DE10158144A1 - Ultraschallwandler für den Einsatz unter extremen klimatischen Bedingungen - Google Patents

Abstract

Ein Ultraschallwandler, insbesondere für die Verwendung in der Ultraschall-Anemometrie, weist einen elektrisch-mechanischen Wandler (1) mit einer akustisch aktiven Fläche, eine akustische Anpassschicht (3), die zwischen der aktustischen Fläche des Wandlers und der freiliegenden akustischen Fläche angeordnet ist, und ein elektrisches Heizelement (2) auf. Dabei ist das Heizelement (2) zwischen der akustisch aktiven Fläche des Wandlers (1) und der Anpassschicht (3) angeordnet.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Im Bereich der Messtechnik werden überwiegend Ultraschallwandler im kleinen und mittleren Leistungsbereich eingesetzt. Die akustische oder Ultraschall-Anemometrie, d. h. die Windgeschwindigkeits- und -richtungsmessung, stellt hierbei besonders hohe Anforderungen an die Funktionsfähigkeit dieser Ultraschallwandler unter allen klimatisch vorkommenden Bedingungen.
• In der Ultraschall-Anemometrie, aber auch bei der Abstandsmessung mit Ultraschall wird zur Bestimmung der Signallaufzeit ein akustischer Impuls oder Wellenzug auf einer Sendeseite erzeugt und auf einer Empfängerseite in ein elektrisches Signal zurückgewandelt.
• Einige der Anforderungen, die an Eigenschaften und Funktionalitäten von Ultraschallwandlern für den Außeneinsatz gestellt werden müssen, sollen im folgenden beschrieben werden.
• Die Effizienz der Wandlung des elektrischen Signals in ein akustisches Signal auf der Sendeseite und umgekehrt auf der Empfangsseite sollte in einem weiten Temperaturbereich konstant bleiben.
• Bei resonanten Ultraschallwandlern sollte sich deren Resonanzfrequenz und Abstrahlverhalten (Keule oder Lobe) nur wenig durch Temperaturänderungen oder Masseänderungen auf den frei liegenden Schallwandlerflächen ändern, z. B. durch Regentropfen.
• Der Aufbau von Eisschichten auf den frei liegenden Ultraschallwandlerflächen unter Vereisungs- Bedingungen darf nicht zum Ausfall des Systems führen.
• Da jedoch die Zeitdauer einer solchen Vereisungssituation nicht bekannt ist, muss letztlich der Aufbau einer Eis- oder Raureifschicht selbst bei hohen Windgeschwindigkeiten sicher verhindert werden.
• Eine Vereisung von Ultraschallwandlern kann z. B. durch eine ausreichende Beheizung derselben wirksam verhindert werden, wenn die Oberflächentemperatur der akustisch aktiven Fläche im positiven Temperaturbereich (> 0°C) gehalten werden kann.
• Alle bekannten Ultraschallwandler besitzen einen auf dem piezoelektrischen oder magnetodynamischen Effekt basierenden elektrisch-mechanischen Leistungskonverter, d. h. Wandler, mit dem ein elektrische Signal in eine Bewegung (z. B. durch Längenänderung beim Piezo) und umgekehrt gewandelt werden kann.
• Verwendet man einen solchen Wandler ohne weitere Maßnahmen zur Erzeugung einer Schallwelle in Luft, so gelingt die Einkopplung der mechanischen Leistung vom Festkörper des Wandlers mit seiner relativ hohen akustischen Impedanz in die Luft mit ihrer sehr geringen akustischen Impedanz nur unter hohen Anpassungsverlusten.
• Zur Verringerung der Anpassungsverluste werden bekanntermaßen λ/4 Schichten eingesetzt, die hier allgemein als Anpassschichten bezeichnet werden und die idealerweise eine akustische Impedanz aufweisen, die bei dem geometrischen Mittelwert der Impedanzen des Festkörpers des Wandlers und der Luft liegt.
• Eine optimale Impedanzanpassung durch eine solche Anpassschicht ist in der Praxis nicht möglich, da die oben erwähnte ideale akustische Impedanz mit keinem bekannten Material oder Materialkompositionen erreicht werden kann.
• Die akustische Impedanz eines Materials ist das Produkt aus der Dichte des Materials und der Schallgeschwindigkeit im Material.
• Dieser Zusammenhang deutet bereits an, dass für Anpassschichten geeignete Materialien oder Kompositionen in der Regel eine geringe Dichte aufweisen.
• Gleichzeitig darf die zur Anpassschicht keine zu hohe Dämpfung der akustischen Welle aufweisen.
• Fast alle für Anpassschichten zu Luft verwendbaren Materialien oder Materialkompositionen weisen aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften eine im Vergleich zu Metallen nur sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf.
• Die Ansprüche an ihre akustischen Eigenschaften stehen leider im direkten Widerspruch zu der gewünschten guten Wärmeleitfähigkeit, die beim Beheizen gegen Vereisung benötigt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizelement besonders effektiv in den Aufbau eines Ultraschallwandlers zu integrieren.
• Diese Aufgabe wird durch einen Ultraschallwandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Ultraschallwandlers sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angeführt.
• Die folgenden aufgeführten Probleme mussten durch erfinderische Leistungen überwunden werden:
  Die Anpassschicht besteht aus einer Materialkomposition mit schlechter Wärmeleitfähigkeit. Durch Änderung der Materialkomposition musste die Wärmeleitfähigkeit um mindestens den Faktor 2 verbessert werden, ohne gleichzeitig die akustische Anpassung maßgeblich zu verschlechtern.
• Der Wärmefluss sollte einen möglichst kurzen Weg durch die schlecht wärmeleitende Anpassschicht zurücklegen, um den Auskühlungseffekt durch starken Wind so klein wie möglich zu halten. Die thermische Impedanz der Anpassschichtoberfläche zur Umgebung ist in hohem Maße von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft abhängig. (Auf diesem hier unerwünschten Effekt basieren thermische Anemometer).
• Das heizende Element sollte seine Temperatur möglichst selbsttätig konstant halten, damit eine Überhitzung bei fehlender Abkühlung durch strömende Luft sicher vermieden wird. (Aufgrund der Geometrie der Ultraschallwandler ist der Einbau eines Temperatursensors als IST-Wertaufnehmer für eine Regelung nahezu ausgeschlossen).
• Die Temperatur des Heizelementes musste aufgrund des nach wie vor hohen Wärmewiderstandes der Anpassschicht relativ hoch gewählt werden (ca. 90°C).
• Gleichzeitig muss mit hohem thermischen Stress bei jedem Einschalten der Heizung eines ausgekühlten US-Wandlers gerechnet werden.
• Bei diesem Vorgang können kurzzeitig Temperaturdifferenzen von bis zu 120 Kelvin zwischen den Bauteilen des Ultraschallwandlers auftreten.
• Aus diesem Grunde müssen die gewählten Materialien in etwa gleiche Temperaturkoeffizienten aufweisen, oder die Schichten geeignet mechanisch verankert werden, um eine Zerstörung durch Spaltbildung und Abriss sicher zu verhindern.
• Die Materialien einer als elektro-akustischen Wandler eingesetzten Piezo-Keramik und ein als Heizelement eingesetzter keramikähnlicher PTC-Widerstand unterscheiden sich in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten nicht maßgeblich, so dass selbst eine flächige Lötverbindung bei den hier vorliegenden Geometrien funktionsfähig bleibt.
• Der Ausdehnungskoeffizient des Anpassschichtmaterials unterscheidet sich jedoch erheblich von den oben genannten Materialien (Piezo- und PTC-Keramik), so dass erhebliche mechanische Spannungen bei den zu erwartenden unterschiedlichen Betriebs-Temperaturen an den Grenzflächen zwischen den Materialien auftreten.
• Eine Beschädigung, Änderung der Eigenschaften oder gar ein Ausfall der Wandler durch diese mechanischen Spannungen muss sicher verhindert werden.
• Die Masse der akustisch aktiven Elemente des Wandlers wird durch den Einbau einer heizenden Schicht mit geringer Dämpfung in den akustischen Weg erheblich vergrößert. Dadurch schwingt der Sensor nach Anregung im Sendefall erheblich länger nach. Um trotzdem die von der Messstreckenlänge abhängige, maximal mögliche Messwertaufnahmerate zu erhalten, sollte der Sensor durch den Einbau eines geeigneten Materials passiv bedämpft werden.
• Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des neuen Ultraschallwandlers im Querschnitt. Dabei geht die Zuordnung der Bauteile des Ultraschallwandlers aus der nachstehenden Bezugszeichenliste hervor. Bezugszeichenliste 1 Wandler
  2 Heizelement
  3 Anpassschicht
  4 Weichlotschicht
  5 Weichlotschicht
  6 Metallring
  7 Ring
  8 Masseleitung
  9 Signalleitung
  10 Heizleitung
  

