DE102005044880A1

DE102005044880A1 - Ultraschalllwandler für einen Einsatz bei hohen und/oder tiefen Temperaturen

Info

Publication number: DE102005044880A1
Application number: DE102005044880A
Authority: DE
Inventors: Günter Prof. Dr. Fuhr; Anette Dipl.-Ing. Jakob; Christian Dipl.-Ing. Degel; Thomas Trautmann; Martin Dipl.-Ing. Heinz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: DE102005044880C5; DE102005044880B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler für einen Einsatz bei hohen und/oder tiefen Temperaturen, der ein Gehäuse mit zumindest einem akustischen Fenster und zumindest ein im Gehäuse angeordnetes Wandlerelement umfasst, das zur Abstrahlung und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen ausgebildet und für die Abstrahlung oder den Empfang der Ultraschallwellen durch das akustische Fenster ausgerichtet und positioniert ist. Das Wandlerelement ist im Gehäuse derart beweglich gelagert, dass es sich senkrecht zu einer Abstrahlungs- oder Empfangsrichtung frei ausdehnen oder zusammenziehen kann. Der vorliegende Ultraschallwandler ermöglicht eine Messung des Füllstandes oder des Durchflusses eines Mediums bei tiefen Temperaturen mit hoher Genauigkeit und Auflösung.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler für einen Einsatz bei hohen und/oder tiefen Temperaturen, der ein Gehäuse mit zumindest einem akustischen Fenster und zumindest ein im Gehäuse angeordnetes Wandlerelement umfasst, das zur Abstrahlung und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen ausgebildet und für die Abstrahlung oder den Empfang der Ultraschallwellen durch das akustische Fenster ausgerichtet und positioniert ist.

Der Einsatz von flüssigen Gasen zur Kühlung gehört in vielen Bereichen der Technik zum Standard. Flüssiger Stickstoff mit einer Temperatur von –196°C wird z.B. zur Kühlung von biologischen Proben in so genannten Kryocontainern verwendet. Ein Ausfall der Kühlmittelzufuhr oder ein ungewollter Anstieg des Flüssigkeitsniveaus in den Containern hat negative Folgen für die eingelagerten Proben. Noch immer fehlen jedoch ausreichende Möglichkeiten zur genauen Messung von wichtigen Systemgrößen, beispielsweise des durchströmenden Flüssigkeitsvolumens in einer Leitung oder der genauen Höhe des Flüssigkeitsniveaus im Behälter, bei derart tiefen Temperaturen.

Ultraschallwandler finden in vielen technischen Bereichen Anwendung, beispielsweise zur Abstandsmessung, zur Füllstandsmessung in Behältnissen oder zur Durchflussmessung in Rohrsystemen. Die hierbei eingesetzten Ultraschallwandler umfassen ein Gehäuse mit einem akustischen Fenster, an dem das Wandlerelement angeordnet ist. Das Wandlerelement, beispielsweise eine piezoelektrische Scheibe, ist dabei in der Regel an seinem Umfang mit dem Gehäuse fest verbunden. Derartige Ultraschallwandler lassen sich jedoch bei den genannten extrem tiefen Temperaturen vor allem aufgrund starker Temperaturschwankungen und der daraus resultierenden mechanischen Spannungen nicht ohne weiteres einsetzen. Beispielsweise können Temperaturschocks entstehen, wenn eine leer gelaufene Leitung, die eine Umgebungstemperatur von beispielsweise 22°C angenommen hat, plötzlich von flüssigem Stickstoff durchströmt wird. Binnen weniger Sekunden werden die Systemkomponenten dabei auf eine Temperatur von –196°C abgekühlt. Bei Ultraschwallwandlern herkömmlicher Bauart kommt es dabei zum Abplatzen von Schichten und zu Rissen der Piezokeramik.

