CN110662609A - 超声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量和自动化技术的超声换能器(1)，其具有至少一个换能器元件(20)，以发射或接收超声信号；并且包括匹配元件(10)，其声学地耦合到所述换能器元件，所述匹配元件被设计成确保所述换能器元件与作用在所述匹配元件上的介质之间的声学匹配，其中所述匹配元件在轴向范围的第一子区域(T1)中部分地填充所述匹配元件的每个横截面，其中沿着所述第一纵轴在所述第一子区域中的填充组件在所述第一侧的方向上单调增加，其中所述匹配元件在所述第一子区域中具有多个环形元件(11)，所述环形元件被布置成围绕所述第一纵轴同心地布置，并且其中在所述第一子区域中，每个环形元件部分地填充每个横截面，其中所述第一子区域包括沿所述第一纵轴的所述匹配元件轴向范围的至少80％。

Description

超声换能器
技术领域
本发明涉及一种用于确定或监测被测变量的测量和自动化技术的超声换能器。
背景技术
超声换能器长期以来一直是最先进的技术，并且需要对于技术要求和总体改进不断调整。超声换能器和与超声换能器相互作用的介质的声学匹配对于良好的发射和接收性能很重要。通过声学匹配，例如，减少了在界面介质超声换能器上反射的超声信号能量在总能量中的比例，这提高了发射和接收效率。同时，这种匹配对信噪比具有积极影响，因为反射的信号分量由于其较低能量而具有较少干扰作用。
专利公开DE102009046862A1提出了一种超声流量计的超声换能器的耦合元件，其确保了超声换能器与介质的声学匹配。该耦合元件具有大量的成束杆，这些杆在一端朝着介质逐渐变细，其中，逐渐变细负责声学匹配。所提出的解决方案的缺点在于杆束的机械稳定性低以及在杆的纵轴的方向上的延伸。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种具有紧凑且机械鲁棒的耦合元件的超声换能器，以及一种利用这种超声换能器的超声测量装置。
该目的通过根据独立权利要求1所述的超声换能器、根据权利要求14所述的超声流量计以及根据权利要求15所述的超声测量装置实现。
一种根据本发明的用于确定或监测被测变量的测量和自动化技术的超声换能器，包括：
至少一个换能器元件，尤其是压电换能器元件，其用于发射或接收超声信号；
匹配元件，其声学地耦合到换能器元件，并且带有朝向换能器元件的第一侧和背离换能器元件的第二侧，其中匹配元件被配置成确保换能器元件与作用在匹配元件上的介质之间的声学匹配，
其中，匹配元件具有第一纵轴和相对于第一纵轴的轴向范围，
并且其中匹配元件被配置成在匹配元件的第一侧和第二侧之间发射超声信号，反之亦然，
其中匹配元件在轴向范围的第一子区域中部分地填充匹配元件的每个横截面，其中沿着第一纵轴在第一子区域中的填充组件在第一侧的方向上单调增加，
其中匹配元件在第一子区域中具有围绕第一纵轴同心地布置的多个环形元件，
并且其中在第一子区域中，每个环形元件部分地填充每个横截面，其中第一子区域包括匹配元件沿第一纵轴的轴向范围的至少60％，特别是至少80％。
填充组件的单调增加确保了匹配元件的第一侧和匹配元件的第二侧之间的阻抗匹配。每个环形元件在整个第一子区域上延伸的事实使得能够实现匹配元件的紧凑结构。未被环形元件填充的体积可由气体、液体或另一固体填充。该体积中还能够布置低压或真空。
由此，至少环形元件由以下列表中的至少一种材料制成：诸如不锈钢或钛的金属、玻璃、陶瓷。
在一个配置中，在朝向第二侧并且终止第二侧的轴向范围的第二子区域中，匹配元件将匹配元件的横截面填充到至少90％，特别是至少95％，优选地至少97％。
至少几乎完全填充第二子区域中的横截面使得能够实现超声信号在换能器元件和介质之间的高效过渡，反之亦然。理想地，第二子区域的轴向范围小于超声信号在介质中的波长。
在一个配置中，在朝向第一侧并且终止第一侧的轴向范围的第三子区域中，匹配元件完全填充匹配元件的横截面。
在一个配置中，每个环形元件在朝向介质的一侧上具有第二基础元件，该第二基础元件至少部分地形成第二子区域，和/或环形元件在朝向换能器元件的一侧上具有第一基础元件，该第一基础元件至少部分地形成第三子区域。
