CN105190254A - 超声换能器和超声流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声换能器。超声换能器包括具有第一凹口的耦合元件，第一凹口用来放置压电元件，压电元件将超声信号馈入耦合元件；在压电元件与耦合元件之间放置了包括金属盘的中间层，金属盘包括保持元件，(a)带有第一部分的每一个保持元件平置在与金属盘相同的平面上，并从金属盘的圆周径向伸出，并且(b)带有与第一部分邻接的第二部分的每一个保持元件从金属板的平面伸出并被连接到第一部分。

Description

超声换能器和超声流量计

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的超声换能器和根据权利要求8的超声流量计。

背景技术

在超声换能器的安装领域，我们已知多种不同的布置和层顺序。

通用EP0974814B1描述了带有支撑或接触区域的耦合元件，耦合元件具有凹口用来容纳压电元件。金属盘被布置在耦合元件与压电元件之间。金属元件被粘在相对于支撑的斜面的平面上，其中的平面同时是凹口的底表面。为了使压电元件居中和稳固以防止其横向运动，金属盘具有从其水平面伸出的有角度的金属薄片元件。这样的构造已经证明了其根本价值，因为它的高温交变应力而使得其价值特别突出。然而，如果没有将压电元件平面放置在金属盘上，而是被支撑在有角度的金属薄片元件的弯曲边缘，就会出现测量误差和/或分布的超声信号。

发明内容

从EP0974814B1出发，本发明的目的就是提供金属盘来降低对超声信号的破坏。

本发明通过提供具有权利要求1所列出的特征的超声换能器或提供具有权利要求8中所列出的特征的超声流量计来完成这项任务。

根据本发明，超声换能器包括具有第一凹口的耦合元件。

根据本发明，超声换能器的耦合元件具有第一凹口。第一凹口，例如，为设计成盲孔的倾斜钻孔。在其末端，凹口优选有底表面。这个底表面优选特别是平的，但是可以有开槽、冲压件等来增加表面，并且为待应用于底表面的罐封化合物提供更好的附着性。上面提到的第一凹口用作容纳压电元件。超声信号在由压电元件产生，并且可能通过其它中间层例如，金属盘，被传输到耦合元件之后，超声信号被馈入上面提到的底表面，尤其是垂直于底表面被馈入。

根据本发明，至少一个中间层被布置在压电元件和耦合元件之间。中间层包括金属盘。

根据本发明，金属盘具有保持元件，保持元件具有

a)第一部分，每一个第一部分都与金属盘在相同的水平面上，

并从金属盘的圆周径向伸出，以及

b)第二部分，每一个第二部分都接合第一部分，并从金属板的

水平面伸出并且和被连接到第一部分。

金属盘的保持元件的部分的分布减小了金属盘上压电元件倾斜的危险性，特别是在超声换能器的生产期间。

本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。

保持元件可以有利地完成两个功能，以这种方式，它们在边缘侧上支撑凹口中的金属盘，并且还防止布置在金属盘上的压电元件的横向运动。

如果第二部分有两个表面和三个边缘表面，且边缘表面中的一个与金属盘一起形成90°(±5°)角，这将是有利的。边缘表面有利地作为抵靠相应保持部分的压电元件的侧向停止件。

面向压电元件的第二部分上的边缘表面特别的特征是伸出。当压电元件被放置在金属盘上，例如，在装配期间，这个伸出可以以特别有利的方式防止压电元件的倾斜。

或者或另外，指向压电元件的一个边缘表面或是第二部分的所述边缘表面的部分可以向压电元件倾斜，以这种方式在所述边缘表面或所述边缘表面的部分与金属盘或与金属盘平行的平面之间形成小于90°的角，特别在70-85°之间。这个版本还允许金属盘上压电元件的改进的装配。

如果每个偏移180°的两个保持元件具有处在穿过盘的中心的公共线上的、在第一和第二部分之间的过渡部分的弯曲的边缘，则其是在生产期间的有效的过程。这意味着为了成形金属盘，需要更少的折弯处理，因为保持元件的两个第二部分总是在一次折弯处理中形成。

为了允许理想的，特别是无回声的，金属盘与耦合体的连接，λ/4适应层可以被布置在金属盘与耦合元件之间。这个连接到目前为止由胶组成。与厚度为0.02-0.2mm的典型胶层形成对比，以上提到的适应层的厚度对应于适应层材料中超声信号波长的四分之一，其中取决于带宽上的声学要求，适应层厚度还可以偏离这个值±25％。

