DE10055893A1

DE10055893A1 - Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium

Info

Publication number: DE10055893A1
Application number: DE10055893A
Authority: DE
Inventors: Hans-Michael Sonnenberg
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2020-11-11
Also published as: DE10055893C5; DE10055893B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium, mit einem Wandlerelement 3 aus piezoelektrischem Material, einem Schallkoppelungselement 2, welches das Wandlerelement 3 trägt, einer Zwischenschicht 4, die einen thermischen Ausgleich der Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem des Schallkoppelungselements 2 und dem des Wandlerelements 3 ermöglicht, wobei die Zwischenschicht 4 aus viskosem, schalleitfähigem Material aufgebaut ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallwander-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium, einen Durchflußmesser unter Verwendung der erfindungsgemäßen Ultraschallwandler-Anordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallwandler-Anordnung gemäß der Erfindung.

Aus der EP 0 974 814 A1 ist eine Ultraschallwandler-Anordnung bekannt, welche in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden kann. Die Ultraschallwandler-Anordnung umfaßt ein Wandlerelement aus piezoelektrischem Material sowie einen Substratkörper als Schallkoppelungselement, der in dieser Konstruktion das Wandlerelement trägt. Das Wandlerelement sowie das Schallkoppelungselement haben unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten. Zur Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten wird vorgeschlagen, zwischen dem Wandlerelement und dem Schallkoppelungselement eine Metallscheibe anzuordnen. Die Metallscheibe ist sowohl mit dem Wandlerelement als auch mit dem Schallkoppelungselement verklebt. Zwar werden die Scherkräfte auf die beiden Klebeschichten der Metallscheibe verteilt, dennoch bleibt eine Scherbelastung bestehen, die zu Schäden führen kann. Fertigungstechnisch gesehen muß ein besonderes Augenmerk auf eine saubere Klebung gelegt werden, um ein Loslösen zu vermeiden. Weiterhin besitzen die meisten Metalle eine höhere Schalltransmission sowie höhere Schallimpedanzen als das piezoelektrische Material, wodurch unnötige, unerwünschte Reflektionen entstehen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige Ultraschallwandler-Anordnung zur Verfügung zu stellen, bei der das Auftreten einer Scherbelastung in der Grenzfläche zwischen Wandlerelement und Schallkoppelungselement vollständig vermieden oder aber zumindest erheblich reduziert wird.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Ultraschallwandler-Anordnung dadurch gelöst, daß die Zwischenschicht aus einem viskosem, schalleitfähigem Material aufgebaut ist. Der viskose, pastenartige Charakter des Materials bedingt, daß Scherbelastungen, d. h. Scherkräfte aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von Wandlerelement einerseits und Schallkoppelungselement andererseits vermieden werden. Gleichzeitig sind größere Temperaturgradienten möglich. Ferner ist eine Demontage, Wiederverwendung sowie Recycling mit der erfindungsgemäßen Anordnung besser möglich, insbesondere wenn die Abdichtung der Paste mittels eines O- Rings erfolgt.

Zweckmäßigerweise ist die Schallimpedanz Z_s des Schallkoppelungselements kleiner als die Schallimpedanz Z_k des Wandlerelements, aber größer als die Schallimpedanz Z₀ des Mediums. Durch diese stufenweise Anpassung der Schallimpedanzen von dem Medium bis hin zum Wandlerelement werden Koppelungsverluste reduziert. Der Einfluß der viskosen Zwischenschicht kann bei geringer Spultdicke z. B. 0,01 mm nahezu vollständig eliminiert werden.

Es kann auch sinnvoll sein, die akustischen Eigenschaften des Basismaterials der Zwischenschicht den Eigenschaften der Keramik und des Schallkoppelelements anzupassen. Aufgrund dessen fügt man dem viskosen Basismaterial feste Partikel vorzugsweise pulverförmige Partikel aus Metall (z. B. Stahl, Cu) oder Keramik (Al₂O₃) oder Glas bei. Das viskose Material sollte eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen.

Als Basismaterial eignen sich im wesentlichen alle zähflüssigen Öle, die eine Temperaturbeständigkeit bis 150°C aufweisen. Vorzugsweise können diese Öle auf Silikonbasis sein.

Das viskose Material der Zwischensicht enthält vorzugsweise feste Partikel, insbesondere pulverförmige Partikel zur Beeinflussung der Schallimpedanz bzw. Schalltransmission.

Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Metallpartikel, Keramikpartikel oder Glaspartikel.

Das viskose Material der Zwischenschicht ist erfindungsgemäß hermetisch abgeschlossen, um ein Wegfließen zu verhindern.

