DE10045646A1

DE10045646A1 - Ultraschallwandler sowie Ultraschallzähler

Info

Publication number: DE10045646A1
Application number: DE2000145646
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dietz; Hans Michael Sonnenberg
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Hydrometer GmbH
Priority date: 2000-09-15
Filing date: 2000-09-15
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2020-09-16
Also published as: DE10045646C2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler 1, insbesondere für den Einsatz in einem Durchflußmesser für flüssiges oder gasförmiges Medium, wobei der Ultraschallwandler 1 einen piezoelektrischen Körper 13 umfaßt, an dessen Vorderseite eine flächige erste Elektrode 4 und dessen Rückseite eine flächige zweite Elektrode 3 vorgesehen ist, für jede Elektrode 3, 4 mindestens ein Anschlußpunkt 5, 6 zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen ist und die erste 4 sowie zweite Elektrode 3 einen Überlappungsbereich 7 als Teil des piezoelektrischen Körpers 13 definieren und die Anschlußpunkte 5, 6 am piezoelektrischen Körper 13 außerhalb des Überlappungsbereiches 7 vorgesehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Ultraschallzähler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.

Ultraschallwandler, welche insbesondere für den Einsatz in einem Durchflußmesser für flüssiges oder gasförmiges Medium eingesetzt werden, besitzen einen piezoelektrischen Körper, welcher zu dessen Anregung an seiner Vorder- sowie Rückseite mit einer ersten bzw. zweiten Elektrode versehen ist. Bisher erfolgte die Kontaktierung der jeweiligen Elektrode mittels einer Lötverbindung, beispielsweise zur Kontaktierung der Elektrode mit einem Anschlußdraht, was allerdings folgende Nachteile mit sich brachte:

- Die Elektrode, insbesondere die rückwärtige Elektrode, wird mit der Masse und zwar der Masse des Anschlußdrahtes sowie der Lötstelle belastet.
- Durch die Temperatureinwirkung am Lötpunkt entstehen Temperaturen, die über der Curie-Temperatur der Keramik liegen. Hierdurch ergeben sich partielle Depolarisierungen, die unerwünscht sind, da sie in ihren Auswirkungen schwer zu berechnen sind. Außerdem entsteht durch die punktuelle Temperatureinwirkung eine innere Spannung im keramischen Körper, so daß um die Lötstelle Mikrorisse entstehen.
- Die Durchführung der Lötung erfordert hochqualifiziertes Fachpersonal, da die Lötung sehr sorgfältig zur Vermeidung von Beschädigungen durchzuführen ist.
- Bisher liegt die Kontaktierungsstelle mindestens einer Elektrode in dem akustisch aktiven Teil der PZT-Keramik und verändert das Schwingverhalten.
- Auch das Aufkleben eines Anschlusses mit Leitkleber im aktiven Elektrodenbereich führt zu Massebelastungen.

Ausgehend von dem vorerwähnten Stand der Technik und der sich daraus ergebenden Nachteile besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Ultraschallwandler gattungsgemäßen Art zur Verfügung zustellen, welcher eine Massebelastung des akustisch aktiven Bereiches, der im wesentlichen durch den Überlappungsbereich der beiden Elektroden definiert ist, vermeidet, Ungenauigkeiten aufgrund temperaturbedingter Depolarisierungen ausschließt sowie eine einfache, ohne hochqualifiziertem Fachpersonal durchzuführende Kontaktierung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Ultraschallwandler dadurch gelöst, daß die Anschlußpunkte am piezoelektrischen Körper außerhalb des durch die Hauptflächen der ersten und zweiten Elektrode definierten Überlappungsbereiches vorgesehen ist. Daraus resultiert der Vorteil, daß der elektroakustische Teil der Keramik nicht mit der Masse des Anschlusses und/oder der Lötstelle belastet wird, keine Depolarisierungen, die sich auf die Funktion des Wandlers nachteilig auswirken, entstehen und die Kontaktierung darüber hinaus einfacher durchgeführt werden kann.

Zur Gewährleistung der Möglichkeit von Anschlußpunkten außerhalb des Überlappungsbereichs liegen gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die jeweiligen Anschlußpunkte in einem elektrodenfreien Bereich der gegenüberliegenden Vorder- bzw. Rückseite gegenüber.

