CN106996810B - 超声转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声转换器。描述并且示出了一种用于安装到用于测量流动的介质的流量的超声流量测量仪器中的超声转换器（1），其包括用于产生超声信号的机电的转换器元件（2）、载体（3）以及壳体（4），其中，机电的转换器元件布置在载体（3）中，其中，壳体（4）至少部分地由能够导电的材料制成，其中，载体（3）具有带有声学阻抗的载体材料，并且其中，载体材料的声学阻抗的值在机电的转换器元件（2）的声学阻抗的值和有待测量的流动的介质的声学阻抗的值之间。本发明规定，载体（3）是能够导电的，载体（3）和壳体（4）导电地相互连接并且机电的转换器元件与载体（3）导电地相互连接。

Description

超声转换器

技术领域

本发明涉及一种用于安装到用于测量流动的介质的流量的超声流量测量仪器中的超声转换器，其包括用于产生超声信号的机电的转换器元件、载体以及壳体，其中，所述机电的转换器元件布置在所述载体中，其中，所述壳体至少部分地由能够传导的材料制成，其中，所述载体具有带有声学阻抗的载体材料并且其中，所述载体材料的声学阻抗的值位于所述机电的转换器元件的声学阻抗的值与所述流动的介质的声学阻抗的值之间。

背景技术

由现有技术公开了借助于超声流量测量仪器测量不同的介质的流动速度。

这种测量所基于的测量原理是运行时间差方法（Laufzeit-Differrenzverfahren）。在此利用：对流动的介质中超声信号的传播速度叠加有待测量的介质的流速。因此，信号的运行时间取决于所述信号是沿着流动方向还是逆着流动方向通过所述流动的介质。沿着流动方向传递的信号传递得比反向于所述流动方向经过相同距离的信号快。

为了确定所述流速，借助于超声转换器、尤其借助于机电的转换器元件产生超声信号，所述超声信号输入到流动的介质中并且在通过所述流动的介质之后由接收传感器探测。实际中特别经常使用压电元件作为机电的转换器元件。将所述超声信号的所测量的运行时间与然而沿相反方向经过所述相同距离的信号的运行时间进行比较。从两个超声信号的运行时间差中不仅能够确定所述流动的介质的流速以及在管直径已知的情况下能够确定体积流量。

由所述机电的转换器元件所产生的超声信号到所述流动的介质中的传递的质量尤其取决于布置在所述机电的转换器元件与所述介质之间的材料以及其关于超声信号传递的传送特性。在本发明的范围内，在所述机电的转换器元件与所述有待测量的介质之间布置有载体。所述超声信号到所述有待测量的介质中的传递尤其取决于载体材料的声学阻抗或者所述机电的转换器元件的声学阻抗与所述载体材料的声学阻抗之间的阻抗差或者所述载体材料的声学阻抗与所述流动的介质的阻抗之间的阻抗差。如果在所述机电的转换器元件和介质之间布置有具有鉴于所述介质的与所述机电的转换器元件的声学阻抗的值较高的阻抗偏差的载体材料，那么到所述介质中的传送较小。这基于如下情况，即所述超声信号在具有较高的阻抗差的材料的边界面处绝大部分地反射并且仅仅较小的份额的信号得到传送。因此，由现有技术已知，在所述机电的转换器元件和所述流动的介质之间设置有较低的阻抗的、例如由聚合物制成的载体材料。布置在所述机电的转换器元件与所述介质之间的、具有配合载体材料的阻抗的载体称作声学的窗口。

由文件WO 2013/037616已知一种用于超声流量测量仪器的超声转换器，其在带有声学的窗口的不导电的壳体（例如由聚合物制成）中具有机电的转换器元件，其中，在所述机电的转换器元件和所述壳体的声学的窗口之间设置有能够导电的配合涂层用于将所述转换器元件与所述壳体的声学的窗口声学地耦合。所述配合涂层与信号或接地线路连接。通过与地电势（Massepotential）的连接使得所述机电的转换器元件通过所述配合涂层接地。

发明内容

从所述现有技术出发，本发明基于如下的任务，即说明一种超声转换器，其确保了所述超声信号的特别高的信号份额传送到有待测量的介质中并且同时在特别简单的结构的情况下提供了较高的运行可靠性。

