DE102007037088A1 - Ultrasound transducer for use in intake and exhaust system of automobile internal combustion engine, has intermediate layer between piezoelectric transducer unit and adjustment layer for reducing thermal stresses between layer and unit - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die
Erfindung geht aus von bekannten Ultraschallwandlern, welche beispielsweise
in Ultraschall-Durchflussmessern in der Verfahrenstechnik oder im
Automobilbereich, insbesondere im Ansaug- und/oder Abgastrakt von
Verbrennungsmotoren, zur Volumenstrom- oder Massenstrommessung eingesetzt
werden. Dabei werden typischerweise Ultraschallwandler eingesetzt,
welche sowohl Ultraschallwellen in ein fluides Medium (ein Gas und/oder
eine Flüssigkeit) emittieren können als auch Ultraschallwellen
empfangen können. Es werden üblicherweise Ultraschallsignale
durch das strömende fluide Medium von einem Emitter zu
einem Empfänger übermittelt und dabei die Laufzeit,
Laufzeitdifferenzen oder Phasen der Ultraschallsignale oder auch
Kombinationen dieser Messgrößen gemessen. Diese
Signale werden durch die Strömung des Fluids beeinflusst. Aus
dem Grad der Beeinflussung der Laufzeit lässt sich auf
die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids schließen.
Ein Beispiel derartiger Ultraschall-Durchflussmesser, welcher in
verschiedenen Messanordnungen eingesetzt werden kann, ist in
Bei der Ultraschallströmungsmessung handelt es sich um eine berührungslose, schnelle und zumindest teilweise über den Strömungsquerschnitt integrierende Messmethode. Darüber hinaus werden im Gegensatz zum thermischen Messverfahren keine filigranen und empfindlichen Heizstrukturen innerhalb der Strömung benötigt. Diese grundsätzlichen Vorteile können je nach Einsatzbedingungen eine verbesserte Messgenauigkeit bewirken.at the ultrasonic flow measurement is one non-contact, fast and at least partially over the flow cross-section integrating measuring method. About that In addition, in contrast to the thermal measuring method no filigree and sensitive heating structures within the flow needed. These basic benefits can Depending on the conditions of use, this results in improved measuring accuracy.
Ein Nachteil vieler bekannter Ultraschall-Durchflussmesser liegt jedoch zumindest bei gasförmigen Medien im geringen Signalhub, d. h. z. B. den geringen Laufzeitveränderungen, die das Verfahren bei kleinen Strömungsraten häufig sehr driftanfällig machen – ein Fehler, der auch oft als „zero flow error" bezeichnet wird.One Disadvantage of many known ultrasonic flowmeter is however at least for gaseous media in the small signal swing, d. H. z. B. the low runtime changes that the Process at low flow rates often very Drift-prone - a mistake that often happens is called "zero flow error".
Erschwerend kommt hinzu, dass die von einem üblichen Ultraschallgeber (z. B. einer Piezokeramik) erzeugte Schwingungsenergie bei der Einkopplung in das zu messende Medium einen hohen akustischen Impedanzunterschied (ca. einen Faktor 6·105) überwinden muss. Infolgedessen werden in der Regel ca. 99,9995% der Schallenergie auf dem Weg von einer Piezokeramik in Luft an der entsprechenden Grenzfläche zurückreflektiert und sind für die Messung nicht nutzbar. Derselbe Reflexionsverlust tritt nochmals beim zweiten, empfangenden Wandler auf (welcher auch mit dem ersten Wandler identisch sein kann).To make matters worse, the vibration energy generated by a conventional ultrasound generator (eg a piezoceramic) has to overcome a high acoustic impedance difference (approximately a factor of 6 × 10 5 ) when coupled into the medium to be measured. As a result, about 99.9995% of the sound energy is usually reflected back on the way from a piezoceramic in air at the corresponding interface and can not be used for the measurement. The same reflection loss occurs again at the second receiving transducer (which may also be identical to the first transducer).
Um die akustische Kopplung zwischen Piezoelement und dem zu messenden Fluid zu verbessern, werden üblicherweise Maßnahmen zur Impedanzanpassung eingesetzt. Beispielsweise lassen sich zwischen das Piezoelement und das Fluid ein oder mehrere Anpassschichten zur Impedanzanpassung einbringen, welche akustische Impedanzen aufweisen die zwischen denjenigen des Piezomaterials und des Fluids liegen. Dies schränkt jedoch die möglichen Ansätze für die Konstruktion der Ultraschallwandler stark ein. So lassen sich zur Impedanzanpassung beispielsweise Membranen oder λ/4-Schichten einsetzen, auf die das meist dünne Piezoelement aufgeklebt ist. Zumindest im Fall einer Membran wird jedoch die Resonanzfrequenz des Wandlers eher durch die Membrangeometrie bestimmt als durch das Piezoelement allein.Around the acoustic coupling between the piezo element and the to be measured To improve fluid, are usually measures used for impedance matching. For example, can be between the piezoelectric element and the fluid one or more matching layers to introduce impedance matching, which have acoustic impedances which are between those of the piezoelectric material and the fluid. However, this limits the possible approaches strong for the construction of the ultrasonic transducer. For example, membranes or λ / 4 layers can be used for impedance matching insert, glued to the usually thin piezoelectric element is. At least in the case of a membrane, however, the resonance frequency of the transducer rather determined by the membrane geometry than by the piezo element alone.