Eine Möglichkeit, sog. elektrodenfreie Bereiche in einfacher Weise zu schaffen, besteht zweckmäßigerweise darin, daß die Fläche der ersten und/oder zweiten Elektrode zur Gewährleistung des elektrodenfreien Bereiches kleiner ist als die daran angrenzende Fläche des piezoelektrischen Körpers und an die Fläche der ersten und/oder zweiten Elektrode sich mindestens ein Elektrodenfortsatz anschließt.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Anschlußpunkt, vorzugsweise sämtliche Anschlußpunkte, am außen umlaufenden, radialen Rand des piezoelektrischen Körpers sich befindet bzw. befinden. Eine dort durchzuführende Lötung beeinträchtigt die schallakustische Leistungsfähigkeit des Ultraschallwandlers aus den vorstehend genannten Gründen nicht. Der Vorteil des Anschlusses am radialen Rand besteht darüber hinaus darin, daß bei zusätzlicher Nutzung der Schwingung der Rückseite des piezoelektrischen Körpers sowohl dessen Vorderseite als auch dessen Rückseite kontaktfrei gehalten werden kann.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der jeweilige Anschlußpunkt für die erste Elektrode sowie zweite Elektrode sich auf ein und derselben Seite des piezoelektrischen Körpers befindet. Hierzu sind vorteilhaft radial um den Rand der Stirnseite des piezoelektrischen Körpers herumlaufende Elektrodenfortsätze vorgesehen, an denen die jeweilige Kontaktierung erfolgt, d. h. der jeweilige Anschlußpunkt sich befindet. Hierbei kann die Elektrode auf der den Anschlußpunkten gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Körpers vollflächig mit letzterem ausgebildet werden.

Zweckmäßigerweise befinden sich die Anschlußpunkte auf der dem Schallaustritt abgewandten Seite des piezoelektrischen Körpers.

Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist darin gekennzeichnet, daß die Anschlußpunkte im Bereich des äußeren Randes des piezoelektrischen Körpers in der Ebene der ersten bzw. zweiten Elektrode liegen, d. h., die Anschlußpunkte zwar in der Ebene der jeweiligen Elektrode, allerdings hierbei im äußeren Randbereich des piezoelektrischen Körpers sich befinden.

Weiterhin sind zweckmäßigerweise eine Mehrzahl von Anschlußpunkten pro Elektrode vorgesehen.

Die Anschlußpunkte sind vorzugsweise am piezoelektrischen Körper symmetrisch angeordnet. Hierbei sind erfindungsgemäß alle Anschlußpunkte außerhalb des Überlappungsbereiches gelegen.

Zweckmäßigerweise besitzt die erste sowie zweite Elektrode - abgesehen von den Elektrodenfortsätzen, an denen die Anschlußpunkte vorgesehen sind - gleich große Form.

Aufgrund der durch die Erfindung erreichten Vorteile, daß die Anschlüsse sehr nahe beieinander liegen können, kann als Kontaktierung außer einer Lötung eine Leitkleber- oder Leitgummi- oder Klemmkontaktierung, insbesondere eine Federklemmkontaktierung, vorgesehen sein.

Die Erfindung betrifft neben dem vorerwähnten Ultraschallwandler, nebengeordnet beansprucht, auch einen Ultraschallzähler zur Erfassung des Durchflusses von flüssigem oder gasförmigem Medium mit einer Sende- und/oder Empfangseinheit, wobei die Sende- und/oder Empfangseinheit mindestens einen Ultraschallwandler gemäß einem der Ansprüche 1-14 umfaßt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Wiederkehrende Merkmale sind - der Übersichtlichkeit halber - lediglich einmal mit einem Bezugszeichen versehen.

Diese zeigen:

Fig. 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallzählers;

Fig. 2 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in Draufsicht auf die Rückseite (Fig. 2a), auf die radiale Stirnfläche (Fig. 2b) sowie auf die Vorderseite (Fig. 2c) des piezoelektrischen Körpers;

Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in Draufsicht auf die Rückseite (Fig. 2a), auf die radiale Stirnfläche (Fig. 2b) sowie auf die Vorderseite (Fig. 2c) des piezoelektrischen Körpers.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Ultraschallzähler 1 in Form einer Sende- /Empfangseinheit mit Einkopplung in das von einem Meßgehäuse 14 durchströmte Medium, z. B. Wasser. Die Sende-/Empfangseinheit umfaßt einen piezoelektrischen, insbesondere piezokeramischen Körper 13 mit einer ersten flächigen Elektrode 4, die auf der dem Medium zugewandten Seite des piezoelektrischen Körpers 13 vollflächig mit diesem verbunden ist sowie eine zweite Elektrode 3, die auf der gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Körpers 13 angeordnet ist. Der piezoelektrische Körper 13 befindet sich an einer Ausnehmung, die in einem mit dem Medium in Kontakt stehenden Träger 17 vorgesehen ist.

