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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallsensor mit einer im
Schallstrahl des Ultraschallsensors angeordneten Anpassungsschicht,
die zwischen zwei Schichten aus unterschiedlichen Materialien angeordnet
ist bzw. angeordnet sein kann, wobei es sich bei der ersten Schicht
um ein piezoelektrisches Element handelt, an dem Elektroden derart
angebracht sind, dass es Ultraschall-Messsignale entlang des Schallstrahls
aussendet und empfängt.
Entsprechende Ultraschallsensoren kommen zum Einsatz bei Clamp-On-
oder Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräten, wie sie von der Anmelderin
unter der Bezeichnung PROSONIC FLOW in unterschiedlichen Ausgestaltungen
angeboten werden. Weiterhin werden Ultraschallsensoren in der Abstandsmessung
eingesetzt. Entsprechende Ultraschall-Messgeräte zur Füllstandsmessung werden von
der Firmengruppe ENDRESS + HAUSER angeboten und vertrieben. Bevorzugt
ist der erfindungsgemäße Ultraschallsensor
in der Prozessautomatisierung, aber beispielsweise auch in der Medizintechnik
einsetzbar.
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Im
Schallstrahl eines Ultraschallsensors sind oft unterschiedlichste
Materialien angeordnet. Jedes Material hat seine eigene und häufig zu
einem anderen Material recht unterschiedliche akustische Impedanz
Z. Andererseits ähneln
sich viele Materialien, wie z. B. Gase, Flüssigkeiten und Kunststoffe,
in ihrer akustischen Impedanz Z.
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Die
Auswirkung der unterschiedlichen Impedanzen von zwei aneinandergrenzenden
Materialien ist an der Grenzfläche
der Materialien sichtbar: Haben zwei Materialien eine unterschiedliche
akustische Impedanz Z1, Z2, so tritt an der Grenzfläche eine
Reflektion auf, die die Ultraschall- bzw. Schall-Messsignale auf
ihrem Weg in das nächste Material
schwächt.
Bei senkrechten Einfall – dem
einfachsten Fall – liegt
die Reflektion bei einem Anteil, der sich folgendermaßen errechnen
lässt:
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Die
Reflektion R und die Transmission T stehen in einer einfachen Beziehung
zueinander: T = 1 – R
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Um
eine höhere
Transmission beim Durchgang von Schall- bzw. Ultraschallwellen durch
zwei angrenzende Materialien mit einem relativ großen Impedanzunterschied
zu erreichen, ist die Einführung
einer Zwischenlage aus einem Material mit einer Impedanz von Vorteil,
die zwischen den beiden Impedanzen Z1 und Z2 liegt. Eine maximierte
Transmission lässt
sich erreichen, wenn die Impedanz der Zwischenlage folgende Beziehung
erfüllt. Z3 = √Z1 × Z2
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So
hat eine Piezokeramik, die üblicherweise in
Ultraschallsensoren als Sende- und
Empfangselement für
die Ultraschallwellen zum Einsatz kommt, eine akustische Impedanz,
die etwa im Bereich von ca. 30 MRayl liegt. Werden Ultraschallsensoren
zur Durchflussmessung eines Mediums in einer Rohrleitung eingesetzt,
so ist folglich mit einem relativ hohen Reflektionsanteil zu rechnen,
da Wasser eine akustische Impedanz von ca. 1.5 MRayl hat. Im gleichen Bereich
sind übrigens
auch Kunststoffe, wie sie beispielsweise für Rohrleitungen eingesetzt
werden, angesiedelt. Die akustische Impedanz von Kunststoffen liegt
im Bereich zwischen 1.5 ... 4 MRayl. Beispielsweise hat PVC eine
akustische Impedanz von 3 MRayl.
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Aufgrund
des Zuvorgesagten treten beim Übergang
der Schall- bzw. Ultraschallwellen in ein mit Wasser gefülltes Kunststoffrohr
Reflektionen auf.
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Zur
Minimierung der Verluste an Schallenergie wird üblicherweise eine Anpassungsschicht
eingeführt.