在一个配置中，第三子区域至少部分地由以下元件中的至少一个形成：焊料层，焊接层，粘合剂层，第一板，其中第一板基本上垂直于纵轴。由此，第一板能够包含弹性体或软金属。
在第三子区域发生塑性变形的情况下，例如也可以将环形元件压在壳体壁上或压在换能器元件上，以便改善超声信号的传输。这例如能够通过容易变形的第三子区域来确保。
在一个配置中，第二子区域沿着第一纵轴至少部分地由第二板形成，并且与环形元件接触，其中第二板基本上垂直于第一纵轴。
由此，环形元件可以通过诸如钎焊、胶粘或焊接的结合过程来连接至第二板。可替选地或另外，能够例如通过板中的凹部建立环形元件与板的正向锁定连接。
匹配元件与介质接触的区域可以设置有保护涂层。涂层可以优选地由贵金属、不锈钢、诸如耐化学腐蚀的聚合物的塑料、或陶瓷制成。对于研磨介质，硬(例如陶瓷)涂层或金属氧化物涂层是有利的。
在一个配置中，匹配元件具有压力平衡开口，这些压力平衡开口被布置在环形元件和/或第二子区域和/或匹配元件的护罩中。
压力平衡开口例如能够以环形柱的形式布置在第二子区域中。
在一个配置中，第二侧与换能器元件接触。
在一个配置中，超声换能器具有带有第一壳体腔的壳体，第一壳体腔被配置成容纳换能器元件，
其中，换能器元件嵌入在第一壳体腔中。
在一个配置中，壳体的外侧朝向介质，
其中匹配元件被布置在壳体的外侧上并且通过壳体壁与换能器元件分离。
在一个配置中，壳体具有第二壳体腔，第二壳体腔通过不透介质的内壁与第一壳体腔分离，
其中匹配元件被布置在内壁的朝向介质的一侧上，并且其中换能器元件被布置在内壁的背离介质的一侧上，
其中壳体腔在相对于介质方向上的第一纵轴的轴向方向上至少部分地包围匹配元件。
在一个配置中，环形元件在朝向换能器元件的一侧上具有至少0.4mm，并且特别是至少0.5mm，并且优选地至少0.6mm的第一厚度，和/或其中环形元件在朝向换能器元件的一侧上具有最大1.5mm，并且特别是最大1.2mm，并且优选地最大1mm的第一厚度，和/或
其中，环形元件在朝向第二子区域的一侧上具有至少0.005mm，并且特别是至少0.01mm，并且优选地至少0.02mm的第二厚度，和/或其中环形元件在朝向第二子区域的一侧上具有最大0.4mm，并且特别是最大0.3mm，并且优选地最大0.2mm的第二厚度。
这里指定的尺寸是指针对具有约1MHz频率的超声信号而优化的超声换能器。针对具有不同频率并因而具有不同波长的超声信号而优化的超声换能器具有与波长相应匹配的尺寸。随着波长增加，尺寸相应增加。
由此，第一厚度与第二厚度的比率小于1/2，并且特别是小于1/5，并且优选地小于1/20。
第一厚度优选地小于匹配元件的轴向范围的1/3，并且特别是小于1/5。
在一个配置中，环形元件在朝向换能器元件的一侧上的径向间距至少为0.02mm，并且特别是0.05mm，并且优选地至少为0.1mm。
在一个配置中，匹配元件的轴向范围至少为3mm，并且特别是至少为5mm，并且优选地至少为7mm，和/或其中匹配元件的最大轴向范围为30mm，并且特别是最大25mm，并且优选地最大20mm。
在一个配置中，匹配元件至少部分地借助于以下制造过程中的至少一种来制造：
烧结、激光烧结、铸造、注塑、3D打印。
一种根据本发明的超声流量计，用于利用根据本发明的至少一个超声换能器测量流过测量管的介质的体积流率或流速，其具有用于引导介质的测量管，
其中该至少一个超声换能器被安装在测量管的壁中，
并且其中流量计具有用于操作超声换能器的电子操作电路。
一种根据本发明的超声测量装置，用于利用根据本发明的至少一个超声换能器测量包含在容器或超声测距仪中的介质的填充水平，其具有用于操作超声换能器的电子操作电路，其中超声换能器被安装在容器的壁中。
附图说明
下面，基于附图所示的例证性实施例描述本发明；
图1示出了根据本发明的匹配元件的示意性例证性横截面图；
图2示出了根据本发明的另一匹配元件的示意性例证性横截面图；
图3a)至3d)示出了超声换能器的示意性例证性横截面图，每个超声换能器具有根据本发明的匹配元件；