Die erste Elektrode 4 sowie zweite Elektrode 3 stehen sich somit am piezokeramischen Körper 13 gegenüber und definieren einen Überlappungsbereich 7, d. h., einen Bereich, der unmittelbar zwischen der ersten Elektrode 4 und zweiten Elektrode 3 sich befindet.

Zur Zuführung der nötigen elektrischen Energie ist die erste Elektrode 4 sowie die zweite Elektrode 3 jeweils mit einem Leiter 5 bzw. 6 über Anschlußpunkte am piezoelektrischen Körper 13 verbunden.

Durch Anlegen der elektrischen Energie an der ersten Elektrode 4 bzw. zweiten Elektrode 3 über die jeweiligen Leiter 8, 9 können über den piezoelektrischen Körper 13 Schallwellen 18 generiert werden. Der Ultraschallwandler 1 kann je nach Bedarf als Sende- und/oder Empfangseinheit verwendet werden.

Fig. 2 zeigt den piezoelektrischen Körper 13 einer Ausgestaltung der Erfindung in drei verschiedenen Perspektiven und zwar einmal dessen Rückseite (Fig. 2a), d. h., die dem Medium abgewandte Seite, die umlaufende Stirnseite (Fig. 2b) sowie die dem Medium zugewandte Seite (Fig. 2c).

Erfindungsgemäß sind die Anschlußpunkte 5 für die erste Elektrode 3 sowie Anschlußpunkte 6 für die zweite Elektrode 4 nicht in dem Überlappungsbereich 7 auf der Vorderseite (Fig. 2c) des piezoelektrischen Körpers, d. h., in dem Bereich, in dem sich die Hauptflächen der ersten Elektrode 4 und zweiten Elektrode 3 überlappen, vorgesehen. Dieser Überlappungsbereich 7 der Hauptflächen (kreisrunder Bereich der zweiten Elektrode 3 sowie kreisrunder Bereich der ersten Elektrode 4) definiert den sog. aktiven Schallwandlungsbereich. Erfindungsgemäß befindet sich der Anschlußpunkt 5 für die zweite Elektrode 3 in einem Elektrodenfortsatz 11 der zweiten Elektrode 3, welcher sich radial nach außen erstreckt. Der Anschlußpunkt 6 der ersten Elektrode 4 befindet sich ebenfalls auf einem Elektrodenfortsatz 12, welcher ausgehend von dem äußeren Ende der ersten Elektrode 4 um die Stirnseite des piezoelektrischen Körpers 13 herum (vergl. Fig. 2b) sich in einen elektrodenfreien Bereich 10 auf der Rückseite des piezoelektrischen Körpers 3 erstreckt. Bei der Ausgestaltung des Ultraschallwandlers gemäß Fig. 2 sind demzufolge die Anschlußpunkte 5 sowie 6 beide im Bereich der Rückseite des piezoelektrischen Körpers 13 gegeneinander versetzt angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der sowohl die erste Elektrode 4 als auch die zweite Elektrode 3 in ihrer Form strukturiert ist und zwar derart, daß im umfänglichen Randbereich bis auf die jeweiligen Elektrodenfortsätze 11, 12 ein jeweils elektrodenfreier Bereich 10 vorgesehen ist. Die Kontaktpunkte 5, 6 zur Kontaktierung von Leitern 8, 9 befinden sich hierbei im Bereich der außen umfänglichen Stirnseite, d. h., Schmalseite des piezoelektrischen Körpers 13. Hierzu sind die Elektrodenfortsätze 11, 12 jeweils um die Stirnseite herumgezogen, wie sich dies aus Fig. 3b ergibt.

Sowohl bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 2 als auch der bei Fig. 3 sind eine Mehrzahl von Elektrodenfortsätzen 11, 12 in symmetrischer Anordnung vorgesehen.

Bei der Ausgestaltung der Fig. 3 ist beispielsweise die erste Elektrode 4 sowie die zweite Elektrode 3 gleich groß, d. h. bilden einen genau definierten Überlappungsbereich gleichbleibenden Durchmessers. Die Anordnung der Elektrodenfortsätze ist jeweils symmetrisch.