Claims (10)

1. Ultraschallwandler mit einer freiliegenden akustischen Fläche, insbesondere für die Verwendung in der Ultraschall-Anemometrie, mit einem elektrisch-mechanischen Wandler, der eine akustisch aktive Fläche aufweist, mit einer akustischen Anpassschicht, die zwischen der akustisch aktiven Fläche des Wandlers und der freiliegenden akustischen Fläche angeordnet ist, und mit einem elektrischen Heizelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (2) zwischen der akustisch aktiven Fläche des Wandlers (1) und der Anpassschicht (3) angeordnet ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (2) ein PTC-Widerstandsmaterial aufweist, welches durch Verringerung seines elektrischen Leitwerts mit der Temperatur eine Selbstregelung seiner Temperatur zeigt.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anschlusselektrode des Wandlers (1) an seiner akustisch aktiven Fläche mit einer Anschlusselektrode des Heizelements (2) vollflächig metallisch verbunden ist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselektroden durch eine Weichlotschicht (4) miteinander verbunden sind.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselektroden gemeinsam an eine Masseleitung angeschlossen sind.

6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Heizelement (2) auch ein die Anpassschicht (3) seitlich umschließender Metallring (6) angeordnet ist.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallring (6) mit einer vorderen Anschlusselektrode des Heizelements (2) durch eine Weichlotschicht (5) verbunden ist.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallring (6) die Anpassschicht (3) formschlüssig hält und zwangszentriert.

9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Metallring (6) ein Ring (7) aus passiv dämpfenden akustischen Material angeordnet ist.

10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (1) ein piezoelektrisches oder magnetoelektrisches Wandlermaterial aufweist, dass das Heizelement (2) für eine Heiztemperatur von 80 bis 90°C ausgelegt ist und dass die Anpassschicht (3) bis zu dieser Heiztemperatur thermisch stabil bleibt und ihre akustischen Eigenschaften beibehält.