Diese besteht aus einem Material, das im günstigsten Fall die folgende
Impedanz aufweist: Z3 = √30 × 3 =
9.4 MRayl.
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Da
exakt diese Impedanz Z3 bei üblichen Materialien
nicht vorkommt, werden häufig
Materialien eingesetzt, die eine Impedanz haben, die in der Nähe dieser
optimalen Impedanz liegen. Vielfach wird als Material für diese
sog. Anpassungsschicht Glas mit einer Impedanz Z ~ 13...15 MRayl
oder Aluminium mit einer Impedanz Z ~ 17 MRayl verwendet.
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Eine
weitere Optimierung der Signalstärke ist über die
Dicke der Anpassungsschicht zu erreichen, da bei einer Dicke, die
dem Viertel der Wellenlänge λ entspricht,
zusätzlich
eine sehr gute Durchlässigkeit
für die
Schallwellen aufgrund von Interferenzeffekte auftritt. In diesem
Zusammenhang wird üblicherweise
von einer Lambda-Viertel-Schicht gesprochen. Zu beachten ist, dass
die Durchlässigkeit der
Lambda-Viertel-Schicht abhängig
ist von der Frequenz f der Schallwellen. Insbesondere gilt hier
folgende Beziehung: λ = c/fwobei c der Schallgeschwindigkeit
des entsprechenden Materials entspricht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor mit
optimierten Transmissionsverhalten vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Anpassungsschicht über
ein Siebdruckverfahren, ein Pulverbeschichtungsverfahren, ein Sputterverfahren, ein
CVD-Beschichtungsverfahren, ein PVD-Beschichtungsverfahren, ein
Spin- Coating-Verfahren oder über ein
galvanische Beschichtungsverfahren auf das piezoelektrische Element
aufgebracht ist.
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Der
Vorteil der Erfindung lässt
sich am besten anhand eines Beispiels erläutern: Ist die als Anpassungsschicht
als Lambda-Viertel-Schicht ausgebildet und besteht sie aus Aluminium,
so hat sie im MHz-Bereich, in dem die üblichen Frequenzen der Ultraschall-Messsignale
angesiedelt sind, eine Dicke, die kleiner ist als 0.5 mm. Bei ca.
6 MHz ist mit Dicken von ca. 0.26 mm zu rechnen. Betrachtet man die
Stärke
einer Klebeverbindung, die bei den Lösungen des Standes der Technik
zwischen dem piezoelektrischen Element und der Anpassungsschicht
aus Aluminium vorgesehen ist, so kann diese eine Dicke von 0.26
mm erreichen. Die Klebeschicht zeigt hinsichtlich ihres Transmissionsverhaltens
eine große Ähnlichkeit
mit Kunststoff auf. Folglich erfolgt an der Grenzfläche: piezoelektrisches
Element-Klebstoff eine unerwünschte
Reflektion.
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Durch
das erfindungsgemäß verwendete
Beschichtungsverfahren, z. B. das Siebdruckverfahren, ist es möglich auf
Gläser,
Metalle, Keramiken, usw. dünne
Schichte im Bereich von wenigen hundertstel Millimeter zu applizieren.
Beispielsweise kann eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von z.
B. 0.03 ... 0.06 mm direkt auf eine Glasschicht oder auf eine piezoelektrische
Schicht appliziert werden.
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Beim
Siebdruck werden Pasten durch ein Netz bzw. ein Sieb gepresst. Mit
der Viskosität
der Paste und der Dichte des Siebes lässt sich die Schichtdicke in
gewissen Grenzen steuern. Werden dickere Schichten benötigt, wird
mehrfach bedruckt. Ist die Stärke
der aufgedruckten Schicht über
das jeweils gewählte
Auftragungsverfahren zu ungenau, so kann eine zu dicke Schicht nachfolgend über ein
Abtragungsverfahren auf die benötigte
Dicke gebracht werden. Die Abtragung erfolgt beispielsweise über einen
Schleifprozess, das sog. Läppen,
mit dem eine zu dicke Schicht sehr präzise auf das geforderte Mass
gebracht werden kann.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors
ist darin zu sehen, dass auf die störende Klebeschicht zwischen
piezoelektrischem Element und Anpassungsschicht verzichtet werden kann.