Die Abdichtung kann durch ein restelastisches Material erfolgen, welches radial die Keramikscheibe umschließt und fest einen Spalt zwischen Keramik am Schallkoppelungselement abdichtet. Als Material ist sowohl ein Abdichtelement, z. B. ein O-Ring als auch eine gummielastische Vergußmasse oder Klebstoff geeignet.

Bei einer weiteren Ausführungsvariante erfolgt die Abdichtung durch einen Halter des Wandlerelements.

Fertigungstechnische Probleme einer sauberen Klebung entfallen, da sich die Zwischenschicht nicht ablösen kann. Staub- sowie Fettrückstände auf dem Wandlerelement sowie dem Schallkoppelungselement müssen nicht entfernt werden. Bei Verwendung einer gummielastischen Masse als Abdichtmasse werden in vorteilhafter Weise zusätzlich störende Radialschwingungen vermieden.

Zweckmäßigerweise weist die Zwischenschicht eine Stärke auf, die kleiner als ?/4 oder größer als 2? der Schallwelle ist. Ist die Stärke der Zwischenschicht sehr dünn, ist eine Anpassung der Schallimpedanz nicht erforderlich, da die Zwischenschicht wie eine Membran wirkt.

Das Material des Schallkoppelungselements besitzt eine Schallimpedanz zwischen 2,0-8,0 × 10⁶ kg.s/m².

Die vorliegende Erfindung ermöglicht, was bisher nicht möglich war, nämlich Materialien mit im Vergleich zu dem piezoelektrischem Material sehr unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten als Schallkoppelungselement einzusetzen. Hierunter fällt vor allem Kunststoff.

Die Erfindung beansprucht - nebengeordnet - auch einen Durchflußzähler für ein gasförmiges oder flüssiges Medium, wobei in dem Durchflußzähler als Ultraschallwanderlelement eine Ultraschallwandler-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-13 verwendet werden soll.

Die Erfindung betrifft weiterhin - ebenfalls nebengeordnet - ein Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallwandler-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-13, wobei erfindungsgemäß eine Schicht von viskosem Material in den Boden der Ausnehmung des Schallkoppelungselements eingebracht wird, das Wandlerelement anschließend auf die Schicht aus dem viskosem Material unter Beibehaltung eines umlaufenden Schlitzes aufgelegt wird und dann der Schlitz zwischen dem Wandlerelement und dem Schallkoppelungselement mit einer Abdichtmasse, insbesondere mit einem gummielastischem Klebstoff ausgefüllt wird.

Alternativ kann das Wandlerelement auch in eine Ausnehmung eines an der dem Schallkoppelungselement gegenüberliegenden Seite des Wandlers angeordneten Halters eingesetzt und anschließend nach Auffüllung des Spalts und Bildung der Zwischenschicht stirnseitig über eine ebene Scheibe oder Folie verschlossen werden.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ultraschallwandler- Anordnung des Verfahrens zu deren Herstellung sowie des dementsprechenden Durchflußmessers ist in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen

Fig. 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Durchflußmessers unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Ultraschallwandler-Anordnung im Schnittbild;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Ultraschallwandler-Anordnung gemäß Fig. 1

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Zwischenschicht zwischen Schallkoppelungselement und Wandlerelement gemäß der Ausgestaltung der Fig. 1 und 2 sowie

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform mit rückwärtigem Halter und einem Schallkoppelungselement.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung den Einbauort eines Wandlerelements 3 in einen Durchflußmesser 10 zur Erfassung des Durchflusses eines gasförmigen oder flüssigen Mediums 13 ohne bewegliche Teile. Der Durchflußmesser 10 besitzt ein Gehäuse 1 mit einem Strömungseingang 11 sowie eine Meßstrecke. Ausgang und Auslauf sind nicht in der Fig. 1 nicht dargestellt. Das Gehäuse 1 hat eine Aussparung, in der das Wandlerelement 3 zusammen mit einem als Substratkörper ausgebildeten Schallkoppelungselement 2 angebracht ist. Das Schallsignal wird über das Schallkoppelungselement 2 in das Medium 13 ein- oder ausgekoppelt. Mit 5 werden in Fig. 1 die von der Ultraschallwandler- Anordnung 10 abgesandten sowie empfangenen Schallwellen bezeichnet.

Das Schallkoppelungselement 2 umfaßt hierzu an seiner einen Hauptfläche eine Ausnehmung 8, in dessen Stirnfläche 6 das Wandlerelement 3, welches aus piezoelektrischem Material, insbesondere einer Piezokeramik besteht, eingesetzt ist. Zwischen Wandlerelement 3 und Schallkoppelungselement 2 ist eine Zwischenschicht 4 in Form eines hermetisch nach außen hin abgeschlossenen viskosem, d. h. pastenartigen, schalleitfähigem Material vorgesehen.

