DE10031847A1

DE10031847A1 - Ultrasonic transducer e.g. for ultrasonic flowmeter, has vibrating mass between head mass and end mass, fixed through piezoelectric elements that vibrate freely with respect to head and end masses

Info

Publication number: DE10031847A1
Application number: DE2000131847
Authority: DE
Inventors: Meodrag Prokic
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-01-24

Abstract

The transducer consists of a head mass (1) and an end mass (2) between which a vibrating mass (3) is provided. Deformable piezoelectric elements (4) are provided on both sides of vibrating mass and the assembly is rigidly secured using a center rod (6), so that the vibrating mass vibrates freely with respect to head and end masses following the ultrasonic vibration generated or absorbed by the piezoelectric element. An Independent claim is also included for the use of ultrasonic transducer in ultrasonic flow measuring instrument.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, mit einer Kopfmasse, einer Endmasse, einer Schwingmasse und zwei elastisch verformbaren Deforma tionselementen, wobei zwischen der Kopfmasse und der Endmasse eine starre Verbindung vorgesehen ist, die Schwingmasse zwischen der Kopfmasse und der Endmasse angeordnet ist, ein Deformationselement zwischen der Kopf masse und der Schwingmasse angeordnet ist, ein Deformationselement zwi schen der Endmasse und der Schwingmasse angeordnet ist und wenigstens eines der Deformationselemente von einem Ultraschallschwingungen erzeu genden oder Ultraschallschwingungen aufnehmenden Wandlerelement ge bildet wird. Ein solcher Ultraschallwandler ist z. B. aus der EP 0 209 238 A2 bekannt.The invention relates to an ultrasonic transducer, with a head mass, one Final mass, a vibrating mass and two elastically deformable deforma tion elements, a rigid between the head mass and the final mass Connection is provided, the vibrating mass between the head mass and the final mass is arranged, a deformation element between the head mass and the vibrating mass is arranged, a deformation element between the final mass and the vibrating mass is arranged and at least generate one of the deformation elements from an ultrasonic vibration or transducer element absorbing ultrasonic vibrations is forming. Such an ultrasonic transducer is e.g. B. from EP 0 209 238 A2 known.

Das Funktionsprinzip herkömmlicher Ultraschallwandler, wie auch das des aus der EP 0 209 238 A2 bekannten, beruht im allgemeinen darauf, daß sich die Abmessung des Ultraschallwandlers wenigstens in einer Raumrichtung ändert. Dies kann z. B. eine Längenänderung des Ultraschallwandlers sein. Diese wird im Fall eines Ultraschallaufnehmers durch die aufgenommenen Ul traschallschwingungen erzeugt. Im Fall eines Ultraschallgebers ist in dem Ul traschallwandler ein Ultraschallschwingungen erzeugendes Wandlerelement vorgesehen, das entsprechende Längenänderungen des Ultraschallwandlers bewirkt. Ein solcher Ultraschallgeber wird im allgemeinen mit einer oszillie renden Ansteuerspannung angesteuert, so daß der Ultraschallgeber eine die ser oszillierenden, im allgemeinen sinusförmigen Ansteuerspannung propor tionale mechanische Schwingung vollführt. Eine entsprechende Umwand lung des elektrischen Ansteuersignals in mechanische Schwingungen wird über ein oben angesprochenes Wandlerelement erzielt, das z. B. von einem Piezoelement gebildet wird. Aus dem Stand der Technik sind jedoch auch andere Wandlerelemente bekannt, wie z. B. solche, bei denen die Umsetzung des oszillierenden elektrischen Ansteuersignals in mechanische Schwingun gen mit Hilfe von solchen Einrichtungen erzielt wird, die auf der Ausnutzung von Magnetkräften beruhen. The principle of operation of conventional ultrasonic transducers, like that of the known from EP 0 209 238 A2 is generally based on the fact that the dimension of the ultrasonic transducer at least in one spatial direction changes. This can e.g. B. be a change in length of the ultrasonic transducer. In the case of an ultrasound transducer, this is recorded by the ul generated ultrasonic vibrations. In the case of an ultrasound generator, ul ultrasonic transducer generating transducer element provided the corresponding changes in length of the ultrasonic transducer causes. Such an ultrasonic generator is generally used with an oscillator Renden drive voltage, so that the ultrasonic generator is a water oscillating, generally sinusoidal drive voltage propor tional mechanical vibration performed. A corresponding conversion tion of the electrical control signal in mechanical vibrations achieved via a transducer element mentioned above, the z. B. from one Piezo element is formed. However, are also from the prior art other transducer elements known, such as. B. those where the implementation of the oscillating electrical control signal in mechanical oscillation gene is achieved with the help of such facilities based on exploitation based on magnetic forces.

Die im Fall eines Ultraschallgebers von dem Ultraschallwandler erzeugten Ul traschallschwingungen bzw. die im Fall eines Ultraschallaufnehmers von dem Ultraschallwandler aufgenommenen Ultraschallschwingungen werden von dem Ultraschallwandler an einen anderen Körper abgegeben bzw. von die sem aufgenommen, indem der Ultraschallwandler mit diesem Körper fest ver bunden ist. Dazu kann der Ultraschallwandler z. B. mit dem Körper ver schweißt oder an diesem angeschraubt sein. Allerdings ist es nicht zwingend erforderlich, daß der Ultraschallwandler direkt an dem Körper befestigt ist, in den die Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden sollen bzw. von dem die Ultraschallschwingungen empfangen werden sollen. Es ist nämlich mög lich den Ultraschallwandler im Abstand von dem Körper vorzusehen, wobei dann zwischen dem Ultraschallwandler und dem Körper eine Verbindung in Form eines Ultraschallwellenleiters erforderlich ist.The Ul generated by the ultrasonic transducer in the case of an ultrasonic transducer ultrasonic vibrations or in the case of an ultrasound transducer Ultrasonic vibrations are picked up by ultrasonic transducers the ultrasound transducer to another body or from the sem recorded by the ultrasound transducer ver with this body is bound. For this purpose, the ultrasonic transducer z. B. ver with the body welded or screwed to it. However, it is not mandatory required that the ultrasound transducer be attached directly to the body, in which the ultrasonic vibrations are to be coupled in or from the ultrasonic vibrations are to be received. Because it is possible Lich to provide the ultrasonic transducer at a distance from the body, wherein then connect in between the ultrasound transducer and the body Form of an ultrasonic waveguide is required.

Wie zuvor schon angesprochen, beruht die Funktionsweise der herkömmli chen Ultraschallwandler darauf, daß sie während des Betriebes ihre Länge ändern. Bei der Fixierung eines solchen Ultraschallwandlers auf einem Kör per, in den Ultraschallwellen transferiert bzw. von dem Ultraschallwellen auf genommen werden sollen, verändern sich jedoch durch die Befestigung die mechanischen und akustischen Eigenschaften des Ultraschallwandlers. Durch die mechanische Befestigung des Ultraschallwandlers an dem Körper werden nämlich mitunter erhebliche Dämpfungs- und Abschwächungs effekte hervorgerufen, so daß sich die Schwingungseigenschaften des Ultra schallwandlers in beträchtlichem Maße verändern. Um trotzdem einen effi zienten Einsatz eines solchen Ultraschallwandlers an einem Körper zu reali sieren, sind deshalb häufig aufwendige Resonanz- und/oder Impedanzanpas sungsmaßnahmen erforderlich. Dies bedeutet jedoch im allgemeinen einen hohen Kostenaufwand und beansprucht bei jeder Neuinstallation eines sol chen Ultraschallwandlers erhebliche Zeit.As already mentioned, the functionality of the conventional is based Chen ultrasonic transducers ensure that their length during operation to change. When fixing such an ultrasonic transducer on a body per, transferred into the ultrasonic waves or from the ultrasonic waves should be taken, however, change the attachment mechanical and acoustic properties of the ultrasonic transducer. By mechanically attaching the ultrasound transducer to the body are sometimes considerable damping and weakening effects caused, so that the vibration properties of the Ultra change the transducer to a considerable extent. To still have an effi to use such an ultrasonic transducer on a body are often complex resonance and / or impedance adaptations measures required. However, this generally means one high cost and requires each new installation of a sol Chen ultrasonic transducer considerable time.

