DE10341422A1

DE10341422A1 - Ultraschallwandleranordnung

Info

Publication number: DE10341422A1
Application number: DE10341422A
Authority: DE
Inventors: Michael Kochan; Gerry Schröter
Original assignee: Sick Engineering GmbH
Current assignee: Sick Engineering GmbH
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31
Also published as: EP1515303A1; EP1515303B1; US20050054932A1; ES2271748T3; PL1515303T3; ATE340398T1; DE502004001520D1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, insbesondere nach dem Längsschwingertyp, mit einem Gehäuse, wenigstens einem piezoelektrischen Element und einer den Ultraschall abstrahlenden bzw. aufnehmenden Membran. Um einen Ultraschallwandler mit möglichst kleinen Abmessungen bereitstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Membran randinnenseitig mit einem separaten Massering verbunden ist, der mit dem Gehäuse verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 100 40 344 A1 ist ein derartiger Ultraschallwandler bekannt, der zur Erzeugung und Detektion von Ultraschallsignalen eingesetzt wird und der eine wechselseitige Umwandlung von elektrischen Schwingungen in akustische Schwingungen erlaubt. Diese Ultraschallwandler werden beispielsweise in Gasdurchflusszählern eingesetzt. Jeweils paarweise angeordnete Ultraschallwandler definieren einen Messpfad, der in einem nicht senkrechten Winkel zur Längsachse liegt. Das Messprinzip besteht in einer Bestimmung einer Laufzeitdifferenz zweier Ultraschallsignale, die einmal eine Komponente in Strömungsrichtung und einmal eine Komponente entgegen der Strömungsrichtung aufweisen. Aus der gemessenen Laufzeitdifferenz lässt sich unter Berücksichtigung der Geometrie die Strömungsgeschwindigkeit berechnen.

Den prinzipiellen Aufbau eines solchen Durchflussmessers zeigt 2. Die die Ultraschallsignale erzeugenden und messenden Ultraschallwandler 16 und 18 sind mittels spezieller an das Leitungsrohr 12 angebrachter Adapterflansche 24 und 26, sogenannter Wandlertaschen, in das Rohr 12 bzw. die Rohrwandung eingesteckt.

Die Adapterflansche werden entweder eingeschweißt oder sind integraler Bestandteil des Zählerkörpers, wenn dieser in Gusstechnologie gefertigt wird. Da die Ultraschallwandler 16 und 18 unter einem bestimmten Winkel (üblicherweise 45°) eingebaut werden, entsteht immer eine Kavität 28, die eine Strömungsstörung darstellt. Diese Störung existiert unabhängig davon, wie tief der Ultraschallwandler, mittig, zurückgezogen oder eintauchend, eingesteckt ist. Die Störungen sind unter anderem um so größer je größer der Sensordurchmesser und damit verbunden die Größe der Sensortasche im Verhältnis zum Durchmesser der Messzelle ist. Die sich ausbildenden Wirbel sind nicht vollständig analytisch zu berechnen und sind von stromaufwärts des Durchflussmessers evtl. vorhandenen Vorstörungen der Strömung und der Strömungsgeschwindigkeit (Reynoldszahl) abhängig. Die dadurch entstehenden Fehler werden in der Praxis durch Kalibrierung ermittelt und in Form einer zumeist nichtlinearen Korrekturfunktion hinterlegt. Da bei der Kalibrierung immer nur ein bestimmter Reynoldszahlbereich und eine konkrete Einbausituation abgedeckt werden können, entsteht ein Restfehler bei Variation dieser Bedingungen, die in der Praxis immer vorkommen.

Weiter werden in der Praxis die Ultraschallwandler in Mehrpfadanordnungen verwendet, um Unsymmetrien in der Strömung zu erfassen. Die realisierbare Pfadanzahl wird durch den verfügbaren Anbauraum, begrenzt durch die Wandlergröße, bestimmt. Um die Genauigkeit der Strömungsmessung zu erhöhen ist es daher von Vorteil, insbesondere die Wandlerabmessungen so klein wie möglich zu halten.

Weiter ist durch die entstehende Kavität eine Gefahr der Ansammlung von Ablagerungen gegeben, welche die Messgenauigkeit beeinflussen können, wobei die Ablagerungen größer sind je größer die Kavität ist.

Zwar ist es demnach wünschenswert möglichst kleine Wandler einzusetzen, jedoch stehen einer zunehmenden Miniaturisierung funktionelle, z. B. das Übertragungsverhalten und technologische Grenzen, z. B. die Machbarkeit und Effizienz der Fertigung, gegenüber. Vorzugsweise sind bei Ultraschallwandlern für Anwendungen in Gasen wegen der relativ niedrigen Arbeitsfrequenzen vergleichsweise große Sensoren im Verhältnis zur Gaszählergröße üblich.

