DE102007028352A1

DE102007028352A1 - Anpassungsschicht zur Anbringung im Schallstrahl eines Clamp-ON Ultraschallsensor

Info

Publication number: DE102007028352A1
Application number: DE102007028352A
Authority: DE
Inventors: Achim Wiest; Andreas Berger
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-18
Also published as: WO2008152059A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anpassungsschicht (5) zur Anbringung im Schallstrahl, z. B. zwischen einem Ultraschallsensor (1) und einer Außenwand (3) eines Behältnisses (2), wobei die Anpassungsschicht (5) so ausgestaltet ist, dass von dem Ultraschallsensor (1) in das Behältnis (2) unter einem Einfallswinkel ausgesendete oder von dem Ultraschallsensor (1) aus dem Behältnis (2) unter einem Ausfallwinkel empfangene Messsignale die Wandung (3) des Behälters (2) weitgehend verlustfrei passieren. Damit nur die in Einstrahlrichtung orientierten Anteile der Ultraschall-Messsignale in das Behältnis eingekoppelt werden, handelt es sich bei der Anpassungsschicht um ein Filter, das so ausgestaltet ist, dass die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die in Ein- bzw. Ausstrahlrichtung der Ultraschall-Messsignale orientiert sind, die Koppelmatte näherungsweise ungestört passieren, während die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die quer zur Ein- und/oder Ausstrahlrichtung orientiert sind, von der Koppelmatte (5) weitgehend gedämpft werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anpassungsschicht zur Anbringung im Schallstrahl eines Ultraschallsensors eines Clamp-On Durchflussmessgeräts. Die Anpassungsschicht kann zwischen einem Ultraschallsensor und der Wandung eines Behältnisses, sie kann aber auch an einer beliebigen Stelle im Schallpfad innerhalb des Ultraschallsensors eingebracht sein. Die Anpassungsschicht ist so ausgestaltet, dass von dem Ultraschallsensor in das Behältnis ausgesendete oder von dem Ultraschallsensor aus dem Behältnis empfangene Messsignale die Anpassungsschicht weitgehend verlustfrei passieren.
Clamp-on Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben es, den Volumen- und/oder Massestrom eines Mediums in einem Behältnis, insbesondere in einer Rohrleitung, berührungslos und somit nicht-invasiv zu bestimmen, da sie von außen an die Rohrleitung angebracht werden. Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräte sind beispielsweise in der EP 0 686 255 B1 , der US-PS 4,484,478 oder der US-PS 4,598,593 beschrieben. Üblicherweise werden die Ultraschallsensoren einzeln mit Bändern auf die Rohrleitung, in der der Durchfluss bestimmt werden soll, aufgeschnallt. Möglich ist es jedoch auch, zumindest ein Paar von verschiebbaren Ultraschallsensoren in einer sog. Flowbox anzuordnen und die Flowbox an der Rohrleitung zu befestigen. Eine entsprechende Flowbox ist in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2007 019 689.1 , eingereicht am 24.04.2007, im Detail beschrieben. Der die Flowbox beschreibende Offenbarungsgehalt ist explizit dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung zuzurechnen.
Die von der Anmelderin angebotenen und vertriebenen Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip. Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip wird die unterschiedliche Laufzeit von Ultraschall-Messsignalen, die das Medium in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung durchlaufen, ausgewertet. Zwei in Richtung der Längsachse der Rohrleitung angeordnete Ultraschallsensoren senden und empfangen die Ultraschall-Messsignale alternierend. Anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschall-Messsignale lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit und somit bei bekanntem Durchmesser des Rohres der Volumendurchfluss bzw. bei bekannter Dichte des Mediums der Massendurchfluss bestimmen.