Dementsprechend ist es die Aufgabe der Erfindung, einen solchen Ultra schallwandler anzugeben, dessen Schwingungseigenschaften durch die An bringung an einen externen Körper nicht beeinflußt werden, so daß das Er fordernis von Resonanz- und/oder Impedanzanpassungen vermieden wird. Accordingly, it is the object of the invention, such an Ultra to specify the sound transducer, the vibration characteristics of the An Bring to an external body can not be influenced, so that the Er requirement of resonance and / or impedance adjustments is avoided.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler, mit dem die zuvor aufgezeigte und hergeleitete Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß von der Schwingmasse relativ zu der Kopfmasse und der Endmasse derartige Schwin gungen ausführbar sind, die den von dem Wandlerelement erzeugten bzw. aufgenommenen Ultraschallschwingungen frei folgen.The ultrasonic transducer according to the invention, with which the previously shown and derived problem is solved, is characterized in that of the Vibrating mass relative to the head mass and the final mass such Schwin are executable, the generated by the transducer element or Follow the recorded ultrasonic vibrations freely.

Damit die Schwingungen der Schwingmasse den von dem Wandlerelement erzeugten bzw. aufgenommenen Ultraschallschwingungen frei folgen kön nen, ist es erforderlich, daß an dieser keine den freien Schwingungen der Schwingmasse entgegenstehende Kräfte angreifen. Insbesondere darf somit zwischen der Schwingmasse einerseits und der Endmasse sowie der Kopf masse andererseits keine starre Verbindung bestehen. Dies hat wiederum zur Folge, daß aufgrund der den Ultraschallschwingungen folgenden Schwin gungen der Schwingmasse keine Längenänderung des Ultraschallwandlers insgesamt erzeugt wird. Eine solche Längenänderung des Ultraschallwand lers insgesamt würde jedenfalls einem Aufeinanderzubewegen bzw. einem Voneinanderwegbewegen der Kopfmasse relativ zur Endmasse entsprechen. Durch die Kopplung zwischen der Schwingmasse einerseits und der Kopf masse sowie der Endmasse andererseits lediglich über die Deformationsele mente können aufgrund der von der Schwingmasse durchgeführten Schwin gungen jedoch keine solchen Kräfte auf die Kopfmasse oder die Endmasse ausgeübt werden, die zu Relativbewegungen der Kopfmasse zur Endmasse führen würden, so daß es auch zu keiner Längenänderung des Ultraschall wandlers kommt.So that the vibrations of the vibrating mass from the transducer element generated or recorded ultrasonic vibrations can follow freely NEN, it is necessary that none of the free vibrations of the Attack oscillating mass opposing forces. In particular, therefore between the vibrating mass on the one hand and the final mass and the head on the other hand, there is no rigid connection. This in turn has Consequence that due to the vibration following the ultrasonic vibrations vibrations, no change in length of the ultrasonic transducer generated overall. Such a change in length of the ultrasonic wall In any case, he would move one towards the other or one Moving away from each other corresponds to the head mass relative to the final mass. Due to the coupling between the vibrating mass on the one hand and the head mass and the final mass on the other hand only via the Deformationsele elements can be due to the vibration carried out by the vibrating mass However, no such forces were exerted on the head mass or the final mass are exercised, the relative movements of the head mass to the final mass would lead to no change in length of the ultrasound converter is coming.

Vorliegend sind die Begriffe "Kopfmasse" und "Endmasse" verwendet wor den, was jedoch nicht bedeutet, daß es sich bei diesen Bauteilen um "beson ders schwere" Massen handeln muß. Insbesondere kommt nämlich sowohl für die Kopfmasse als auch für die Endmasse eine einfache Platte in Betracht, de ren Masse lediglich so groß sein muß, daß die mit dieser Masse bei dem ver wendeten Material und der gewählten Form erzeugte Stabilität der Platte für den gewünschten Einsatz des Ultraschallwandlers ausreichend ist. Dabei können die Endmasse und die Kopfmasse vom Material, von der Form und/oder von der eigentlichen Masse, also dem Gewicht, her gleich sein, sie können diesbezüglich jedoch auch verschieden sein, ohne daß dies einen Einfluß auf das Prinzip der Erfindung hätte. Insbesondere lassen sich durch voneinander verschieden ausgebildete Bauteile als Endmasse bzw. Kopf masse spezielle, an jeweils unterschiedliche Anforderungen angepaßte Schwingungseigenschaften des Ultraschallwandlers erzielen.The terms "head mass" and "final mass" are used here which, however, does not mean that these components are "special" which heavy "masses must act. In particular, both for the head mass as well as a simple plate for the final mass, de ren mass must only be so large that with this mass in the ver applied material and the chosen shape created stability of the plate for the desired use of the ultrasonic transducer is sufficient. there the final mass and the head mass can depend on the material, the shape and / or be the same in terms of the actual mass, that is to say the weight, they can also be different in this regard, without this one Would have influence on the principle of the invention. In particular, Components designed differently from one another as final mass or head mass special, adapted to different requirements Achieve vibration properties of the ultrasonic transducer.

Für die Befestigung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers an einem Körper, in den Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden sollen bzw. von dem Ultraschallschwingungen empfangen werden sollen, kommen ver schiedene Anordnungen in Betracht. Der Ultraschallwandler kann z. B. mit tels der Kopfmasse mechanisch fest an einem solchen Körper befestigt sein. Die Ultraschallschwingungen werden dann durch die Kopfmasse hindurch in den Körper eingekoppelt bzw. durch die Kopfmasse hindurch von dem Kör per empfangen. Es ist jedoch auch möglich, daß die Kopfmasse von dem Kör per selbst gebildet wird, in den die von dem Ultraschallwandler erzeugten Schwingungen eingekoppelt werden sollen bzw. von dem die mittels des Ul traschallwandlers aufzunehmenden Ultraschallschwingungen aufgenommen werden sollen. Bei dem noch nicht an dem Körper befestigten Ultraschall wandler entfällt somit quasi die Kopfmasse, so daß die Endmontage des Ultra schallwandlers erst durch die Anbringung des Ultraschallwandlers ohne Kopfmasse an dem Körper erfolgt, der dann selbst als Kopfmasse fungiert. Schließlich ist es auch möglich, die Ultraschallschwingungen über die Schwingmasse in den Körper zu transferieren bzw. von diesem zu empfan gen. Dazu wird der Ultraschallwandler mit Hilfe der Schwingmasse an dem Körper befestigt, während die Kopfmasse und die Endmasse keine Verbin dung zu dem Körper haben. Im Betrieb bleibt die Schwingmasse somit relativ zu dem Körper fest, während die Kopfmasse und die Endmasse Schwingun gen relativ zu dem Körper ausführen.For the attachment of the ultrasonic transducer according to the invention to one Body into which ultrasonic vibrations are to be coupled or from which ultrasonic vibrations are to be received, ver different arrangements into consideration. The ultrasonic transducer can e.g. B. with means of the head mass be mechanically fixed to such a body. The ultrasonic vibrations are then in through the head mass the body coupled or through the head mass from the body received by. However, it is also possible that the head mass from the body is formed by itself in the generated by the ultrasonic transducer Vibrations are to be injected or from which the Ul ultrasonic vibrations to be recorded should be. With the ultrasound not yet attached to the body converter is thus virtually eliminated the head mass, so that the final assembly of the Ultra sound transducer only by attaching the ultrasonic transducer without Head mass occurs on the body, which then acts as a head mass itself. Finally, it is also possible to use the ultrasonic vibrations To transfer vibrating mass into the body or to receive it For this purpose, the ultrasonic transducer is attached to the Body attached, while the head mass and the final mass no connection to the body. The oscillating mass remains relative during operation to the body while the head mass and the final mass vibrate gene relative to the body.