Mit einer Abdichtmasse 7, insbesondere einem gummielastischen Klebstoff oder einer Vergußmasse wird die Zwischenschicht 4 - wie aus Fig. 2 ersichtlich - umseitig umschlossen und gleichzeitig das Wandlerelement 3 bewegungsfest innerhalb der Ausnehmung 8 des Schallkoppelungselements 2 fixiert. Gleichzeitig werden durch die Abdichtmasse 7 störende Radialschwingungen der Piezokeramik gedämpft. Das viskose Material kann eine Schallimpedanz, die zwischen derjenigen des Wandlerelements 3 und derjenigen des Schallkoppelungselements 2 liegt, haben. Der Einsatz der Zwischenschicht 4 in Form eines viskosen Materials bewirkt somit eine stufenweise Anpassung der Schallimpedanz vom Wandlerelement 3 über die Zwischenschicht 4 sowie das Schallkoppelungselement 2 bis zum Medium. Ist der Spalt für die Zwischenschicht 4 sehr dünn, ist eine Anpassung der Schallimpedanz 20 der Zwischenschicht 4 nicht erforderlich, da die Zwischenschicht 4 wie eine Membran wirkt. In jedem Fall aber bewirkt die Zwischenschicht eine Vermeidung von zwischen Schallkoppelungselement 2 und Wandlerelement 3 auftretenden Scherkräften.

Die Spaltbreite für die Zwischenschicht 4 ist entweder kleiner als ?/4 oder größer als 2?, wobei ? die Länge der Schallwellen ist, da sonst Interferenzeffekte die Anpassungsbemühungen zunichte machen.

Das Schallkoppelungselement 2 kann aufgrund des Wegfalls von Scherkräften wegen der Zwischenschicht 4 aus viskosem Material aus einem Kunststoff mit Schallimpedanzwerten zwischen 2,0-8 × 10⁶ kg.s/m² ausgelegt werden.

Der Durchlasskoeffizient in das Medium Wasser würde sich folgendermaßen ergeben:

Zk (Piezokeramik) = 22 × 10⁶ kg.s/m²
Zkst (Kunststoff) = 5 × 10⁶ kg.s/m²
Zw (Wasser) = 1,5 × 10⁶ kg.s/m².

Das Piezoelement hat bei einem keramischen Werkstoff eine Schallimpedanz von 22.10⁶ kg.s/m². Bei sehr dünner Schicht für die Schalleitpaste spielt die Impedanz keine Rolle, so daß erst die Schallimpedanz des Kunststoffes von 5.10⁶ kg.s/m² sich für die Schalltransmission auswirken würde. Bei einer senkrechten Schalleinstrahlung ergibt sich für den Durchlasskoeffizienten:

Dk - kst = 4 Z1 × Z2/(Z2 + Z1)² = 0,603 Dkst - w = 0,71
Dges = Dk - kst × Dkst - w = 0,43

Ohne angepaßte Schallimpedanz wäre der Durchlasskoeffizient: Dk - w = 0,24.

Im folgenden wird ein Überblick über Schallimpedanzen gegeben:

Kunststoffe mit Glasfaser erzielen höhere Schallimpedanzen bis 8,0 × 10⁶ kg.s/m².

Bei dem viskosen Material der Zwischenschicht 4 handelt es sich vorzugsweise um silikonhaltiges Öl mit einer Temperaturbeständigkeit bis zu 150°C. Das viskose Material ist, vgl. Fig. 3, versetzt mit Partikeln, insbesondere Metallpartikeln 9, insbesondere einem Metallpulver oder keramischen Partikeln, insbesondere Keramikpulver oder Glaspulver.