Bei Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräten, die nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip arbeiten, werden die Ultraschall-Messsignale unter einem vorgegebenen Winkel in die Rohrleitung, in der sich das Medium befindet, ein- bzw. ausgestrahlt. Damit ein möglichst großer Anteil der von einem Ultraschallwandler in das Behältnis eingestrahlten Energie im jeweils anderen Ultraschallsensor empfangen wird, müssen die beiden Ultraschallsensoren quasi nahtlos an der Rohrleitung plaziert sein – an Grenzflächen treten ansonsten Reflexionen auf – und einen definierten Abstand voneinander haben. Die jeweilige Position der Ultraschallsensoren an der Rohrleitung ist abhängig von dem Innendurchmesser der Rohrleitung und von der Schallgeschwindigkeit des Mediums. Als weitere Applikationsparameter, denen mitunter eine relativ große Bedeutung zuzumessen ist, sind die Wandstärke der Rohrleitung und die Schallgeschwindigkeit des Materials der Rohrleitung zu nennen.
Wie bereits angedeutet, ist unbedingt dafür Sorge zu tragen, dass die Ultraschallsensoren möglichst ohne Luftspalt unmittelbar an der Oberfläche der Rohrleitung montiert sind. Ein Luftspalt würde zu einer abgeschwächten Einkopplung der Ultraschall-Messsignale in die Rohrleitung führen. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, dass bereits die fertigungsbedingte Oberflächenrauhigkeit der Kontaktflächen von Ultraschallsensor und Rohrleitung so ausgeprägt ist, dass sich die beiden Komponenten nur an gewissen Auflagepunkten berühren, während sich in anderen Bereichen der Kontaktfläche der für die Messperformance unerwünschte Luftspalt bzw. Lufteinschluss befindet.
Um diesen Missstand zu beseitigen, ist es Stand der Technik, eine flüssige oder gelartige Koppelschicht zwischen dem Ultraschallsensor und der Außenfläche der Rohrleitung anzubringen. Weiterhin ist es Stand der Technik, über ein Elastomer eine gute Übertragung der Ultraschall-Messsignale sicherzustellen. Eine Kopplungsschicht aus einem Elastomer oder einem Metall ist beispielsweise in der DE 10 2004 52 489 A1 beschrieben. Um in diesem Fall einer Kopplungsschicht aus einem Elastomer eine gute Einkopplung zu erzielen, ist eine Anpresskraft erforderlich, die deutlich über der Anpresskraft liegt, die im Falle einer Koppelschicht aus einem flüssigen oder gelartigen Stoff erforderlich ist.
Es versteht sich von selbst, dass bei Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräten, die auf dem Doppler-Prinzip basieren, eine Koppelschicht zwischen dem Clamp-On Ultraschallsensor und der Außenfläche der Rohrleitung angeordnet sein muss, da auch hier das zuvor beschriebene Problem auftritt. Bei Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräten, die auf dem Doppler-Prinzip basieren, werden die Ultraschall-Messsignale an Verunreinigungen oder Blasen in dem Medium reflektiert. Somit sind diese Messgeräte nur bei speziellen Anwendungen einsetzbar. Anhand der Dopplerverschiebung der Ultraschall-Messsignale lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, und bei bekanntem Innendurchmesser der Rohrleitung der Volumendurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bestimmen.
Es hat sich gezeigt, dass durch die bekannten Koppelmedien, insbesondere aber durch die Koppelschicht aus einem Elastomer, neben der erwünschten Übertragung der longitudinalen Anteile der Ultraschall-Messsignale auch die transversalen Anteile oder generell unerwünschte Schwingungsmodi übertragen werden. Diese sich in der Wandung der Rohrleitung ausbreitenden Messsignale wirken sich u. U. ungünstig auf die Messperformance des Durchflussmessgeräts aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Koppelmedium bzw. eine Anpassungsschicht zwischen Ultraschallsensor bzw. Flowbox und Außenfläche der Rohrleitung vorzuschlagen, die weitgehend nur die erwünschten Anteile der Ultraschall-Messsignale passieren lässt, während die unerwünschten Anteile der Ultraschall-Messsignale weitgehend gedämpft werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass es sich bei der Anpassungsschicht um eine Koppelmatte handelt, die als Filter ausgestaltet ist, so dass die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die in Ein- bzw. Ausstrahlrichtung der Ultraschall-Messsignale orientiert sind, die Koppelmatte näherungsweise ungestört passieren, während die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die quer zur Ein- oder Ausstrahlrichtung orientiert sind, von der Koppelmatte weitgehend gedämpft werden.