Grundsätzlich ist es möglich, das System aus der von den Deformationsele menten umgebenen Schwingmasse, der Kopfmasse und der Endmasse völlig spannungsfrei vorzusehen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Er findung ist jedoch vorgesehen, daß die von den Deformationselementen um gebene Schwingmasse zwischen der Kopfmasse und der Endmasse unter Vorspannung eingespannt ist. Insbesondere kann nämlich vorgesehen sein, daß die starre Verbindung zwischen Kopfmasse und Endmasse von einem Stab gebildet wird, der vorzugsweise in Längsrichtung des Ultraschallwand lers gesehen zentral angeordnet ist. Die Kopfmasse und die Endmasse können dann mit Hilfe des Stabes unter Vorspannung miteinander verbunden sein, so daß auch die zwischen der Kopfmasse und der Endmasse vorgese hene, von den Deformationselementen umgebene Schwingmasse unter Vor spannung eingespannt ist. Realisiert wird eine solche Verbindung der Kopf masse mit der Endmasse sowie eine entsprechende Vorspannung mit Hilfe aus dem Stand der Technik, wie z. B. der EP 0 209 238 A2, bekannten Mitteln.Basically it is possible to get the system out of the Deformationsele elements surrounding vibrating mass, the head mass and the final mass completely to be provided without tension. According to a preferred development of the Er However, the invention provides that the deformation elements around given vibration mass between the head mass and the final mass below Preload is clamped. In particular, it can be provided that that the rigid connection between head mass and final mass of one Rod is formed, preferably in the longitudinal direction of the ultrasonic wall lers seen centrally arranged. The head mass and the final mass can then connected to each other with the help of the rod under tension be so that also between the head mass and the final mass underneath the vibrating mass surrounded by the deformation elements voltage is clamped. Such a connection is made to the head mass with the final mass and a corresponding preload with the help of the prior art, such as. B. EP 0 209 238 A2, known means.

Daß, wie erfindungsgemäß erforderlich, die Schwingmasse frei schwingen kann, wird beim Vorsehen eines zuvor beschriebenen, die Kopfmasse mit der Endmasse verbindenden Stabes vorzugwseise dadurch erzielt, daß die Schwingmasse keine feste Verbindung zu dem Stab aufweist. Möglich ist da bei jedoch ein solcher Kontakt der Schwingmasse zu dem Stab, der einem beim Schwingen der Schwingmasse gleitenden Kontakt entspricht und somit im wesentlichen dem Führen der Schwingmasse dient. Abgesehen von bei ei nem solchen Führen auftretenden, geringen Reibungskräften sollen durch den Stab auf die Schwingmasse jedoch keine anderen Kräfte wirken. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist dazu vorgesehen, daß der Stab durch eine - vorzugsweise zentral - in der Schwingmasse vorgesehene Bohrung ohne Verbindung zu der Schwingmasse hindurchgeführt ist. Auf diese Weise wird eine solche Lösung realisiert, mit der auch die zuvor ange sprochene Führungsfunktion des Stabes erzielbar ist, wenn der Duchmesser der in der Schwingmasse vorgesehenen Bohrung nur geringfügig größer als der Durchmesser des Stabes ist.That, as required according to the invention, the oscillating mass oscillate freely can, with the provision of a previously described, the head mass with the End mass connecting rod preferably achieved in that the Vibrating mass has no fixed connection to the rod. It is possible however, such a contact of the vibrating mass with the rod, which one corresponds to sliding contact when vibrating the vibrating mass and thus essentially serves to guide the vibrating mass. Aside from at egg Low friction forces that occur in such a way should no other forces act on the vibrating mass. According to A preferred development of the invention provides that the Rod by a - preferably centrally - provided in the vibrating mass Hole is passed through without connection to the vibrating mass. On in this way, such a solution is implemented with which the previously stated spoken leadership function of the rod can be achieved if the diameter of the bore provided in the vibrating mass is only slightly larger than is the diameter of the rod.

Wie zuvor schon angesprochen, ist es erforderlich, daß wenigstens eines der Deformationselemente ein solches Bauelement ist, mit dem Ultraschallschwin gungen erzeugbar sind bzw. von dem Ultraschallschwingungen aufnehmbar sind. Während es sich bei einem solchen Deformationselement um ein soge nanntes aktives Bauelement handelt, kann das zweite Deformationselement ein sogenanntes passives Bauelement sein, das eben nicht die Funktion auf weist, Ultraschallschwingungen zu erzeugen bzw. aufzunehmen, jedoch den Ultraschallschwingungen passiv folgen kann und somit das erfindungsgemäß erforderliche freie Schwingen der Schwingmasse relativ zu Kopfmasse und Endmasse ermöglicht. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfin dung ist jedoch vorgesehen, daß die beiden, jeweils auf einander gegenüber liegenden Seiten der Schwingmasse angeordneten Deformationselemente von Ultraschallschwingungen erzeugenden bzw. Ultraschallschwingungen aufnehmenden Wandlerelementen gebildet werden, also aktive Bauelemente sind.As previously mentioned, at least one of the Deformation elements is such a component with the ultrasonic vibration conditions can be generated or picked up by the ultrasonic vibrations are. While such a deformation element is a so-called called active component, the second deformation element be a so-called passive component that just does not function has to generate or record ultrasonic vibrations, but the Passive ultrasonic vibrations can follow and thus the invention required free swinging of the vibrating mass relative to the head mass and Final dimensions allowed. According to a preferred further development of the Erfin However, it is envisaged that the two will face each other lying sides of the vibrating mass arranged deformation elements of ultrasonic vibrations or ultrasonic vibrations receiving transducer elements are formed, that is, active components are.

