CN103968903A - 超声变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声变换器，其作为超声波流量测量仪的重要部分，其带有变换器壳体1和变换器元件2，其中，变换器壳体1具有超声窗口4和壳体管10，变换器元件2构造用于发送或接收超声波且靠近变换器壳体2的超声窗口4或远离变换器壳体1的超声窗口4来设置，其中，设置有相对软的机械的耦合系统7，并且其中，机械的耦合系统7优选地具有弱耦合的机械的至少一个谐振器8。根据本发明，超声变换器在阻止壳体波的传输方面改善，亦即通过设置有较软的机械的第二耦合系统9。

Description

超声变换器
技术领域
本发明涉及一种超声变换器(Ultraschallwandler)，其作为超声波流量测量仪的重要部分，其带有变换器壳体且带有变换器元件，其中，变换器壳体具有超声窗口和壳体管，变换器元件构造用于发送或接收超声波并且靠近变换器壳体的超声窗口或者远离变换器壳体的超声窗口来设置，并且其中，设置有相对软的机械的耦合系统(Koppelsystem)。在此，变换器壳体可在第一区域中具有超声窗口。通常，超声波作为在变换器壳体的第一区域之间的壳体波(Gehaeusewelle)可经由变换器壳体的中间的第二区域传递到与变换器壳体的第一区域相对而置的变换器壳体的第三区域中。相对软的机械的耦合系统可设置在变换器壳体的第二区域中并且具有弱耦合的机械的至少一个谐振器、优选地具有弱耦合的机械的两个谐振器。
背景技术
在工业中，测量、控制、调节及自动化技术特别重要。这尤其适用于是控制、调节及自动化技术的基础的测量技术。测量技术的一重要领域是流量测量技术(参看sc. nat.博士教授Otto Fiedler的“Stroemungs- und Durchflussmesstechnik”慕尼黑R. Oldenbourg出版社101992的的全面介绍)。对于流量测量技术，根据机械作用原理的流量测量、尤其浮体流量测量仪和科里奥利流量测量仪、热式流量测量仪、磁感应式流量测量仪以及超声波流量测量仪特别重要(参看出处同上的“Stroemungs- und Durchflussmesstechnik”)。
在超声波流量测量仪中充分利用该效应，即在测量管中运输的介质中介质的运输速度叠加于声音信号的传播速度。当在声音信号的方向来运输介质时所测量的声音信号相对于测量管的传播速度即比在静止的介质中更大，而当与声音信号的方向相反地来运输介质时声音信号相对于测量管的速度比在静止的介质中更小。声音信号在声音发射器和声音接收器(声音发射器和声音接收器是超声变换器)之间的运行时间根据带动效应(Mitfuehreffekt)取决于介质相对于测量管且因此相对于超声变换器、即相对于声音发射器和声音接收器的运输速度。
在超声波流量测量仪中有问题的是，在超声变换器中产生的超声波或由超声变换器所接收的超声波不仅由变换器壳体的发射侧和/或接收侧传递到超声变换器的周围的介质中，所发射的或接收的超声波还经由变换器壳体、必要时还经由壳体保持部来传递。这不仅因此是有问题的，因为由此可能“失去”发射功率或接收功率的很大一部分，而且而尤其因此是有问题的，因为通过所谓的串话(Uebersprechen)传递到变换器壳体上的超声波还会导致显著的接收侧的干扰。这基于此，即例如在接收侧不能区分所接收的超声波是经由介质(有效信号)还是经由变换器壳体被接收。
尤其在超声波流量测量仪运用于测量气态介质的流量时，振动能的由超声变换器传输到气态介质中的部分相对于总共产生的振动能非常少，使得串话的问题这里特别严重。