Alternativ lässt sich sagen, dass sich mit einer Koppelmatte mit eingebetteten harten Fasern – oder aber auch mit flüssigkeitsbefüllten Kanälen bzw. einer flüssigkeitsbefüllten Kammer, mit Kugeln oder Bohrungen – ein Filter realisieren lässt, das im Wesentlichen nur eine definierte Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Messsignale gestattet. Voraussetzung ist hierbei, dass insbesondere harte Fasern oder auch Kanäle, ein definiertes geeignetes Verhältnis von Durchmesser und Länge zu Breite aufweisen. Bei Fasern ist das Verhältnis vorzugsweise grösser als 1:3. Sind die Kanäle mit einer Flüssigkeit befüllt, ist das Verhältnis weniger kritisch, da hier die Transversalwellen per se stark gedämpft werden, so dass hauptsächlich Longitudinalwellen übertragen werden.
Die harten Fasern, welche – wie gesagt – ein definiertes Verhältnis zwischen Durchmesser und Länge aufweisen sollen, oder die Kanäle sind in einer definierten Orientierung in einer Matrix aus einem dämpfenden und elastischen Material eingebettet sind. Durch die erfindungsgemäße Anordnung erfolgt die Ausbreitung der Ultraschallwellen nahezu ausschließlich in Längsrichtung der Fasern bzw. der Kanäle.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht kann beispielsweise mittels eines losen Glasfaserbündels – oder allgemein eines losen Faserbündels – erfolgen, das in einer Silikonmasse getränkt und anschließend ausgehärtet wird. Der geschaffene Stab aus Glasfasern bzw. Fasern, die in eine dämpfende und elastische Matrix eingebettet sind, wird anschließend vorzugsweise unter einem definierten Winkel in dünne Schichten bzw. Matten geschnitten. Die Matrix besteht bevorzugt aus einem geschlossenzelligen Elastomerschaum. Möglich ist es jedoch auch, eine Matrix aus einem festen Körper, wie beispielsweise Metallschaum oder Keramikschaum zu verwenden.
Somit schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht vor, dass die Koppelmatte aus einem dämpfenden und elastischen Material besteht, in das in einer definierten Orientierung Fasern oder Kanäle eingebettet sind. Bevorzugt handelt es sich bei den Fasern um sogenannte harte Fasern, beispielsweise um Glasfasern.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht sieht vor, dass die Matrix aus einem Elastomer, insbesondere aus einem geschlossenzelligen Elastomerschaum, besteht.
Eine zu den harten Fasern alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht schlägt vor, dass in eine Matrix aus einem schalldämpfenden, elastischen Material, die flüssigkeitsgefüllten Kanäle mit einer definierten Orientierung eingelagert sind. Hierzu ist eine Membran aus einem schalldämpfenden Material vorgesehen, die derart mit Kanälen versehen ist, dass über die Orientierung der Kanäle eine optimale Übertragung der Ultraschall-Messsignale bzw. der gewünschten Moden der Ultraschall-Messsignale bzw. Ultraschallwellen sicherstellt ist. Auch hier werden unerwünschte Anteile und Moden der Ultraschall-Messsignale ausgefiltert, so dass weitgehend nur die zu Meßzwecken verwendeten Anteile der Messsignale, sprich die Signalanteile, die in Einstrahlrichtung in die Rohrleitung eingestrahlt werden sollen, die Anpassungsschicht passieren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht sieht vor, dass die flüssigkeitsgefüllten Kanäle bevorzugt einen Querschnitt aufweisen, der dem Querschnitt des die Ultraschall-Messsignale bildenden Schallstrahls entspricht. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Koppelmatte in Ihrer Dicke – unter Berücksichtigung des Winkels des Schallstrahles zur durchdrungenen Oberfläche des Behältnisses – auf die Wellenlänge des Ultraschall-Messsignals abgestimmt ist. Bevorzugt entspricht die Dicke einer Viertel Wellenlänge bzw. einem ungerade ganz zahligen Vielfachen der Viertel Wellenlänge der Ultraschall-Messsignale bzw. der Ultraschallwellen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in der Koppelmatte Kugeln vorgesehen sind, die in einer definierten Orientierung in dem schalldämpfenden und elastisches Material eingebettet sind. Alternativ wird vorgeschlagen, dass in der Koppelmatte Bohrungen vorgesehen sind, die in einer vorgegebenen Orientierung in dem schalldämpfenden und elastischen Material eingebettet sind.