Auf diese Weise werden z. B. die Symmetrieeigenschaften sowie die Leistung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers verbessert. Handelt es sich bei dem Ultraschallwandler um einen Ultraschallgeber, so ist beim Vorsehen von zwei aktiven Bauelementen als Deformationselemente gemäß einer bevorzug ten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Ultraschallschwingun gen erzeugenden Wandlerelemente derart ansteuerbar sind, daß bei der Ver kürzung des einen Wandlerelements gleichzeitig eine dieser betragsmäßig entsprechende Verlängerung des anderen Wandlerelements erzeugt wird. Auf diese Weise wird das erfindungsgemäß erforderliche freie Schwingen der Schwingmasse relativ zu der Umgebung, insbesondere der Kopfmasse und der Endmasse, auf einfache Weise gewährleistet. Die Schwingmasse bewegt sich also nur innerhalb des Ultraschallwandlers entsprechend der Ultraschall schwingungen hin und her, während durch diese Schwingungsbewegungen der Schwingmasse die Kopfmasse und die Endmasse bezüglich ihres Abstan des zueinander unberührt bleiben, die Kopfmasse und die Endmasse also keine Relativbewegungen zueinander ausführen, die zu einer Längenände rung des Ultraschallwandlers insgesamt führen würden.In this way, e.g. B. the symmetry properties and performance of the ultrasonic transducer according to the invention improved. It is the ultrasound transducer by an ultrasound transmitter, so is the provision of two active components as deformation elements according to one preferred Further development of the invention provided that the ultrasonic vibrations gene generating transducer elements can be controlled such that the Ver shortening one converter element at the same time one of these amounts appropriate extension of the other transducer element is generated. In this way, the free swing required according to the invention Vibrating mass relative to the environment, especially the head mass and the final mass, guaranteed in a simple manner. The vibrating mass moves thus only within the ultrasound transducer according to the ultrasound vibrations back and forth while through these vibratory movements the oscillating mass, the head mass and the final mass with regard to their distance that remain untouched to each other, the head mass and the final mass do not make any relative movements to each other that lead to a longitudinal change tion of the ultrasonic transducer would lead.

Als Wandlerelemente sind praktisch alle auch im Stand der Technik als Wandlerelemente für Ultraschallwandler verwendeten Bauelemente einsetz bar. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorge sehen, daß die Ultraschallschwingungen erzeugenden bzw. Ultraschall schwingungen aufnehmenden Wandlerelemente von Piezoelementen gebil det werden, wobei eine bevorzugte Weiterbildung vorsieht, daß die Polarität des auf der einen Seite der Schwingmasse vorgesehenen Piezoelements um gekehrt zu dem auf der anderen Seite der Schwingmasse vorgesehenen Pie zoelements ist. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die zu vor angesprochenen Piezoelemente auch aus einer Mehrzahl von Einzelele menten zusammengesetzt sein können. Die Piezoelemente bestehen dabei z. B. aus Piezokeramiken. Practically all of them are also used as converter elements in the prior art Use transducer elements for components used in ultrasonic transducers bar. According to a preferred development of the invention, however, is provided see that the ultrasonic vibrations generating or ultrasound vibrating transducer elements of piezo elements be det, a preferred development provides that the polarity of the piezo element provided on one side of the oscillating mass turned to the pie provided on the other side of the oscillating mass is zoelements. In this context, it should be noted that the before addressed piezo elements also from a plurality of individual elements elements can be composed. The piezo elements consist z. B. made of piezoceramics.

Ist die Polarität des auf der einen Seite der Schwingmasse vorgesehenen Pie zoelements umgekehrt zu dem auf der anderen Seite der Schwingmasse vor gesehenen Piezoelements, so ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Ansteuerelektronik vorgesehen, wobei die beiden Ultraschall schwingungen erzeugenden Wandlerelemente von demselben von der An steuerelektronik erzeugten Ansteuersignal angesteuert werden. Damit ist auf optimale Weise gewährleistet, daß die Längenänderungen der auf einander gegenüberliegenden Seiten der Schwingmasse vorgesehenen Wandlerele mente einander genau entsprechen, und es ist kein Umpolen des Ansteuer signals erforderlich.Is the polarity of the pie provided on one side of the oscillating mass zoelements reversed to that on the other side of the vibrating mass seen piezo element, so according to a preferred development of the Invention control electronics provided, the two ultrasound vibration generating transducer elements of the same from the on Control electronics generated control signal can be controlled. So that's up optimal way ensures that the changes in length on each other opposite side of the vibrating mass provided transducer elements correspond exactly to one another and there is no reversal of the polarity of the control signals required.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler ist, wie zuvor beschrieben, mit le diglich einer Schwingmasse verwendbar. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, in denen die Verwendung einer Mehrzahl von Schwingmassen vorteilhaft ist. Insbesondere kann damit die Leistung des Ultraschallwandlers auf einfache Weise erhöht werden. Ist eine Mehrzahl von Schwingmassen vorgesehen, so bleibt der grundsätzliche Aufbau des Ultraschallwandlers erhalten, was be deutet, daß der erfindungsgemäße Ultraschallwandler weiterhin von der Kopfmasse und der Endmasse begrenzt ist, die miteinander starr verbunden sind, und zwischen der Kopfmasse und der Endmasse eine einander abwech selnde Abfolge von Schwingmassen und Deformationselementen vorgesehen ist. Dabei gilt, daß für eine effiziente Wirkung des ein Mehrzahl von Schwingmassen aufweisenden Ultraschallwandlers vorzugsweise jede Schwingmasse wenigstens auf einer Seite als Wandlerelement ein aktives Bauelement d. h. ein Ultraschallschwingungen erzeugendes bzw. Ultraschall schwingungen empfangendes Wandlerelement aufweist.The ultrasonic transducer according to the invention is, as described above, with le only a vibrating mass can be used. However, there are use cases in which the use of a plurality of vibrating masses is advantageous. In particular, the power of the ultrasound transducer can thus be reduced in a simple manner Way be increased. If a plurality of vibrating masses are provided, then the basic structure of the ultrasonic transducer remains, what be indicates that the ultrasonic transducer according to the invention continues from the Head mass and the final mass is limited, which are rigidly connected to each other are, and between the head mass and the final mass alternate alternating sequence of vibrating masses and deformation elements provided is. It applies that for an efficient effect of a plurality of Ultrasonic transducer having vibrating masses, preferably each Vibrating mass at least on one side as an active transducer element Component d. H. an ultrasonic vibration generating or ultrasonic has vibration-receiving transducer element.

Schließlich kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bei einem Ultraschallwandler, der eine Mehrzahl von Schwingmassen aufweist, vorgesehen sein, daß zwischen zwei Schwingmassen eine Festmasse vorge sehen ist, die derart fixiert ist, daß sie den Ultraschallschwingungen - im Ge gensatz zu den Schwingmassen - nicht frei folgen kann. Eine solche Fest masse weist dazu vorzugsweise eine mechanisch feste, nämlich eine im we sentlichen starre Verbindung zu der Kopfmasse und der Endmasse auf, wo durch ein solcher Ultraschallwandler praktisch in mehrere Ultraschallwandler unterteilt wird, die jeweils wenigstens eine Schwingmasse aufweisen. Es versteht sich von selbst, daß gemäß dieser bevorzugten Weiterbildung der Erfin dung auch eine Mehrzahl von Festmassen vorgesehen sein kann.Finally, according to a preferred development of the invention an ultrasonic transducer which has a plurality of oscillating masses, be provided that a solid mass pre-selected between two vibrating masses is seen that is fixed so that it the ultrasonic vibrations - in Ge contrast to the oscillating masses - cannot follow freely. Such a feast For this purpose, mass preferably has a mechanically fixed one, namely one in each substantial rigid connection to the head mass and the final mass where through such an ultrasonic transducer practically into several ultrasonic transducers is divided, each having at least one vibrating mass. It understands it goes without saying that according to this preferred development of the Erfin a plurality of solid masses can also be provided.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler findet vielfältige Einsatzmöglich keiten in den unterschiedlichsten technischen Gebieten und ist insbesondere für all diejenigen Anwendungen einsetzbar für die die weiter oben beschrie benen herkömmlichen Ultraschallwandler eingesetzt werden. Aufgrund sei ner besonderen schwingungstechnischen Eigenschaften ist der erfindungs gemäße Ultraschallwandler jedoch besonders für die Verwendung für einen Ultraschalldurchflußmesser, also für Ultraschalldurchflußmeßverfahren geeig net.The ultrasonic transducer according to the invention can be used in many different ways in a wide variety of technical fields and is special can be used for all applications for those described above conventional ultrasonic transducers can be used. Because of ner special vibration properties is the fiction appropriate ultrasonic transducers, however, especially for use with one Ultrasonic flow meter, so suitable for ultrasonic flow measurement net.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungs gemäßen Ultraschallwandler auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbei spiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigtIn detail, there are now a variety of ways to the invention to design and further develop ultrasonic transducers. This will to the claims subordinate to claim 1 and the following detailed description of preferred embodiments games of the invention with reference to the drawing. In the Drawing shows