Damit die relativ hohe Temperatur von ca. 600°C, die zum Aushärten der
Pasten benötigt
wird und die oberhalb der Curie-Temperatur ca. 350° liegt, nicht
dazu führt,
dass die piezoelektrischen Elemente ihre piezoelektrischen Eigenschaften
verlieren, dürfen
die mit der Anpassungsschicht direkt beschichteten piezoelektrischen
Elemente erst nach dem Bedrucken polarisiert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors besteht die
Anpassungsschicht aus mehreren Lagen, die sukzessive über das
Siebdruckverfahren, das Pulverbeschichtungsverfahren, das Sputterverfahren, das
CVD-Beschichtungsverfahren, das PVD-Beschichtungsverfahren, das Spin-Coating-Verfahren oder über das
galvanische Beschichtungsverfahren auf die piezoelektrische Schicht
bzw. auf die zuvor aufgebrachte Lage der Anpassungsschicht aufgebracht
sind.
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Als
besonders günstig
wird es im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor angesehen,
wenn in die Anpassungsschicht eine Struktur eingebracht ist, die
die Ultraschall-Messsignale fokussiert. Beispielsweise weist die
in die Anpassungsschicht eingebrachte Struktur die Form einer konkaven
Linse oder einer Fresnel-Linse auf.
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Weiterhin
sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vor, dass zwischen der Anpassungsschicht und der zweiten Schicht
ein Verguss oder ein Klebstoff vorgesehen ist. Beispielswiese handelt
es sich bei der zweiten Schicht um die Wandung einer Rohrleitung,
die von einem fluiden Medium durchströmt wird.
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Bevorzugt
besteht die Anpassungsschicht aus Glas, Keramik, Kunststoff, aus
einem Halbleitermaterial oder aus einem Metall. Weiterhin ist es
besonders vorteilhaft, wenn die Anpassungsschicht eine Dicke aufweist,
die im wesentlichen einer Viertel Wellenlänge oder einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen
der Viertel Wellenlänge
der Ultraschall-Messsignale entspricht. Der Vorteil dieser Ausgestaltung
ist in einer Optimierung der Signalstärke zu sehen, da bei einer
Dicke, die die zuvor genannten Abmessungen zeigt, eine sehr gute
Durchlässigkeit
infolge von Interferenzeffekten entsteht. Zu beachten ist allerdings,
dass diese Durchlässigkeit frequenzabhängig ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht sieht
vor, dass das piezoelektrische Element eine erste akustische Impedanz
aufweist, dass die zweite Schicht eine zweite akustische Impedanz
aufweist und dass die zumindest eine Anpassungsschicht eine dritte
Impedanz aufweist, die – gemittelt
bei der Betriebsfrequenz des Ultraschallsensors – zwischen der akustischen
Impedanz des piezoelektrischen Elements und der akustischen Impedanz
der zweiten Schicht liegt.
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Zuvor
wurde bereits erwähnt,
dass es über das
erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren möglich ist,
der Anpassungsschicht eine gewünschte Struktur
zu geben. Beispielsweise wird die Struktur durch schrittweises Abdecken
bzw. Freigeben von entsprechenden Bereichen geschaffen, wenn einzelne
Schichten werden in sukzessive aufeinanderfolgenden Beschichtungsverfahren
aufgebracht.
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Alternativ
ist vorgesehen, dass die Struktur durch einen abtragenden Prozess,
wie Ätzen,
Lasern oder Fräsen,
in eine Anpassungsschicht eingearbeitet ist.