Die bisher realisierten Wandlerabmessungen begrenzen somit die erreichbare Genauigkeit durch zu stark gestörte Strömung bzw. lassen keine Mehrpfadanordnung von Sensoren wegen des beschränkten Anbauraumes zu. Die Größe der Sensoren bedingt auch nicht unerheblich die Gesamtkonstruktion für einen kompletten Zähler und bringt zusätzliche Probleme beispielsweise bei der Druckfestigkeit, dem Materialaufwand, dem Gewicht und hat Auswirkungen auf die gesamten Herstellkosten. Auch die Handhabung bei Fertigung, Transport, Einbau, Wartung, Reparatur wird erschwert.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Ultraschallwandler bereitzustellen, mit dem die vorgenannten Nachteile zumindest wesentlich reduziert werden können, indem der Wandler mit möglichst kleinen Abmessungen gefertigt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallwandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß weist der Ultraschallwandler ein Gehäuse, wenigstens ein piezoelektrisches Element und eine den Ultraschall abstrahlende bzw. aufnehmende Membran auf, wobei die Membran randinnenseitig mit einem separaten Massering verbunden ist, der mit dem Gehäuse verbunden ist.

In dieser erfindungsgemäßen Ausbildung ist es möglich, den Durchmesser des Wandlers sehr klein auszubilden relativ zur Arbeitsfrequenz. D.h. bei gleicher Arbeitsfrequenz ist der Wandler kleiner als bisher bekannte Wandler, wobei aber dennoch eine ausreichende Versteifung des schwingenden Systems gegeben ist, so dass Nebenresonanzen verhindert werden. Dies ist ein durch die randinnenseitige Anordnung des Masseringes bedingter wesentlicher Effekt, den die Erfinder gefunden haben.

Es ist dabei von Vorteil, wenn der Massering mit der Membran verschraubt ist, so dass der Massering und die Membran in definierter Position zueinander und fest miteinander verbunden sind. Gleiches gilt für die Verbindung des Masseringes mit dem Gehäuse.

Häufig werden die Ultraschallwandler in Durchflusszählern für aggressive und gefahrvolle sowie unter hohem Druck und Temperatur stehende Medien eingesetzt, so dass vorteilhafterweise die Membran und das Gehäuse auf der Höhe des Masseringes miteinander verschweißt sind. Damit ist eine absolute Dichtigkeit des Wandlers gegeben.

Zur weiteren Reduzierung von parasitären Nebenresonanzen kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Gehäuse innenseitig ein Dämpfungselement aufweist.

Vorteilhafterweise ist das Dämpfungselement ringförmig ausgebildet und dem Massering benachbart angeordnet.