在现有技术中已知各种减少之前所阐述的串话、即壳体波的产生的措施。一些措施目的在于已在产生中避免这样的壳体波。例如变换器壳体的超声窗口的一定的设计属于此，在对于所传输的能量份额的最大化特别好的阻抗匹配方面或在将超声窗口设计为λ/4层以减少反射方面。其它措施致力于阻止已产生的壳体波传输，例如通过失配的声学阻抗通道(Impedanzuebergang)。
开头所说明的超声变换器(本发明以其为出发点)通过德国公开文献10 2008 033 098和通过内容相同的欧洲公开文献2 148 322属于现有技术。在该超声变换器中用于阻止壳体波传递到超声变换器的变换器壳体上的另一措施由此来实现，即在变换器壳体的第二区域中设置有相对软的机械的耦合系统并且该耦合系统具有弱耦合的、在壳体波的传播方向上大致依次起作用的机械的至少两个谐振器。
通过机械的谐振器首先可能在当地“捕获”由超声变换器所运输的能量，即通过激励机械的谐振器振动。机械的谐振器通常可描述为弹簧-质量-系统，其中，在实际的弹簧-质量-系统中在不(即使非常小)对谐振器的质量做出贡献的情况下不能实现弹簧的特性(即取决于偏移的力作用)，就如质量由于其在结构上引入谐振器中还总是影响弹簧-质量-系统的弹簧特性那样；弹簧和质量在结构上彼此不能完全分开。
通过该至少两个机械谐振器在壳体波的传播方向上的串联布置来实现，壳体波必须横穿所有谐振器，以从变换器壳体的第一区域到达变换器壳体的第三区域并且反过来。通过这两个谐振器的弱耦合来实现，谐振器对壳体波总体上表现出比这在强耦合的谐振器中的情况更大的阻碍，即使其本身具有其它方面相同的振动特性。在强机械耦合中谐振器的振动实际上直接传递到相邻的谐振器上，其在弱机械耦合中不是这样的情况，虽然这里当然也存在在相邻的谐振器之间的机械的相互作用。
下面将之前所说明的、由弱耦合的机械的至少两个谐振器构成的耦合系统还称为“相对软的机械的耦合系统”，并且为了避免对德国公开文献10 2008 033 098或平行的欧洲公开文献2 148 322的公开内容的重复关于实现可能性参照：以此明确地还使这些公开文献的公开内容成为与本发明相联系的公开内容。
发明内容
本发明目的在于在阻止壳体波的传递方面改进本发明以其为出发点的超声变换器。
按照根据本发明的第一教导，在阻止壳体波的传递方面改进的超声变换器具有较软的机械的第二耦合系统。第二耦合系统在此可大致相应于第一耦合系统来实现。对此，就此而言还再次参照德国公开文献10 2008 033 098或平行的欧洲公开文献2 148 322的公开内容。
在第一耦合系统中且优选地还在第二耦合系统中分别设置有弱耦合的机械的至少一个谐振器，而优选地在第一耦合系统中和/或在第二耦合系统中分别设置有弱耦合的、在壳体波的传播方向上大致依次起作用的机械的至少两个谐振器，谐振器即串联地起作用，本发明的特别重要的另一教导在于当设置有第二耦合系统时将这两个耦合系统的构造和布置实现成使得其并行地起作用。
在本发明以其为出发点的超声变换器中变换器元件设置在变换器壳体的下端处、也就是说在面向流动的介质或还伸入流动的介质中的端部处。机械的耦合系统或多或少在变换器壳体的上端处来实现、在一定程度上还是变换器壳体的部分。变换器壳体的设置变换器元件的区域另外在上面被称为变换器壳体的第一区域，上面的区域被称为第三区域而处于第一区域与第三区域之间的区域被称为第二区域、即为变换器壳体的中间的第二区域，壳体波经由其在变换器壳体的第三区域的方向上传播。可将本发明以其为出发点的已知的超声变换器说明成，其构造成三件式，即具有下面的容纳变换器元件的第一区域、中间的第二区域和耦合系统所属于的上面的第三区域。例如，下面的第一区域、中间的第二区域和上面的第三区域分别通过焊接相互连接。中间的第二区域可以是壳体管，变换器壳体的上端可构造为壳体法兰。变换器壳体的下面的第一区域、变换器壳体的构造作为壳体管的中间的第二区域、耦合系统和壳体法兰串联布置。