Auch andere Arten von Anpassschichten sind bekannt, welche auf das Piezoelement aufgebracht werden. Eine Großserien-Fertigung von Luftultraschallwandlern nach den be kannten Prinzipien beinhaltet jedoch aufwändige und teure Prozessschritte. Insbesondere ist in vielen Fällen eine spanende Bearbeitung der Anpassschicht erforderlich, was je nach Werkstofftyp zu rauen Oberflächen führt, die eine akustisch vorteilhafte dünne und reproduzierbare Klebung erschweren. Auch bei einer Fertigung der Anpassschicht ohne spanende Bearbeitung (z. B. in einem Gieß/Spritzprozess) bleibt die Notwendigkeit eines separaten Klebeprozesses.Also other types of matching layers are known which affect the piezoelectric element be applied. A large-scale production of air ultrasonic transducers according to the well-known principles, however, involves elaborate and expensive process steps. In particular, in many cases a machining of the matching layer required what ever according to material type leads to rough surfaces, the an acoustically advantageous thin and reproducible bond difficult. Even with a production of the matching layer without cutting Processing (eg in a casting / injection process) remains the need for a separate bonding process.
Weitere Einschränkungen bezüglich der zu nutzenden Ultraschallfrequenz und des Wandlerdesigns ergeben sich für bekannte Ultraschallwandler aus physikalischen Effekten wie Schallfeldformung im Fluid, Absorption und Dispersion.Further Restrictions on the ultrasonic frequency to be used and the transducer design arise for known ultrasonic transducers physical effects such as sound field formation in the fluid, absorption and dispersion.
Zusätzlich zu diesen Designeinschränkungen kann aus üblichen Zieltoleranzen für eine Strömungsmessung im Ansaugbereich von PKW-Motoren die Anforderung abgeleitet werden, dass der oszillierende Einschwingverlauf des Ultraschallwandlers zumindest im Sinne der differenziellen Laufzeitmessung rein mechanisch immer näherungsweise exakt gleich bleibt, und zwar mit einer Genauigkeit von beispielsweise ca. 1/1000 einer einzelnen mechanischen Schwingung. Dabei gehen in diesen mechanischen Einschwingverlauf neben Wandlergrunddesign und Wandlergeometrie auch entscheidend die inneren Werkstoffeigenschaften und Verbindungen der Werkstoffe untereinander ein. Dadurch ist es schwierig, die bei einer thermischen Strömungsmessung üblichen Toleranzen zu erreichen oder gar zu verbessern.additionally These design restrictions may be out of the ordinary Target tolerances for a flow measurement in the intake area to be derived from car engines the requirement that the oscillating Transient response of the ultrasonic transducer, at least in the sense of Differential transit time measurement purely mechanically always approximately exactly remains the same, with an accuracy of for example about 1/1000 of a single mechanical vibration. Go in this mechanical transient course in addition to transducer basic design and transducer geometry also critical the internal material properties and compounds of the materials with each other. This makes it difficult the usual in a thermal flow measurement To achieve or even improve tolerances.
Die Anpassschicht wird üblicherweise als vorgefertigtes Teil mit einem Klebstoff auf den piezoelektrischen Wandler bzw. auf dessen Elektrode aufgeklebt oder ein Anpassschichtwerkstoff wird im unvernetzten Zustand mit dem piezoelektrischen Wandler in Kontakt gebracht, so dass sich eine Haftung zwischen Piezoelement und Anpassschicht nicht durch einen separaten Klebstoff, sondern nach Aushärtung durch die Moleküle der Anpassschicht selbst einstellt.The matching layer is usually glued as a prefabricated part with an adhesive on the piezoelectric transducer or on the electrode or a matching layer material is in un crosslinked state brought into contact with the piezoelectric transducer, so that a liability between the piezoelectric element and matching layer is not adjusted by a separate adhesive, but after curing by the molecules of the matching layer itself.
Um eine günstige akustische Kopplung zwischen dem Piezoelement und dem fluiden Medium, insbesondere Luft, herzustellen, muss die akustische Impedanz der Anpassschicht (bzw. die akustischen Impedanzen der Anpassschichten) in einem Bereich liegen, der bei vielen Stoffen nur durch eine Dichtereduktion zu erzielen ist. Als Werkstoff für die Anpassschicht kommen beispielsweise Epoxydharze, ungesättigte Polyester oder BMC-Massen (BMC: bulk molding compound, ein Faser-Matrix-Halbzeug, welches zumeist Kurz-Glasfasern und ein Polyester- oder Vinylesterharz oder andere Faser/Harzsysteme aufweist) mit Glashohlkugel-Beimischungen oder geschäumte, gesinterte oder anders mit Hohlräumen versehene Kunststoffe in Frage. Hierbei sollten thermische Spannungen am Übergang zwischen Piezomaterial und Anpassschicht vermieden werden. Insbesondere bei den hohen thermischen Belastungen und Temperaturschockwechseln, welche in der Auto mobilindustrie auftreten, können in diesem Übergangsbereich hohe mechanische Spannungen auftreten, was zu Alterungseffekten oder sogar ausfällen der Ultraschallwandler führen könnte.Around a favorable acoustic coupling between the piezoelectric element and the fluid medium, in particular air, the acoustic impedance of the matching layer (or the acoustic impedances the matching layers) are in a range that is common to many fabrics can only be achieved by a density reduction. As a material for the matching layer is, for example, epoxy resins, unsaturated Polyester or BMC compounds (BMC: bulk molding compound, a fiber-matrix semifinished product, which mostly short glass fibers and a polyester or vinyl ester resin or other fiber / resin systems) with glass hollow sphere admixtures or foamed, sintered or otherwise voided Plastics in question. Here, thermal stresses should be at the transition between piezo material and matching layer can be avoided. Especially at high thermal loads and temperature shock changes, which occur in the automotive industry, can in this transition area high mechanical stresses occur, causing aging effects or even failure of the ultrasonic transducer could.
