DE102009053535B4

DE102009053535B4 - Ultraschallwandleranordnung sowie Ultraschalldurchflussmesser

Info

Publication number: DE102009053535B4
Application number: DE102009053535.7A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing.(FH) Gaugler Ulrich; Dipl.-Ing.(FH) Dietz Gerhard; Dr. Horn Roland; Dipl.-Ing.(FH) Schmidt-Schoenian Axel
Original assignee: Diehl Metering GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2029-11-19
Also published as: DE102009053535A1

Abstract

Ultraschallwandleranordnung (1) mit mindestens einem Piezokeramikkörper (2), Mittel zum Anschluss des Piezokeramikkörpers (2) an die Generatormittel und/oder Auswertemittel, wobei die Ultraschallwandleranordnung (1) zusammen mit den Mitteln zum Anschluss eine Einbaueinheit bildet und Mittel zum Schutz gegen Überspannung als Bestandteil der Ultraschallwandleranordnung (1) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandleranordnung (1) für den Einsatz in einem Ultraschalldurchflussmesser vorgesehen ist, als Mittel zum Schutz gegen Überspannung mindestens ein Widerstandselement (6) vorgesehen ist, auf dem Piezokeramikkörper (2) ein Trägerelement aufgebracht ist und das Trägerelement das Widerstandselement (6) beinhaltet, wobei das Trägerelement eine flexible Leiterplatte (3) oder eine flexible Folie ist und das Widerstandselement (6) auf das Trägerelement aufgedruckt oder aufgelötet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallwandleranordnung insbesondere für den Einsatz in einem Ultraschalldurchflussmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie darüber hinaus einen Ultraschalldurchflussmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Stand der Technik
Die Montage von Ultraschalldurchflussmessern erfolgt üblicherweise dergestalt, dass Ultraschallwandleranordnungen mit einem jeweils beidseitig mit Gold oder Silber beschichteten und jeweils darauf befindlichen Elektrodenschichten versehenen Piezokeramikkörper elektrisch angeschlossen, in eine entsprechende Gehäuseaufnahme eingesetzt und anschließend fixiert, z. B. eingegossen werden. Aufgrund von Temperaturänderungen bei der Lagerhaltung, während des Transports etc. können sich, bevor die Wandleranordnung eingebaut wird, in dem Piezokeramikkörper hohe elektrische Spannungen aufbauen, die sich beim Anschluss der Ultraschallwandleranordnung an die elektronischen Bauteile eines Geräts z. B. eines Ultraschallwandlers entladen. Dies kann zu einer Zerstörung von elektronischen Bauteilen führen. Hierdurch entstehen Schäden, die zunächst identifiziert und anschließend in aufwändiger Weise behoben werden müssen. Auch kann es sein, dass diese Schäden erst zu einem späteren Zeitpunkt ersichtlich werden, nämlich dann, wenn die Elektronik durch eine solche Überspannung zwar nicht sofort zerstört, aber gegebenenfalls in ihrer Leistungsfähigkeit sowie Lebensdauer nachteilig beeinträchtigt worden ist. Vorkehrungen zur Vermeidung von Überspannungen bei der Montage entfallen.
Aus der DE 30 27 583 C2 ist eine Ultraschallwandleranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Diese bekannte Ultraschallwandleranordnung umfasst Mittel zum Schutz gegen Überspannung als Bestandteil derselben in Form einer Harzschicht, die die Ultraschallwandleranordnung einschließlich deren Elektroden vollumfänglich umhüllt. Die Harzschicht dient dazu, bei Temperaturänderungen entstehende elektrische Ladungen abzuleiten. Die Ultraschallwandleranordnung ist nicht explizit für den Einsatz in einem Ultraschalldurchflussmesser vorgesehen.
Aus der DE PS 23 14 420 sowie DE PS 24 33 208 sind jeweils piezoelektrische Tasten bekannt, bei denen ein Widerstandselement auf der piezoelektrischen Keramik zur Verringerung von unerwünschten piezoelektrisch erzeugten Spannungen aufgrund von Temperaturänderungen angebracht ist.
Die DE 10 2007 044 377 A1 beschreibt einen Ultraschalldurchflussmesser zum Messen einer Durchflussrate eines Fluids unter Verwendung zweier Ultraschallwandleranordnungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige Ultraschallwandleranordnung sowie einen entsprechenden Ultraschalldurchflussmesser zur Verfügung zu stellen, mittels der die Montagekosten bei der Herstellung von Ultraschalldurchflussmessern erheblich reduziert werden können.
Lösung
Die vorliegende Aufgabe wird bei der Ultraschallwandleranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass Mittel zum Schutz gegen Überspannung Bestandteil der eine Einbaueinheit bildenden Ultraschallwandleranordnung sind.
Bei dem Ultraschalldurchflussmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 wird die vorstehende Aufgabe durch den Einsatz einer Ultraschallwandleranordnung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 gelöst.
Die Unteransprüche betreffen zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
Dadurch, dass Mittel zum Schutz vor Überspannungen als Bestandteil der Einbaueinheit vorgesehen sind, können sieh gegebenenfalls durch Temperaturänderungen bedingte Überspannungen nicht schädigend auf die Elektronik des Ultraschalldurchflussmessers auswirken. Zudem kann die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der elektronischen Bauteile eines Ultraschalldurchflussmessers wirksam verbessert werden. Als Mittel zum Schutz vor Überspannungen ist erfindungsgemäß mindestens ein elektrisches Widerstandselement vorgesehen. Ein solches Widerstandselement ist im Bereich des jeweiligen Piezokeramikkörpers vorgesehen, d. h. ist sozusagen Bestandteil der Handhabungseinheit Piezokeramikkörper. Hierzu ist der Piezokeramikkörper mit einem Trägerelement, auf dem sich das oder die Widerstandselement(e) befindet(n), ausgestattet. Erfindungsgemäß ist als Trägerelement ist eine flexible Leiterplatte vorgesehen. Diese nimmt die mechanischen Schwingungen des Piezokeramikkörpers auf, ohne dass sich eine Beschädigung der Leiterplatte ergibt oder die