考虑到之前关于已知的超声变换器(本发明以其为出发点)所实施的内容，可以以特别的方式实行本发明的又特别重要的另一教导。对此，根据本发明的超声变换器补充性地特征在于，这两个耦合系统中的一耦合系统布置在壳体法兰的靠近变换器元件的侧面上而另一耦合系统布置在壳体法兰的远离变换器元件的侧面上。这尤其可如此来实现，即设置在壳体法兰的靠近变换器元件的侧面上的耦合系统在它的靠近变换器元件的端部处与壳体管而在它的远离变换器元件的端部处与壳体法兰相连接，并且设置在壳体法兰的远离变换器元件的侧面上的耦合系统在它的远离变换器元件的端部处与壳体管而在它的靠近变换器元件的端部处与壳体法兰相连接。在根据本发明的超声变换器的该特别有利的设计中这两个耦合系统即反并行地起作用。从变换器元件出发，壳体波一方面在靠近变换器元件的耦合系统中而另一方面在远离变换器元件的耦合系统中关于壳体法兰具有部分地、优选地完全地补偿的作用。
之前说明了优选地耦合系统如何与壳体管和壳体法兰相连接。该连接当然可不同地来实现。优选地，靠近变换器元件的耦合系统的靠近变换器元件的端部和远离变换器元件的耦合系统的远离变换器元件的端部与壳体管相焊接。在此、但是不仅仅在此，推荐一实施形式，在其中靠近变换器元件的耦合系统的远离变换器元件的端部和远离变换器元件的耦合系统的靠近变换器元件的端部与壳体法兰实施成一体。
在已知的超声变换器(本发明以其为出发点)中和在直到现在所说明的根据本发明的超声变换器中变换器元件位于变换器壳体的面向介质的端部处或其中。
在超声变换器中变换器元件常常是压电元件，其不能被应用在一定的温度、居里温度之上。考虑到这，在现有技术中也存在变换器元件设置在远离介质的端部处的超声变换器并且所产生的超声经由喇叭筒和喇叭罩被输送给超声窗口(对此参考德国专利文献198 12 458和内容相同的欧洲专利文献1 046 886)。尤其在这样的超声变换器中、但是不仅仅在这样的超声变换器中，此外推荐使该耦合系统或多个耦合系统设有在外面环绕的槽或设有在外面环绕的多个槽，即近似在一机械谐振器与另一机械谐振器之间实现弹性的铰链。在此推荐使槽在槽底中圆弧形地来实施或设有至槽侧壁(Nutenflanke)的圆弧形的过渡部，由此可避免部分的机械过载。
按照根据本发明的另一教导(其与之前所说明的一起具有意义、但是也脱离于此具有意义)，一种根据本发明的超声变换器特征在于，在变换器壳体内设置有消声材料(Daempfungsmaterial)、尤其青铜颗粒或者青铜粉末。为了该消声材料不能侵入超声窗口(其当然须保持空闲)中，另外设置成，变换器壳体在它的靠近超声窗口的端部处具有防止消声材料侵入超声窗口中的隔板(Trennscheibe)。
超声变换器涉及这样的超声变换器，如其由德国专利文献198 12 458和内容相同的欧洲专利文献1 046 886已知的那样，在其中变换器元件即设置在远离变换器壳体的超声窗口的端部处而在变换器元件与超声窗口之间设置有超声波导(Ultraschallwellenleiter)，推荐设置围绕超声波导的保护管。设置在变换器壳体内的消声材料应是仅减弱壳体波，当然不应负面影响超声波导的传输特性。
在根据本发明的超声变换器的最后所说明的实施形式中，设置在变换器壳体内的消声材料仅当其在变换器壳体内处于一定的压力下时那么才起作用或那么才特别好地起作用。因此推荐在变换器壳体的远离超声窗口的端部处设置作用到消声材料上的压力产生装置。该压力产生装置优选地具有在一侧处支撑在变换器壳体处的而在另一侧上作用到消声材料上的弹簧、尤其碟形弹簧组(Tellerfederpaket)。