Fig. 1a einen Ultraschallwandler gemäß einem ersten bevorzugten Aus führungsbeispiel der Erfindung im Schnitt, FIG. 1a an ultrasonic transducer according to a first preferred exemplary implementation of the invention in section;

Fig. 1b-1d schematisch die Funktionsweise des aus Fig. 1a ersichtlichen Ul traschallwandlers gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungs beispiel der Erfindung, FIG. 1b-1d schematically illustrate the operation of the example of FIG. 1a apparent Ul traschallwandlers according to the first preferred execution of the invention,

Fig. 2 einen Ultraschallwandler gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt sowie seine An steuerung, Fig. 2 controls an ultrasonic transducer according to a second preferred embodiment of the invention in section as well as its An,

Fig. 3 die Befestigung des Ultraschallwandlers gemäß dem zweiten be vorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an einem Körper, Fig. 3 shows the mounting of the ultrasonic transducer according to the second preferred exemplary embodiment of the invention be on a body,

Fig. 4 eine alternative Befestigung des Ultraschallwandlers gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an ei nem Körper, Fig. 4 shows an alternative fastening of the ultrasonic transducer according to the second preferred embodiment of the invention, to egg nem body,

Fig. 5 einen Ultraschallwandler gemäß einem dritten bevorzugten Aus führungsbeispiel der Erfindung im Schnitt sowie seine Befesti gung an einem Körper, Fig. 5 is an ultrasonic transducer according to a third preferred imple mentation of the invention in cross-section as well as its Fixed To supply to a body,

Fig. 6 einen Ultraschallwandler gemäß einem vierten bevorzugten Aus führungsbeispiel der Erfindung im Schnitt, Fig. 6 shows an ultrasonic transducer according to a fourth preferred imple mentation of the invention in section;

Fig. 7 die Anbringung des Ultraschallwandlers gemäß dem ersten be vorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an einen stab förmigen Ultraschallwellenleiter im Schnitt, Fig. 7 shows the attachment of the ultrasonic transducer according to the first preferred exemplary embodiment of the invention be of a rod-shaped ultrasonic waveguide in section,

Fig. 8a einen Ultraschallwandler gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Mehrzahl von Schwingmassen im Schnitt und FIG. 8a an ultrasonic transducer according to a fifth preferred embodiment of the invention having a plurality of oscillating masses in section and

Fig. 8b einen Ultraschallwandler gemäß einem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Mehrzahl von Schwingmassen sowie einer Festmasse im Schnitt. FIG. 8b an ultrasonic transducer according to a sixth preferred embodiment of the invention having a plurality of oscillating masses, as well as a solid mass in section.

Aus Fig. 1a ist ein Ultraschallwandler gemäß einem ersten bevorzugten Aus führungsbeispiel der Erfindung im Schnitt ersichtlich. Der Ultraschallwandler weist eine Kopfmasse 1 und eine Endmasse 2 auf, die den Ultraschallwandler in Längsrichtung begrenzen. Zentral zwischen der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 ist eine Schwingmasse 3 vorgesehen. Zwischen der Kopfmasse 1 und der Schwingmasse 3 sowie zwischen der Endmasse 2 und der Schwing masse 3 ist jeweils ein Ultraschallschwingungen erzeugendes bzw. Ultra schallschwingungen aufnehmendes Wandlerelement 4 angeordnet. Bei den Wandlerelementen 4 handelt es sich um Piezoelemente, wobei jeweils zwei Piezoelemente mit einander entgegengesetzter Polarität ein Wandlerelement 4 bilden. Während bei dem Wandlerelement 4 zwischen der Kopfmasse 1 und der Schwingmasse 3 die Piezoelemente mit ihren Flächen positiver Polarität aufeinander liegen, liegen bei dem Wandlerelement 4 zwischen der Endmasse 2 und der Schwingmasse 3 die Piezoelemente mit ihren Flächen negativer Polarität aneinander. Bei einer Ansteuerung mit demselben Ansteuersignal kommt es somit bei dem einen Wandlerelement 4 zu einer vorbestimmten Verlängerung und bei dem anderen Wandlerelement 4 zu einer dieser vorbe stimmten Verlängerung betragsmäßig entsprechenden Verkürzung.From Fig. 1a, an ultrasonic transducer according to a first preferred exemplary embodiment of the invention can be seen in section. The ultrasonic transducer has a head mass 1 and a final mass 2 , which limit the ultrasonic transducer in the longitudinal direction. An oscillating mass 3 is provided centrally between the head mass 1 and the final mass 2 . Between the head mass 1 and the vibrating mass 3 and between the final mass 2 and the vibrating mass 3 , an ultrasonic vibration generating or ultrasonic vibration absorbing transducer element 4 is arranged. The transducer elements 4 are piezo elements, with two piezo elements with opposite polarity each forming a transducer element 4 . While the piezoelectric elements positive with their surfaces polarity lie on each other at the transducer element 4 between the head mass 1 and the oscillating mass 3, are supplied with the converter element 4 between the final mass 2 and the oscillating mass 3, the piezoelectric elements with their surfaces of negative polarity to each other. In a drive with the same driving signal, it is thus a conversion element 4 to a predetermined extension and the other transducer element 4 to an extension of this vorbe voted magnitude corresponding reduction in the.