前面指明并且引出的任务通过以下方法得到解决，即所述载体至少部分是能够导电的，所述载体和所述壳体导电地相互连接并且所述机电的转换器元件和所述载体导电地相互连接。

已知通过所述载体的按本发明的如下的设计方案，即所述载体一方面具有配合周围环境的阻抗并且还能够导电，从而能够放弃例如在所述壳体和所述机电的转换器元件之间额外的传导的连接元件，能够以特别简单的设计方案提供运行可靠的超声转换器。

所述壳体优选如下构造，使得其在安装到流量测量仪器中的状态下与所述流量测量仪器的地电势传导地连接。结果，所述机电的转换器元件以特别简单的方式通过所述载体和所述壳体接地，其中，能够放弃额外的元件用于接地到尤其额外的接地线路上。

根据第一设计方案，按本发明的超声转换器是小型化的超声转换器。尤其对于小型化的超声转换器，基于较小的尺寸产生了关于所产生的超声信号到有待测量的介质中的传递以及较高的运行可靠性的提供方面的问题。

所述壳体的能够导电的材料优选是金属或金属合金。

根据按本发明的超声转换器的另一设计方案，所述机电的转换器元件至少局部地直接与所述载体导电连接。在此，直接连接理解为，在所述转换器元件和所述载体之间没有设置另外的连接元件。根据该设计方案，运行可靠的超声转换器以特别简单的方式得到提供。

特别有利的是，所述载体材料至少部分地由能够传导的聚合物制成、尤其由能够传导的PEEK制成。由聚合物制成载体材料的设计方案具有以下优点，即基于聚合物的较低的声学阻抗能够确保所述超声信号到流动介质中特别高的传送。此外，由聚合物制成的载体也对于如下的应用情况具有化学稳定性，其中不能使用例如金属作为载体材料。同时，能够传导的聚合物的传导能力能够以有利的方式得到利用，从而确保所述超声转换器的运行可靠性。替代地，所述载体材料由能够传导的陶瓷材料制成。如果所述超声转换器的壳体具有地电势，那么同时提供了所述转换器元件的特别简单的接地。

同样优选的是，所述载体材料至少部分地由以碳素纤维增强的聚合物制成、尤其由以碳素纤维增强的PEEK制成。前面所述的优点尤其适用于按本发明的超声转换器的这种设计方案。此外，所述设计方案具有以下额外的优点，即以碳素纤维增强聚合物提高了载体的强度。

根据另一设计方案，所述载体具有能够传导的涂层，其中，所述载体材料在所述载体的内侧面处至少部分地用所述能够传导的涂层进行涂覆。在此，所述载体的内侧面是面对所述机电的转换器元件的侧面。为了降低所述能够传导的涂层对所述超声信号通过所述载体传送的影响，传导的涂层的厚度优选至少局部小于由所述机电的转换器元件产生的超声信号的波长。通过所述能够传导的涂层的这种较薄的设计同时确保，所述涂层是有足够的弹性的，从而不会在所述载体如例如在产生所述超声信号的情况下变形时折断。特别优选地，所述能够传导的涂层的厚度是恒定的。此外同样有利的是，所述能够传导的涂层的厚度局部变化。根据一种设计方案，所述能够传导的涂层的厚度在声学的窗口的区域中是特别小的，优选小于产生的超声信号的波长。那么对所述超声信号的传递的影响就特别小了。

如果所述载体材料至少部分地设有能够传导的涂层，那么所述载体材料本身不必是能传导的。优选所述载体材料在这种情况下是不能传导的聚合物或者不能传导的陶瓷材料。通过用能够传导的涂层进行涂覆使得所述载体整体上是能够传导的。此外同样优选的是，能够传导的载体材料至少部分地用能够传导的涂层进行涂覆。由此所述载体的传导能力进一步得到提高，而没有显著影响所述超声信号通过所述载体的传送。