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Weiterhin
sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors
vor, dass zumindest die eine Anpassungsschicht aus einem Gemisch
von unterschiedlichen Komponenten besteht. Weiterhin wird vorgeschlagen,
dass die Materialien der unterschiedlichen Lagen der Anpassungsschicht
so gewählt
sind, dass sich die Impedanzen der einzelnen Lagen sukzessive an
die Impedanz der zweiten Schicht annähern. Hierdurch wird ein 'fließender' Übergang im Bereich des Schallstrahls
erreicht. Ebenfalls ist ein abwechselnder Aufbau von Lagen mit hoher
und niedriger Impedanz möglich.
Hierbei ist die jeweilige Dicke der Lagen vorteilhafter Weise kleiner
als die kleinste Wellenlänge bzw.
kleiner als ¼ der
Wellenlänge.
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Darüber hinaus
ist gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors vorgesehen,
dass die aus mehreren Lagen zusammengesetzte Anpassungsschicht in
ausgewählten
Bereichen aus unterschiedlichen Materialien besteht, wobei jede
Schicht jedoch so aufgebaut ist, dass sie jeweils eine geschlossene
Oberfläche
bildet.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines an einer Rohrleitung montierten Ultraschallsensors
in einer ersten Ausgestaltung,
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2 eine
schematische Darstellung eines an einer Rohrleitung montierten Ultraschallsensors
in einer zweiten Ausgestaltung und
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3 eine
schematische Darstellung eines an einer Rohrleitung montierten Ultraschallsensors
in einer dritten Ausgestaltung.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine erste Ausgestaltung eines
erfindungsgemäßen Ultraschallsensors 1,
der an der Wandung 6 einer Rohrleitung montiert ist. Der
Ultraschallsensor 1 hat – im Hinblick auf die Impedanzen
der einzelnen Lagen 3a, 3b – ein angepasstes piezoelektrisches Element 2.
Die unmittelbar – also
ohne Klebstoff – auf das
piezoelektrische Element aufgebrachte Anpassungsschicht 3 ist
in zwei Lagen 3a, 3b aufgebracht. Selbstverständlich können die
Lagen 3a, 3b auch aus dem gleichen Material bestehen,
wenn größere Schichtdicken
realisiert werden sollen.
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Durch
wiederholtes Auftragen der Lagen 3a, 3b z. B.
im Siebdruckverfahren lassen sich beliebige Dicken der Anpassungsschicht 3 realisieren.
Weiterhin ist es möglich,
eine zu dicke Anpassungsschicht 3 nachfolgend durch einen
Abtragungsprozess auf die gewünschte
Dicke zu bringen. Dadurch dass die Anpassungsschicht 3 bzw.
die einzelnen Lagen 3a, 3b der Anpassungsschicht 3 direkt
auf das piezoelektrische Element 2 aufgetragen sind, kann
die störende
Klebeschicht mit einer von den angrenzenden Materialien stark abweichenden
und den Schallstrahl erheblich beeinflussenden Impedanz entfallen.
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Hat
beispielsweise das piezoelektrische Element 2 eine akustische
Impedanz von ca. 30 MRayl, so kann es sich bei der ersten Lage 3a der
Anpassungsschicht 3 um eine Aluminiumschicht mit einer akustischen
Impedanz von 17 MRayl und bei der zweiten Lage 3b um eine
Glasschicht mit einer akustischen Impedanz von 11 ... 17 MRayl handeln.
Wie bereits zuvor gesagt, ist es vorteilhaft, wenn beide Lagen 3a, 3b jeweils
eine Schichtdicke da, db aufweisen,
die einer Viertel Wellenlänge
oder einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen einer Viertel Wellenlänge entspricht.
Der Klebstoff bzw. die Ankopplungsschicht 5 hat eine akustische
Impedanz von ca. 1.5 ... 4 MRayl. Daran schließt sich die zweite Schicht
bzw. die Wandung 6 der Rohrleitung an, die gleichfalls eine
akustische Impedanz von ca. 1.5 MRayl aufweist, wenn sie aus Kunststoff
gefertigt ist. Generell lässt
sich sagen, dass beim Auftragen einer Vielzahl von Lagen 3a, 3b die
Impedanz von Lage zu Lage über verschiedene
Materialien mit geringen Impedanzunterschieden nahezu kontinuierlich
variiert werden kann. Dies bedeutet eine sehr gute Anpassung und
somit wenig Verluste.
