DE112004001362B4

DE112004001362B4 - Akustischer Messwandler

Info

Publication number: DE112004001362B4
Application number: DE112004001362T
Authority: DE
Inventors: James A. Hill
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2003-07-21
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2024-07-21
Also published as: GB0601056D0; GB2420410A; JP4881730B2; US7021145B2; JP2006528357A; US20050016298A1; WO2005010523A1; GB2420410B; DE112004001362T5

Abstract

Akustischer Messwandler zur Messung einer Eigenschaft eines Fluids, welcher umfaßt: einen akustischen Pulsgenerator und eine Pufferbaugruppe zwischen dem Pulsgenerator und dem Fluid, die aus einem Kern und einer über den Kern geschrumpften Hülse zusammengesetzt ist, um eine Plattierung zu bilden, die eine Zerstreuung von durch den Kern wandernden Pulsen reduziert.

Description

Erfindungshintergrund
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft akustische Messwandler, einschließlich solcher, die in Durchflussmessern verwendet werden.
2. Stand der Technik
Zur Messung des Zustandes und der Eigenschaften eines Fluids, speziell der Geschwindigkeit und der Temperatur, ist es zweckmäßig, Pulse akustischer Energie durch das Fluid zu schicken. In akustischen Messwandlern werden gewöhnlich piezokeramische Elemente verwendet, um ultrasonische akustische Pulse oder kontinuierliche Wellenfelder zu erzeugen. Diese Keramiken verlieren jedoch Polarisation, wenn sie Temperaturen ausgesetzt werden, die ihren halben Curiepunkt überschreiten. Für kommerziell verfügbare Keramiken begrenzt dies die Betriebstemperatur der Keramik auf unter 200°C. Um in Fluiden oberhalb dieser Temperatur zu arbeiten, besteht ein Verfahren darin, eine Puffer- oder Verzögerungslinie zwischen dem piezokeramischen Element und dem Fluid (z. B. Abgas) vorzusehen, wie in 1 dargestellt ist. 1 zeigt einen akustischen Messwandler 10. Der Messwandler umfasst ein piezokeramisches Element 12 und einen Puffer 14, der sich durch eine Wand 16 in das Fluid erstreckt, das als Abgas bzw. Auspuffgas dargestellt ist. Im Puffer 14 wird thermische Energie an einer internen konvektiven Grenzschicht 18 und an einer externen konvektiven Grenzschicht 20 abgegeben, wenn Wärme im Puffer 14 aufwärts zum piezokeramischen Element geführt wird. Puffer arbeiten nach Fouriers Gesetz der Wärmeleitung: q' = –ĸ grad T wobei q' der Wärmefluss, ĸ die Wärmeleitfähigkeit und T die Temperatur ist. Detaillierte Lösungen dieser Gleichung erfordern numerische Methoden, aber mit einigen vereinfachenden Annahmen lässt sich ein Puffersystem auf ein konzentriertes Parametermodell reduzieren, das als der in 2 dargestellte Ersatzschaltkreis dargestellt werden kann. 2 illustriert den Auspuff bzw. das Abgas, die Pufferspitze, die Kristall- und Umgebungstemperaturen und die thermischen Widerstände der externen konvektiven Grenzschicht, des Puffers und der internen konvektiven Grenzschicht in einen konzentrierten Parametermodell.
Für das in 2 dargestellte konzentrierte Parametermodell ist die Temperatur des Kristalls:
Ein mit existierenden Puffersystemen verbundener Nachteil besteht darin, daß ein kurzer Puffer Probleme hat, wenn er mit heißen Fluiden arbeitet, während dann, wenn der Puffer länger gemacht wird, es erforderlich ist, daß der Puffer die Wellenfront in der gewünschten Richtung führt. Feste Puffer scheitern jedoch beim effektiven Führen des akustischen Pulses, was zu einem dispersiven Puffer führt, der den ultrasonischen Puls verzerrt und die Nützlichkeit des Durchflussmessers begrenzt. Es wurde ein Puffer mit einem festen Kern und fester Plattierung vorgeschlagen, der durch Doping (z. B. Sprühbeschichtung oder Pulvermetallurgie) erzeugt wurde.
Zusätzliche Hintergrundinformationen können in den U.S. Patenten Nr. US 4 662 215 A , US 5 756 360 A , US 4 336 719 A , US 5 217 018 A , US 5 159 838 A , US 6 343 511 A , US 5 241 287 A , US 4 743 870 A , US 5 438 999 A , US 4 297 607 A und US 6 307 302 A gefunden werden. Dabei beschreibt das U.S. Patent US 4 662 215 A ein Verfahren nebst Vorrichtung zur Feststellung per Ultraschall von Einschlüssen in insbesondere geschmolzenem Aluminium.
Aus der WO 96/41 157 A1 ist eine Vorrichtung zur Ultraschallmessung von Druck, Temperatur und Durchsatz von Gasen mit einem niedrigen Molekulargewicht mittels dicht in ein Rohr gepackter Schweißstäbe aus rostfreiem Stahl bekannt, wobei das in Kontakt mit dem Gas kommende Rohrende abgedichtet ist.
Aus der AT 39 06 80 B schließlich ist eine Sonde zum Leiten mechanischer Ultraschallenergie zwecks einer Ultraschallüberprüfung oder -bearbeitung von geschmolzenem Aluminium bekannt, welche Testköpfe besitzt, die aus im Wesentlichen aus Titan hergestellte Spitzen verwenden, die mit einem Belag von Aluminium überzogen sind.