Nachteilig an bekannten Systemen ist also, dass diese nicht nur starken Designeinschränkungen unterworfen sind, sondern dass auch die Signalqualität und die Funktionstoleranzen in vielen Fällen Potential für weitere Verbesserungen aufweisen. Auch die Herstellung derartiger Elemente ist meist aufwändig und teuer. Zudem lässt insbesondere die thermische Belastbarkeit und das Alterungsverhalten Raum für weitere Verbesserungen.adversely in known systems, therefore, it is not only subject to severe design restrictions but that too the signal quality and the function tolerances in many cases potential for further improvements exhibit. The production of such elements is usually expensive and expensive. In addition, in particular, the thermal load capacity and the aging behavior room for further improvement.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird daher ein Ultraschallwandler, ein Strömungsmesssystem, welches diesen Ultraschallwandler umfasst sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Systeme und Verfahren zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere ist der Ultraschallwandler stabiler gegenüber thermischen Belastungen, wodurch dieser für Automotive-Anwendungen, insbesondere unter Motoranbaubedingungen, besonders geeignet ist. Zudem weist der vorgeschlagene Ultraschallwandler geringe Funktionstoleranzen bezüglich Ultraschall-Strömungsmessungen auf. Ein derartiger Ultraschallwandler und ein derartiges Strömungsmesssystem kann somit insbesondere auch als robusterer Ersatz des heute üblichen thermischen Luftmassenmessersystems eingesetzt werden, oder sogar an motorregelungstechnisch günstigeren Orten zum Einsatz kommen, an welchen das übliche thermische Messprinzip an seine Grenzen stößt (zum Beispiel nach einem Ladeluftkühler oder in einer gekühlten Abgasrückführleitung).It Therefore, an ultrasonic transducer, a flow measuring system, which comprises this ultrasonic transducer and a method for Production of an ultrasonic transducer proposed which the Disadvantages of known systems and methods at least largely avoids. In particular, the ultrasonic transducer is more stable thermal loads, which makes it suitable for automotive applications, especially under engine mounting conditions, is particularly suitable. In addition, the proposed ultrasonic transducer has low functional tolerances regarding ultrasonic flow measurements. Such an ultrasonic transducer and such a flow measuring system Thus, in particular, as a more robust replacement of today's usual thermal Be used air mass meter system, or even at engine control technically more favorable Locations are used, to which the usual thermal Measuring principle reaches its limits (for example after a charge air cooler or in a cooled Exhaust gas recirculation line).
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler umfasst ein piezoelektrisches Wandlerelement und mindestens einen Anpasskörper mit einer Anpassschicht zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und einem umgebenden fluiden Medium. Der Begriff des piezoelektrischen Wandlerelements ist dabei weit zu fassen und umfasst beispielsweise elektrisch-akustische Wandler, welche nach ferroelektrischen, elektrostatischen, magnetostriktiven, magnetoelektrischen Effekten oder Kombinationen dieser Effekte arbeiten können.Of the proposed ultrasonic transducer comprises a piezoelectric Transducer element and at least one matching body with a Adaptation layer to favor a vibration coupling between the piezoelectric transducer element and a surrounding one fluid medium. The term of the piezoelectric transducer element is to be understood and includes, for example, electric-acoustic Transducers, which after ferroelectric, electrostatic, magnetostrictive, magnetoelectric effects or combinations of these effects work can.
Zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und der Anpassschicht ist mindestens eine Zwischenschicht zur Reduktion thermischer Spannungen zwischen der Anpassschicht und dem piezoelektrischen Wandlerelement vorgesehen. Erfindungsgemäß umfasst diese Zwischenschicht mindestens ein Fasermaterial. Unter einer Zwischenschicht ist dabei eine Schicht zu verstehen, welche zumindest teilweise nicht identisch ist mit der mit der Anpassschicht oder Schichten des piezoelektrischen Wandlerelements, also eine unterscheidbare Schicht.Between the piezoelectric transducer element and the matching layer is at least an intermediate layer for reducing thermal stresses between the matching layer and the piezoelectric transducer element. According to the invention, this intermediate layer comprises at least one fiber material. Under an intermediate layer is here to understand a layer which is at least partially not identical is identical to that with the matching layer or layers of the piezoelectric transducer element, so a distinguishable layer.