图4a)示出了超声流量计的示意性例证性横截面图；以及，图4b)示出了超声填充水平计的示意性例证性横截面图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的匹配元件10的横截面图，该匹配元件具有多个环形元件11，这些环形元件11围绕第一纵轴14同心地布置，其中，外部环形元件是匹配元件的护罩15。如在该例证性实施例中所示，环形元件能够在朝向介质的第二侧S2上具有第二基础元件11.2，第二基础元件11.2垂直于第一纵轴延伸并且与相邻的环形元件11固定连接。这些环形元件之间借助于第二基础元件11.2的连接能够为钎焊、焊接或胶粘连接。另外，如在该例证性实施例中所示，匹配元件的第二侧可以通过连接到环形元件11的第二板13终止。在不存在第二基础元件11.2的情况下，环形元件例如能够以正向锁定的方式接合在第二板13中的凹部(未示出)中。环形元件与第二板之间的连接也能够可替选地或互补地是钎焊、焊接或胶粘连接。在存在基础元件11.2的情况下，环形元件与第二板之间的连接优选地是钎焊、焊接或胶粘连接。可替选地或另外，基础元件或第二板可以在介质侧上提供有涂层，以便保护匹配元件不受介质的影响。例如，能够通过贵金属或耐化学腐蚀的聚合物或陶瓷来保护免受酸性或碱性介质的影响。对于研磨介质，硬(例如陶瓷)涂层或金属氧化物涂层有利。
在朝向换能器元件20的侧S1的方向上(参见图2)，环形元件在沿着第一纵轴的第一子区域中具有单调增加的横截面面积，其中第一子区域占匹配元件的轴向范围AA的至少50％，特别是至少60％，优选地至少80％。匹配元件在第二侧面S2上通过第二子区域T2终止，在该第二子区域T2中，匹配元件填充匹配元件的横截面的至少95％，特别是至少98％。
匹配元件的第一侧S1被配置成例如通过胶粘或焊接或钎焊来连接到超声换能器的壳体30或连接到换能器元件20；参见图3a)至图3d)。在该例证性实施例中，匹配元件的第一侧在第三子区域T3中通过焊料层、焊接层、粘合剂层或第一板12终止。可替选地，第一子区域可以直接连接至壳体或换能器元件。
在第一侧S1的方向的在第一子区域T1中匹配元件的横截面的单调增加填充是由环形元件的厚度增大引起的，这些环形元件被配置成在第一侧S1和第二侧S2之间发射声音信号，反之亦然。穿过匹配元件的声音信号引起环形元件在第一纵轴的方向上偏转，其中环形元件的局部偏转取决于环形元件的局部声能和局部厚度，其中厚度增加伴随着局部轴向偏转的减小。由于给定声能下的偏转幅度是介质或物体的声阻抗的函数，因此改变环形元件的厚度，因而改变环形元件沿第一纵轴的局部轴向偏转的振幅，确保了作用在第二侧上的介质与匹配元件的朝向换能器元件的侧面之间的阻抗匹配。
因为根据本发明的超声换能器在不同条件下使用，所以明智的是向第一子区域提供压力平衡开口16，这些压力平衡开口布置在环形元件中和/或第二侧中。由此，压力平衡开口较小并且在第二子区域中占匹配元件的横截面面积的小于5％，特别是小于2％。例如，第二子区域中的压力平衡开口能够为第二基础元件之间的环形间隙。在以上给出定义的第一子区域中，基于匹配元件的横截面面积单调增加，不考虑环形元件中的压力平衡开口。除了如图1中所示之外，环形元件不必一定是均匀的，第二基础元件的取向或几何形状也不必相同。除了或代替焊料层、焊接层、粘合剂层或第一板12，第三子区域中的第一侧S1上的环形元件也能够具有第一基础元件，与第二基础元件一样，第一基础元件也建立与相邻环形元件的连接。
图2示出了根据图1的根据本发明的匹配元件的横截面图，但是没有压力平衡开口。
图3a)至3d)示出了超声换能器的三个例证性版本的横截面图，其每个具有根据本发明的匹配元件。图3a)示出了具有壳体30和第一壳体腔31的超声换能器，在该壳体腔中布置了换能器元件20。匹配元件被布置在壳体壁W的外侧上，处于与换能器元件相对的一侧。从换能器元件20传播到匹配元件10(反之亦然)的声音信号穿过不透介质的壳体壁。
图3b)示出了图3a)中所示的超声换能器的一种变体，其中匹配元件通过第一螺纹G1拧到壳体壁的第二螺纹G2上。