Um störende Lufteinschlüsse oder Luftspalte zu vermeiden, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass zwischen der Matrix mit den eingebetteten Fasern bzw. den flüssigkeitsgefüllten Kanälen und dem Ultraschallsensor bzw. der Außenfläche des Behältnisses jeweils ein Koppelmedium aufgetragen ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Koppelmedium um ein Silikon-Gel oder um spezielles Koppelfett, wie es in der Ultraschall-Durchflussmessung bekannt ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht sieht vor, dass die akustische Impedanz Z_K der Koppelmatte bzw. Anpassungsschicht – bestimmt bei der Frequenz des Ultraschall-Messsignals – in einem Bereich liegt, der zwischen der Impedanz des Ultraschallsensors Z_S und der Impedanz Z_R der Wandung des Behältnisses liegt.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die akustische Impedanz der Anpassungsschicht bevorzugt der Quadratwurzel aus dem Produkt der beiden Impedanzen Z_R, Z_S von der Wandung des Behältnisses und dem Ultraschallsensor entspricht.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit Fasern,
1a: eine Variante der in 1 dargestellten Anpassungsschicht, wobei die Fasern unter einem Winkel beta ausgerichtet sind,
2: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit flüssigkeitsbefüllten Kanälen bzw. Bereichen,
3: eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit Bohrungen in perspektivischer Ansicht,
3a: die in 3 gezeigte Ausführungsform in Seitenansicht,
3b: den in 3a gekennzeichneten Ausschnitt B in vergrößerter Darstellung,
3c: eine vierte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit gekreuzten, in zwei Lagen angeordneten Bohrungen,
3d: eine fünfte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit Bohrungen, deren Mittelpunkte – im Querschnitt gesehen – auf einer gekrümmten Linie verlaufen,
4: eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors mit integrierter erfindungsgemäßer Anpassungsschicht,
5: eine sechste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit Kugeln,
5a: den in 5 gekennzeichneten Ausschnitt A in vergrößerter Darstellung,
5b: einen Schnitt durch die in 5 gezeigte Anpassungsschicht,
6: die erfindungsgemäße Anpassungsschicht mit Kugeln mit einem von 90° abweichenden Ein- und Ausstrahlwinkel alpha der Ultraschall-Messsignale,
6a: den in 6 gekennzeichneten Ausschnitt A in vergrößerter Darstellung,
6b: einen Schnitt durch die in 6 gezeigte Anpassungsschicht
7: eine siebente Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht mit einer flüssigkeitsbefüllten Kammer,
7a: den in 7 mit A gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung und
7b: einen Querschnitt durch die in 7 dargestellte Anpassungsschicht.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5, die zwischen dem Ultraschallsensor 1 und der Außenwand 4 der Rohrleitung 2 durch Pressung gehalten wird. Bei der Anpassungsschicht 5 handelt es sich um eine Koppelmatte 5, die derart als Filter ausgestaltet ist, dass die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die in Ein- bzw. Ausstrahlrichtung der Ultraschall-Messsignale orientiert sind, die Koppelmatte näherungsweise ungestört passieren, während die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die quer zur Ein- oder Ausstrahlrichtung orientiert sind, von der Koppelmatte 5 weitgehend gedämpft werden. Longitudinale Anteile der Ultraschall-Messsignale passieren die Anpassungsschicht näherungsweise ungestört, während transversale Anteile der Ultraschall-Messsignale näherungsweise vollständig gedämpft werden.
Die als Koppelmatte 5 bzw. Koppeladapter 5 ausgestaltete Anpassungsschicht 5 besteht aus einem dämpfenden und elastischen Material 8, in das mit einer definierten Orientierung eine Vielzahl von Fasern 6 eingebettet sind. Die Fasern 6 sind im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zur gewünschten Ausbreitungsrichtung der Ultraschall-Messsignale angeordnet. Bevorzugt handelt es sich bei den Fasern 6 um sogenannte harte Fasern, beispielsweise um Glasfasern. Das schalldämpfende Material 8 besteht bevorzugt aus einem Elastomer, insbesondere aus einem geschlossenzelligen Elastomerschaum.