Dabei kann die Zwischenschicht insbesondere ein Elastizitätsmodul (E-Modul) aufweisen, welches grundsätzlich im gesamten Bereich zwischen dem E-Modul des piezoelektrischen Wandlerelements und dem E-Modul der Anpassschicht angesiedelt sein kann. Auch darüber hinausgehende E-Module sind möglich. Dies ist dadurch bedingt, dass die Zwischenschicht in der Regel wesentlich dünner ist als die akustische Wellenlänge, so dass die Akustik durch die Wahl des Elastizitätsmoduls nicht negativ beeinflusst wird. Lediglich eine höhere Flexibilität der Zwischenschicht im Vergleich zur Anpassschicht kann sich negativ bemerkbar machen, da in diesem Fall die akustische Kopplung ungünstig wäre.there the intermediate layer may in particular have a modulus of elasticity (E-modulus), which basically in the entire Area between the modulus of elasticity of the piezoelectric transducer element and the modulus of elasticity of the matching layer can be settled. Also about it Exceeding E-modules are possible. This is due to that the intermediate layer usually much thinner is considered the acoustic wavelength, so the acoustics through the choice of modulus of elasticity is not adversely affected becomes. Only a higher flexibility of the intermediate layer compared to the matching layer can have a negative impact, because in this case the acoustic coupling would be unfavorable.
Wichtiger als eine geeignete Wahl des E-Moduls der Zwischenschicht kann die Auswahl des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (häufig mit α bezeichnet) des Zwischenschichtmaterials sein. Der thermische Ausdehnungskoeffizient, welcher häufig in ppm/°K angegeben wird, sollte vorzugsweise näher an dem entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Wandlermaterials liegen (welcher typischerweise bei ca. 7 ppm/°K liegt) als an demjenigen der Anpassschicht (welcher typischerweise im Bereich > 30 ppm/°K liegt). So können beispielsweise für die Zwischenschicht Materialien verwendet werden, welche einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 20 ppm/°K und besonders bevorzugt von weniger als 15 ppm/°K aufweisen.More important than a suitable choice of the modulus of elasticity of the intermediate layer may be the selection of the thermal expansion coefficient (often referred to as α) of the interlayer material. The thermal expansion coefficient, which is often reported in ppm / ° K, should preferably be closer to the corresponding coefficient of thermal expansion of the piezoelectric transducer material (which is typically about 7 ppm / ° K) than that of the matching layer (which typically is in the range of> 30 ppm / ° K). For example, materials which have a coefficient of thermal expansion of less can be used for the intermediate layer than 20 ppm / ° K, and more preferably less than 15 ppm / ° K.
Das Fasermaterial kann lose Fasern, ein Fasergeflecht, ein Faserverbundmaterial oder ähnliche Fasermaterialien oder Fasermaterialkombinationen umfassen. Das Fasermaterial kann ein organisches Fasermaterial, ein Kohlefasermaterial, ein Bor-haltiges Fasermaterial, insbesondere Borfasern, ein metallhaltiges Fasermaterial, insbesondere Metallfasern, ein anorganisches Fasermaterial, insbesondere in polkristalliner oder amorpher Form, insbesondere ein Glasfasermaterial oder ein Keramikfasermaterial, oder Kombinationen dieser oder anderer Materialien umfassen. Weitere Materialien oder Materialkombinationen sind denkbar.The Fiber material may be loose fibers, a fiber braid, a fiber composite material or similar fiber materials or fiber material combinations. The fiber material may be an organic fiber material, a carbon fiber material, a boron-containing fiber material, in particular boron fibers, a metal-containing Fiber material, in particular metal fibers, an inorganic fiber material, in particular in Polkristalliner or amorphous form, in particular a glass fiber material or a ceramic fiber material, or combinations this or other materials. Other materials or Material combinations are conceivable.
Neben dem Fasermaterial kann die Zwischenschicht weiterhin mindestens ein Matrixmaterial aufweisen. Das Matrixmaterial kann dabei insbesondere einen oder mehrere der folgenden Werkstoffe umfassen: ein Harz, insbesondere ein Epoxydharz; einen Polyester; ein BMC-Material (BMC: bulk molding compound); einen Klebstoff; ein thermoplastisches Polymer; ein duroplastisches Polymer. Dabei kann dieses Matrixmaterial vorzugsweise auch zumindest teilidentisch sein mit mindestens einem Material des Anpasskörpers, insbesondere der Anpassschicht. So kann das Matrixmaterial selbst beispielsweise auch eine Grenzschicht des Anpasskörpers, insbesondere der Anpassschicht umfassen, welche dem piezoelektrischen Wandlerelement benachbart liegt. In diese Grenzschicht kann das oben beschriebene Fasermaterial eingebettet werden.Next the fiber material, the intermediate layer may continue at least have a matrix material. The matrix material can in particular one or more of the following materials: a resin, in particular an epoxy resin; a polyester; a BMC material (BMC: bulk molding compound); an adhesive; a thermoplastic polymer; a thermosetting polymer. In this case, this matrix material preferably also be at least partially identical with at least one material of the matching body, in particular the matching layer. So can The matrix material itself, for example, also a boundary layer of the matching body, in particular the matching layer, which is adjacent to the piezoelectric transducer element. In This boundary layer can embed the fiber material described above become.