特别优选地，所述能够传导的涂层是金属涂层。同样优选的是，所述能够传导的涂层汽相扩散到所述载体材料上。

根据另一设计方案，所述载体通过所述能够传导的涂层与所述壳体导电连接。

根据按本发明的超声转换器的同样有利的设计方案，设置有放电电阻、电极柱（Elektrodenstempel）、信号线路以及至少一个略微传导的连接元件，其中，所述机电的转换器元件通过所述电极柱与所述信号线路电连接，并且其中，所述放电电阻通过以下方法实现，即所述电极柱和/或所述机电的转换器元件通过所述至少一个略微传导的连接元件与所述载体导电连接。这种略微传导的连接部例如通过以下方法提供，即使得所述电极柱和/或所述转换器元件与所述载体电绝缘的原始绝缘元件具有小的传导能力。在这种情况下能够放弃使用另外的实现所述放电电阻的元件。特别优选地，所述至少一个能够略微传导的连接元件通过能够略微传导的涂层和/或能够略微传导的O型环实现。通过提供放电电阻确保了所述机电的转换器元件上不希望的电压的消除，所述电压例如通过温度波动出现。在此，所述放电电阻的大小优选要如下选择，使得所述机电的转换器元件的功能例如在触发时不受影响。

优选地，所述至少一个略微传导的连接元件由能够略微传导的聚合物制成。

附图说明

详细地给出大量可行方案，用于设计并且改进按本发明的超声转换器。对此参照附属于权利要求1的权利要求和下面的结合附图对优选的实施例的描述。附图中示出：

图1是超声转换器的第一实施例，

图2是超声转换器的第二实施例，

图3是超声转换器的第三实施例，以及

图4是超声转换器的第四实施例。

在附图中相同的附图标记用于相同的元件。

具体实施方式

图1示出了用于安装到用于测量流动的介质的流量的超声流量测量仪器中的超声转换器1的第一实施例。所示出的超声转换器1具有机电的转换器元件2以及壳体4，所述转换器元件布置在载体3中，其中，不仅所述载体3而且所述壳体4也都是能够导电的。在此，所述载体3由能够导电的聚合物制成。所述壳体4由金属制成。此外，所述载体3和所述壳体4导电地相互连接。

所述机电的转换器元件2通过第一表面6具有与所述载体3直接（也就是不使用另外的连接元件）的接触。此外，所述机电的转换器元件通过第二表面7与电极柱8连接并且所述电极柱与信号线路9连接。为了产生超声信号，通过所述信号线路9和所述壳体4或者所述载体3将电压施加到所述机电的转换器元件2处，所述电压由所述转换器元件2转换成超声信号。此外，所述机电的转换器元件2借助于弹簧元件13相对于所述载体3预紧。

此外，所述壳体4如下设计，使得其在安装到流量测量仪器中的状态下形成至流量测量仪器的地电势的传导的连接。通过所述载体3与所述壳体4的接触，所述机电的转换器元件2在安装的状态下以特别简单的方式通过所述载体3接地。

所述载体3在所述超声转换器1的运行中至少部分地与没有示出的有待测量的流动介质接触。在此，由所述机电的转换器元件2产生的超声信号到所述流动介质中的传递通过声学的窗口5实现，所述声学的窗口布置在所述载体3的前部区域中。为了确保将特别高的信号份额传送到所述流动介质中，所述载体3由其声学阻抗的值在所述机电的转换器元件2的声学阻抗的值与所述流动介质的声学阻抗的值之间的载体材料制成。在所示出的实施例中，所述载体3由能够传导的聚合物制成。由此，通过所示的超声转换器1一方面基于阻抗配合包围所述载体3的材料而确保由所述机电的转换器元件2产生的超声信号少损失地转入到所述流动介质中，另一方面所述机电的转换器元件2通过所述载体3和所述壳体4以特别简单的方式接地，由此确保了较高的运行可靠性。

图2示出了超声转换器1的第二实施例。所示出的超声转换器1具有机电的转换器元件2和壳体4，所述转换器元件布置在载体3中，其中，所述载体3由其声学阻抗的值在所述机电的转换器元件2的声学阻抗的值与待测量的流动介质的声学阻抗的值之间的载体材料制成。所述壳体4由金属制成并且如下进行设计，使得其在安装到流量测量仪器中的状态下具有用于所述转换器元件2的地电势。