Mit wellenförmigen Pfeilen ist angedeutet, daß über die Kopfmasse 1 des Ul traschallwandlers Ultraschallschwingungen abgegeben werden können, z. B. in einen Körper 5, wie aus Fig. 3 ersichtlich. Der Ultraschallwandler wird ins gesamt von einem Stab 6 zusammengehalten, der in der Kopfmasse 1 und in der Endmasse 2 befestigt ist und somit zwischen der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 eine starre Verbindung bildet. Mit Hilfe des Stabes 6 ist ferner in dem Ultraschallwandler eine Vorspannung realisiert, so daß die von den Wandlerelementen 4 umgebene Schwingmasse 3 zwischen der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 unter Vorspannung eingespannt ist. Dementsprechend sind auch die Kopfmasse 1 und die Endmasse 2 mit Hilfe des Stabes 6 unter Vorspannung miteinander verbunden. Der Stab 6 ist in dem Ultraschallwand ler in dessen Längsrichtung gesehen zentral angeordnet und führt durch eine in der Schwingmasse 3 mittig vorgesehene Bohrung 7, ohne daß es zu einer Berührung des Stabes 6 mit der Schwingmasse 3 kommt. Auch die Wandler elemente 4 haben keinen direkten Kontakt zu dem zentral durch den Ultra schallwandler hindurch verlaufenden Stab 6. Auf diese Weise kann die Schwingmasse 3 relativ zu der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 freie Schwingungen ausführen, das heißt den von den Wandlerelementen 4 er zeugten oder von diesen aufgenommenen Ultraschallschwingungen frei fol gen. Dabei wird keine solche Kraft auf die Kopfmasse 1 und/oder die End masse 2 des Ultraschallwandlers ausgeübt, die zu einer Relativbewegung der Kopfmasse 1 zu der Endmasse 2 führen würde, so daß die vom Abstand der Kopfmasse 1 zur Endmasse 2 bestimmte Gesamtlänge des Ultraschallwandlers während dessen Betriebs konstant bleibt. Auf diese Weise wird, wie weiter oben schon beschrieben, das Erfordernis einer Resonanz- und/oder Impedan zanpassung bei der Anbringung des Ultraschallwandlers an einen Körper 5, in den Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden sollen oder von dem Ultraschallschwingungen empfangen werden sollen, vermieden.With wavy arrows it is indicated that ultrasonic vibrations can be emitted via the head mass 1 of the ultrasonic transducer, z. B. in a body 5 , as shown in Fig. 3. The ultrasound transducer is held together by a rod 6 which is fastened in the head mass 1 and in the end mass 2 and thus forms a rigid connection between the head mass 1 and the end mass 2 . With the aid of the rod 6, a bias voltage is further realized in the ultrasonic transducer, so that the area surrounded by the transducer elements 4 oscillating mass 3 is clamped between the head mass and tail mass 1 2 under bias. Accordingly, the head mass 1 and the end mass 2 are connected to one another with the aid of the rod 6 under prestress. The rod 6 is arranged in the ultrasonic wall in its longitudinal direction, centrally, and passes through a bore 7 provided in the center of the vibrating mass 3 , without the rod 6 coming into contact with the vibrating mass 3 . The transducer elements 4 also have no direct contact with the rod 6 running centrally through the ultrasound transducer. In this way, the oscillating mass 3 can perform to the head mass 1 and the final mass 2 free oscillations relatively, that is the by the transducer elements 4 he testified or gen-free fol of these recorded ultrasonic vibrations. It is no such force to the head mass 1 and / or the final mass 2 of the ultrasonic transducer exerted, which would lead to a relative movement of the head mass 1 to the final mass 2 , so that the total length of the ultrasonic transducer determined from the distance of the head mass 1 to the final mass 2 remains constant during its operation. In this way, as already described above, the need for a resonance and / or impedance adaptation when attaching the ultrasonic transducer to a body 5 into which ultrasonic vibrations are to be coupled or from which ultrasonic vibrations are to be received is avoided.

Aus den Fig. 1b bis 1d ist schematisch das Funktionsprinzip des aus Fig. 1a ersichtlichen Ultraschallwandlers gemäß dem ersten bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Fig. 1b zeigt die Situation, in der der Ultraschallwandler unbelastet ist, also keine Ultraschallschwingungen erzeugt oder aufnimmt. Die aus Fig. 1b ersichtliche Situation entspricht jedoch auch der Momentaufnahme des Durchgangs der Schwingmasse 3 durch ihre Gleichgewichtslage im Betrieb des Ultraschallwandlers. Wie aus den Fig. 1c und 1d ersichtlich, beruht der Betrieb des Ultraschallwandlers darauf, daß die Schwingmasse 3 zwischen der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 hin und her schwingt, wobei ersichtlich ist, daß aufgrund der elastischen Kopplung der Schwingmasse 3 mit der Kopfmasse 1 bzw. der Endmasse 2 über die Wand lerelemente 4 ein solcher Ausgleich der Lageänderung der Schwingmasse 3 erfolgt, daß keine Übertragung von solchen Kräften auf die Kopfmasse 1 bzw. Endmasse 2 aufgrund der Schwingung der Schwingmasse 3 erfolgt, die zu einer Veränderung der Länge des Ultraschallwandlers insgesamt führen würde.From FIGS. 1b to 1d, the operating principle of apparent from Fig. 1a ultrasonic transducer is shown schematically according to the first preferred embodiment of the invention exporting approximately visible. FIG. 1b shows the situation in which the ultrasonic transducer is unloaded, that does not generate ultrasonic vibrations or receives. The situation shown in FIG. 1b also corresponds to the snapshot of the passage of the oscillating mass 3 through its equilibrium position during operation of the ultrasonic transducer. As shown in FIGS. 1c and 1d can be seen, the operation of the ultrasonic transducer based on the fact that the oscillating mass 3 between the head mass 1 and the final mass 2 vibrates back and forth, where it is seen that due to the elastic coupling of the oscillating mass 3 with the head mass 1 or the final mass 2 on the wall lerelemente 4 such a compensation of the change in position of the vibrating mass 3 takes place that no transfer of such forces to the head mass 1 or final mass 2 takes place due to the vibration of the vibrating mass 3 , which leads to a change in the length of the ultrasonic transducer would lead overall.