Für den Einsatz von Ultraschallwandlern zur Durchflussmessung bei tiefen Temperaturen ist es bekannt, akustische Wellenleiter einzusetzen, die die Ultraschallwandler akustisch mit dem zu vermessenden Medium oder der Leitung verbinden, in dem dieses Medium fließt. Die Ultraschallwandler sind dabei außerhalb des Bereiches der tiefen Temperatur angeordnet, so dass sie problemlos betrieben werden können. Beispiele für diese Technik finden sich in L. Lynnworth, „Transit Time Ultrasonic Flowmeters Stretch their Application Reach", Invited for Control Solutions Special Issue on Flow, November 2000, UR-262, S. 1–8. Durch derartige Vorlaufstrecken, die durch die akustischen Wellenleiter gebildet werden, entsteht jedoch eine in vielen Fällen nicht akzeptable Wärmebrücke. Eine Isolation dieser Wärmebrücke führt jedoch wieder dazu, dass auch der Ultraschallwandler stark abgekühlt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ultraschallwandler für einen Einsatz bei hohen und/oder tiefen Temperaturen anzugeben, der sich direkt am Messort zuverlässig einsetzen lässt.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Ultraschallwandler gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Patentansprüche 14 bis 17 betreffen bevorzugte Verwendungen des Ultraschallwandlers. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Ultraschallwandlers sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Der vorliegende Ultraschallwandler umfasst ein Gehäuse mit zumindest einem akustischen Fenster und zumindest einem im Gehäuse angeordneten Wandlerelement, das zur Abstrahlung und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen ausgebildet und für die Abstrahlung oder den Empfang der Ultraschallwellen durch das akustische Fenster ausgerichtet und positioniert ist. Bei diesem Ultraschallwandler ist das Wandlerelement im Gehäuse derart beweglich gelagert, dass es sich senkrecht zur Abstrahlungs- oder Empfangsrichtung frei ausdehnen oder zusammenziehen kann.

Durch diese bewegliche Lagerung des Wandlerelementes im Gehäuse, die ein freies laterales Ausdehnen oder Zusammenziehen des Wandlerelementes ermöglicht, werden die durch extreme Temperaturschwankungen hervorgerufenen Probleme vermieden oder zumindest deutlich verringert. Da die lateralen Abmessungen typischer Wandlerelemente deutlich größer als deren Dicke sind, ergibt sich bei starken Temperaturschwankungen eine starke thermische Ausdehnung oder Kontraktion in lateraler Richtung, die bei der üblichen Befestigung des Wandlerelementes im Gehäuse zu starken mechanischen Spannungen und damit zur Zerstörung des Wandlerelementes führen. Durch die beim vorliegenden Ultraschallwandler gewählte bewegliche Lagerung werden derartige Spannungen vermieden, da sich das Wandlerelement in lateraler Richtung frei ausdehnen oder zusammenziehen kann und somit keine zerstörend wirkenden mechanischen Spannungen im Wandlerelement aufgebaut werden können. Der Ultraschallwandler kann dabei direkt in Kontakt mit dem Medium gelangen, dessen Flussgeschwindigkeit oder Füllstandshöhe mit dem Ultraschallwandler gemessen werden soll. Der vorliegende Ultraschallwandler bietet dabei gerade zur Füllhöhenbestimmung und zur Durchflussmessung bei tiefen Temperaturen, beispielsweise im Bereich um die –200°C, eine hohe Messauflösung und Messgenauigkeit.

Vorzugsweise ist im oder am Gehäuse ein Sitz für das Wandlerelement ausgebildet, gegen den das Wandlerelement durch ein elastisches Halteelement gedrückt wird. Der Sitz bietet dem Wandlerelement dabei ein laterales Spiel, um eine nahezu ungehinderte Ausdehnung des Wandlerelementes bei Temperaturschwankungen zu ermöglichen. Die durch das elastische Halteelement ausgeübte Anpresskraft wirkt dabei, abhängig von der Position des Sitzes, in Richtung oder entgegen der Richtung der Abstrahlung bzw. des Empfangs der Ultraschallwellen durch das Wandlerelement. So kann der Sitz sowohl auf Seite des akustischen Fensters als auch auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses ausgebildet sein. Vorzugsweise bildet der Sitz eine das Fenster umschließende seitliche Auflage für das Wandlerelement, wobei das elastische Halteelement vorzugsweise zwischen der gegenüberliegenden Gehäuseseite und der Rückseite des Wandlerelementes eingespannt ist. Als elastisches Element kann beispielsweise ein Federelement eingesetzt werden. Selbstverständlich können jedoch auch beliebige andere Halteelemente verwendet werden, die ein geeignetes elastisches Verhalten aufweisen.