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Dadurch
dass das piezoelektrische Element 2 klebemittelfrei mit
den Lagen 3a, 3b der Anpassungsschicht 3 verbunden
ist, ist die Transmission der Ultraschall-Messsignale relativ ungestört und die an
den Grenzflächen
reflektierten Signalanteile sind relativ gering. Darüber hinaus
lässt sich
der erfindungsgemäße Ultraschallsensor 1 einfach
und kostengünstig
fertigen. Weiterhin wird die Produzierbarkeit verbessert.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung eines
an einer Rohrleitung 6 montierten Ultraschallsensors 2.
Die Anpassungsschicht 3 setzt sich hier aus vier Lagen 3a, 3b, 3c, 3d zusammen;
es können
jedoch auch mehr Lagen sein. In die einzelnen Lagen 3a, 3b, 3c, 3d ist eine
um die Mittelachse des piezoelektrischen Elements 2 radial
und/oder symmetrisch angeordnete treppenförmige Struktur 8 eingebracht,
die die Form einer konkaven Linse aufweist. Die treppenförmige Struktur 8 ist
dadurch entstanden, dass z. B. im Falle des Siebdruckverfahrens
als Auftragungsverfahren, für
jede Lage 3a, 3b, 3c, 3d ein
Sieb mit entsprechend geformten und unterschiedlichen Masken verwendet
wird. Die einzelnen Lagen 3a, 3b, 3c, 3d können – wie bereits
gesagt – aus
dem gleichen Material, z. B. aus Aluminium mit einer Schallgeschwindigkeit von
6.300 m/sec, oder aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein.
Selbstverständlich
ist es auch möglich,
in eine entsprechend dicke Anpassungsschicht 3, die wiederum
aus mehreren Lagen 3a, 3b, 3c, 3d bestehen
kann, nachfolgend die Struktur 8 durch ein Abtragungsverfahren
einzubringen. Geeignete Verfahren sind alle bekannten Verfahren
mechanischer oder chemischer Natur.
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Infolge
der in die Anpassungsschicht 3 eingeprägten Struktur 8 werden
die Ultraschall-Messsignale im gezeigten Fall im Bereich der Wandung 6 der Rohrleitung
fokussiert. Generell lässt
sich der Fokus durch entsprechende Ausgestaltung der Struktur 8 an
jede beliebige Stelle im Schallstrahl setzen. Zwischen der Anpassungsschicht 3 und
der Wandung 6 der Rohrleitung ist ein Verguss oder ein
Klebstoff vorgesehen, der beispielsweise eine Schallgeschwindigkeit
von 2.500 m/sec aufweist. Durch die Wahl der Materialien lässt sich
die fokussierende Wirkung gleichfalls mit gestalten.
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Die
in 3 gezeigte schematische Darstellung einer dritten
Ausgestaltung eines an einer Rohrleitung montierten Ultraschallsensors 1 unterscheidet sich
von der in 2 gezeigten Ausgestaltung lediglich
durch die in die Anpassungsschicht 3 eingebrachte Struktur 9:
Die Struktur 9 hat die Form einer Fresnel-Linse. Mit dieser
Ausgestaltung lässt
sich bei geringer Dicke der strukturierten Schicht die gewünschte fokussierende
Wirkung erzielen.
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- 1
- Ultraschallsensor
- 2
- piezoelektrisches
Element
- 3
- Anpassungsschicht
- 3a
- erste
Lage
- 3b
- zweite
Lage
- 3c
- dritte
Lage
- 3d
- vierte
Lage
- 3e
- fünfte Lage
- 4a
- Elektrode
- 4b
- Elektrode
- 5
- Verguss/Klebstoff/Koppelmatte/Fett
- 6
- Wandung
der Rohrleitung/zweite Schicht
- 7
- Schallstrahl
- 8
- Struktur
- 9
- Struktur
