DE102009052814B3

DE102009052814B3 - Ultraschallwandler-Anordnung und Durchflussmesser

Info

Publication number: DE102009052814B3
Application number: DE200910052814
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Horn; Axel Dipl.-Ing.(FH) Schmidt-Schoenian; Ulrich Dipl.-Ing.(FH) Gaugler; Gerhard Dipl.-Ing.(FH) Dietz
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2029-11-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium, mit einem eine Mantelfläche (3) aufweisenden piezoelektrischen Wandlerelement (2), dessen dem Medium zugewandte Vorderseite (4) und dessen dem Medium abgewandte Rückseite (5) jeweils zumindest bereichsweise mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (6) versehen sind, sowie elektrischen Verbindungselementen (7) zur elektrischen Verbindung von Vorder- (4) bzw. Rückseite (5) des piezoelektrischen Wandlerelementes (2), wobei - die Mantelfläche (3) zwei Einformungen (8, 9) aufweist, - sich die elektrisch leitfähige Beschichtung (6) von der Vorderseite (4) des piezoelektrischen Wandlerelementes (2) in eine Einformung (8) erstreckt, - sich die elektrisch leitfähige Beschichtung (6) von der Rückseite (5) des piezoelektrischen Wandlerelementes (2) in die andere Einformung (9) erstreckt und - jeweils ein elektrisches Verbindungselement (7) in jeweils einer Einformung (8, 9) eingreift.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung einen Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium mit mindestens einer erfindungsgemäßen Ultraschallwandler-Anordnung.
Bisher bekannte Ultraschallwandler-Anordnungen, die insbesondere für den Einsatz in einem Durchflussmesser für flüssiges oder gasförmiges Medium konzipiert sind, weisen mindestens ein piezoelektrisches Wandlerelement, insbesondere eine piezoelektrische Scheibe auf, deren dem Medium zugewandte Vorder- und deren dem Medium abgewandte Rückseite jeweils mit einer leitfähigen Beschichtung, wie z. B. einer Silber- oder Goldschicht, versehen sind. Auf der Vorderseite ist außerdem eine Membran auf der elektrisch leitfähigen Beschichtung angeordnet. Auf der Rückseite ist eine Elektrode auf der leitfähigen Beschichtung vorgesehen. Elektrode und Membran erstrecken sich vollflächig oder nahezu vollflächig über Vorder- und Rückseite bzw. die Stirnseiten des Wandlerelementes, wobei sie stirnseitig mit der Piezokeramik bzw. den elektrisch leitfähigen Beschichtungen verklebt sind. Diese stirnseitige Anordnung von Elektrode und Membran muss gleichzeitig verschiedene Funktionen erfüllen. Sie dient zur Fixierung der Piezokeramik, zur Herstellung einer elektrischen Verbindung sowie zur Gewährleistung einer großflächigen akustischen Ankopplung.
Ein entsprechender Ultraschallwandler-Aufbau geht aus der DE 101 58 015 A1 hervor, bei welchem eine piezoelektrische Scheibe in einem topfförmigen Wandlergehäuse mit nach vorne offener Seite angeordnet ist. An der dem Medium zugewandten Vorderseite ist die erste Elektrode mit einer ersten Anschlusselektrode zur Stromzuführung kontaktiert, wobei die erste Anschlusselektrode das Wandlergehäuse verschließt. Auf der Rückseite ist eine zweite Elektrode mit einer zweiten Anschlusselektrode zur Stromzuführung kontaktiert.
Aus DE 10 2007 037 088 A1 ist ein Ultraschallwandler bekannt, der ein piezoelektrisches Wandlerelement und einen Anpasskörper mit einer Anpassschicht zur Begünstigung einer Schwingungskopplung zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und einem umgebenen fluiden Medium aufweist. In einer Ausführungsvariante ist das piezoelektrische Wandlerelement mit seitlich anzusetzenden Klammern fixiert, wobei jeweils mindestens eine Klammer die obere Elektrode des piezoelektrischen Wandlerelementes und mindestens eine weitere Klammer die untere Elektrode kontaktiert. Die Klammern selbst weisen einen Anschlusskontakt zur Kontaktierung von Elektrodenzuleitungen auf.