Aus den vorgenannten Gründen besteht ein Bedarf an einem verbesserten akustischen Messwandler.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen akustischen Messwandler durch Aufschrumpfen einer koaxialen Hülse auf einen Kern aus einem Material mit geringer thermischer Leitfähigkeit zu schaffen.
Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein akustischer Messwandler zur Messung einer Eigenschaft eines Fluids geschaffen. Der akustische Messwandler umfaßt einen akustischen Pulsgenerator und eine Pufferbaugruppe. Die Pufferbaugruppe ist zwischen dem Pulsgenerator und dem Fluid angeordnet. Die Pufferbaugruppe ist aus einem Kern und einer Hülse zusammengesetzt, die mit einer Schrumpfpassung auf dem Kern sitzt, um eine Plattierung zu bilden. Die Plattierung verringert eine Streuung der durch den Kern wandernden akustischen Pulse.
Der akustische Pulsgenerator kann ein piezokeramisches Element zur Erzeugung eines ultrasonischen Pulses sein. Vorzugsweise ist die thermische Leitfähigkeit des Kerns kleiner als 15 W/(m.K). Noch bevorzugter ist eine thermische Leitfähigkeit des Kerns kleiner als 1 W/(m.K). Der Kern kann aus geschmolzener Silica hergestellt sein und wird vorzugsweise aus einem Kompositum aus geschmolzener Silica und Glimmer hergestellt. Alternativ können natürlich Keramiken oder andere Materialien für den Kern verwendet werden. Bei Herstellung des Kerns aus einem leichtgewichtigen Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit, das gegen Korrosion resistenter als der Körper des Messwandlers ist, wird eine metallische Dichtungsschicht nicht benötigt und der Kern kann in direktem Kontakt mit dem Fluid stehen, das gerade gemessen wird, oder eine leichte bzw. dünne anti-reflektive Oberflächenbeschichtung aufweisen.
Die Hülse kann aus Metall hergestellt sein und besitzt vorzugsweise eine thermische Leitfähigkeit von zumindest 15 W/(m.K). Bei einer bevorzugten Verwirklichung ist die Hülse aus Titan hergestellt. Es wird gewürdigt werden, daß die Hülse mit Schrumpfpassung über den Kern gepasst ist, um eine Plattierung zu bilden. Die Plattierung verringert eine Streuung der durch den Kern wandernden akustischen Pulse. Die Schrumpfpassung der Hülse über den Kern zur Bildung der Plattierung besitzt Vorteile gegenüber anderen möglichen Techniken zur Bildung einer Plattierung, wie Sprühdeposition oder Pulvermetallurgie. Verwendung der mechanischen Technik des Aufschrumpfens sorgt für einen in geeigneter Weise plattierten Kern unter großer Einsparung an Kosten im Vergleich mit anderen möglichen Techniken. In Übereinstimmung mit der Erfindung umfassen bevorzugte Techniken zur Befestigung der Hülse am Kern die Verwendung hitzefesten Zements bzw. Klebstoffs und von Hochtemperatur-Glasschmelzen. Die Plattierung sorgt für den nötigen Gradienten der Schallgeschwindigkeit in Längsrichtung durch ein Medium, um ein Streuen von akustischen Pulsen zu reduzieren, die durch den Kern wandern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der akustische Messwandler außerdem ein thermisches Managementsystem. Das thermische Managementsystem ist an der Hülse angebracht, um Wärme von der Hülse abzuführen. Das thermische Managementsystem ist aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet und ist derart längs der Hülse angeordnet, daß von dem thermischen Managementsystem eine erhebliche Wärmemenge in die Umgebung übertragen wird, und zwar ohne übermäßige Temperaturerhöhung am Pulsgenerator. Das bevorzugte thermische Managementsystem umfasst eine Mehrzahl von am Halter angebrachten Finnen, um Wärme von der Hüse abzuführen. Das thermische Managementsystem kann bezüglich seines Materials und seiner Konfiguration variieren, vorausgesetzt, daß von dem thermischen Managementsystem eine erhebliche Wärmemenge in die Umgebung übertragen wird, und zwar ohne übermäßige Temperaturerhöhung am Pulsgenerator.
Das Hülsenmaterial besitzt vorzugsweise eine Massenschallgeschwindigkeit, die größer ist als die Massenschallgeschwindigkeit des Kernmaterials. In einem Fall, in dem die Hülse aus einem Material hergestellt worden ist, das eine Massenschallgeschwindigkeit aufweist, die geringer ist als die Massenschallgeschwindigkeit des Kernmaterials, wird die Hülse auf eine Art und Weise konfiguriert, die ihr zusätzliche Steifigkeit gibt. Das heißt, es ist bekannt, daß die Schallgeschwindigkeit in einer Beziehung zum Verhältnis der Steifigkeit zum Gewicht steht und daß ein Hinzufügen von Steifigkeit zur Hülse für eine Schallgeschwindigkeit durch die Hülse sorgen kann, die größer ist als diejenige durch den Kern, auch wenn die Massenschallgeschwindigkeit durch die Hülse kleiner ist als die Massenschallgeschwindigkeit durch den Kern. Die Hülse kann durch maschinelle Ausbildung von Stegen oder Taschen an bzw. in das Innere (oder das Äußere) der Plattierung versteift werden. Die Aussparungen in der Plattierung können leer gelassen oder mit einem Material niedriger Dichte gefüllt werden.