附图说明
现在尤其存在设计和改进根据本发明的超声变换器的不同可能性。对此参照从属于权利要求1和10的权利要求和接下来与附图相结合地说明的且在附图中示出的实施例。其中：
图1显示根据本发明的超声变换器的第一实施例，
图2显示根据本发明的超声变换器的第二实施例以及
图3显示根据本发明的超声变换器的第三实施例。
具体实施方式
在附图中示出的根据本发明的超声变换器分别是未另外示出的超声波流量测量仪的重要部分并且首先具有变换器壳体1和变换器元件2，其优选地是压电元件。变换器元件2构造用于发射或接收超声波。
如图1至3所示，变换器壳体1在第一区域3具有超声窗口4。在根据图1的实施例中变换器元件2靠近变换器壳体1的超声窗口4来设置。相比于此，在根据图2和图3的实施例中变换器元件2位于变换器壳体1之外。
不希望地、但是不能避免地，超声波作为在变换器壳体1的第一区域3之间的壳体波经由变换器壳体1的中间的第二区域5被传递到与变换器壳体1的第一区域3相对而置的变换器壳体1的第三区域6中。在变换器壳体1的第二区域5中设置有相对软的机械的耦合系统7，其在根据图1的实施例中具有弱耦合的机械的一个谐振器8、然而在根据图2和图3的实施例中具有弱耦合的机械的两个谐振器8。
在根据本发明的超声变换器(只要其到目前为止被说明)中尤其通过弱耦合的机械的该谐振器8或通过弱耦合的机械的这两个谐振器8所实现的此外上面已详细地来阐述。另外就此而言参照德国公开文献10 2008 033 09和内容相同的欧洲公开文献2 148 322，从其中已知带有到目前为止所阐述的特征的超声变换器。因此，这里还再次使最后提及的在先公开的文件的公开内容成为关于根据本发明的超声变换器的公开内容。
相对于在现有技术中已知的超声变换器，根据本发明的超声变换器在阻止超声波的传递方面再次改进。
如附图所示，附加于耦合系统7设置有较软的机械的第二耦合系统9。该第二耦合系统9大致相应于第一耦合系统7来实现。在两个耦合系统7和9中，该机械谐振器8或这些机械谐振器8在壳体波的传播方向上大致依次起作用，谐振器即串联地起作用。
根据本发明的特别重要的另一教导，如果附加于第一耦合系统7设置有第二耦合系统9，那么这两个耦合系统的构造和布置实现成使得它们并行地起作用。
在本发明以其为出发点的超声变换器中和在根据本发明的超声变换器中，如其在图1所示，变换器元件2设置在变换器壳体1的下端处、也就是说在面向流动的介质或者还伸入流动的介质的端部处。机械的第一耦合系统7在变换器壳体1的上端处实现、近似是变换器壳体的部分。还可将已知的超声变换器和根据本发明的超声变换器(只要其到目前为止被说明)说明成，其构造成三件式，亦即具有下面的容纳变换器元件2的第一区域3、中间的第二区域5和耦合系统7所属于的上面的第三区域6。中间的第二区域5具体地可以是壳体管10，变换器壳体1的上端可构造为壳体法兰11。变换器壳体1的下面的第一区域3、变换器壳体1的实施为壳体管10的中间的第二区域5、第一耦合系统7和壳体法兰11即串联布置。
在根据本发明的超声变换器的在附图中示出的所有实施例中来实现本发明的特别重要的另一教导。对此，根据本发明的超声变换器补充性地特征在于，这两个耦合系统7、9中的第一耦合系统7布置在壳体法兰11的靠近变换器元件2的侧面而第二耦合系统9布置在壳体法兰11的远离变换器元件2的侧面。这在示出的实施例中详细地如此来实现，即设置在壳体法兰11的靠近变换器元件2的侧面上的第一耦合系统7在它的靠近变换器元件2的端部处与壳体管2而在它的远离变换器元件2的端部处与壳体法兰11相连接，并且设置在壳体法兰11的远离变换器元件2的侧面上的第二耦合系统在它的远离变换器元件2的端部处与壳体管10而在它的靠近变换器元件2的端部处与壳体法兰11相连接。即这两个耦合系统7、9反并行地起作用。从变换器元件2出发，壳体波一方面在靠近变换器元件2的第一耦合系统7中、另一方面在远离变换器元件2的第二耦合系统9中关于变换器壳体的壳体法兰11具有部分地、优选地完全地补偿的作用。