Bei dem aus DE 196 26 293 A1 bekannten Ultraschallwandler wird die elektrische Kontaktierung mit Hilfe von mindestens einer federnd auf dem Piezokristall oder dem Schwingelement aufsitzenden Kontaktfeder geschaffen. Dabei werden Kontaktfedern durch einen Verbindungskörper gehalten, der in den Innenraum eines topfförmigen Schwingelementes eingepresst ist. Dadurch wird die notwendige Abstützung für die mit dem Verbindungskörper vergossenen Federkontakte geschaffen, so dass diese mit einer entsprechenden Auflagekraft auf der Piezoscheibe aufliegen können.
Aus JP 08205287 A ist eine elektro-akustische Wandlervorrichtung offenbart, bei welcher ein piezoelektrisches Diaphragma zwischen einem oberseitigen und einem unterseitigen Gehäuseteil gehalten wird. Randseitige U-förmige Klammern sind in Federkontakt mit einer piezokeramischen Scheibe sowie einem metallischen Substrat des piezoelektrischen Diaphragmas.
Aus US 4,429,247 A ist ein Knotenpunktkontakt für piezoelektrische Audiowandler bekannt, bei welchem innerhalb eines Gehäuses ein scheibenförmiger Wandler mit einer randseitigen Nut vorgesehen ist. An der Innenseite des Gehäuses verläuft eine nach innen abstehende Rippe, welche in die Nut des Wandlers eingreift. Die Nut am Wandler dient damit lediglich der Positionierung des Gehäuses.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflussmesser zur Verfügung zu stellen, welche mit einem geringen Fertigungsaufwand herstellbar ist.
Die Erfindung wird durch die gesamte Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–12. Ein erfindungsgemäßer Durchflussmesser wird in Patentanspruch 13 gelehrt.
Die erfindungsgemäße Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium weist ein piezoelektrisches Wandlerelement, insbesondere eine piezoelektrische Scheibe, auch Piezokeramik genannt, auf, das eine Mantelfläche hat, wobei die dem Medium zugewandte Vorderseite sowie die dem Medium abgewandte Rückseite des Wandlerelementes jeweils zumindest bereichsweise mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen sind, sowie elektrische Verbindungselemente zur elektrischen Verbindung von Vorder- bzw. Rückseite des piezoelektrischen Wandlerelementes mit der Elektronik vorgesehen sind. Die Mantelfläche weist zwei Einformungen auf, wobei sich die leitfähige Beschichtung von der Vorderseite des piezoelektrischen Wandlerelements in die eine Einformung und die leitfähige Beschichtung von der Rückseite des piezoelektrischen Wandlerelementes sich in die andere Einformung erstreckt und jeweils ein elektrisches Verbindungselement in jeweils einer Einformung eingreift. Somit erfolgt eine laterale Fixierung und elektrische Kontaktierung der Piezokeramik durch dieselben Elemente. Vorzugsweise wird ein zylinderförmiges piezoelektrisches Wandlerelement verwendet, das an zwei verschiedenen Stellen der Mantelfläche jeweils eine Einformung aufweist, in die hinein von jeweils einer der beiden Stirnflächen eine Umkontaktierung (elektrisch leitfähige Beschichtung) gelegt wird. Die elektrisch leitfähige Beschichtung kann insbesondere eine Silber- oder Goldschicht sein, welche sich in die jeweilige Einformung erstreckt. Die elektrischen Verbindungselemente greifen in die Einformungen ein, wobei sie das piezoelektrische Wandlerelement fixieren und gleichzeitig elektrisch kontaktieren. Ein Klebeprozess ist nicht notwendig. Fixierung und Kontaktierung des piezoelektrischen Wandlerelementes können vorzugsweise durch eine einfache Klemmung erfolgen. Der Montageaufwand ist demnach gering.
Das piezoelektrische Wandlerelement kann auf einer zu durchschallenden Wand oder einem zu durchschallenden Gehäuse, welches mit dem Medium in Kontakt steht, angeordnet sein. Bei der zu durchschallenden Wand oder dem zu durchschallenden Gehäuse kann es sich um ein Kunststoffteil handeln. Die zu durchschallende Wand kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen und die bisher dünne Metallmembran ersetzen. Das piezoelektrische Wandlerelement wird auf diese Weise sicher an der zu durchschallenden Wand bzw. Gehäuse fixiert.