参照本发明，超声换能器被用在根据传输时间差测量原理工作的超声流量计中。具有测量管的、用来确定测量介质的流速或体积流量的相应的超声流量计具有至少两个超声换能器，为了实现测量的目的，根据权利要求1，两个超声换能器被沿测量管的长度布置，其中每一个超声换能器具有带有接触区域的耦合体，在接触区域处，产生的超声信号可以被传输进测量管或测量介质，或是在那里被接收。

附图说明

下面，基于附图中的一些实施例示例，对本发明的主题进行了详细描述。它们示出：

图1为根据本发明，用在超声换能器中的金属盘的第一实施例变形的透视图；

图1a为带有压电元件的金属盘的详细视图；

图2为带有压电元件的金属盘的顶视图；

图2a为带有压电元件的金属盘的详细视图；

图3为根据本发明，用在超声换能器中的金属盘的第二实施例变形的侧视图；

图3a为带有压电元件的金属盘的详细视图；

图3b为带有压电元件的金属盘的详细视图；

图4为带有压电元件的金属盘的顶视图；

图5为金属盘在超声换能器中的定位；

图6为在EP0974814B1中已知的超声换能器的剖视图；

图7为用在EP0974814B1中的金属盘的顶视图；

图8为用在EP0974814B1中的金属盘的侧视图；和

图8a为图8的侧视图的详细视图。

具体实施方式

图6示出了在EP0974814B1中一般地已知和描述的超声换能器1，其公开通过引用完全并入本发明。

超声换能器1具有压电元件2和金属盘4的布置。超声换能器还有耦合元件3。这个耦合元件3也经常被称为耦合体。耦合元件经常被设计成楔形，因此被专家称之为耦合楔形。

耦合元件在示例性实施例中也被设计为耦合楔形。在下文中，会详细说明耦合元件的形式和功能。

耦合元件的基本形状是带有壳表面和两个底表面的圆筒形。两个底表面中的一个是有角度的。

与已知的耦合元件相比，本发明的耦合元件具有倾斜的钻孔形状的特殊凹口5，压电元件2可以被固定在其中。

例如，本发明示例实施例中设置在耦合元件3中的凹口5，是带有圆形底部区域的圆筒形凹陷，在图6中被压电元件2和金属盘4所覆盖。然而，取决于压电元件的形状，也可以考虑其它的几何形状，如立方体凹陷和诸如此类的形状。例如，那些凹陷和/或凹口的底部区域被设计为正方形或矩形。在凹口的底部区域，主要的部分，即，由压电元件产生的超过50％的超声信号会被引入到耦合元件。同时，凹口底部区域的角度定义了到测量介质的进入角。

因此在任一情况下，凹口5有至少一个底部区域，至少在被耦合元件限制的部分优选有一个边缘区域。

金属盘4有面向耦合元件3的下表面4.2和面向压电元件的上表面4.1。例如，为此，下表面粘接到耦合元件3和/或底部区域。

基于图7和图8，将会更加详细地描述已知的金属盘4的形状。

金属盘4有三个金属薄片部分6，在金属盘4上以每个大约120°角彼此偏移。金属薄片部分6与金属盘4设置在相同水平面上，并从金属盘4的圆周外围径向伸出。它们被用作金属盘到边缘或是到凹口5的边缘的间隔物，这样金属盘就会处于凹口5的中心。

另外金属盘4有使保持元件7定位和压电元件2居中的特征。这三个保持元件7每个以大约120°角彼此偏移。它们有两个表面7.1、7.2和三个边缘表面7.3、7.4、7.5。保持元件7从金属盘4的水平面弯曲。它们弯向金属盘的方向，并且定义大约90°的弯曲角度α。然而，就图8而论，可以看到由金属薄片部分的表面7.2和金属盘4的上表面4.1构成的弯曲角度α并不是理想的90°，而是比90°大，例如92°。

理想的90°弯曲角度在产品中难以实现。如同图8a所示，因此有可能发生压电元件2不是被金属盘4的下表面4.1支撑，而是被倾斜的保持元件7支撑。在压电元件2和金属盘4之间产生的腔体8可以部分地处于0.2mm到0.5mm的范围，而这是测量误差的原因。

图1示出了根据本发明的超声换能器中的金属盘14和压电元件12，图1示出的超声换能器避免了上述类型的测量误差的产生。金属盘有上表面14.1和下表面14.2，压电元件通过诸如耦合润滑脂的适应性材料，直接或间接地被放置在上表面上。