Eine Möglichkeit der Herstellung der erfindungsgemäßen Ultraschallwandler- Anordnung erfolgt folgendermaßen. Zunächst wird das Schallkoppelungselement 2 bereitgestellt. Anschließend wird in den Boden 6 der Ausnehmung 8 des Schallkoppelungselements 2 eine Zwischenschicht 4 aus viskosem Material eingebracht und anschließend das Wandlerelement 3 derart eingesetzt, daß zwischen Wandlerelement 3 und dem Schallkoppelungselement 2 ein umlaufender Spalt ausgebildet wird. In diesen Spalt wird anschließend Abdichtmasse 7, insbesondere ein gummielastischer Klebstoff oder eine entsprechende Vergußmasse eingebracht, wodurch einerseits die Zwischenschicht 4 nach außen hin hermetisch verschlossen und ein Wegfließen des viskosen Materials vermieden wird.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung, die im Rahmen der Erfindung realisierbar ist. Bei dieser Ausgestaltung wird als Schallkoppelungselement 2 anstelle eines Substratkörpers eine ebene Scheibe 16, z. B. Kunststoffscheibe oder Folie verwendet, die unmittelbar mit dem Medium 13 in Kontakt steht. Die Scheibe 16 liegt an der offenen Stirnseite eines Halters 14 für das Wandlerelement 3 auf. Das Wandlerelement 3 befindet sich in einer Aussparung 17 des Halters 14. Der bleibende Raum zwischen Halter 14, Wandlerelement 3 sowie Scheibe 16 ist in erfindungsgemäßer Weise mit viskosem Material ausgefüllt. Zur Abdichtung ist zwischen dem Halter 14 und der Scheibe 16 ein Abdichtelement, z. B. ein O-Ring 15 vorgesehen. Die vorgeschriebene Anordnung wird unter Einschaltung eines weiteren Dichtelements 18 auf eine Ausnehmung im Gehäuse 1 aufgesetzt.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Materialien mit im Vergleich zu einem piezoelektrischem Material stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungs koeffizienten einzusetzen, ohne allerdings der Gefahr des Auftretens von Scherbelastungen ausgesetzt zu sein. Daraus folgt, daß eine scherspannungsfreie Grenzschicht erzielt und gleichzeitig höhere Temperaturgradienten möglich werden. Fertigungstechnische Probleme einer sauberen Montage entfallen, da sich die Zwischenschicht 4 nicht lösen kann. Verschmutzungen wie z. B. Staub- oder Fettrückstände auf dem Wandlerelement 3 bzw. dem Schallkoppelungselement 2 müssen nicht mehr entfernt werden. Die Erfindung stellt daher einen ganz wesentlichen Beitrag auf dem einschlägigen technischen Gebiet dar.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Gehäuse

2

Schallkoppelungselement

3

Wandlerelement

4

Zwischenschicht

5

Schallwelle

6

Boden des Substratkörpers

7

Abdichtmasse

8

Aussparung des Substratkörpers

9

Metallpartikel

10

Durchflußmesser

11

Strömungseingang

12

Meßstrecke

13

Medium

14

Halter

15

O-Ring

16

Scheibe

17

Aussparung des Halters

18

Dichtelement

Claims

1. Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium (13), mit einem Wandlerelement (3) aus piezoelektrischem Material, einem Schallkoppelungselement (2) mit einem vom Wandlerelement unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und mit einer Zwischenschicht (4), die sich zwischen dem Schallkoppelungselement (2) und dem Wandlerelement (3) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (4) aus viskosem, schalleitfähigem Material aufgebaut ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallimpedanz Z_S des Schallkoppelungselements (2) kleiner ist als die Schallimpedanz Z_k des Wandlerelements (3) aber größer ist als die Schallimpedanz Z₀ des zu messenden Mediums (13).

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das viskose Material feste Partikel, insbesondere pulverförmige Partikel enthält.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Partikel Metallpartikel (9), Keramikpartikel oder Glaspartikel sind.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das viskose Material hermetisch abgeschlossen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das viskose Material mittels einer Abdichtmasse (7) hermetisch abgeschlossen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Abdichtmasse (7) ein gummielastischer Klebstoff, eine Vergußmasse oder ein Abdichtelement verwendet wird.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (4) eine Stärke aufweist, die kleiner als ?/4 oder größer als 2? der Schallwelle ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das viskose Material eine Paste auf Silikonbasis, insbesondere Silikonölbasis ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das viskose Material eine Temperaturbeständigkeit bis 150°C aufweist.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Schallkoppelungselements (2) eine Schallimpedanz von 2,0 bis 8,0 × 10⁶ kg.s/m² aufweist.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schallkoppelungselement (2) aus Kunststoff besteht.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schallkoppelungselement (2) aus einer ebenen Scheibe oder Folie besteht.

14. Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium mit einem vom Medium durchflossenen Gehäuse (1), einem Ultraschallwandlerelement (3) sowie einem Schallkoppelungselement (2), dadurch gekennzeichnet, daß als Ultraschallwandlerelement (3) eine Ultraschallwandler-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-13 verwendet wird.

15. Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallwandler-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht von viskosem Material in den Boden (6) der Ausnehmung (8) des Schallkoppelungselements (2) eingebracht wird, das Wandlerelement (3) anschließend auf die Schicht aus dem viskosem Material unter Beibehaltung eines umlaufenden Schlitzes aufgelegt wird und anschließend der Schlitz zwischen dem Wandlerelement (3) und dem Schallkoppelungselement (2) mit einer Vergußmasse oder Abdichtmasse (7), insbesondere mit einem gummielastischen Klebstoff oder einem Abdichtelement ausgefüllt bzw. abgedichtet wird.