Art der Verbindung (z. B. Klebeschicht) nachteilig beeinträchtigt wird. Alternativ ist auch eine flexible Folie bzw. flexible, folienartige Leiterplatte geeignet, die die Mittel zum Schutz vor Überspannung bereits herstellerseitig aufgebracht bekommen hat und lediglich nur noch mit dem Piezokeramikkörper elektrodenseitig verbunden werden muss. Die Montage ist besonders einfach und kostengünstig. Das Trägerelement kann zweckmäßigerweise bereits mit dem Widerstandselement vorkonfektioniert sein, bevor es mit dem Piezokeramikkörper zu einer Handhabungseinheit verbunden wird. Erfindungsgemäß ist das Widerstandselement auf das Trägerelement, insbesondere auf die Leiterplatte, beispielsweise als Flächenwiderstandselement aufgedruckt. Beispielsweise kann als Widerstandselement ein leitfähiger Lack auf die Leiterplatte aufgebracht, insbesondere aufgedruckt werden. Als Druckverfahren eignet sich Siebdruck. Alternativ ist das Widerstandselement, beispielsweise ein herkömmlicher Widerstand, mit der flexiblen Leiterplatte, d. h. deren Verdrahtung, verlötet.
Zur Gewährleistung eines Schutzes vor Überspannungen ist das Widerstandselement zum Piezokeramikkörper zweckmäßigerweise parallel geschaltet.
Der Widerstand des Widerstandselements liegt zweckmäßigerweise in einem Bereich von 1 kΩ bis 100 MΩ, vorzugsweise von 10 k bis 1 MΩ.
Die vorliegende Idee kann auch bei anderweitigen Anschlusskonzepten, bei denen ein Piezokeramikkörper mit einer elektronische Bauteile enthaltenden Schaltung verdrahtet wird, umgesetzt werden.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine stark vereinfachte, schematische Schnittdarstellung einer Ausgestaltung der Ultraschallwandleranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine Teildarstellung in perspektivischer Ansicht der einen aufgedruckten Flächenwiderstand tragenden Leiterplatte sowie
3 eine Prinzipdarstellung der elektrischen Schaltung des Widerstandselement zum Piezokeramikkörper.
Bezugsziffer 1 in 1 bezeichnet die Ultraschallwandleranordnung in ihrer Gesamtheit. Sie umfasst einen Piezokeramikkörper 2, welcher insbesondere scheibenartige Form besitzt. Die beiden Hauptflächen des Piezokeramikkörpers 2 können je mit einer metallischen Schicht 10 bzw. 11 (z. B. Gold- oder Silberschicht) versehen sein. An der Außenseite der jeweiligen Metallschicht 10, 11 befindet sich eine flächige Anschlusselektrode 8 bzw. 9 zum Anschluss von Anschlussdrähten 13, 14 hin zu einer in 1 nicht dargestellten Elektronik.
Zum vereinfachten Anschluss der Anschlussdrähte 13, 14 kann die Ultraschallwandleranordnung Anschlussfahnen 4 sowie 5 aufweisen. Die Anschlussdrähte 13, 14 werden an den Anschlussfahnen 4 bzw. 5 üblicherweise angelötet.
Erfindungsgemäß befindet sich auf einer der beiden Hauptflächen der Ultraschallwandleranordnung ein Trägerelement, zweckmäßigerweise eine Leiterplatte 3, die ein in 1 angedeutetes Widerstandselement 6 trägt. Dieses Widerstandselement 6 ist demzufolge Bestandteil der Ultraschallwandleranordnung 1, die als Einbaueinheit 7 eine selbständig handhabbare Einheit darstellt. Der Schutzwiderstand ist demzufolge Bestandteil dieser Einbaueinheit 7.
Wie aus 2 ersichtlich ist, handelt es sich bei der Leiterplatte 3 um eine vergleichsweise dünne Leiterplatte, welche ein ausreichendes Maß an Flexibilität aufweist, um die mechanischen Schwingungen des Piezokeramikkörpers aufzunehmen, ohne dass Beschädigungen auftreten. Die Leiterplatte 3 verfügt über eine in 2 lediglich schematisch angedeutete Verdrahtung. Die Leiterplatte 3 ist mit der Anschlusselektrode 8 über eine Klebeschicht 12, die ebenfalls flexibel ist, verbunden.
Allerdings sind auch andere Verbindungen wie z. B. Löten möglich.
Die Leiterplatte 3 trägt das Widerstandselement 6, welches vorzugsweise als Flächenwiderstand, der auf die Leiterplatte in einem geeigneten Verfahren, beispielsweise im Druckverfahren, vorzugsweise Siebdruckverfahren, aufgebracht ist. Bei dem Flächenwiderstand kann es sich zweckmäßigerweise um einen leitfähigen Lack handeln. Der Flächenwiderstand ist mit der Verdrahtung der Leiterplatte verbunden, wobei die Verdrahtung der Leiterplatte wiederum den geeigneten elektrischen Kontakt mit der Anschlusselektrode 8 sowie der Anschlussfahne 4 sicherstellt.
Wie in 3 dargestellt ist, ist das Widerstandselement 6 zum Piezokeramikkörper 2 elektrisch parallel geschaltet, um die erforderliche Schutzfunktion gegen Überspannungen zu gewährleisten.
Die vorliegende Idee kann auch bei anderweitigen Anschlusskonzepten, bei denen ein Piezokeramikkörper mit einer elektronische Bauteile enthaltenden Schaltung verdrahtet wird, umgesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus einen Ultraschalldurchflusszähler für den Einbau in ein ein flüssiges oder gasförmiges Medium transportierenden Netzwerk oder Leitung, welcher eine entsprechende Ultraschallwandleranordnung beinhaltet.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen einen wirksamen Schutz vor bei der Montage von Ultraschallwandleranordnungen sich gelegentlich ergebenden Überspannungseinleitungen in die Elektronik eines Ultraschalldurchflussmessers zu begründen. Dieser Schutz bewirkt, dass aufwändige Austauschmaßnahmen von elektronischen Bauteilen vermieden werden sowie überspannungsbedingte Anfangsschäden von Elektronikbauteilen und daraus resultierenden Folgeschäden im Betrieb nicht auftreten.
Die vorliegende Idee kann auch bei anderweitigen Anschlusskonzepten, bei denen ein Piezokeramikkörper mit einer elektronische Bauteile enthaltenden Schaltung verdrahtet wird, umgesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallwandleranordnung
2: Piezokeramikkörper
3: Leiterplatte
4: Anschlussfahne
5: Anschlussfahne
6: Widerstandselement
7: Einbaueinheit
8: Anschlusselektrode
9: Anschlusselektrode
10: Metallschicht
11: Metallschicht
12: Klebeschicht
13: Anschlussdraht
14: Anschlussdraht

