraschallsender als auch als Ultraschallempfänger ausgebildet. Die Ultraschallwandler 1 sind derart versetzt an dem Messrohr 12 angeordnet, dass ein Ultraschallsignal jeweils in und entgegen der Strömungsrichtung in das Medium ausgesendet wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Ultraschallwandler kann jeder Ultraschallwandler in Abhängigkeit der Messsituation und der Eigenschaften des zu vermessenden Mediums unterschiedlich angesteuert werden. Im Ergebnis können die Ultraschallwandler 1 Signale mit zwei unterschiedlichen Strahlbreiten ΔΘ₁ und ΔΘ₂ sowie auch mit zwei unterschiedlichen Frequenzen f₁ und f₂ aussenden.
Insofern kann der Betrieb des Ultraschalldurchflussmessgeräts 3 besonders flexibel an das Medium und die aktuelle Messsituation angepasst werden.
10 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 2 zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 1.
In einem ersten Schritt wird die Viskosität des zu messenden Mediums bestimmt 14. In Abhängigkeit von der Viskosität wird eine Spannung an eine elektroakustische Scheibe 10 angelegt. Durch die festgelegte Spannung wird die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals derart eingestellt, dass sie 1 MHz oder 2 MHz beträgt.
Alternativ zur Bestimmung der Viskosität des Mediums kann auch die Intensität der Transmission eines Ultraschallsignals bestimmt werden, und/oder das Frequenzspektrum des Transmissionssignals kann bestimmt werden. Insofern kann auch alternativ die Frequenz des Ultraschallsignals derart eingestellt werden, dass die Transmission durch das Medium maximal ist.
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 4 zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts 3, wobei das Ultraschalldurchflussmessgerät 3 wie in 9 dargestellt, ausgebildet ist. In einem ersten Schritt 14 wird die Viskosität des Mediums bestimmt. In Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der Viskosität wird bei jedem Ultraschallwandler 1 eine Spannung an eine elektroakustische Scheibe 10 angelegt 15, wodurch die Frequenz des Ultraschallsignals eingestellt wird. Aus den gemessenen Laufzeiten der Ultraschallsignale wird die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bestimmt 16.
Anschließend wird die Viskosität erneut bestimmt 14, bevor ein zweites Ultraschallsignal zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ausgesendet wird.
Die Bestimmung der Viskosität des zu messenden Mediums kann vor jeder Messung erfolgen, in einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt die Messung in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen. Weiterhin können die Ultraschallwandler mit der gleichen Frequenz betrieben werden, alternativ können die Ultraschallsignale auch mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. In diesem Fall arbeiten die einzelnen Ultraschallwandler in Sendebetrieb mit anderen Frequenzen als im Empfangsbetrieb.
Im Ergebnis weist das dargestellte Verfahren den Vorteil auf, dass der Betrieb der Ultraschallwandler 1 und insofern der Betrieb des Ultraschalldurchflussmessgeräts 3 auf das Medium und/oder auf die aktuelle Messsituation angepasst werden kann, sodass insgesamt der Messprozess verbessert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallwandler
2: Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers
3: Ultraschalldurchflussmessgerät
4: Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts
5: Gehäuse
6: akustisches Fenster
7: elektroakustisches Element
8: Stirnfläche
9: Elektrode
10: elektroakustische Scheibe
11: elektrische Last
12: Messrohr
13: Steuereinheit
14: Bestimmung der Viskosität
15: Anlegen einer Spannung an eine elektroakustische Scheibe
16: Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit

Claims

Ultraschallwandler (1), insbesondere für ein Ultraschalldurchflussmessgerät (3), wobei der Ultraschallwandler (1) wenigstens ein elektroakustisches Element (7), wenigstens ein Gehäuse (5), wenigstens ein akustisches Fenster (6) und wenigstens eine Steuereinheit (13) aufweist, wobei das elektroakustische Element (7) innerhalb des Gehäuses (5) derart auf dem akustischen Fenster (6) angeordnet ist, dass im Betrieb ein von dem elektroakustischen Element (7) erzeugtes Ultraschallsignal das Gehäuse (5) durch das akustische Fenster (6) verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass das elektroakustische Element (7) wenigstens zwei elektroakustische Scheiben (10) aufweist, wobei die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben (10) übereinander angeordnet sind und wobei wenigstens eine elektroakustische Scheibe (10) von der Steuereinheit (13) zumindest zeitweise separat angeregt werden kann.
Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 1, dass das elektroakustische Element (7) ein Piezoelement ist und/oder ein mikromechanisches Element eines kapazitiv mikromechanischen Ultraschallwandlers ist und/oder dass wenigstens eine elektroakustische Scheibe (10) eine Piezoscheibe und/oder eine mikromechanische Scheibe eines kapazitiv mikromechanischen Ultraschallwandlers ist.
Ultraschallwandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben (10) jeweils eine erste und eine zweite Stirnflächen (8) aufweisen, dass mit dem elektroakustischen Element (7) wenigstens drei Elektroden (9) verbunden sind, wobei wenigstens eine Elektrode (9) auf der dem akustischen Fenster (6) zugewandten Stirnfläche (8) der ersten elektroakustischen Scheiben (10) angeordnet ist, wobei wenigstens eine Elektrode (9) zwischen der ersten und der zweiten elektroakustischen Scheibe (10) angeordnet ist, und wobei wenigstens eine Elektrode (9) auf der dem akustischen Fenster (6) abgewandten Stirnfläche (8) der zweiten elektroakustischen Scheibe (10) angeordnet ist.
Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei elektroakustische Scheiben (10) im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen.
Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei elektroakustische Scheiben (10) eine unterschiedliche Dicke aufweisen.
Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei elektroakustische Scheiben (10) das gleiche Material aufweisen.
Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei elektroakustische Scheiben (10) ein unterschiedliches Material aufweisen.
Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine elektroakustische Scheibe (10) mit einer einstellbaren Last, insbesondere einer induktiven und/oder kapazitiven Last, verbunden ist.
Verfahren (2) zum Betreiben eines Ultraschallwandlers (1) in einer Messumgebung, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist, dass der Ultraschallwandler (1) ein Ultraschallsignal in ein Medium aussendet und dass in Abhängigkeit von der Viskosität des Mediums und/oder der Absorption des erzeugten Ultraschallsignals durch das Medium das elektroakustische Element (7), insbesondere wenigstens eine elektroakustische Scheibe (10), angesteuert wird.
Ultraschalldurchflussmessgerät (3) mit wenigstens einem Messrohr (12), mit wenigstens einem Ultraschallwandler (1) und mit wenigstens einer Steuer- und Auswerteeinheit, wobei der wenigstens eine Ultraschallwandler (1) zumindest als Ultraschallsender, vorzugsweise als Ultraschallsender und -empfänger, ausgebildet ist und wobei der Ultraschallwandler (1) derart an dem Messrohr (12) angeordnet ist, dass er im Betrieb ein Ultraschallsignal in oder entgegen der Strömungsrichtung eines strömenden Mediums in das Messrohr (12) aussendet, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ultraschallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
Ultraschalldurchflussmessgerät (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuer- und Auswerteeinheit ein Zusammenhang zwischen der Viskosität des zu messenden Mediums und/oder der Absorption des Ultraschallsignals durch das Medium und der Ansteuerung des elektroakustischen Elementes (7) hinterlegt ist.
Verfahren (4) zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschalldurchflussmessgerät (3) gemäß Anspruch 10 oder 11 ausgebildet ist und dass der wenigstens eine Ultraschallwandler (1) nach einem Verfahren (2) gemäß Anspruch 9 betrieben wird.
Verfahren (4) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschalldurchflussmessgerät (3) wenigstens zwei Ultraschallwandler (1) aufweist, wobei die wenigstens zwei Ultraschallwandler (1) als Ultraschallsender und als Ultraschallempfänger ausgebildet sind und wobei beide Ultraschallwandler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet sind, wobei beide Ultraschallwandler (1) im Hinblick auf die Ausgestaltung des elektroakustischen Elementes (7) gleich ausgebildet sind und wobei die beiden Ultraschallwandler (1) im Betrieb gleich angesteuert werden.