Damit das Dämpfungselement fest an dem den Ultraschall parasitär weiterleitenden Gehäuse anliegt und seine Dämpfungswirkung optimal entfalten kann, besteht das Dämpfungselement aus einem elastischen Material, vorzugsweise einem gummiartigen Material.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann der separate Massering auch einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet sein. Die Bezeichnung "separat" soll lediglich andeuten, dass der Massering getrennt von der Membran vorgesehen ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
2 eine Messanordnung zur Messung eines Durchflusses eines Fluids unter Einsatz erfindungsgemäßer Ultraschallwandler;
3 einen Teilbereich des Ultraschallwandlers einer weiteren Ausführungsform.
In 2 ist eine Messanordnung 10 dargestellt, die das Messprinzip, beispielsweise eines Ultraschall-Gasdurchflusszählers verdeutlicht. In einer Rohrleitung 12 strömt ein Gas in Strömungsrichtung 14. In der Rohrleitung 12 sind identisch ausgebildete Ultraschallwandler 16 und 18 angeordnet, die einen Messpfad 20 definieren. Die Ultraschallwandler 16, 18 sind geeignet elektrische Signale in Ultraschall umzuwandeln und umgekehrt, zum Senden und Empfangen von Ultraschall. Der Messpfad 20 ist in einem Winkel ungleich 90° zu einer Längsachse 22 der Rohrleitung 12 angeordnet, so dass die in entgegengesetzter Richtung entlang des Messpfades 20 gesandten Ultraschallsignale aufgrund der Gasströmung 14 eine Laufzeitdifferenz aufweisen. Aus der Laufzeitdifferenz und der entsprechenden Geometrie lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Volumendurchfluss des Gases bestimmen.
Der Ultraschallwandler 16 (1) weist ein Ultraschall erzeugendes Element 30 auf, das aus zwei Piezokeramiken 32, 34 bestehen kann, die mit einer elektrischen Leitung 36 verbunden sind. Die elektrische Leitung 36 ist elektrisch isolierend geführt. Das piezoelektrische Element 30 ist zwischen zwei zylindrischen Spannabschnitten 40 und 42 eingespannt. Die beiden Spannabschnitte 40 und 42 sind über ein Spannorgan 44 miteinander verbunden, so dass das piezoelektrische Element 30 zwischen den Spannabschnitten verspannt gehalten ist. Die freie Stirnseite 46 des Spannabschnitts 42 dient als Sende- und/oder Empfangsfläche, über welche die Ultraschallsignale abgestrahlt bzw. empfangen werden.
Zur Vergrößerung der Stirnfläche 46 ist die Stirnseite als Biegeplatte 48 ausgebildet und wird im Folgenden als Membran 48 bezeichnet. Zur Aussendung von Ultraschallsignalen schwingt die Membran 48 entsprechend der von dem piezoelektrischen Element 30 erzeugten und über den starren Spannabschnitt 42 übertragenen Ultraschallschwingungen und strahlt so die Ultraschallsignale ab. Zum Empfang von Ultraschallsignalen verläuft die Signalfolge umgekehrt und die Membran 48 nimmt die Ultraschallschwingungen auf, die über den Spannabschnitt 42 an das piezoelektrische Element 30 geleitet werden, das die Schwingungen in elektrische Signale umwandelt.
Die Membran 48 weist einen abgewinkelten Rand 50 auf, an den sich ein Gehäuse 52, das die vorgenannten signalleitenden und signalverarbeitenden Komponenten umgibt. Das Gehäuse 52 ist im wesentlichen zylindrisch ausgebildet.
An seiner Innenseite ist der Rand 50 der Membran 48 mit einem Massering 54 verbunden, vorzugsweise verschraubt. Der Massering ist nur randseitig mit der Membran 48 verbunden, also nur im Bereich des Randes 50, damit die Membran 48 eine möglichst große Fläche zum Schwingen hat. Somit ist der innenseitig angeordnete Massering 54 von der Membran 48 über eine Lücke L beabstandet.
Der in den Rand 50 eingeschraubte Massering 54 steht über den Rand 50 hinaus, so dass der Massering 54 auch mit dem Gehäuse 52 verbindbar, insbesondere verschraubbar ist. Da das Gehäuse in geeigneter und nicht näher dargestellter Weise, z.B. über einen an seinem der Membran 48 abgewandten Ende 58 angeordneten Flansch, in dem Durchflusszähler festlegbar ist, sind über den Massering 54 auch die signalleitenden und signalverarbeitenden Komponenten gehalten.
Um eine absolute Dichtigkeit des Wandlers 16 zu erreichen, ist das Gehäuse 52 mit dem Rand 50 verschweißt.
Zur weiteren Reduzierung von parasitären Schwingungen weist das Gehäuse 52 innenseitig ein Dämpfungselement 64 auf, das aus einem elastischen Material, beispielsweise Gummi, bestehen kann. Das Dämpfungselement ist ringförmig ausgebildet, so dass es an der Innenseite des Gehäuses 52 zu liegen kommen kann und ist vorteilhafterweise dem Massering 54 benachbart angeordnet.
In einer weiteren, in 3 dargestellten Ausführungsform, kann der Massering 54 auch einstückig mit dem Gehäuse 52 ausgebildet sein.

Claims

Ultraschallwandler, insbesondere nach dem Längsschwingertyp, mit einem Gehäuse (52), wenigstens einem piezoelektrischen Element (30) und einer den Ultraschall abstrahlenden bzw. aufnehmenden Membran (48), dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (48) randinnenseitig mit einem separaten Massering (54) verbunden ist, der mit dem Gehäuse (52) verbunden ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Massering (54) mit der Membran (48) verschraubt ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Massering (54) mit dem Gehäuse (52) verschraubt ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (48) und das Gehäuse (52) auf der Höhe des Masseringes (54) miteinander verschweißt sind.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (52) innenseitig ein Dämpfungselement (64) aufweist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (64) ringförmig ausgebildet ist und dem Massering (54) benachbart angeordnet ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (64) aus einem elastischen Material, vorzugsweise einem gummiartigen Material, besteht.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2 oder 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Massering (54) einstückig mit dem Gehäuse (52) ausgebildet ist.