Aus Fig. 2 ist schematisch die Ansteuerung eines Ultraschallwandlers gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Dieser Ultraschallwandler weist auf den beiden Seiten der Schwingmasse 3 einander entgegengesetzt gepolte Wandlerelemente 4 auf. Dementsprechend erfolgt die Ansteuerung der Wandlerelemente 4 mit einem von einer An steuerelektronik 8 erzeugten Ansteuersignal derart, daß dieses Ansteuersignal bei beiden Wandlerelementen 4 an den positiven Pol angelegt wird. Der ne gative Pol der Wandlerelemente 4 ist jeweils geerdet. Dadurch, daß die beiden Wandlerelemente 4 auf beiden Seiten der Schwingmasse 3 gleich ausgebildet sind, wird erreicht, daß mit der beschriebenen Ansteuerung bei der Verkür zung des einen Wandlerelements 4 gleichzeitig eine dieser betragsmäßig ent sprechende Verlängerung des diesem Wandlerelement 4 gegenüberliegenden Wandlerelements 4 erzeugt wird. Durch die Ansteuerung mit demselben An steuersignal schwingen die beiden Wandlerelemente 4 auch absolut gleich phasig, so daß insgesamt ein freies Schwingen der Schwingmasse 3 zwischen der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 erzielt wird, ohne daß durch dieses Schwingen solche Kräfte auf die Kopfmasse 1 bzw. die Endmasse 2 ausgeübt werden, die zu einer Relativbewegung der Kopfmasse 1 zur Endmase 2 füh ren würden. Dementsprechend bleibt, wie weiter oben schon dargestellt, die Gesamtlänge des Ultraschallwandlers, die durch den Abstand der Kopfmasse 1 von der Endmasse 2 bestimmt wird, während des Betriebs des Ultraschall wandlers konstant. The control of an ultrasonic transducer according to a second preferred exemplary embodiment of the invention is shown schematically in FIG. 2. This ultrasonic transducer has both sides of the oscillating mass 3 opposed to each other poled transducer elements 4. Accordingly, the control of the converter elements 4 takes place with a control signal generated by control electronics 8 in such a way that this control signal is applied to the positive pole in both converter elements 4 . The ne negative pole of the converter elements 4 is grounded. Characterized in that the two transducer elements 4 on both sides of the oscillating mass 3 are the same, it is achieved that with the control described in the shortening of the one transducer element 4 at the same time a corresponding extension of the transducer element 4 opposite transducer element 4 is generated. By actuating the same control signal, the two transducer elements 4 also vibrate in absolutely the same phase, so that overall a free oscillation of the oscillating mass 3 between the head mass 1 and the final mass 2 is achieved without such forces acting on the head mass 1 or the final mass 2 are exercised, which would lead to a relative movement of the head mass 1 to the final mast 2 . Accordingly, as already shown above, the total length of the ultrasonic transducer, which is determined by the distance of the head mass 1 from the final mass 2 , remains constant during the operation of the ultrasonic transducer.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, wie ein Ultraschallwandler gemäß dem in Fig. 2 dar gestellten zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung auf ei nem Körper 5 befestigt ist, in den von dem Ultraschallwandler erzeugte Ultra schallschwingungen eingekoppelt werden sollen. Eine starre Befestigung des Ultraschallwandlers auf dem Körper 5 wird vorliegend dadurch erzielt, daß der Stab 6 an seinem der Kopfmasse 1 entsprechenden Ende über den ei gentlichen Ultraschallwandler hinausreicht und auf dem Stab 6 in seinem über den Ultraschallwandler hinausreichenden Bereich ein Außengewinde 9 aufgebracht ist. Mit Hilfe dieses Außengewindes 9 ist der Stab 6 in eine in dem Körper 5 vorgesehene Gewindebohrung 10 eingeschraubt, so daß im montierten Zustand des Ultraschallwandlers die gesamte Anordnung aus Kopfmasse 1, Endmasse 2, Schwingmasse 3 sowie den Wandlerelementen 4 unter Vorspannung fest auf dem Körper 5 befestigt ist. Obwohl in Fig. 3 schematisch nur der Übertrag von Ultraschallschwingungen von dem Ultra schallwandler in den Körper 5 hinein dargestellt ist, ist selbstverständlich auch der Empfang von Ultraschallwellen aus dem Körper 5 möglich.From Fig. 3 it can be seen how an ultrasonic transducer according to the second preferred embodiment of the invention shown in FIG. 2 is attached to a body 5 , into which ultrasonic vibrations generated by the ultrasonic transducer are to be coupled. A rigid attachment of the ultrasonic transducer on the body 5 is achieved in the present case in that the rod 6 extends at its end corresponding to the head mass 1 beyond the actual ultrasonic transducer and an external thread 9 is applied to the rod 6 in its area extending beyond the ultrasonic transducer. With the help of this external thread 9 , the rod 6 is screwed into a threaded bore 10 provided in the body 5 , so that in the assembled state of the ultrasound transducer, the entire arrangement of head mass 1 , final mass 2 , oscillating mass 3 and the transducer elements 4 is firmly pre-stressed on the body 5 is attached. Although only the transmission of ultrasound vibrations from the ultrasound transducer into the body 5 is shown schematically in FIG. 3, the reception of ultrasound waves from the body 5 is of course also possible.

Einen alternativen Anbau des Ultraschallwandlers gemäß dem zweiten be vorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an einen Körper 5 ist aus Fig. 4 ersichtlich. Bei dieser Anbaualternative ist der Ultraschallwandler nicht mit tels der Kopfmasse 1 sondern mittels der Schwingmasse 3 an dem Körper S befestigt. Dafür ist in dem Körper S eine Ausnehmung 11 vorgesehen, in die der Ultraschallwandler derart eingesetzt ist, daß die Schwingmasse 3 wenig stens teilweise mit ihrer Außenwand in Kontakt zu dem Körper 5 steht und dort an diesem z. B. durch Verschweißen befestigt ist. Eine weitere mögliche, jedoch nicht dargestellte Befestigungsalternative besteht in einem Ein schrauben des Ultraschallwandlers mit Hilfe eines auf der Schwingmasse 3 auf deren Außenwand aufgebrachten Außengewindes in ein entsprechendes in dem Körper 5 vorgesehenes Innengewinde sowie einem Sichern dieser Verschraubung mit Hilfe von Kontermuttern, so daß sich die Verschraubung des Ultraschallwandlers während des Betriebs nicht lösen kann. Die Aus nehmung 11 in dem Körper 5 muß dabei derart dimensioniert sein, daß wäh rend des Betriebs des Ultraschallwandlers die Kopfmasse 1, die sich innerhalb der Ausnehmung 11 befindet, nicht in Kontakt zu dem Körper 5 kommt. Auch bei dieser alternativen Einbaumöglichkeit schwingt die Schwingmasse 3 relativ zur Kopfmasse 1 sowie zur Endmasse 2 frei. Tatsächlich ist die Schwingmasse 3 natürlich an dem Körper 5 fixiert, so daß es von außerhalb des Körpers 5 gesehen zu einer Schwingung der Kopfmasse 1 und der End masse 2 relativ zum Körper 5 kommt.An alternative attachment of the ultrasonic transducer according to the second preferred embodiment of the invention to a body 5 can be seen from FIG. 4. In this mounting alternative, the ultrasonic transducer is not attached to the body S by means of the head mass 1 but by means of the vibrating mass 3 . For this purpose, a recess 11 is provided in the body S, in which the ultrasonic transducer is inserted in such a way that the vibrating mass 3 is at least partially in contact with the body 5 with its outer wall and there on this z. B. is fixed by welding. Another possible, but not shown, fastening alternative consists in screwing the ultrasonic transducer with the aid of an external thread applied to the oscillating mass 3 on its outer wall into a corresponding internal thread provided in the body 5 , and securing this screw connection with the aid of lock nuts, so that the Cannot loosen the screw connection of the ultrasonic transducer during operation. From the recess 11 in the body 5 must be dimensioned such that the head mass 1 , which is located within the recess 11 , does not come into contact with the body 5 during operation of the ultrasonic transducer. With this alternative installation option, the vibrating mass 3 swings freely relative to the head mass 1 and the final mass 2 . In fact, the vibrating mass 3 is of course fixed to the body 5 , so that it is seen from outside the body 5 to a vibration of the head mass 1 and the final mass 2 relative to the body 5 .

Gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Ultraschallwandler gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dahingehend modifiziert sein, daß der eigentliche Ultraschall wandler selbst keine Kopfmasse 1 mehr aufweist. Ansonsten ist, wie aus Fig. 5 ersichtlich, der Ultraschallwandler gleich aufgebaut und auf dieselbe Weise an dem Körper S befestigt. Die Funktion der Kopfmasse 1 übernimmt dann die Masse des Körpers 5. Auf diese Weise wird die Kopfmasse 1 eingespart, jedoch ist die Montage des lediglich teilfertigen Ultraschallwandlers auf dem Körper 5 etwas aufwendiger.According to a third preferred embodiment of the invention, the ultrasound transducer according to the second preferred embodiment of the invention can be modified such that the actual ultrasound transducer itself no longer has a head mass 1 . Otherwise, as can be seen from FIG. 5, the ultrasound transducer has the same structure and is attached to the body S in the same way. The function of the head mass 1 then takes over the mass of the body 5 . In this way, the head mass 1 is saved, but the assembly of the ultrasound transducer, which is only partially finished, on the body 5 is somewhat more complex.