之前所说明的耦合系统7、9与壳体管10和壳体法兰11的连接可不同地来实现。在所示出的实施例中，靠近变换器元件2的第一耦合系统7的靠近变换器元件2的端部和远离变换器元件2的第二耦合系统9的远离变换器元件2的端部与壳体管10相焊接。在此，靠近变换器元件2的第一耦合系统7的远离变换器元件2的端部和远离变换器元件2的第二耦合系统9的靠近变换器元件2的端部与壳体法兰11实施成一体。
在根据本发明的、在图1中示出的超声变换器中变换器元件2位于变换器壳体1的面向介质(其流量率应被确定)的端部处。
如已实施的那样，在超声变换器中变换器元件常常是不能被应用在一定的温度、居里温度之上的压电元件。因此，在现有技术中也存在变换器元件远离变换器壳体的超声窗口来设置((对此参考德国专利文献198 12 458和内容相同的欧洲专利文献1 046 886))的超声变换器。图2和图3示出根据本发明的超声变换器的实施例，在其中变换器元2远离变换器壳体1的超声窗口4来设置、即远离其流量率待测量的介质。
此外，图2和图3就耦合系统7和9分别设有在外面环绕的槽12、即近似在一机械谐振器8与另一机械谐振器8之间实现弹性的铰链而言示出根据本发明的超声变换器的优选的实施形式。在此，槽12在槽底中实施成圆弧形或者设有至槽侧壁的圆弧形的过渡部，由此可避免机械过载。
图3示出根据本发明的超声变换器的一特别优选的实施例。在该超声变换器(如其从德国专利文献198 12 458和内容相同的欧洲专利文献1 046 886中已知的那样)中，变换器元件2设置在远离变换器壳体1的超声窗口4的端部处。在变换器元件2与超声窗口4之间设置有超声波导15，其被保护管16围绕。设置在变换器壳体1内的消声材料13应仅减弱壳体波，当然不应负面影响超声波导的传输特性。
在根据图3在实施例中设置在变换器壳体内的消声材料13、优选地青铜颗粒或者青铜粉末仅当其在变换器壳体1内处于一定的压力下时那么才起作用或那么才特别好地起作用。为了达到这样的压力，在根据图3的实施例中在变换器壳体1的远离超声窗口4的端部处设置有作用到消声材料13上的压力产生装置17，其在该实施例中在一侧处支撑在变换器壳体1处而在另一侧上具有作用到消声材料13上的弹簧18、在所示出的实施例中碟形弹簧组。

Claims (14)

1. 一种超声变换器，其作为超声波流量测量仪的重要部分，其带有变换器壳体(1)和变换器元件(2)，其中，所述变换器壳体(1)具有超声窗口(4)和壳体管(10)，所述变换器元件(2)构造用于发送或接收超声波并且靠近所述变换器壳体(2)的超声窗口(4)或者远离所述变换器壳体(1)的超声窗口(4)来设置，其中，设置有相对软的机械的耦合系统(7)，并且其中，机械的所述耦合系统(7)优选地具有弱耦合的机械的至少一个谐振器(8)或弱耦合的机械的至少两个谐振器(8)，
其特征在于，
设置有较软的机械的第二耦合系统(9)。
2. 根据权利要求1所述的超声变换器，其特征在于，所述第二耦合系统(9)大致相应于所述第一耦合系统(7)来实现。
3. 根据权利要求2所述的超声变换器，其特征在于，两个所述耦合系统(7, 9)并行起作用。
4. 根据权利要求3所述的超声变换器，其中，所述变换器壳体(1)具有壳体管(10)和壳体法兰(11)，其特征在于，两个所述耦合系统(7, 9)中的一耦合系统(7)布置在所述壳体法兰(11)的靠近所述超声窗口(4)的侧面上而另一所述耦合系统(9)布置在所述壳体法兰(11)的远离所述超声窗口(4)的侧面上。