Die harten Fasern 6 bzw. die Glasfasern können auch unter einem Winkel beta zur Außenfläche 3 orientiert, so dass eine optimale Anpassung an die Anwendung bzw. den Ein- oder Ausstrahlwinkel des Ultraschallsensors 1 erreicht wird. Diese Ausgestaltung ist in 1a zu sehen.
Um störende Lufteinschlüsse oder Luftspalte zu vermeiden, ist zwischen der Koppelmatte 5 und der entsprechenden Außenwand 4 des Messrohres 2 bzw. zwischen der Koppelmatte 5 und dem Ultraschallsensor 1 jeweils ein Koppelmedium 9 aufgetragen ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Koppelmedium 9 um Silikon-Gel.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5. Der Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass hier die Fasern 6 durch flüssigkeitsgefüllte Kanäle 7 in einer Membran ersetzt sind. Diese Kanäle sind mit einem akustisch leitenden Koppelmittel z. B. Silikon Gel gefüllt. Der Effekt ist in beiden Fällen derselbe: Über die Kanäle 7 ist eine optimale Übertragung der Ultraschall-Messsignale bzw. der gewünschten Moden der Ultraschall-Messsignale bzw. Ultraschallwellen sicherstellt. Unerwünschte Anteile und Moden der Ultraschall-Messsignale werden ausgefiltert, so dass weitgehend nur die zu Meßzwecken verwendeten Anteile der Messsignale, sprich die Signalanteile die in Richtung des Einfallwinkels in die Rohrleitung eingestrahlt werden, die Anpassungsschicht bzw. die Koppelmatte 5 passieren können.
3 zeigt eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5 mit Bohrungen 10 in perspektivischer Ansicht. 3a zeigt die in 3 gezeigte Ausführungsform in Seitenansicht. In 3b ist der in 3a gekennzeichneten Ausschnitt B in vergrößerter Darstellung zu sehen. Die schallleitenden Bereiche, sprich die Stege zwischen den Bohrungen 10, werden hier durch Querbohren, Gießen, Schmieden oder andere urformende Verfahren hergestellt. Vorteilhaft ist, dass die Bohrungen 10 nicht verfüllt werden müssen. Bevorzugt haben die Stege zwischen den einzelnen Bohrungen 10 eine Dicke L, die kleiner ist als der Durchmessers D der Bohrungen 10. Insbesondere sollte darauf geachtet werden, dass die Dicke L der Stege kleiner ist als die Wellenlänge der Ultraschallwellen bzw. Ultraschall-Messsignale. Generell lassen sich über die Dimensionierung L der Stege und den Durchmesser D der Bohrungen 10 die Filterwirkung optimal auf die Wellenlänge einstellen. Je breiter die Stege sind, um so mehr Signalanteile passieren die Anpassungsschicht 5, um so kleiner ist jedoch auch der gewünschte Filtereffekt. Hier gilt es die optimale, von der Wellenlänge abhängige Dimensionierung zu finden.
Als besonders vorteilhaft wird die in 3c dargestellte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5 angesehen, bei der zwei übereinander angeordnete Lagen mit Bohrungen 10 vorgesehen sind, wobei die Lagen parallel zur der oberen und unteren Wand 11, 12 der Anpassungsschicht 5 ausgerichtet und relativ zueinander gekreuzt sind. Vorteilhaft hierbei ist, dass jedes feste Material zum Einsatz kommen kann. Weiterhin können die Bohrungen 10 direkt im Schallpfad des Ultraschallsensors liegen.