图3c)示出了超声换能器，其中换能器元件20被布置在壳体30的第二壳体腔32中，并且其中换能器元件和匹配元件由不透介质的内壁WI分离。这种配置使得换能器元件能够被牢固地安装到壳体上或壳体内，因此特别适合于流量测量。
图3d)示出了超声换能器的另一变体，其中匹配元件10被布置在壳体的壁W中，其中匹配元件和换能器元件未被壳体壁W分离。
如图3b)至3d)中所示，另外或可替选地，能够经由螺纹连接确保将匹配元件安装在壳体上，其中壳体具有第二螺纹G2，并且换能器元件具有与之互补的螺纹G1。然而，如图3a)中所示，也能够仅借助于例如胶粘、焊接或钎焊来确保无螺纹连接的安装。
另外，关于壁厚和材料选择，不透介质的内壁能够适应当前的爆炸物要求或压力设备指南。
图4a)示意了根据传输时间或传输时间差原理操作的例证性超声流量计100，其中超声流量计具有：两个根据本发明的超声换能器1，它们被布置在测量管50的测量管壁51中；和，用于操作超声换能器的电子测量/操作电路70，该电子测量/操作电路借助于电连接(为了清楚起见未示出)连接到超声换能器1。超声换能器发出的超声信号穿过介质沿倾斜于介质在测量管内的传播方向行进，并经历与方向有关的传输时间变化，这种变化能够用于通过电子测量/操作电路70确定流量测量值。可替选地，例证性超声流量计也能够根据多普勒原理进行操作。在这种情况下，仅需要单个超声换能器。
图4b)示出了例证性超声填充水平计110，其具有；容器60；布置在容器壁60中的根据本发明的超声换能器1；以及用于操作超声换能器的电子测量/操作电路70。超声换能器1被配置成发射超声信号，并接收从容器中的介质的边界表面反射回的超声信号。能够使用电子测量/操作电路根据信号传播时间来计算介质的填充水平。超声换能器例如也能够被布置在容器壁中，使得超声信号在介质的边界表面处反射之前穿过介质。
与超声填充水平计一样，超声换能器也能够用作超声测距仪。
附图标记列表
1 超声换能器
10 匹配元件
11 环形元件
11.2 第二基础元件
12 焊料层、焊接层、粘合剂层、第一板
13 第二板
14 第一纵轴
15 护罩
16 压力平衡开口
G1 第一螺纹
G2 第二螺纹
S1 第一侧
S2 第二侧
T1 第一子区域
T2 第二子区域
T3 第三子区域
AA 轴向范围
20 换能器元件
30 壳体
31 第一壳体腔
32 第二壳体腔
W 壳体壁
WI 内壁
50 测量管
51 测量管壁
60 容器
61 容器壁
70 电子测量/操作电路
100 超声流量计
110 超声填充水平计

Claims (15)

1.一种用于确定或监测被测变量的测量和自动化技术的超声换能器(1)，包括：
用于发射或接收超声信号的至少一个换能器元件(20)，特别是压电换能器元件；
匹配元件(10)，所述匹配元件(10)声学地耦合到所述换能器元件，并且带有朝向所述换能器元件的第一侧(S1)和背离所述换能器元件的第二侧(S2)，其中，所述匹配元件被配置成确保所述换能器元件与作用在所述匹配元件上的介质之间的声学匹配，
其中，所述匹配元件具有第一纵轴(14)和相对于所述第一纵轴的轴向范围(AA)，
并且其中，所述匹配元件被配置成在所述匹配元件的所述第一侧和所述第二侧之间发射超声信号，反之亦然，
其中，所述匹配元件在所述轴向范围的第一子区域(T1)中部分地填充所述匹配元件的每个横截面，其中沿着所述第一纵轴在所述第一子区域中的填充组件在所述第一侧的方向上单调增加，
其特征在于，
所述匹配元件在所述第一子区域中具有围绕所述第一纵轴同心地布置的多个环形元件(11)，
并且其中，在所述第一子区域中，每个环形元件部分地填充每个横截面，
其中，所述第一子区域包括所述匹配元件沿所述第一纵轴的轴向范围的至少60％，特别是至少80％。
2.根据权利要求1所述的超声换能器(1)，
其中，在朝向所述第二侧(S2)并且终止所述第二侧的所述轴向范围的第二子区域(T2)中，所述匹配元件(10)将所述匹配元件的横截面填充到至少90％，特别是至少95％，优选地至少97％。
3.根据权利要求1或2所述的超声换能器(1)，