Auch die elektrischen Verbindungselemente können zumindest bereichsweise an der zu durchschallenden Wand oder dem zu durchschallenden Gehäuse befestigt sein. Beispielsweise können die elektrischen Verbindungselemente als Einlegeteile in einem Kunststoffspritzgussprozess bereits eingebracht werden. Rückseitig werden die elektrischen Verbindungselemente beispielsweise an der dort vorgesehenen Elektronik bzw. an einer Platine befestigt.
Auf diese Weise wird kein Klebeprozess benötigt. Vor Aufbringen der piezokeramischen Scheibe auf die zu durchschallende Wand kann vorher noch ein Koppelgel oder eine Koppelpaste auf die Wand aufgebracht werden. Anschließend muss die piezokeramische Scheibe nur noch aufgesteckt werden.
Die oben beschriebenen Einformungen können als Nuten ausgebildet sein, die sich von Vorder- bzw. Rückseite zur Rück- bzw. Vorderseite der piezoelektrischen Scheibe zumindest teilweise erstrecken. Die Nuten können unterschiedlich in ihrer Form ausgestaltet sein und z. B. halbrund oder auch eckig ausgebildet sein. Die Nuten lassen sich fertigungstechnisch einfach in das piezoelektrische Wandlerelement bzw. die piezoelektrische Scheibe einbringen. Sie stehen jeweils mit nur einer Stirnseite, also Vorder- oder Rückseite des Wandlerelements in elektrischer Verbindung, zur jeweils anderen Stirnseite sind sie isoliert bzw. nicht leitend.
Die Einformungen können zweckmäßigerweise an gegenüberliegenden Positionen des elektrischen Wandlerelementes vorgesehen sein. Die darin eingreifenden elektrischen Verbindungselemente fixieren auf diese Weise das elektrische Wandlerelement sicher.
Die elektrischen Verbindungselemente können zur erhöhten Fixierung des Wandlerelementes auch seine Vorder- und/oder Rückseite kontaktieren. Die elektrischen Verbindungselemente können dann entsprechend klammerartig ausgebildet sein.
Die elektrischen Verbindungselemente können demnach als klammerartige Federn oder auch als Stifte, insbesondere passgenaue Stifte, ausgebildet sein. Die Stifte liegen in den Einformungen passgenau ein und sind darin sicher fixiert.
Die Fixierung und/oder elektrische Kontaktierung der elektrischen Verbindungselemente kann durch (Leit-)Kleber oder Löten unterstützt werden. Die elektrischen Verbindungselemente werden dabei an die elektrisch leitende Beschichtung geklebt und/oder angelötet.
Wie oben bereits beschrieben, kann zwischen Vorderseite des piezoelektrischen Wandlerelementes und der zu durchschallenden Wand ein akustisches Koppelmittel, insbesondere ein Koppelgel oder eine Koppelpaste, vorgesehen sein. Die akustische Ankopplung wird dadurch realisiert oder wesentlich verbessert. So ist eine sehr robuste akustische Ankopplung des piezoelektrischen Wanderelementes bzw. der Piezokeramik an die zu durchschallende Wand sowie das Medium möglich.
Die dem Medium abgewandte Rückseite des Wandlerelementes kann zumindest bereichsweise mit Luft in Verbindung stehen und dadurch frei in Luft schwingen. Dadurch werden Dämpfung, die Erzeugung von Körperschall und eine (möglicherweise temperaturabhängige) Rückkopplung vermieden.
Die erfindungsgemäße Ultraschallwandler-Anordnung steht in ihrer Funktion und räumlich zwischen dem durchströmten Rohr und der Elektronik. Gegen Ende der Fertigung werden diese beiden Teile zusammengebracht. Diese Montage kann wahlweise wie folgt erfolgen:

– Das piezoelektrische Wandlerelement kann zunächst beim durchströmten Rohr (Grundzähler) mit montiert werden. In diesem Fall stehen je Ultraschallwandler zwei Stifte bzw. Anschlussenden der elektrischen Verbindungselemente für den elektrischen Kontakt hervor, die am Ende an passender Stelle in die Elektronik bzw. die Platine gesteckt und eventuell verlötet werden.