Für gewisse Anwendungen ist es vorteilhaft, dass die Bohrungen 10 – in ein- oder mehrlagiger Anordnung – im Querschnitt gesehen nicht linear verlaufen, sondern längs einer gekrümmten Linie. Diese fünfte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5 mit Bohrungen 10, deren Mittelpunkte – im Querschnitt gesehen – auf einer gekrümmten Linie verlaufen, ist in 3d dargestellt. Hierdurch lässt sich die Filterwirkung der Anpassungsschicht 5 optimieren.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschallsensors 21 mit integrierter erfindungsgemäßer Anpassungsschicht 5. Die Anpassungsschicht 5 – hier mit Bohrungen 10, die in zwei Lagen übereinander angeordnet und zueinander gekreuzt sind – ist zwischen dem piezoelektrischen Element 19 und dem Vorlaufkörper bzw. dem Koppelelement 20 angeordnet. Durch die gekreuzte Anordnung der Bohrungen 10 in den beiden Lagen wird der Transversalwellen-Anteil des Ultraschall-Messsignals näherungsweise komplett herausgefiltert, so dass nur die erwünschten Longitudinalwellen-Anteile die Anpassungsschicht 5 passieren. Die für piezoelektrische Elemente 19 verwendete Keramik hat eine akustische Impedanz von ca. 30 MRayl. Ist der Vorlaufkörper 20 aus Kunststoff gefertigt, so weist dieser eine akustische Impedanz von ca. 3 MRayl auf. Die Anpassungsschicht 5, die z. B. aus Metall gefertigt ist, weist eine akustische Impedanz auf, die zwischen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 19 und des Vorlaufkörpers 20 liegt. Hierdurch werden die unerwünschten Reflexionen minimiert.
5 zeigt eine sechste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5 mit Kugeln 13; 5a zeigt den in 5 gekennzeichneten Ausschnitt A in vergrößerter Darstellung, während in 5b ein Schnitt durch die in 5 gezeigte Anpassungsschicht 5 dargestellt ist. Die in einer Ebene in beliebiger Kugelpackungsdichte – bevorzugt berühren sich die Kugeln 13 an vier oder sechs Punkten – angeordneten Kugeln 13 haben eine ähnliche Wirkung wie die Fasern 6. Allerdings wird hier keine Matrix 8 benötigt, da der regelmäßige Abstand der Kugeln 13 sich bei einer dicht gepackten Fläche automatisch einstellt.

Die Kopplung zwischen der oberen und der unteren Wand 11, 12 und den Kugeln 13 wird über eine Klebung, einen Elastomer-Film oder ein Verpressen erreicht. Hierdurch verformen sich die obere und untere Wand 11, 12 und die Kugeln 13. Die Kugeln 13 können entweder aus einem harten oder einem weichen Material bestehen. Sie sind beispielsweise aus Glas, Keramik, Metall oder aus Silikon oder Kunststoff gefertigt. In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die unterschiedlichen Ausgestaltungen und Kombinationen von Wänden 11, 12 und Kugeln 13 beschrieben. Gleichfalls aufgelistet sind die möglichen Herstellungsverfahren, die zur Fertigung der entsprechenden Koppelmatten 5 dienen können.

Kugel 13	Wand 11, 12
Kugel 13	weich	Hart
Weich	Einfache Verpressung genügt, z. B. Silikonkugeln zwischen Silikonmatten	Einfache Verpressung genügt, z. B. Silikonkugeln zwischen Kunststoffplatten
Hart	Einfache Verpressung genügt – z. B. Kunstoffkugeln zwischen Silikonmatten	Verkleben, Punktschweißen, Sintern, Elastomer Film, Ölfilm, z. B. Aluminiumkugeln zwischen Aluminium-Platten, Vorteil: • akustische Impedanz hoch, wenig Verluste durch Reflektion • Einsatz in ausgedehntem Temperaturbereich möglich

Tabelle 1

Die in 5a gezeigte Koppelschicht 17 zwischen den Kugeln 13 und der oberen und unteren Wand 11, 12 ist nur notwendig, wenn sowohl die Kugeln 13 als auch die obere und untere Wand 11, 12 aus einem harten Material gefertigt sind. Ansonsten kann sie entfallen.