其中，在朝向所述第一侧并且终止所述第一侧的所述轴向范围(AA)的第三子区域(T3)中，所述匹配元件完全填充所述匹配元件的横截面。
4.根据前述权利要求中一项所述的超声换能器(1)，
其中，所述环形元件中的每个在朝向所述介质的一侧上具有第二基础元件(11.2)，所述第二基础元件至少部分地形成所述第二子区域(T2)，和/或其中所述环形元件在朝向所述换能器元件的一侧上具有第一基础元件，所述第一基础元件至少部分地形成所述第三子区域(T3)。
5.根据权利要求3或4中一项所述的超声换能器(1)，
其中，所述第三子区域(T3)至少部分地由以下元件中的至少一个形成：焊料层、焊接层、粘合剂层、烧结层、第一板(12)，
其中，所述第一板基本上垂直于所述纵轴。
6.根据前述权利要求中一项所述的超声换能器(1)，
其中，所述第二子区域(T2)沿着所述第一纵轴(14)至少部分地由第二板(13)形成，所述第二板与所述环形元件接触，
其中，所述第二板(13)基本垂直于所述第一纵轴。
7.根据前述权利要求中一项所述的超声换能器(1)，
其中，所述匹配元件(10)具有压力平衡开口(16)，所述压力平衡开口被布置在所述环形元件(11)和/或所述第二子区域(12)和/或所述匹配元件的护罩中。
8.根据前述权利要求中一项所述的超声换能器(1)，
其中，所述第二侧与所述换能器元件(20)接触。
9.根据前述权利要求中一项所述的超声换能器(1)，
其中，所述超声换能器(1)具有带有第一壳体腔(31)的壳体(30)，所述壳体被配置成容纳所述换能器元件(20)，
其中，所述换能器元件被布置在所述第一壳体腔(31)中。
10.根据权利要求9所述的超声换能器(1)，
其中，所述壳体(30)具有朝向所述介质的外侧，
其中，所述匹配元件被布置在所述壳体的外侧上并且通过不透介质的壳体壁(W)与所述换能器元件分离。
11.根据权利要求1至9任一项所述的超声换能器(1)，
其中，所述壳体(30)具有第二壳体腔(32)，所述第二壳体腔通过不透介质的内壁(WI)与所述第一壳体腔分离，
其中，所述匹配元件(10)被布置在所述内壁的朝向所述介质的一侧上，并且其中，所述换能器元件(20)被布置在所述内壁的背离所述介质的一侧上，
其中，所述第二壳体腔在所述介质的方向上相对于所述第一纵轴(14)的轴向方向上至少部分地包围所述匹配元件。
12.根据前述权利要求中一项所述的超声换能器(1)，
其中，所述环形元件(11)在所述第一子区域(T1)中，在朝向所述换能器元件(20)的一侧上具有至少0.4mm，特别是至少0.5mm，并且优选地至少0.6mm的第一厚度，和/或其中，所述环形元件在朝向所述换能器元件(20)的所述一侧上具有最大1.5mm，特别是最大1.2mm，并且优选地最大1mm的第一厚度，和/或
其中，所述环形元件(11)在朝向第二子区域(T2)的一侧上具有至少0.005mm，特别是至少0.01mm，并且优选地至少0.02mm的第二厚度，和/或其中，所述环形元件在朝向第二子区域(T2)的所述一侧上具有最大0.4mm，特别是最大0.3mm，并且优选地最大0.2mm的第二厚度。
13.根据权利要求11或12所述的超声换能器(1)，
其中，所述环形元件在朝向所述换能器元件(20)的所述一侧上的径向间距至少为0.02mm，特别是0.05mm，并且优选地至少为0.1mm。
14.一种超声流量计，用于利用根据前述权利要求中一项所述的至少一个超声换能器(1)测量流过测量管的介质的体积流率或流速，
其中，所述流量计具有用于引导介质的测量管，
其中，所述至少一个超声换能器被安装在所述测量管的壁中，
并且其中，所述流量计具有用于操作所述超声换能器的电子测量/操作电路。
15.一种超声填充水平计，用于利用根据权利要求1至13中一项所述的至少一个超声换能器(1)测量位于容器或超声测距仪中的介质的填充水平，
其中，所述超声换能器(1)被安装在所述容器的壁中或被安装在所述超声测距仪的支架中，
并且其中，所述填充水平计或所述超声测距仪具有用于操作所述超声换能器的电子测量/操作电路。
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