Das Wandlerelement selbst besteht vorzugsweise aus einem piezokeramischen Material und ist beispielsweise als piezokeramische Platte oder als runde piezokeramische Scheibe ausgebildet. Für die Funktion des Ultraschallwandlers ist es nicht in jedem Falle erforderlich, eine vorderseitige Anpassungsschicht oder eine rückseitige Abschlussschicht, bspw. ein so genanntes Backing, vorzusehen. Eine akustische Anpassung oder ein rückseitiger Abschluss kann dennoch bei Bedarf durch Aufbringen oder Andrücken einer Schicht aus einem entsprechenden Material erfolgen. Durch eine Strukturierung der jeweiligen Schicht können gerade bei einer aufgebrachten, d.h. mit dem Wandlerelement fest verbundenen Schicht, mechanische Spannungen verringert werden, die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Schichtmaterial und Wandlermaterial bei Temperaturschwankungen entstehen. Eine derartige Strukturierung ist vorzugsweise derart gewählt, dass einzelne, nicht zusammenhängende Schichtbereiche auf dem Wandlerelement gebildet werden. Vorzugsweise sind die Schichten jedoch nicht fest mit dem Wandlerelement verbunden, so dass sich keinerlei Spannungen aufbauen können. Die Abschlussschicht kann hierbei sowohl eine Dämpfungsschicht aus einem die Ultraschwallwellen dämpfenden Material als auch eine akustische Isolationsschicht aus einem akustischen Isolationsmaterial sein.

Das Wandlerelement selbst kann auch mit einer Beschichtung aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Parylene, versehen sein, falls dies für die Anwendung erforderlich ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung, bei der das Wandlerelement als plattenförmiges oder scheibenförmiges Element ausgebildet ist, wird ein Abstand dieses Elementes zur gegenüberliegenden Gehäuseseite als Referenzstrecke genutzt. Die Ultraschallwellen werden dabei von dem Wandlerelement nicht nur nach vorne durch das akustische Fenster, sondern auch rückwärtig abgestrahlt, an der gegenüberliegenden Gehäuseseite reflektiert und wieder vom Wandlerelement empfangen. Durch Einlass- und Auslassöffnungen im Gehäuse wird sichergestellt, dass das zu vermessende Medium auch in das Gehäuse einströmt, das Wandlerelement somit von dem Medium hinterströmt wird. Durch die gleichzeitige Laufzeitmessung über die Referenzstrecke lässt sich die momentane Temperatur des Mediums bestimmen, die für die Messung der Füllhöhe oder des Durchflusses bekannt sein muss.

Die Hinterströmung des Wandlerelementes durch das Medium bietet unabhängig von dieser Referenzmessung auch den Vorteil, dass bei einer Messung bei tiefen Temperaturen eine schnelle Abkühlung des Wandlerelementes sichergestellt und somit die Zeit verkleinert wird, in der sich Gasblasen auf dem Wandlerelement bilden können.