– Es besteht auch die Möglichkeit, das piezoelektrische Wandlerelement zunächst auf der Elektronikseite zu montieren. Bei der Endmontage wird die akustische Verbindung an der zu durchschallenden Wand mit Hilfe eines akustischen Koppelmittels, z. B. einem Kontaktgel oder einer Kontaktpaste, hergestellt.

Die Erfindung ist anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
1A: perspektivische Darstellung (teilweise im Schnitt) des auf eine zu durchschallende Wand eingesetzten piezoelektrischen Wandlerelementes mit herausstehenden Kontakten der elektrischen Verbindungselemente;
1B: Seitendarstellung der Anordnung gemäß 1A;
2A: perspektivische Darstellung eines piezoelektrischen Wandlerelementes mit zwei Nuten sowie
2B: Seitenansicht auf das Wandlerelement gemäß 2A;
Die in 1 dargestellte Ultraschallwandler-Anordnung ist mit Bezugsziffer 1 versehen und für den Einsatz in einem Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium bestimmt. Sie umfasst ein piezoelektrisches Wandlerelement 2, welches als piezoelektrische Scheibe ausgebildet ist. Die Mantelfläche des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 ist mit Bezugsziffer 3 versehen. Die dem Medium zugewandte Vorderseite 4 sowie die dem Medium abgewandte Rückseite 5 des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 sind jeweils bis auf den Randbereich mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung 6 versehen. Elektrische Verbindungselemente 7 sind zur elektrischen Verbindung von Vorder- 4 bzw. Rückseite 5 des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 mit einer (in den Zeichnungsfiguren nicht dargestellten) Elektronik vorgesehen. Die elektrischen Verbindungselemente 7 dienen gleichzeitig der mechanischen Fixierung.
Die Mantelfläche 3 weist zwei Einformungen 8, 9 auf, die in 2A deutlich zu sehen sind. Wie außerdem aus den 2A und 2B hervorgeht, erstreckt sich die elektrisch leitfähige Beschichtung 6 von der Vorderseite 4 des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 in die Einformung 8. Gleichzeitig erstreckt sich die elektrisch leitfähige Beschichtung 6 von der Rückseite 5 des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 in die andere Einformung 9. Dies ist zwar in der Zeichnungsfigur 2A nicht zu erkennen, jedoch entspricht die Rückseite 5 der Vorderseite 4, wobei die Umkontaktierung der elektrisch leitfähigen Beschichtung 6 von den beiden Stirnflächen jeweils nur in eine Einformung gelegt ist. Die seitliche Fixierung und Kontaktierung der Piezokeramik bzw. des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 erfolgt mit entsprechender Umkontaktierung durch die elektrischen Verbindungselemente 7 in Form von federartigen Klammerelementen. Die elektrischen Vebindungselemente 7 sind so geformt, dass sie das piezoelektrische Wandlerelement 2 einklemmen. Damit ist ein nur geringer Montageaufwand verbunden.
Das piezoelektrische Wandlerelement 2 ist zudem auf einer zu durchschallenden Wand 10 aus Kunststoff angeordnet, welche mit dem Medium direkt in Verbindung steht. Die zu durchschallende Wand 10 dient der akustischen Ankopplung zum Medium.
Die Einformungen 8, 9 sind als halbrunde Nuten ausgebildet, die sich von der Vorderseite 4 zur Rückseite 5 erstrecken. Diese Nuten können fertigungstechnisch ohne großen Aufwand eingebracht werden.
Die zu durchschallende Wand 10 dient gleichzeitig – wie aus den 1A und 1B ersichtlich – der Fixierung der elektrischen Verbindungselemente 7. Die elektrischen Verbindungselemente 7 sind als Einlegeteile in einem Kunststoffspritzgussprozess bereits in die zu durchschallende Wand 10 aus Kunststoff eingebracht.
Die Einformungen 8, 9 sind an gegenüberliegenden Positionen des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 vorgesehen und dienen dadurch der optimalen Fixierung des Wandlerelementes 2. Außerdem sind auf diese Weise die elektrischen Verbindungen ausreichend voneinander beabstandet.