通过保持元件17的新设计可以解决这个问题。

图6-8中的金属薄片部分6和保持元件7的功能在单独的保持元件17中进一步结合在一起。

为此目的，保持元件17具有与金属盘14在相同的水平面和从金属盘14的圆周径向伸出的第一部分18。

此外，保持元件17有伸出金属盘水平面的第二部分19。第二部分19有两个表面19.1和19.2，以及三个边缘表面19.3、19.4和19.5。

在这里，第二部分19的边缘表面19.3优选与金属盘14的上表面14.1形成了90°的角β。然而，这是仅为一个示例实施例。为第二部分选择的不同形状也可以用来创建不同的边缘表面。

第二部分19优选有伸出20，它从第二部分19的边缘表面19.3沿压电元件2的方向伸出。

保持元件17一方面使得金属盘处于凹口的中心，另一方面也在金属盘14自身上定位压电元件12，使其处于金属盘14的中心。这样保持元件17就承担了紧凑的双重功能，即如图6-8所示的金属盘的金属薄片部分6和保持元件7的功能。

金属盘的成形可以采用适合量产的过程——特别是打孔或激光处理和折弯。

如图2所示，保持元件17被设置成沿金属盘的外圆周有90°的偏移。取决于保持元件17的数量，沿金属盘14的圆周的保持元件17的一般规则分布是优选的。例如，如果使用3个保持元件，120°的偏移是优选的。

图3示出了带有其它保持元件17a的根据本发明的超声换能器的金属板24的另一个优选的实施例变形。

然而，与图1-2相比，第二部分21的边缘表面21.5向压电元件22倾斜，造成边缘表面朝向压电元件22。关于图2中的伸出20，这使得可以防止压电元件在金属板上的横向运动。图3、3a和3b的示例实施例中的倾斜边缘表面21.5的小支撑区域和图2的示例实施例中的伸出20有利地减小了声脉冲在金属盘边缘表面的任何传输。另外，装配期间压电元件倾斜的危险性也减小了。

图5和图6示出了根据本发明的超声换能器，其带有如图3和图4描绘的凹口和金属盘14，并且其上放置有压电元件22。

在耦合元件23中包含了凹口25。后者是圆筒状的。凹口有边缘表面和在本示例实施例中被压电元件22和其下的金属盘24所隐藏的后底部区域。在底部区域，主要的部分，即，超过50％的由压电元件产生的超声信号被引入耦合元件。同时，底部区域的角度定义了到测量介质的进入角。

耦合元件有接触区域33，基本已知的一种方式是，其上由压电元件产生的超声信号被传输到测量介质或超声流量计的测量管中。

在特别优选的示例实施例中，在金属盘24和耦合元件23之间设置了罐封材料的λ/4适应层26。这种具有在金属盘和耦合体的声波阻抗之间的声波阻抗的材料有利地防止了任何超声信号回声。金属盘特别优选地处于停止件27之上。

作为选择，但是较不优选的实施例变形会将金属盘粘接到耦合体。

耦合体23可以由高温热塑性材料构成，例如，可以用商品名为Ultem1000的未填充聚醚酰亚胺(PEI)。

从图5中可以看出，耦合元件可以有利地在它的外圆周上有径向槽来容纳O形环，以便牢固地封住在容器的钻孔或流量计的测量管中的超声换能器。根据本发明，超声换能器也可以被这样处理。

就如开始所述，例如，超声换能器可以被插进含有流动的测量介质(粉末、液体、气体、蒸汽)且其体积流量和/或流速待被测量的超声流量计的测量管中。为实现此目的，两个超声换能器彼此间隔一定距离被插进、放置在或夹在测量管上，并可选的切换为超声发射器和超声接收器。

通常，如上所述，每一个超声换能器都有带有接触区域23a的耦合体23，在接触区域23a上，由压电元件22产生的超声信号被从耦合体23进入测量管或测量介质地传输或接收。

例如，发送的信号的传输时间差允许根据基本已知的原理电子计算流速和/或体积流量。

压电元件可以被成形为盘，而且优选由陶瓷压电材料构成，例如PZT-5标准软陶瓷。

金属盘的厚度优选至多等于由金属盘中的压电元件所发射的超声信号波长的四分之一。后者优选由纯铝构成。然而，它也可以由钛、不锈钢、黄铜或铅或合金构成。

最合适的罐封化合物特别是液体固化环氧树脂。可以使用密集地填充有铝氧化物的环氧树脂，铝氧化物可以超过环氧树脂重量的50％，甚至可以达到环氧树脂重量的70％-80％。作为罐封化合物的替代物，熔胶可以被用来连接金属盘与耦合体。它们在比传感器操作温度和固化高的温度下被引入，或者它们由混合有与超声波长相比较小的颗粒的永久弹性的罐封化合物构成。这还可以减小热应力。