6 zeigt die erfindungsgemäße Anpassungsschicht 5 mit Kugeln 13 bei einem von 90° abweichenden Ein- und Ausstrahlwinkel alpha der Ultraschall-Messsignale. Die Figuren 6, 6a und 6b entsprechen ansonsten den Figuren 5, 5a und 5b. Lediglich die Kontaktfläche 17 zwischen den Kugeln 13 und der unteren und oberen Wand 11, 12 sind im Unterschied zu der in 5 gezeigten Ausführungsform um den Winkel alpha gegen die Normal schräg gestellt. Es erfolgt hier also keine senkrechte Übertragung der Schallwelle.
In 7 ist eine bevorzugte siebente Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anpassungsschicht 5 mit einer flüssigkeitsbefüllten Kammer 14 zu sehen. 7a zeigt den in 7 mit A gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung, und in 7b ist ein Querschnitt durch die in 7 dargestellte Anpassungsschicht 5 dargestellt.
Wie auch in den zuvor genannten Ausgestaltungen werden durch die im Schallstrahl angeordnete flüssigkeitsbefüllte Kammer 14 die radialen bzw. transversalen Anteile der Ultraschall-Messsignale herausgefiltert, während die longitudinalen Anteile annähernd ungehindert die Anpassungsschicht 5 passieren. Die flüssige Füllung kann beliebiger Natur sein: es kann sich beispielsweise um ein Silikonöl, um flüssiges Glas oder – bei Hochtemperaturanwendungen – um ein flüssiges Metall handeln. Die Flüssigkeit ist beispielsweise zwischen zwei verschweißten Metallmembranen angeordnet. Die Dicke H der flüssigkeitsbefüllten Kammer 14 kann beliebig dimensioniert werden. Gegebenenfalls sind zum Einhalten einer gewünschten Höhe der Kammer 14 Stege als Abstandshalter vorgesehen. Bevorzugt entspricht die Höhe H der Kammer 14 und die Dicke G, I der unteren und oberen Wand 11, 12 je einem ungerad zahligen Vielfachen einer Viertel Wellenlänge der Ultraschallwellen im Material. Hierdurch ist die Dämpfung der passierenden longitudinalen Anteile der Ultraschall-Messsignale in der Anpassungsschicht 5 gering.
Durch die als Filter ausgestalteten unterschiedliche Ausführungsformen lassen sich bei Kontakt der Anpassungsschicht 5 mit dem Gehäuse des Ultraschallsensors 21 auch unerwünschte Transversalschwingungen, die über das Gehäuse auf die Anpassungsschicht 5 übertragen werden, herausfiltern. Der Ultraschallsensor 21 wird somit von Umgebungseinflüssen entkoppelt.
Es versteht sich, dass die Anpassungsschicht 5 nicht planar ausgestaltet sein muss. Vielmehr kann sie eine beliebige Ausgestaltung, z. B. eine gekrümmte Form, aufweisen. Die Form der Anpassungsschicht 5 ist somit optimal an die Form der jeweiligen Auflagefläche 3 anpassbar.

1: Ultraschallsensor (oder Piezoelement)
2: Behältnis/Rohrleitung (oder Sensorkörper)
3: Wandung
4: Außenfläche
5: Anpassungsschicht/Koppelmatte/Koppeladapter
6: (harte) Faser
7: flüssigkeitsgefüllter Kanal/mit Koppelmittel gefüllter Kanal
8: schalldämpfendes Material/Matrix/Elastomerschaum
9: Koppelmedium/Silikon-Gel
10: Bohrung
11: untere Wand
12: obere Wand
13: Kugel
14: flüssigkeitsbefüllte Kammer
15: seitliche Wand
16: seitliche Wand
17: Koppelschicht
18: flüssigkeitsbefüllte Kammer
19: piezoelektrisches Element
20: Vorlaufkörper
21: Ultraschallsensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0686255 B1 [0002]
- US 4484478 [0002]
- US 4598593 [0002]
- DE 102007019689 [0002]
- DE 10200452489 A1 [0006]

Claims

Anpassungsschicht (5) zur Anbringung im Schallstrahl eines Ultraschallsensors (1), wobei die Anpassungsschicht (5) so ausgestaltet ist, dass von dem Ultraschallsensor (1) in das Behältnis (2) unter einem Einfallswinkel ausgesendete oder von dem Ultraschallsensor (1) aus dem Behältnis (2) unter einem Ausfallwinkel empfangene Messsignale die Anpassungsschicht passieren, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Anpassungsschicht (5) um eine Koppelmatte (5) handelt, die als Filter ausgestaltet ist, so dass die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die in Ein- bzw. Ausstrahlrichtung der Ultraschall-Messsignale orientiert sind, die Koppelmatte (5) näherungsweise ungestört