Der vorliegende Ultraschallwandler oder Ultraschallsensor lässt sich sehr vorteilhaft für Messungen bei Tiefsttemperaturen, insbesondere bei Temperaturen um die –200°C einsetzen. Bei einem Einsatz wird der Ultraschallwandler mit dem zu vermessenden Medium direkt in Kontakt gebracht, so dass keinerlei Wärmebrücken entstehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorliegende Ultraschallwandler wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des vorliegenden Ultraschallwandlers;
2 ein Beispiel für ein Wandlerelement mit einer Anpassungs- und einer Abschlussschicht; und
3 ein Beispiel für eine Strukturierung der Anpassungsschicht in Draufsicht.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein Beispiel für eine vorteilhafte Ausgestaltung des vorliegenden Ultraschallwandlers, wie er für die Messung bei tiefen Temperaturen eingesetzt werden kann. Der Ultraschallwandler weist ein Gehäuse 1 auf, in dessen Oberseite ein akustisches Fenster 2 ausgebildet ist. Das akustische Fenster 2 ist in der Regel durch eine Öffnung im Gehäuse realisiert, kann jedoch auch aus einem Material gebildet sein, das die erzeugten bzw. nachzuweisenden Ultraschallwellen möglichst ungeschwächt passieren lässt. An der Innenseite des Gehäuses 1 ist im Bereich des akustischen Fensters 2 ein kreisrunder Sitz 3 für das aktive Wandlerelement 4 ausgebildet.
Das Wandlerelement 4 besteht im vorliegenden Beispiel aus einer kreisrunden piezoelektrischen Scheibe, die am Rand auf dem Sitz 3 aufliegt. Der Sitz 3 ist derart ausgebildet, dass dem Wandlerelement 4 eine laterale Bewegungsmöglichkeit verbleibt, so dass dieses sich frei ausdehnen oder zusammenziehen kann. Das aktive Wandlerelement 4 wird über ein mechanisches Halteelement 5 gegen den Sitz 3 gedrückt. Das Halteelement 5 ist im vorliegenden Beispiel eine Feder, die ebenfalls an der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses anliegt, wie in der Figur zu erkennen ist. Durch dieses Halteelement 5 in Zusammenwirkung mit dem Sitz 3 wird das aktive Wandlerelement 4 in einer definierten Sollposition gehalten, ohne dadurch die laterale Ausdehnungsmöglichkeit des Wandlerelementes einzuschränken. Dadurch können sich bei starken Temperaturschwankungen keine zerstörend wirkenden Spannungen im Wandlerelement aufbauen.
Das Gehäuse 1 weist auch eine Durchführung für eine Verkabelung des Wandlerelementes auf, die im vorliegenden Fall aus einem isolierenden Mantel 6 gebildet ist, in dem die Verbindungsdrähte 7 für die Kontaktierung des Wandlerelementes 4 verlaufen. Das Gehäuse des vorliegenden Ultraschallwandlers weist Ein- bzw. Ausströmöffnungen 8 auf, durch die das zu vermessende Medium ein- bzw. austreten kann. Dieses Medium kommt somit sowohl durch das akustische Fenster 2 mit der Vorderseite des aktiven Wandlerelementes 4 als auch über das Innere des Gehäuses 1 mit der Rückseite des Wandlerelementes 4 in Kontakt. Im vorliegenden Beispiel ist die dem Wandlerelement 4 gegenüberliegende Innenfläche des Gehäuses 1 eben und parallel zur rückseitigen Fläche des Wandlerelementes 4 ausgebildet. Auf diese Weise wird eine Referenzstrecke 9 vorgegeben, über die durch eine Laufzeitmessung des von der Rückseite des Wandlerelementes 4 abgegebenen Ultraschallimpulses eine Temperaturbestimmung des Mediums ermöglicht wird, da die hierbei gemessene Schallgeschwindigkeit eine Funktion der Temperatur des Mediums ist. Diese Temperatur kann für die Bestimmung des Durchflusses oder des Füllstandes des Mediums, in das der Ultraschallwandler eingebracht wird, genutzt werden. Dem Fachmann sind die Messgrößen und die physikalischen Zusammenhänge bei der Durchflussmessung bzw. der Messung der Füllstandshöhe mittels Ultraschall bekannt.
Ein wesentliches Merkmal des Ultraschallwandlers der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Wandlerelement nicht starr mit dem Wandlergehäuse verbunden ist und sich damit lateral frei ausdehnen oder zusammenziehen kann. Während die Ausgestaltung der 1 ein Wandlerelement ohne zusätzliche Anpassungs- oder Abschlussschichten darstellt, lassen sich beim vorliegenden Ultraschallwandler jedoch bei Bedarf derartige Schichten realisieren. Ein Beispiel hierfür ist schematisch in der 2 angedeutet, die lediglich einen Teil eines gemäß 1 ausgestalteten Ultraschallwandlers zeigt. In diesem Beispiel ist auf der Vorderseite des Wandlerelementes 4 eine akustische Anpassungsschicht 10 aufgebracht, während die Rückseite mit einer Abschlussschicht 11 in Kontakt ist. Die vorderseitige Anpassungsschicht 10 wird dabei aus einem Material gewählt, dessen akustische Impedanz zwischen der akustischen Impedanz des Wandlerelementes 4 und der akustischen Impedanz des zu vermessenden Mediums liegt. Die Anpassungsschicht 10 kann hierbei fest mit der Oberfläche des piezoelektrischen Wandlerelementes 4 verbunden oder auch nur gegen diese Oberfläche gepresst sein. Auch der Einsatz eines geeigneten Koppelfettes oder eines ähnlichen Materials ist selbstverständlich möglich. Die gleichen Verbindungsmöglichkeiten bestehen hinsichtlich der Abschlussschicht 11, die sowohl aus einem dämmenden Material, beispielsweise einem Polyurethan, als auch aus einem akustischen Isolationsmaterial, beispielsweise einem geschäumten Material, bestehen kann. Zur Vermeidung mechanischer Spannungen bei den auftretenden Temperaturschwankungen ist es von Vorteil, wenn die beiden Schichten lediglich gegen das Wandlerelement gepresst werden. Werden die Schichten jedoch direkt auf das Wandlerelement aufgebracht, so dass eine feste Verbindung entsteht, dann ist eine zusätzliche Strukturierung dieser Schichten zur Vermeidung von Spannungen von Vorteil.
3 zeigt ein Beispiel für eine derartige Strukturierung der Anpassungsschicht 10 in Draufsicht auf den Ultraschallwandler. Die Anpassungsschicht 10 ist dabei derart strukturiert, dass sich lediglich einzelne, nicht zusammenhängende Bereiche des Materials der Anpassungsschicht ergeben, die die Form von Noppen aufweisen können. Durch diese Strukturierung können sich Spannungen jeweils nur in diesen lokal stark begrenzten Bereichen aufbauen. Werden diese Bereiche ausreichend klein gewählt, so können die geringen Spannungen keine zerstörerische Wirkung entfalten.
In gleicher Weise lässt sich auch die rückseitige Anpassungsschicht 11 strukturieren. Vorteilhaft ist hierbei, wenn die dreidimensionale Form der zusammenhängenden Bereiche konisch oder kegelförmig gewählt wird, da dies die Dämpfungscharakteristik verbessert.
Bezugszeichenliste