5. 根据权利要求4所述的超声变换器，其特征在于，设置在所述壳体法兰(11)的靠近所述超声窗口(4)的侧面上的所述耦合系统(7)在它的靠近所述超声窗口(4)的端部处与所述壳体管(10)而在它的远离所述超声窗口(4)的端部处与所述壳体法兰(11)相连接，并且设置在所述壳体法兰(11)的远离所述超声窗口(4)的侧面上的所述耦合系统(9)在它的远离所述超声窗口(4)的端部处与所述壳体管(10)而在它的靠近所述超声窗口(4)的端部处与所述壳体法兰(11)相连接。
6. 根据权利要求5所述的超声变换器，其特征在于，靠近所述超声窗口(4)的所述耦合系统(7)的靠近所述超声窗口(4)的端部和远离所述超声窗口(4)的所述耦合系统(9)的远离所述超声窗口(4)的端部与所述壳体管(10)相焊接。
7. 根据权利要求5或6所述的超声变换器，其特征在于，靠近所述超声窗口(4)的所述耦合系统(7)的远离所述超声窗口(4)的端部和远离所述超声窗口(4)的所述耦合系统(9)的靠近所述超声窗口(4)的端部与所述壳体法兰(11)实施成一体。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的超声变换器，其特征在于，所述耦合系统(7)或所述耦合系统(7, 9)设有在外面环绕的槽(12)，即近似在一机械谐振器(8)与另一机械谐振器(8)之间实现弹性的铰链。
9. 根据权利要求1所述的超声变换器，其特征在于，所述槽(12)在槽底实施成圆弧形或者具有至槽侧壁的圆弧形的过渡部。
10. 一种超声变换器、尤其根据权利要求1至9中任一项所述的超声变换器，其作为超声波流量测量仪的重要部分，其带有变换器壳体(1)和变换器元件(2)，其中，所述变换器壳体(1)在第一区域(3)中具有超声窗口(4)并且所述变换器元件(2)构造用于发射或接收超声波且靠近所述变换器壳体(2)的超声窗口(4)或者远离所述变换器壳体(1)的超声窗口(4)来设置，其中，超声波作为在所述变换器壳体(1)的第一区域(3)之间的壳体波能够经由所述变换器壳体(1)的中间的第二区域(5)传递到与所述变换器壳体(1)的第一区域(3)中相对而置的所述变换器壳体的第三区域(6)中，其中，在所述变换器壳体(1)的第二区域(5)中设置有相对软的机械的耦合系统(7)，并且其中，所述耦合系统(7)具有弱耦合的机械的至少两个谐振器(8)，
其特征在于，
在所述变换器壳体(1)内设置有消声材料(13)、尤其青铜颗粒或者青铜粉末。
11. 根据权利要求10所述的超声变换器，其特征在于，所述变换器壳体(1)在它的靠近所述超声窗口(4)的端部处具有防止所述消声材料(13)侵入所述超声窗口(4)中的隔板(14)。
12. 根据权利要求10或11所述的超声变换器，其中，所述变换器元件(2)设置在远离所述变换器壳体(1)的超声窗口(4)的端部处并且在所述变换器元件(2)与所述超声窗口(4)之间设置有超声波导(15)，其特征在于，设置有围绕所述超声波导(15)的保护管(16)。
13. 根据权利要求10至12中任一项所述的超声变换器，其特征在于，在所述变换器壳体(1)的远离所述超声窗口(4)的端部处设置有作用到所述消声材料(13)上的压力产生装置(17)。
14. 根据权利要求13所述的超声变换器，其特征在于，所述压力产生装置(17)在一侧处支撑在所述变换器壳体(1)处而在另一侧上具有作用到所述消声材料(13)上的弹簧(18)、尤其碟形弹簧组。
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