Die Anpassschicht kann grundsätzlich ebenfalls die oben beschriebenen Materialien des Matrixmaterials umfassen. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn die Anpassschicht ein thermisch, chemisch oder photochemisch aushärtbares oder vernetzbares Polymermaterial umfasst. Dieses Polymermaterial kann beispielsweise ein syntaktisches Material, ein duroplastisches Material (insbesondere ein Epoxydharz, ein Polyester, ein Phenolharz oder einen Cyanatester), einen Thermoplasten, ein Elastomer (insbesondere Silikon), einen Polymerblend, ein Polyimid (insbesondere Kapton), oder eine Mischung der genannten und/oder anderer Materialien umfassen. Daneben kann, wie eingangs beschrieben, dieses Polymermaterial weiterhin mindestens einen Füllstoff aufweisen, insbesondere mindestens einen der folgenden Füllstoffe: Hohlräume (zum Beispiel durch Schäumen erzeugte Hohlräume), Fasern, Glashohlkugeln, Kunststoffhohlkugeln, einen flüchtigen Füllstoff (insbesondere einen während oder nach einem Vernetzen des Polymers entweichenden oder entfernbaren Füllstoff) oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Füllstoffmaterialien umfassen.The Matching layer can basically also those described above Materials of the matrix material include. In particular, it is preferred if the matching layer is a thermally, chemically or photochemically curable or crosslinkable polymeric material. This polymer material can for example, a syntactic material, a thermoset material (In particular, an epoxy resin, a polyester, a phenolic resin or a cyanate ester), a thermoplastic, an elastomer (especially Silicone), a polymer blend, a polyimide (especially Kapton), or a mixture of said and / or other materials. Besides can, as described above, this polymer material continue have at least one filler, in particular at least one of the following fillers: cavities (for Example, cavities created by foaming), fibers, Hollow glass balls, hollow plastic balls, a volatile Filler (especially one during or after crosslinking of the polymer escaping or removable filler) or combinations of said and / or other filler materials include.
Bezüglich der geometrischen Ausgestaltung der Zwischenschicht bestehen zahlreiche vorteilhaft einsetzbare Möglichkeiten. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Zwischenschicht das piezoelektrische Wandlerelement zumindest teilweise umschließt. Beispielsweise kann die Zwischenschicht neben einer Stirnfläche des piezoelektrischen Wandlerelements auch Seitenflächen desselben ganz oder teilweise kontaktieren bzw. umschließen.In terms of The geometric design of the intermediate layer are numerous advantageous options. Especially preferred it is when the intermediate layer is the piezoelectric transducer element at least partially encloses. For example, the Intermediate layer next to an end face of the piezoelectric Transducer element also side surfaces of the same or partially contact or enclose.
Weiterhin kann die Zwischenschicht auch, neben den Eigenschaften der Reduktion thermischer Spannungen durch Verwendung des Fasermaterials, weitere vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. So ist es besonders bevorzugt, wenn die Zwischenschicht zumindest teilweise elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweist. In diesem Fall kann insbesondere die Zwischenschicht, welche zur Erzeugung der Leitfähigkeit beispielsweise einen Leitkleber, Metallpartikel, Kohlenstoffpartikel, einen leitfähigen Kunststoff und/oder andere Materialien oder Kombinationen der genannten Materialien umfassen kann, insbesondere zur Kontaktierung einer oder mehrerer Elektroden des Piezoelektrischen Wandlerelements genutzt werden.Farther The intermediate layer may also, in addition to the properties of reduction thermal stresses by using the fiber material, others have advantageous properties. So it is especially preferable when the intermediate layer is at least partially electrically conductive Features. In this case, in particular the intermediate layer, which for generating the conductivity, for example, a Conductive adhesive, metal particles, carbon particles, a conductive Plastic and / or other materials or combinations of said May include materials, in particular for contacting a or multiple electrodes of the piezoelectric transducer element used become.
Zur Verbindung der Zwischenschicht mit dem piezoelektrischen Wandlerelement lassen sich, neben stoffschlüssigen Verbindungen (zum Beispiel durch Kleben) und/oder formschlüssigen Verbindungen (zum Beispiel durch das oben beschriebene Umschließen des piezoelektrischen Wanderelements durch die Zwischenschicht) vorteilhaft, alternativ oder zusätzlich auch formschlüssige Klammerverbindungen mit dem piezoelektrischen Wandlerelement einsetzen. Diese Weiterbildung der Erfindung ist besonders bevorzugt in Zusammenhang mit einer leitfähigen Zwischenschicht und der oben beschriebenen Möglichkeit der Kontaktierung mindestens einer Elektrode des piezoelektrischen Wandlerelements durch die Zwischenschicht. Zusätzlich zu einer Klammerverbindung kann auch eine Klebeverbindung eingesetzt werden.to Connection of the intermediate layer with the piezoelectric transducer element can be, in addition to cohesive compounds (for example, by Gluing) and / or positive connections (for example by the enclosing of the piezoelectric described above Wanderelements through the intermediate layer) advantageous, alternatively or additionally also positive-locking clamp connections Insert with the piezoelectric transducer element. This training The invention is particularly preferred in connection with a conductive intermediate layer and the possibility described above the contacting of at least one electrode of the piezoelectric Transducer element through the intermediate layer. In addition to a clip connection can also be an adhesive bond used become.