各个层和组件的顺序遵循超声信号的阻抗梯度，直到超声信号离开超声换能器。

超声换能器的相应的层和组件的阻抗用MKS单位标明如下：

压电元件：Z＝18-30MRayl；

金属盘(铝盘)：Z＝小于18MRayl，特别地10-17MRayl；

适应层和/或罐封化合物(填充有Al₂O₃的环氧树脂)：5-9MRayl，特别地6.5-7.5MRayl；

PEI耦合元件：小于4MRayl，特别地2.5-3.5MRayl。

由于更加适应的阻抗过渡，可以达到提高超声信号的信号强度的优势。

另外，层顺序也造成了在组件的顺序中关于热膨胀系数的梯度，这允许超声换能器承受改进的温度变化连续性，这样，在材料层没有遭受高拉伸力或高剪应力的情况下，测量可以在更高温度的范围内进行。

除了保持元件17或20，示例实施例中的金属板优选还具有定位部分30，其啮合在圆筒形凹口25的边缘侧上的自由区域31中并且用作凹口25内的金属盘14的抗扭保护。

附图标记列表

1超声换能器

2压电元件

3耦合元件

4金属盘

5凹口

6金属板

7保持元件

7.1表面

7.2表面

7.3边缘表面

7.4边缘表面

7.5边缘表面

8腔体

12压电元件

14金属盘

14.1表面

14.2表面

17保持元件

18保持元件17的第一部分

19保持元件17的第二部分

19.1表面

19.2表面

19.3边缘表面

19.4边缘表面

19.5边缘表面

20伸出

17a保持元件

21保持元件17a的第二部分

22压电元件

23耦合元件23a接触区域

24金属盘

25凹口

26适应层27停止件

30定位元件31自由空间

32径向槽K弯曲边缘

Claims (8)

1.一种超声换能器，包括：带有第一凹口(25)的耦合元件(23)，

其中所述第一凹口(25)用于容纳将超声信号引入所述耦合元件(23)的压电元件(12，22)，其中中间层被设置在所述压电元件(22)与所述耦合元件(23)之间，

包括：金属盘(14，24)；

其特征在于，

所述金属盘(14，24)具有保持元件(17，17a)，

a)具有第一部分(18)，每一个第一部分(18)都与所述金属盘(14，24)在相同的水平面上，并从所述金属盘(14，24)的圆周径向伸出，以及

b)具有第二部分(19，21)，每一个第二部分(19，21)都与所述第一部分(18)接合并从所述金属板(14，24)的水平面伸出并被连接到所述第一部分(18)。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述保持元件(17，17a)在边缘侧上支撑所述凹口(25)中的所述金属盘(14，24)，并且，所述保持元件(17，17a)防止位于所述金属盘(14，24)上的压电元件(12，22)的任何横向运动。

3.根据权利要求1或2所述的超声换能器，其特征在于，所述第二部分(19)具有两个表面(19.1，19.2)和三个边缘表面(19.3，19.4，19.5)，其中所述边缘表面之一(19.5)与所述金属板(14)一起构成90°(±5°)的角(β)。

4.根据任一前述权利要求所述的超声换能器，其特征在于，指向所述压电元件(12)的所述第二部分(19)的边缘表面(19.5)包括伸出(20)。

5.根据任一前述权利要求所述的超声换能器，其特征在于，指向所述压电元件(22)的一个边缘表面(21.5)或所述第二部分(21)的所述边缘表面的部分朝向所述压电元件(22)倾斜，以此方式在所述边缘表面或所述边缘表面的所述部分与所述金属盘(22)或与之平行的平面之间形成的角(β)小于90°，特别在70-85°之间。

6.根据任一前述权利要求所述的超声换能器，其特征在于，彼此偏离180°的两个保持元件(17，17a)的特征为在第一和第二部分(18，19，21)之间的过渡部分处的弯曲的边缘(K)，所述弯曲的边缘(K)遵循贯穿于所述金属盘(14，24)中心的公共线。

7.根据任一前述权利要求所述的超声换能器，其特征在于,λ/4适应层(26)被布置在所述金属盘(14，24)与所述耦合体(23)之间。

8.一种超声流量计，用来确定测量介质的流速或体积流量，具有测量管和沿所述测量管的长度布置的至少两个根据权利要求1所述的超声换能器，每个超声换能器具有带接触区域(23a)的耦合体(23)，在所述接触区域(23a)处，产生的超声信号可以被传输到所述测量管或所述测量介质，或是在那里被接收。