Claims

Ultraschallwandler für einen Einsatz bei hohen und/oder tiefen Temperaturen, der ein Gehäuse (1) mit zumindest einem akustischen Fenster (2) und zumindest ein im Gehäuse (1) angeordnetes Wandlerelement (4) umfasst, das zur Abstrahlung und/oder zum Empfang von Ultraschallwellen ausgebildet und für die Abstrahlung oder den Empfang der Ultraschallwellen durch das akustische Fenster (2) ausgerichtet und positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (4) im Gehäuse (1) derart beweglich gelagert ist, dass es sich senkrecht zu einer Abstrahlungs- oder Empfangsrichtung frei ausdehnen oder zusammenziehen kann.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im oder am Gehäuse (1) ein Sitz (3) für das Wandlerelement (4) ausgebildet ist, gegen den das Wandlerelement durch ein elastisches Element (5) gedrückt wird.
Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz (3) für das Wandlerelement (4) um das akustische Fenster (2) ausgebildet ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) zumindest eine Ein- und eine Auslassöffnung (8) für ein fluides Medium aufweist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) auf einer dem akustischen Fenster (2) gegenüberliegenden Seite eine ebene Reflexionsfläche für Ultraschallwellen bildet.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (4) auf einer dem akustischen Fenster (2) zugewandten Seite mit einer akustischen Anpassungsschicht (10) versehen oder in Kontakt ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (4) auf einer dem akustischen Fenster (2) abgewandten Seite mit einer Abschlussschicht (11) versehen oder in Kontakt ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (11) eine akustische Dämpfungsschicht oder eine akustische Isolationsschicht ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Anpassungsschicht (10) und/oder die Abschlussschicht (11) zur Bildung kleiner, nicht zusammenhängender Bereiche strukturiert ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (4) aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (4) platten- oder scheibenförmig ausgebildet ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (4) mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) Durchführungen für elektrische Leitungen (6, 7) zur Kontaktierung des Wandlerelementes (4) aufweist.
Verwendung eines Ultraschallwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Messung an einem Medium bei tiefen Temperaturen, bei der der Ultraschallwandler mit dem Medium direkt in Kontakt gebracht wird.
Verwendung nach Anspruch 14 zur Durchfluss- und/oder Füllstandsmessung.
Verwendung nach Anspruch 14 oder 15, bei der das Medium auch in das Gehäuse (1) einströmt.
Verwendung nach Anspruch 16, bei der ein Abstand zwischen dem Wandlerelement (4) und einer dem akustischen Fenster (2) gegenüberliegenden Seite des Gehäuses (1) als Referenzstrecke (9) für eine Temperaturmessung am Medium genutzt wird.