Neben dem beschriebenen Ultraschallwandler wird weiterhin ein Strömungsmesssystem vorgeschlagen, welches mindestens einen Ultraschallwandler nach einer der oben beschriebenen Ausführungen umfasst. Weiterhin weist das Strömungsmesssystem eine mit dem Ultraschallwandler verbundene Ansteuer- und Auswerteelektronik zur Ermittlung mindestens einer Strömungsgröße eines strömenden fluiden Mediums auf.Next the described ultrasonic transducer is still a flow measuring system proposed, which at least one ultrasonic transducer after includes one of the embodiments described above. Farther the flow measuring system has one with the ultrasonic transducer Connected control and evaluation to determine at least a flow variable of a flowing fluid medium.
Der vorgeschlagene Ultraschallwandler und das vorgeschlagene Strömungsmesssystem weisen gegenüber bekannten Ultraschallwandlern und bekannten Strömungsmesssystemen zahlreiche erhebliche Vorteile auf. So sorgt der Anpasskörper auf effiziente Weise dafür, dass die akustische Impedanz und/oder die Resonanzeigenschaften eine Schwingungskopplung zwischen dem Wandlerelement und dem umgebenden Fluid begünstigen.The proposed ultrasonic transducer and the proposed flow measuring system have numerous significant advantages over known ultrasonic transducers and known flow measuring systems. Thus, the matching body efficiently ensures that the acoustic impedance and / or the resonant properties are fused favor coupling between the transducer element and the surrounding fluid.
Theoretisch sollte für eine gute Ultraschallankopplung die Impedanz der Anpassschicht zumindest näherungsweise das geometrische Mittel zwischen den Impedanzen der Luft (bzw. dem Fluid) und des piezoelektrischen Materials betragen. Dies ist jedoch in den meisten Fällen praktisch kaum realisierbar. Als besonders bevorzugter Bereich für die Impedanz der Anpassschicht wurde daher ein Bereich zwischen 0,1·106 kg/(m2s) und 2,5·106 kg/(m2s) ermittelt, besonders bevorzugt ein Bereich zwischen 0,5·106 kg/(m2s) und 1,6·106 kg/(m2s) oder sogar 1,5·106 kg/(m2s). Beispielsweise kann bevorzugt ein Wert von 0,8·106 kg/(m2s) verwendet werden. Diese bevorzugten Werte gelten für eine einschichtige Anpassschicht und Luft oder andere Gase bei Normaldruck als fluides Medium. Bei Flüssigkeiten können höhere Impedanzen verwendet werden, wobei auf Dichtereduktionen (z. B. durch Füllungen mit Glashohlkugeln) verzichtet werden kann. Wiederum andere Impedanzen können bei mehrschichtigen Anpassschicht-Aufbauten verwendet werden. Hierbei kann insbesondere versucht werden, die Impedanzen schrittweise von der Impedanz des piezoelektrischen Materials auf die Impedanz des fluiden Mediums anzupassen.Theoretically, for good ultrasonic coupling, the impedance of the matching layer should at least approximately be the geometric mean between the impedances of the air (or fluid) and the piezoelectric material. However, in most cases this is virtually impossible to achieve. As a particularly preferred range for the impedance of the matching layer, therefore, a range between 0.1 × 10 6 kg / (m 2 s) and 2.5 × 10 6 kg / (m 2 s) was determined, particularly preferably a range between 0, 5 x 10 6 kg / (m 2 s) and 1.6 x 10 6 kg / (m 2 s) or even 1.5 x 10 6 kg / (m 2 s). For example, a value of 0.8 × 10 6 kg / (m 2 s) may be preferably used. These preferred values apply to a single layer matching layer and air or other gases at normal pressure as the fluid medium. With liquids higher impedances can be used, whereby density reductions (eg by fillings with glass hollow spheres) can be dispensed with. Still other impedances can be used with multilayer matching layer constructions. In particular, it may be attempted to adjust the impedances stepwise from the impedance of the piezoelectric material to the impedance of the fluid medium.