Aus Fig. 6 ist ein Ultraschallwandler gemäß einem vierten bevorzugten Aus führungsbeispiel der Erfindung ersichtlich, bei der die Kopfmasse 1 eine im wesentlichen kegelabschnittsförmige Form aufweist. Im Zusammenhang mit diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sei darauf hingewie sen, daß die Funktion und das Prinzip des erfindungsgemäßen Ultraschall wandlers im wesentlichen unabhängig von der Form und der Dimensionie rung der Kopfmasse 1 ist. Dementsprechend kann die Kopfmasse 1 an die je weilige Anforderung für den Einsatz des erfindungsgemäßen Ultraschall wandlers angepaßt sein. So ist z. B. der Ultraschallwandler gemäß einem fünf ten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an einem Ultraschallwel lenleiter 12 befestigt. Diese Konstruktion ermöglicht es, den Ultraschallwand ler im Abstand von dem Körper vorzusehen, in den Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden sollen bzw. von dem Ultraschallschwingungen emp fangen werden sollen, was z. B. dann erforderlich sein kann, wenn der Kör per selbst zu heiß oder zu kalt für den Betrieb des erfindungsgemäßen Ultra schallwandlers ist.From Fig. 6, an ultrasonic transducer according to a fourth preferred exemplary embodiment of the invention can be seen, in which the head mass 1 has a substantially conical shape. In connection with this preferred embodiment of the invention it should be noted that the function and principle of the ultrasound transducer according to the invention is essentially independent of the shape and dimensioning of the head mass 1 . Accordingly, the head mass 1 can be adapted to the respective requirement for the use of the ultrasound transducer according to the invention. So z. B. the ultrasonic transducer according to a five-th preferred embodiment of the invention attached to an Ultrasonic Wel lenleiter 12 . This construction makes it possible to provide the ultrasonic transducer at a distance from the body into which ultrasonic vibrations are to be coupled or to be received by the ultrasonic vibrations. B. may be necessary if the body itself is too hot or too cold for the operation of the ultrasonic transducer according to the invention.

Aus den Fig. 8a und 8b schließlich sind Ultraschallwandler gemäß einem fünf ten bzw. einem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung er sichtlich, die jeweils eine Mehrzahl von Schwingmassen 3 aufweisen. Bei dem Ultraschallwandler gemäß dem fünften bevorzugten Ausführungsbei spiel sind drei Schwingmassen vorgesehen, so daß die Leistung dieses Ultraschallwandlers etwa dreimal so groß ist wie die eines ansonsten vergleichba ren Ultraschallwandlers mit lediglich einer Schwingmasse. Bei dem Ultra schallwandler gemäß dem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er findung ist zentral eine Festmasse 13 vorgesehen, die in festem Kontakt zu dem Stab 6 steht und somit starr mit der Kopfmasse 1 sowie der Endmasse 2 verbunden ist. Zwischen der Festmasse 13 und der Kopfmasse 1 bzw. der Endmasse 2 ist jeweils ein Schwingmasse 3 angeordnet, so daß der Ultra schallwandler gemäß dem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Er findung im wesentlichen zwei hintereinander geschalteten Ultraschallwand lern mit lediglich einer Schwingmasse entspricht.Finally, FIGS. 8a and 8b show ultrasonic transducers according to a fifth or a sixth preferred exemplary embodiment of the invention, each of which has a plurality of oscillating masses 3 . In the ultrasonic transducer according to the fifth preferred embodiment, three oscillating masses are provided, so that the power of this ultrasonic transducer is approximately three times greater than that of an otherwise comparable ultrasonic transducer with only one oscillating mass. In the ultra sound converter according to the sixth preferred embodiment of the invention, a solid mass 13 is provided centrally, which is in firm contact with the rod 6 and is thus rigidly connected to the head mass 1 and the final mass 2 . Between the solid mass 13 and the head mass 1 and the final mass 2 , a vibrating mass 3 is arranged, so that the ultrasonic transducer according to the sixth preferred embodiment of the invention essentially learn two series connected ultrasonic wall learn with only one vibrating mass.

Claims

1. Ultrasonic transducer, with a head mass ( 1 ), a final mass ( 2 ), a vibrating mass ( 3 ) and two elastically deformable deformation elements, a rigid connection being provided between the head mass ( 1 ) and the final mass ( 2 ), the vibrating mass ( 3 ) is arranged between the head mass ( 1 ) and the end mass ( 2 ), a deformation element is arranged between the head mass ( 1 ) and the oscillating mass ( 3 ), a deformation element between the end mass ( 2 ) and the oscillating mass ( 3 ) is arranged and at least one of the deformation elements of an ultrasonic vibration-generating or ultrasonic vibration-absorbing transducer element ( 4 ) is formed, characterized in that the oscillating mass ( 3 ) relative to the head mass ( 1 ) and the final mass ( 2 ) derar term vibrations are executable that freely follow the generated by the transducer element ( 4 ) or recorded ultrasonic vibrations.

2. Ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the head mass ( 1 ) is formed by a body ( 5 ) into which the ultrasonic vibrations generated by the ultrasonic transducer are to be coupled or from which the ultrasonic vibrations to be recorded by the ultrasonic transducer are recorded should be.

3. Ultrasonic transducer according to claim 1 or 2, characterized in that the oscillating mass ( 3 ) surrounded by the deformation elements is clamped between the head mass ( 1 ) and the final mass ( 2 ) under prestress.

4. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the rigid connection between the head mass ( 1 ) and the final mass ( 2 ) by a - preferably centrally arranged - rod ( 6 ) is formed.

5. Ultrasonic transducer according to claim 4, characterized in that the head mass ( 1 ) and the final mass ( 2 ) with the help of the rod ( 6 ) are connected to each other with pretension.

6. Ultrasonic transducer according to claim 4 or 5, characterized in that the oscillating mass ( 3 ) has no connection to the rod ( 6 ).

7. Ultrasonic transducer according to one of claims 4 to 6, characterized in that the rod ( 6 ) through a - preferably centrally - in the vibrating mass ( 3 ) provided bore ( 7 ) without connection to the vibrating mass ( 3 ) is passed.

8. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 7, characterized in that the two mutually opposite sides of the vibrating mass ( 3 ) arranged deformation elements of ultrasonic vibrations generating or receiving ultrasonic vibrations transducer elements ( 4 ) are formed.

9. Ultrasonic transducer according to claim 8, characterized in that the ultrasonic vibrating transducer elements ( 4 ) can be controlled such that when one transducer element ( 4 ) is shortened, an amount corresponding extension of the other transducer element ( 4 ) is generated and vice versa ,

10. Ultrasonic transducer according to claim 9, characterized in that the ultrasonic vibrations generating or receiving Wandlerele elements ( 4 ) are formed by piezo elements, the polarity of the on one side of the oscillating mass ( 3 ) provided piezo element reversed to that on the other side the vibrating mass ( 3 ) provided Pie zoelements.

11. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 10, characterized in that a control electronics ( 8 ) is provided and the two Ul transducer vibrating transducer elements ( 4 ) with the same from the control electronics ( 8 ) generated control signal who the.

12. Ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 11, characterized in that a plurality of oscillating masses ( 3 ) is provided.

13. Ultrasonic transducer according to claim 12, characterized in that between two oscillating masses ( 3 ) a solid mass ( 13 ) is provided which is fixed in such a way that it cannot freely follow the ultrasonic vibrations.

14. Ultrasonic transducer according to claim 13, characterized in that the solid mass ( 13 ) is rigidly connected to the head mass ( 1 ) and the final mass ( 2 ).

15. Ultrasonic transducer according to claim 13 or 14, characterized in that a plurality of solid masses ( 13 ) is provided.

16. Use of an ultrasonic transducer according to one of claims 1 to 15 for an ultrasonic flow meter and / or an ultrasonic flow measurement methods.