与图1中所示的超声转换器1不同的是，所述载体材料由不能传导的聚合物制成，由此确保了由所述机电的转换器元件2产生的超声信号到所述流动介质中特别高的传送。在所述载体3的内侧面处、也就是在面对所述机电的转换器元件2的侧面处，所述载体材料涂覆有能够传导的金属涂层10。通过这种能够传导的涂层10使得所述载体3与所述壳体4导电连接。在此，所述能够传导的涂层10的厚度小于由所述机电的转换器元件2产生的超声信号的波长，从而一方面确保基本上避免所述涂层对所述超声信号通过所述载体3传送的影响。另一方面通过以这种如此薄的涂层进行涂覆确保，所述涂层具有足够高的弹性，用以不会在所述载体3例如在产生所述超声信号的情况下变形时而断裂。

所述机电的转换器元件2通过第一表面6具有与所述载体3、尤其载体的涂层10直接的接触。通过与所述载体3的接触，所述机电的转换器元件2在安装的状态下通过所述载体3以及所述壳体4接地。就此而言该实施例同样提供了如下的超声转换器1，其以特别简单的方式接地并且同时确保了所述超声信号的特别高的信号份额的传送。

图3示出了超声转换器1的第三实施例，其中，所述超声转换器1具有机电的转换器元件2以及壳体4，所述转换器元件布置在载体3中，其中，所述载体3由其声学阻抗的值在所述机电的转换器元件2的声学阻抗的值和所述流动介质的声学阻抗的值之间的载体材料制成。不仅所述载体3而且所述壳体4也是能够导电的。在此，所述载体3由能够导电的聚合物制成。所述壳体4由金属制成。此外，所述载体3和所述壳体4传导地相互连接。所述机电的转换器元件2通过第一表面6具有与所述载体3直接的接触。通过弹簧元件13使得所述机电的转换器元件2朝所述壳体3预紧。

此外，所述机电的转换器元件2通过电极柱8与信号线路9连接。为了产生超声信号，通过所述信号线路9以及所述壳体4或者载体3将电压施加到所述机电的转换器元件2处，所述电压由所述转换器元件2转换成超声信号。为了避免短路，所述电极柱8以及所述机电的转换器元件2的第二表面7通过含有电阻的元件、在此通过略微能够传导的连接元件11和12与所述载体3分开。所述连接元件11和12在此由略微能够传导的涂层以及由略微能够传导的O型环设计而成。所述机电的转换器元件2通过所述O型环额外地在载体3内部在中间布置。

为了将所述机电的转换器元件2上不希望的电压导出，所示出的超声转换器1具有放电电阻，当没有电压施加在所述转换器元件2处时，通过所述放电电阻对所述机电的转换器元件2进行放电。在此所述放电电阻通过以下方法提供，即所述电极柱8与所述机电的转换器元件2通过略微传导的连接元件11和12与所述载体3连接。在此，略微传导的连接部理解为所述连接部的电阻如此之高，使得所述机电的转换器元件2的运行不受影响。在此，所述元件11和12为此由能够略微传导的聚合物制成。

如果所述壳体4在安装的状态下额外地形成了至所述流量测量仪器的接地电势的传导连接，那么所述机电的转换器元件2还以特别简单的方式通过所述载体3接地。

结果图3示出了提供特别高的运行可靠性的超声转换器1，其中，同时确保了所述超声信号的特别高的信号份额到所述有待测量的介质中的传送。

图4示出了超声转换器1的第四实施例，其中，所述超声转换器1具有机电的转换器元件2和壳体4，所述转换器元件布置在载体3中，其中，所述载体3由其声学阻抗的值在所述机电的转换器元件2的声学阻抗的值和所述有待测量的流动介质的声学阻抗的值之间的载体材料制成。所述壳体4由金属制成。

所述载体3的载体材料由不能传导的聚合物制成，由此超声信号到流动介质中特别高的传送得到提供。在所述载体3的内侧面处，所述载体材料涂覆有金属涂层10。所述机电的转换器元件2通过第一表面6与所述载体3导电连接、尤其与所述涂层10导电连接。此外，所述载体3通过所述金属涂层10与所述壳体4导电连接。