Die elektrischen Verbindungselemente 7 kontaktieren auch geringfügig die Rückseite 5 des piezoelektrischen Wandlerelementes 2, wodurch die Klemmwirkung herbeigeführt wird.
Bei den elektrischen Verbindungselementen 2 handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um klammerartige Federn. Es können auch passgenaue Stifte vorgesehen sein, die in den Einformungen 8, 9 einliegen.
Zusätzlich können die elektrischen Verbindungselemente 7 an die elektrisch leitende Beschichtung 6 geklebt und/oder angelötet sein, wodurch die Fixierung sowie elektrische Kontaktierung unterstützt wird.
Zwischen Vorderseite 4 des Wandlerelementes 2 und der zu durchschallenden Wand 10 ist ein pastöses akustisches Koppelmittel zur Realisierung einer sehr robusten akustischen Ankopplung vorgesehen.
Die Rückseite 5 des Wandlerelements 2 steht zumindest bereichsweise mit Luft in Verbindung, so dass auch diese dem Medium abgewandte Seite frei schwingen kann. Bereichsweise liegt die Rückseite 5 des Wandlerelementes 2 auf einer Abstützung bzw. einem Gehäuseabschnitt auf.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallwandler-Anordnung
2: piezoelektrisches Wandlerelement
3: Mantelfläche
4: Vorderseite
5: Rückseite
6: elektrisch leitfähige Beschichtung
7: elektrische Verbindungselemente
8: Einformung
9: Einformung
10: zu durchschallende Wand

Claims

Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium, mit einem eine Mantelfläche (3) aufweisenden piezoelektrischen Wandlerelement (2), dessen dem Medium zugewandte Vorderseite (4) und dessen dem Medium abgewandte Rückseite (5) jeweils zumindest bereichsweise mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (6) versehen sind, sowie elektrischen Verbindungselementen (7) zur elektrischen Verbindung von Vorder-(4) bzw. Rückseite (5) des piezoelektrischen Wandlerelementes (2), dadurch gekennzeichnet, dass – die Mantelfläche (3) zwei Einformungen (8, 9) aufweist, – sich die elektrisch leitfähige Beschichtung (6) von der Vorderseite (4) des piezoelektrischen Wandlerelementes (2) in eine Einformung (8) erstreckt, – sich die elektrisch leitfähige Beschichtung (6) von der Rückseite (5) des piezoelektrischen Wandlerelementes (2) in die andere Einformung (9) erstreckt und – jeweils ein elektrisches Verbindungselement (7) in jeweils eine Einformung (8, 9) eingreift.
Ultraschallwandler-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement (2) auf einer zu durchschallenden Wand (10), welche mit dem Medium in Verbindung steht, angeordnet ist.
Ultraschallwandler-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungselemente (7) zumindest bereichsweise an der zu durchschallenden Wand (10 befestigt sind.
Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu durchschallende Wand (10) ein Bauteil aus Kunststoff ist.
Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformungen (8, 9) als Nuten ausgebildet sind, die sich von Vorder-(4) bzw. Rückseite (5) zur Rück-(5) bzw. Vorderseite (4) zumindest teilweise erstrecken.
Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformungen (8, 9) an gegenüberliegenden Positionen des piezoelektrischen Wandlerelementes (2) vorgesehen sind.
Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungselemente (7) auch die Vorder-(4) und/oder Rückseite (5) des piezoelektrischen Wandlerelementes (2) kontaktieren.
Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungselemente (7) klammerartige Federn oder Stifte sind.
Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungselemente (7) an die elektrisch leitende Beschichtung (6) geklebt und/oder angelötet sind.
Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Wandlerelement (2) zwischen den elektrischen Verbindungselementen (7) und der zu durchschallenden Wand (10) fixiert ist.
Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Vorderseite (4) des Wandlerelementes (2) und zu durchschallender Wand (10) ein akustisches Koppelmittel vorgesehen ist.
Ultraschallwandler-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (5) des Wandlerelementes (2) mit Luft in Verbindung steht.
Durchflussmesser für gasförmiges oder flüssiges Medium mit mindestens einer Ultraschallwandler-Anordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.