Im Grenzbereich des Anpasskörpers zum piezoelektrischen Wandlerelement hin sorgen hingegen die Fasern in der Zwischenschicht (welche, wie oben beschrieben, auch Teil des Anpasskörpers sein kann) für einen günstigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und sorgen hierdurch dafür, dass mechanische und/oder thermomechanische Verspannungen in diesem Übergangsbereich erheblich reduziert werden können. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn Piezokeramiken eingesetzt werden, welche im Vergleich zu üblichen Kunststoffen der Anpasskörper erheblich geringere Wärmeausdehnungen aufweisen. Hier sind insbesondere Materialien mit den oben angegebenen bevorzugten thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Vorteil. So lassen sich insbesondere bei Temperaturschockwechseln Alterungseffekte der inneren Keramikeigenschaften (zum Beispiel der Polarisation) vermeiden. Auch Alterungseffekte der Elektroden der piezoelektrischen Wandlerelemente und/oder der Haftung der piezoelektrischen Wandlerelemente selbst oder deren Elektroden auf der Anpassschicht (bzw. einem zwischengelagerten Klebstoff) lassen sich auf diese Weise erheblich reduzieren.in the Boundary region of the matching body to the piezoelectric transducer element in contrast, the fibers in the intermediate layer (which, as above described, can also be part of the matching body) for a favorable coefficient of thermal expansion and thereby ensure that mechanical and / or thermomechanical Significantly reduced tension in this transition area can be. This is particularly advantageous when piezoceramics can be used, which compared to conventional plastics the matching body significantly lower thermal expansion exhibit. Here are in particular materials with the above preferred thermal expansion coefficient of advantage. So can be especially at temperature shock changes aging effects of Avoid internal ceramic properties (for example polarization). Also, aging effects of the electrodes of the piezoelectric transducer elements and / or the adhesion of the piezoelectric transducer elements themselves or their Electrodes on the matching layer (or an intermediate layer Adhesive) can be significantly reduced in this way.
Weiterhin wird die Flexibilität hinsichtlich des Designs und/oder der Auswahl der Materialien für den Anpasskörper bzw. die Anpassschicht erheblich erhöht. Würde beispielsweise zur Verminderung thermomechanischer Spannungen am Übergang zwischen piezoelektrischem Wandlerelement und Anpassschicht ein flexibler Klebstoff verwendet, so bestünde in der Regel der Nachteil, dass derartige flexible Klebstoffe meist eine niedrige Glasübergangstemperatur (Tg) aufweisen. Überschreitet die Umgebungstemperatur bzw. Betriebstemperatur diese Glasübergangstemperatur, so nimmt die Flexibilität der Klebstoffe stark zu, und das E-Modul nimmt ab. In diesem Fall kann die Klebeschicht den Ultraschall nicht mehr effektiv in die Anpassschicht einkoppeln. Dadurch sinkt die obere Grenztemperatur des maximal nutzbaren Temperatureinsatzbereiches des Ultraschallwandlers und/oder des Strömungsmesssystems. Zudem nimmt mit der Flexibilität des Kunststoffs zumeist auch der Wärmeausdehnungskoeffizient zu, so dass der Klebstoff selbst die Verspannung zum Teil trotz der höheren Flexibilität unter Umständen sogar erhöhen kann.Farther The flexibility in terms of design and / or the choice of materials for the fitting body or the matching layer significantly increased. Would for example, to reduce thermo-mechanical stresses at the transition between piezoelectric transducer element and matching layer flexible adhesive used, it would usually be the disadvantage that such flexible adhesives usually a low Glass transition temperature (Tg) have. exceeds the ambient temperature or operating temperature this glass transition temperature, so the flexibility of the adhesives increases strongly, and the modulus decreases. In this case, the adhesive layer can not do the ultrasound more effectively couple into the matching layer. This reduces the upper limit temperature of the maximum usable temperature range the ultrasonic transducer and / or the flow measuring system. In addition, with the flexibility of the plastic mostly increases also the coefficient of thermal expansion too, so the glue even the tension partly despite the higher flexibility may even increase.
Ein Ziel besteht in der Regel darin, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kunststoffs, welcher an das piezoelektrische Wandlerelement angrenzt (zum Beispiel einen Klebstoff bzw. die Anpassschicht) möglichst so klein zu halten wie denjenigen der Piezokeramik selbst. Dies kann generell nur mit härteren oder gefüllten Kunststoffen realisiert werden, wobei als Füllung beispielsweise Keramikpartikel oder Glas- bzw. Mineralfasern in Frage kommen. Derartige härtere oder gefüllte Kunststoffe eignen sich noch relativ gut zur Weiterleitung des Ultraschalls aus dem Piezo, sind aber wegen ihrer hohen akustischen Impedanz für die Einleitung in das fluide Medium, insbesondere in Luft, schlecht geeignet. Die technische Möglichkeit, die Anpassschicht aus einem entsprechend gefüllten Kunststoff mit der üblichen Durchmischung von Füllstoff und Matrixmolekülen zu realisieren, führt also insbesondere bei einem Luft-Ultraschallwandler nicht zu dem gewünschten Ergebnis.One The goal is usually the coefficient of thermal expansion of the plastic, which is connected to the piezoelectric transducer element adjacent (for example, an adhesive or the matching layer) as possible to be as small as those of the piezoceramic itself. This can generally only be harder or filled Plastics are realized, as filling example Ceramic particles or glass or mineral fibers come into question. such harder or filled plastics are suitable still relatively good for transmitting the ultrasound from the piezo, but because of their high acoustic impedance for the Introduction into the fluid medium, especially in air, bad suitable. The technical possibility, the adaptation layer from a suitably filled plastic with the usual mixing of filler and matrix molecules to realize So leads in particular in an air-ultrasonic transducer not to the desired result.