如在前面所示的第三实施例中那样，所述机电的转换器元件2通过电极柱8与信号线路9连接，并且所述电极柱8和所述机电的转换器元件2的与所述信号线路连接的侧面为了避免短路通过含有电阻的元件、在此通过所述能够略微传导的连接元件11和12与所述载体3分开，所述连接元件在此通过能够略微传导的涂层以及能够略微传导的O型环设计而成。

此外，所述超声转换器1同样具有放电电阻，通过所述放电电阻对所述机电的转换器元件2进行放电，由此避免了例如基于温度波动的不希望的电压的建立。在此所述放电电阻也通过以下方法得到提供，即所述电极柱8和所述机电的转换器元件2通过略微传导的连接元件11和12与所述载体3连接。略微传导的连接部还理解为，所述略微传导的连接元件11和12的电阻足够高，用以使得所述转换器元件2的运行不显著地受到影响。为此，所述元件11和12同样由能够略微传导的聚合物制成。

如果所述壳体4在安装的状态下额外地形成至所述流量测量仪器的接地电势的传导连接，那么所述机电的转换器元件2还以特别简单的方式通过所述载体3接地。

结果该实施例也提供了如下的超声转换器1，其一方面确保了所述超声信号到所述介质中的较高的传送并且另一方面通过简单的接地以及不希望的电压的导出来实现所述超声转换器1的特别可靠的运行。

附图标记列表

1 超声转换器

2 机电的转换器元件

3 载体

4 壳体

5 声学的窗口

6 机电的转换器元件的第一表面

7 机电的转换器元件的第二表面

8 电极柱

9 信号线路

10 涂层

11 连接元件

12 连接元件

13 弹簧元件。

Claims (10)

1.超声转换器（1），用于安装到用于测量流动的介质的流量的超声流量测量仪器中，所述超声转换器包括用于产生超声信号的机电的转换器元件（2）、载体（3）以及壳体（4），其中，所述机电的转换器元件布置在所述载体（3）中，其中，所述壳体（4）至少部分地由能够导电的材料制成，其中，所述载体（3）具有带有声学阻抗的载体材料，其中，所述载体材料的声学阻抗的值在所述机电的转换器元件（2）的声学阻抗的值和有待测量的流动的介质的声学阻抗的值之间，其中，所述载体（3）至少部分是能够导电的，其中，所述载体（3）和所述壳体（4）导电地相互连接，并且其中，所述机电的转换器元件（2）与所述载体（3）导电地相互连接，其特征在于，所述载体材料至少部分地由能够传导的聚合物制成或者所述载体材料由能够传导的陶瓷材料制成。

2.按权利要求1所述的超声转换器（1），其特征在于，所述壳体（4）的能够导电的材料是金属或金属合金。

3.按权利要求1或2所述的超声转换器（1），其特征在于，所述机电的转换器元件（2）至少局部地直接与所述载体（3）导电连接。

4.按权利要求1到2中任一项所述的超声转换器（1），其特征在于，所述载体材料至少部分地由用碳素纤维增强的聚合物制成。

5.按权利要求1到2中任一项所述的超声转换器（1），其特征在于，所述载体（3）具有能够传导的涂层（10），并且所述载体材料在所述载体（3）的内侧面处至少部分地用所述能够传导的涂层（10）进行涂覆。

6.按权利要求5所述的超声转换器（1），其特征在于，所述能够传导的涂层（10）的厚度至少局部小于由所述机电的转换器元件（2）产生的超声信号的波长。

7.按权利要求5所述的超声转换器（1），其特征在于，所述能够传导的涂层（10）是金属的涂层。

8.按权利要求5所述的超声转换器（1），其特征在于，所述载体（3）通过所述能够传导的涂层（10）与所述壳体（4）导电连接。

9.按权利要求1到2中任一项所述的超声转换器（1），其特征在于，设置有放电电阻、电极柱（8）、信号线路（9）以及至少一个略微传导的连接元件（11、12），其中，所述机电的转换器元件（2）通过所述电极柱（8）与所述信号线路（9）电连接并且所述放电电阻通过以下方法实现，即所述电极柱（8）和/或所述机电的转换器元件（2）通过所述至少一个略微传导的连接元件（11、12）与所述载体（3）导电连接。

10.按权利要求9所述的超声转换器（1），其特征在于，所述至少一个略微传导的连接元件（11、12）至少部分地由能够略微传导的聚合物制成。