Während des Betriebs erstreckt sich zumindest ein Teil des Kerns in das Fluid hinein, das gerade gemessen wird. Bei einer bevorzugten Ausführung ist die Hülse derart angeordnet, dass sie die Seiten des erstreckten Kernabschnitts von der Hitze des Fluids isoliert, während die Spitze des Kerns in Kontakt mit dem Fluid gelassen wird, derart, dass der isolierte Kernabschnitt nicht plattiert ist. Dies kann durch Isolierung des Abschnitts der Kernseiten mittels eines Luftspalts erreicht werden, der von der Hülse gebildet wird.
Die mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbundenen Vorteile sind zahlreich. Beispielsweise schaffen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen akustischen Messwandler durch Aufschrumpfen einer koaxialen Hülse über einen Kern aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit. Die Plattierung reduziert Zerstreuung des durch den Kern wandernden akustischen Pulses.
Die obige Aufgabe und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Einzelbeschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Verwendung eines Puffers nach dem Stand der Technik;
2 zeigt einen elektrischen Ersatzschaltkreis der thermischen Pufferanordnung nach 1;
3 zeigt einen akustischen Messwandler nach der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt einen elektrischen Ersatzschaltkreis der in 3 dargestellten akustischen Messwandleranordnung;
5 zeigt einen alternativen akustischen Messwandler nach der vorliegenden Erfindung;
Einzelbeschreibung der bevorzugten Ausführungsform
3 zeigt einen akustischen Messwandler 30 zur Messung einer Eigenschaft eines Fluids. Der Messwandler 30 umfaßt ein piezoelektrisches Element 32 und eine aus einem Kern 34 und einer Hülse 35 zusammengesetzte Pufferbaugruppe. Die Hülse 35 ist mittels Schrumpfpassung über den Kern 34 gesetzt, um eine Plattierung zu bilden, die ein Zerstreuen der durch den Kern 34 wandernden Pulse reduziert. Die Pufferbaugruppe erstreckt sich durch eine Wand 36 in eine Leitung hinein, durch die das Fluid fließt. Die Leitung ist Teil einer Vorrichtung, in welcher der akustische Messwandler 30 verwendet wird. Der Pufferkern 34 ist aus einem Material mit niedriger thermischer Leitfähigkeit und geringem Gewicht hergestellt und besteht vorzugsweise aus geschäumter Silica und Glimmer. Die Hülse 35 ist aus Titan hergestellt und erstreckt sich durch die Wand 36, um einen Metallschirm 38 mit einem kleinen Luftspalt zwischen sich und dem Kern 34 und einem hohen Kontaktwiderstand im Vergleich zu einer konvektiven thermischen Grenzschicht 40 zu bilden. Der Metallschild 38 schützt den Puffer auch während der Installation und des Betriebs. Die Pufferspitze befindet sich in direktem Kontakt mit dem Fluid, könnte jedoch einen Oberflächenüberzug aufweisen. An der Hülse 35 sind Finnen 42 bzw. Rippen angebracht, um von unten am Körper des Kerns 34 Wärme abzuführen. Eine Hochtemperatur-Glasschmelze verbindet die Hülse 35 mit dem Pufferkern 34 unter Bildung einer Plattierung und einer hermetischen Abdichtung mit minimalem Kontaktwiderstand, um Wärme frei durch die Rippen 42 des thermischen Managementsystems fließen zu lassen. Ein Gehäuseelement 44 nimmt das piezokeramische Element 32 auf und befestigt dasselbe gegen das entfernte Ende des Pufferkerns 34. Spalte 46 in der Plattierung erlauben Wärmeabgabe bzw. -verteilung, das heißt, schützen das piezokeramische Element oder den Kristall vor der Hitze. 4 verdeutlicht mit einem elektrischen Ersatzschaltkreis den Auspuff, die Pufferspitze, den Kristall und die Umgebungstemperaturen, sowie die thermischen Widerstände der Pufferspitzen-Konvektionsgrenzschicht 40, der Pufferbaugruppe und der Rippen 42. Der Widerstand der Pufferbaugruppe ist dargestellt mit einem Teil des Widerstands vor den Rippen 42 und einem Teil des Widerstands nach den Rippen 42 zur Gestaltung der Wärmeabgabe vom unteren Bereich des Körpers des Kerns 34.
Die Hülse 35 ist aus einem Material mit einer Massenschallgeschwindigkeit hergestellt, die größer ist als die Massenschallgeschwindigkeit des Kerns 34. 5 illustriert den Fall, in dem eine Hülse 35 aus einem Material hergestellt worden ist, das eine Massenschallgeschwindigkeit aufweist, die geringer ist als die Massenschallgeschwindigkeit eines Kerns 54 mit Hülse 55, konfiguriert in einer Weise, die zusätzliche Steifigkeit verleiht, weil die Schallgeschwindigkeit durch ein Medium mit dem Verhältnis der Steifigkeit zum Gewicht korrespondiert. 5 illustriert eine solche Anordnung, bei der die Hülse 55 maschinell in das Innere der Plattierschicht eingearbeitete Taschen aufweist. Die Aussparungen in der Plattierung können leer gelassen oder mit einem Material niedriger Dichte gefüllt werden.