Verwendet man dagegen alleine einen Klebstoff, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient an das piezoelektrische Wandlerelement angepasst ist, dann müsste die Klebstoffdicke so gewählt werden, dass sich darin Verspannungen abbauen können bzw. vom Piezoelement in die Klebung verlagert werden. Die Verspannung zwischen Klebstoff und der sich stärker ausdehnenden Anpassschicht bleibt dann jedoch immer noch bestehen, so dass die Haftung des Klebstoffs auf der Anpassschicht problematisch wird.used on the other hand, an adhesive alone, whose thermal expansion coefficient would be adapted to the piezoelectric transducer element, then would have the adhesive thickness can be chosen so that it tensions can break down or shifted from the piezoelectric element in the bond become. The tension between the glue and the stronger but then there will still be an expanding adaptive layer so that the adhesion of the adhesive to the matching layer is problematic becomes.
Erfindungsgemäß beruht hingegen die Haftung der Anpassschicht bzw. des Anpasskörpers auf der Zwischenschicht bzw. dem piezoelektrischen Wandlerelement bei erfindungsgemäßer Einbettung des Fasermaterials (zum Beispiel dem Fasergeflecht) nicht mehr nur auf einer Adhäsion, sondern auch auf einem Formschluss innerhalb der Zwischenräume zwischen den Fasern. Die Verspannung geht somit nicht mehr primär zu Lasten des piezoelektrischen Wandlerelement und der Adhäsion, sondern wird hauptsächlich von den Fasern selbst abgefangen. Die dabei entstehende Zunahme der akustischen Impedanz erfolgt dort, wo sie am wenigsten stört, nämlich nahe am piezoelektrischen Wandlerelement. Je nach Faserart und dem Volumenanteil innerhalb eines Matrixmaterials, insbesondere innerhalb einer Kunststoffmatrix, der Zwischenschicht, kann ein geeigneter Gradient sowohl bezüglich der akustischen Impedanz als auch bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erzielt werden.According to the invention, however, the adhesion of the matching layer or the matching body on the intermediate layer or the piezoelectric transducer element according to the invention embedding of the fiber material (for example, the fiber braid) based not only on an adhesion, but also on a positive connection within the spaces between the fibers. The tension is thus no longer primarily at the expense of piezoe lektrischen transducer element and the adhesion, but is mainly intercepted by the fibers themselves. The resulting increase in the acoustic impedance occurs where it least disturbs, namely close to the piezoelectric transducer element. Depending on the type of fiber and the volume fraction within a matrix material, in particular within a plastic matrix, the intermediate layer, a suitable gradient can be achieved both with regard to the acoustic impedance and with respect to the coefficient of thermal expansion.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail. It shows:
Ausführungsformen der Erfindungembodiments the invention
In
der
Die
beiden Ultraschallwandler
Aus der geometrischen Anordnung (Ultraschallweg der Länge L, Verkippungswinkel α) und der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit v ergeben sich die beiden Ultraschall-Laufzeiten zu: From the geometric arrangement (ultrasonic path of length L, tilt angle α) and the flow velocity v to be measured, the two ultrasonic transit times result:
Die
Auflösung nach der Strömungsgeschwindigkeit v
ergibt:
Dabei kann die Strömungsgeschwindigkeit in vielen Fällen als Maß für die Volumenstromrate angesehen werden. Diese Näherung gilt in erster Ordnung, d. h. bei gleich bleibendem Geschwindigkeitsprofil über den Rohrquerschnitt ergibt sich im Wesentlichen eine proportionale Relation zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Volumenstromrate, beziehungsweise lineare Kennlinie zwischen diesen beiden Größen. Eine Multiplikation mit der Dichte des fluiden Mediums (bei Gasen ~p/T) ergibt dann den Teilchenstrom oder Massenstrom.there can the flow rate in many cases be considered as a measure of the flow rate. This approximation applies in the first order, d. H. at the same constant velocity profile over the pipe cross-section essentially results in a proportional relation between flow velocity and flow rate, or linear characteristic between these two sizes. A multiplication with the density of the fluid medium (for gases ~ p / T) then gives the particle flow or mass flow.
Abweichend
von der in
In
Der
Ultraschallwandler
Das
piezoelektrische Wandlerelement
Zwischen
die Anpassschicht
Für
einen derartigen typischen, harten Klebstoff, wie beispielsweise
ein Epoxydharz, ist in
Es
ist erkennbar, dass aufgrund des Sprunges im thermischen Ausdehnungskoeffizienten α am Übergang
zwischen piezoelektrischem Wandlerelement
In
In
einem weiteren Verfahrensschritt wird das Matrixmaterial
Das
Fasermaterial
Es
sei darauf hingewiesen, dass der in
Wiederum
sind in
In
Als
Herstellungsverfahren für diese Ausführungsform
der Erfindung bietet sich beispielsweise ein Verfahren an, bei welchem
zunächst eine (in den Figuren nicht dargestellte) Gießform
mit einem noch nicht vernetzten Grundwerkstoff für die
Anpassschicht
In
den
Dabei
können beide Elektroden
Nach
oder vor dem Aushärten der Anpassschicht
Die
in den
In
den
So
zeigen die
Die
Klammern
Bei
dem in den
In
den
In
diesem Ausführungsbeispiel sind drei Klammern
Die
zuvor beschriebenen Klammern
In
dem in den
Wiederum
kann, wie auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen,
auch bei den Ausführungsbeispielen in den
Statt
eines, wie in den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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