Als Kontaktierung kann - da die Anschlußpunkte 5, 6 vergleichsweise nahe beieinander liegen können - eine Kontaktierung mittels Leitkleber oder Leitgummi oder Klemmkontaktierungen wie z. B. Federklemmkontaktierungen vorgesehen sein.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung eines Ultraschallwandlers, dessen Kontaktierung die schallakustische Leistungsfähigkeit des Schallwandlers einerseits sowie dessen Zuverlässigkeit andererseits wesentlich verbessert. Die Erfindung stellt daher einen besonderen technischen Beitrag auf dem einschlägigen Gebiet dar.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Ultraschallwandler

2

Aufnahme

3

zweite Elektrode

4

erste Elektrode

5

Anschlußpunkt

6

Anschlußpunkt

7

Überlappungsbereich

8

Leiter

9

Leiter

10

elektrodenfreier Bereich

11

Elektrodenfortsatz

12

Elektrodenfortsatz

13

piezoelektrischer Körper

14

Meßgehäuse

15

Anschlußpunkt

16

Anschlußpunkt

17

Träger

18

Ultraschallwelle

Claims

1. Ultraschallwandler (1), insbesondere für den Einsatz in einem Durchflußmesser für flüssiges oder gasförmiges Medium, wobei der Ultraschallwandler (1) einen piezoelektrischen Körper (13) umfaßt, an dessen Vorderseite eine flächige erste Elektrode (4) und dessen Rückseite eine flächige zweite Elektrode (3) angeordnet ist, für jede Elektrode (3, 4) mindestens ein Anschlußpunkt (5, 6) zur elektrischen Kontaktierung vorgesehen ist und die erste (4) sowie zweite Elektrode (3) einen Überlappungsbereich (7) am piezoelektrischen Körper (13) definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußpunkte (5, 6) am piezoelektrischen Körper (13) außerhalb des Überlappungsbereiches (7) vorgesehen sind.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Anschlußpunkt (5, 6) einem elektrodenfreien Bereich (10) der gegenüberliegenden Vorder- bzw. Rückseite gegenüberliegt.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der ersten und/oder zweiten Elektrode (3, 4) zur Gewährleistung des elektrodenfreien Bereichs (10) kleiner ist als die daran angrenzende Fläche des piezoelektrischen Körpers (13) und an die Fläche der ersten und/oder zweiten Elektrode (3, 4) sich mindestens ein Elektrodenfortsatz (11, 12) anschließt.

4. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Anschlußpunkt (5 und/oder 6) am radialen Rand des piezoelektrischen Körpers (3) sich befindet.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Anschlußpunkt (5) für die erste Elektrode (4) sowie der Anschlußpunkt (6) für die zweite Elektrode (3) sich auf einer Seite des piezoelektrischen Körpers (13) befinden.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenfortsatz (11 und/oder 12) radial um den Rand der Stirnseite des piezoelektrischen Körpers (13) herumläuft.

7. Ultraschallwandl er nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußpunkte (5, 6) sich auf der dem Schallaustritt abgewandten Seite befinden.

8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1, 2, 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußpunkte (5, 6) im Bereich des äußeren Randes des piezoelektrischen Körpers (13) in der jeweiligen Ebene der ersten (4) oder zweiten (3) Elektrode liegen.

9. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen an der Vorderseite des piezoelektrischen Körpers austreten und die der Vorderseite zugeordnete erste Elektrode (4) vollflächig den piezoelektrischen Körper (13) bedeckt.

10. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehr Anschlußpunkte (5, 15 bzw. 6, 16) pro Elektrode (3 bzw. 4) vorgesehen sind.

11. Ultraschallwandl er nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußpunkte (5, 15 bzw. 6, 16) symmetrisch angeordnet sind.

12. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Anschlußpunkte (5, 15 bzw. 6, 16) außerhalb des Überlappungsbereiches (7) liegen.

13. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Elektrode (3, 4) - abgesehen von dem oder den Elektrodenfortsätzen (11, 12) - gleich große Form besitzen.

14. Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kontaktierung eine Leitkleber-/Leitgummi- oder Klemmkontaktierung, insbesondere Federklemmkontakierung vorgesehen ist.

15. Ultraschallzähler zur Erfassung des Durchflusses von flüssigem oder gasförmigem Medium mit einer Sende- und/oder Empfangseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und/oder Empfangseinheit mindestens einen Ultraschallwandler (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1-14 umfaßt.