passieren, während die Anteile der Ultraschall-Messsignale, die quer zur Ein- und/oder Ausstrahlrichtung orientiert sind, von der Koppelmatte (5) weitgehend gedämpft werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Koppelmatte (5) ein schallleitender Bereich (6, 7, 10, 13, 14) oder mehrere schallleitende Bereiche eingebettet ist/sind, der/die unter einem vorgegebenen Winkel (beta) zur Wandung (3) des Behältnisses (2) angeordnet ist/sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelmatte (5) im Schallpfad zwischen dem Ultraschallsensor (1) und der Wandung (3) des Behältnisses (2) anordenbar bzw. angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelmatte (5) ein integraler Bestandteil des Ultraschallsensors (1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den schallleitenden Bereichen in der Koppelmatte (5) um Fasern (6) handelt, die in einer definierten Orientierung bzw. unter einem definierten Winkel (beta) zur Oberfläche in ein schalldämpfendes und elastisches Material (8) eingebettet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fasern (6) um Glasfasern handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das schalldämpfende und elastische Material (8) die Form einer Matrix aufweist, in die die Fasern (6) bzw. die Glasfasern eingebettet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Matrix (8) um einen geschlossen einzelligen Elastomerschaum handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Matrix (8) um einen festen Körper, wie Metallschaum oder Keramikschaum handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in die Koppelmatte (5) bzw. in das schalldämpfende und elastische Material (8) flüssigkeitsgefüllte Kanäle/Bereiche (7) mit einer definierten Orientierung eingelagert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigkeitsgefüllten Kanäle bevorzugt einen Querschnitt aufweisen, der dem Querschnitt des die Ultraschall-Messsignale bildenden Schallstrahls entspricht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Koppelmatte (5) Kugeln (13) vorgesehen sind, die in einer definierten Anordnung in dem schalldämpfenden und elastischen Material (8) eingebettet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Koppelmatte (5) Bohrungen (10) vorgesehen sind, die in einer vorgegebenen Orientierung in dem schalldämpfenden und elastischen Material (8) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Koppelmatte (5) zumindest ein flüssigkeitsbefüllte Kammer (18) vorgesehen ist, die in das schalldämpfende und elastische Material (8) eingebettet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Koppelmatte (5) und der Wandung (3) des Behältnisses (2) bzw. zwischen der Koppelmatte (5) und dem Ultraschallsensor (1) jeweils ein Koppelmedium (9) appliziert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Koppelmedium (9) um Silikon-Gel handelt oder um ein Koppelfett handelt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelmatte (5) in Ihrer Dicke – unter Berücksichtigung des Winkels des Schallstrahles zur durchdrungenen Oberfläche des Behältnisses (2) – auf die Wellenlänge des Ultraschall-Messsignals abgestimmt ist, wobei die Dicke bevorzugt einer Viertel Wellenlänge bzw. einem ungerade ganz zahligen Vielfachen der Viertel Wellenlänge entspricht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Impedanz (Z_K) – bestimmt bei der Frequenz des Ultraschall-Messsignals – der Koppelmatte (5) in einem Bereich liegt, der zwischen der Impedanz des Ultraschallsensors (1) und der Impedanz der Wandung (3) des Behältnisses liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Impedanz der Koppelmatte (5) bevorzugt der Quadratwurzel aus dem Produkt der beiden Impedanzen (Z_R, Z_S) von der Wandung (3) des Behältnisses (2) und dem Ultraschallsensor (1) entspricht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schallleitenden Bereiche (7, 8) der Koppelmatte in einem dem akustischen System (1) angepassten Winkel (alpha, beta) zur Außenfläche (4) bzw. zur Wandung (3) angeordnet sind.