Claims

Ultraschallwandleranordnung (1) mit mindestens einem Piezokeramikkörper (2), Mittel zum Anschluss des Piezokeramikkörpers (2) an die Generatormittel und/oder Auswertemittel, wobei die Ultraschallwandleranordnung (1) zusammen mit den Mitteln zum Anschluss eine Einbaueinheit bildet und Mittel zum Schutz gegen Überspannung als Bestandteil der Ultraschallwandleranordnung (1) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandleranordnung (1) für den Einsatz in einem Ultraschalldurchflussmesser vorgesehen ist, als Mittel zum Schutz gegen Überspannung mindestens ein Widerstandselement (6) vorgesehen ist, auf dem Piezokeramikkörper (2) ein Trägerelement aufgebracht ist und das Trägerelement das Widerstandselement (6) beinhaltet, wobei das Trägerelement eine flexible Leiterplatte (3) oder eine flexible Folie ist und das Widerstandselement (6) auf das Trägerelement aufgedruckt oder aufgelötet ist.
Ultraschallwandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement mit dem Piezokeramikkörper (2) über eine Klebeschicht (12) verbunden ist.
Ultraschallwandleranordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (6) zum Piezokeramikkörper (2) parallel geschaltet ist.
Ultraschallwandleranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand des Widerstandselements (6) in einem Bereich von 1 kΩ bis 100 MΩ, vorzugsweise von 10 kΩ bis 1 MΩ.
Ultraschalldurchflussmesser mit mindestens einer Ultraschallwandleranordnung, Generatormitteln zum Beaufschlagen der Ultraschallwandleranordnung mit einem elektrischen Signal, Auswertemitteln zum Auswerten von von der Ultraschallwandleranordnung erzeugten elektrischen Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass als Ultraschallwandleranordnung eine solche gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen ist.