Claims

Akustischer Messwandler zur Messung einer Eigenschaft eines Fluids, welcher umfaßt: einen akustischen Pulsgenerator und eine Pufferbaugruppe zwischen dem Pulsgenerator und dem Fluid, die aus einem Kern und einer über den Kern geschrumpften Hülse zusammengesetzt ist, um eine Plattierung zu bilden, die eine Zerstreuung von durch den Kern wandernden Pulsen reduziert.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die thermische Leitfähigkeit der Hülse zumindest 15 W/(m.K) beträgt.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die Hülse aus Titan hergestellt ist.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die thermische Leitfähigkeit des Kerns kleiner als 15 W/(m.K) ist.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die thermische Leitfähigkeit des Kerns kleiner als 1 W/(m.K) ist.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem der Kern aus geschäumter Silika hergestellt ist.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem der Kern aus einem Kompositum aus geschmolzener Silika und Glimmer hergestellt ist.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die Hülse durch eine Hochtemperatur-Glasschmelze am Kern befestigt ist.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 8, bei welchem die Hochtemperatur-Glasschmelze von Hülse und Kern eine hermetische Dichtung bildet.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die Hülse durch einen hitzefesten Zement am Kern befestigt ist.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die Hülse aus Metall hergestellt ist.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, welcher weiter umfaßt ein an der Hülse angebrachtes thermisches Managementsystem zur Wärmeabfuhr von der Hülse, wobei das thermische Managementsystem aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet und derart längs der Hülse als eine Mehrzahl von Rippen oder Finnen angeordnet ist, daß von dem thermischen Managementsystem ohne übermäßigen Temperaturanstieg am Pulsgenerator eine erhebliche Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die Hülse aus einem Material mit einer Massenschallgeschwindigkeit hergestellt ist, die größer ist als die Massenschallgeschwindigkeit des Kernmaterials.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem die Hülse aus einem Material mit einer Massenschallgeschwindigkeit hergestellt ist, die kleiner ist als die Massenschallgeschwindigkeit des Kernmaterials.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 1, bei welchem während des Betriebs sich zumindest ein Teil des Kerns in das Fluid erstreckt, das gerade gemessen wird, und bei welchem die Hülse derart angeordnet ist, daß die Seiten des erstreckten Kernabschnitts von der Wärme des Fluids isoliert sind, während die Spitze des Kerns in Kontakt mit dem Fluid belassen wird, derart, dass der isolierte Kernabschnitt nicht plattiert ist.
Akustischer Messwandler nach Anspruch 15, bei welchem der isolierte Abschnitt der Kernseiten mittels eines von der Hülse gebildeten Luftspalts isoliert ist.