DE102012104227A1

DE102012104227A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE102012104227A1
Application number: DE201210104227
Authority: DE
Inventors: Alexander Bannwarth; Ingo Buschke; Frank Volz
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler (1) mit zumindest einem Ultraschall-Messsignale erzeugenden Sensorelement (2), das die Ultraschall-Messsignale über eine Anpassschicht (3) und/oder eine Membran (4) abstrahlt und die an einer Reflektionsfläche reflektierten Ultraschall-Messsignale empfängt, wobei – in Bezug auf die Abstrahlrichtung (X) – im Rückraumbereich (5) des Sensorelements (2) ein Dämpfungsverguss (6) vorgesehen ist, wobei es sich bei dem Dämpfungsverguss (6) um einen mit Metall- oder Metalloxidpartikeln versetzten Zwei-Komponenten bei Raumtemperatur vernetzenden Verguss (2-K-RTV) handelt, der mit Mikrohohlsphären konditioniert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, der in einem Ultraschall-Messgerät zum Einsatz kommt.
Ultraschall-Messgeräte arbeiten bevorzugt nach einem Laufzeitprinzip und werden zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter eingesetzt. Eine weitere Einsatzmöglichkeit von Ultraschall-Messgeräten ist die Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines fluiden Mediums durch eine Rohrleitung. Im Falle der Durchflussmessung wird beispielsweise das Laufzeitdifferenzprinzip angewendet. Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Lösung aber unabhängig von der jeweiligen Anwendung einsetzbar.
Ultraschall-Messgeräte zur Füllstands- und Durchflussmessung werden von Endress + Hauser in einer Vielzahl von Ausgestaltungen unter der Bezeichnung PROSONIC angeboten und vertrieben.
Eine Ausgestaltung eines Ultraschallwandlers zur Füllstandsmessung, der sich durch eine hohe chemische Beständigkeit auszeichnet und der in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar ist, ist aus der EP 0766 071 B1 bekannt geworden. Der bekannte Ultraschallwandler weist ein einteiliges, topfförmiges Gehäuse auf, das in einem Endbereich durch eine Membran abgeschlossen ist. In dem Gehäuse ist ein Sensorelement zum Senden und Empfangen von Ultraschall-Messsignalen angeordnet. Das Senden und Empfangen der Ultraschall-Messsignale erfolgt über eine Anpassschicht, die zwischen dem Sensorelement und der Membran angeordnet ist. Die Anpassschicht dient der Anpassung der akustischen Impedanz des Sensorselements an die akustische Impedanz des Mediums, das sich außerhalb des Ultraschallwandlers befindet. Die Anpassschicht ist aus einem mit Glashohlkugeln gefüllten Epoxidharz gefertigt.
Weiterhin ist eine das Sensorelement seitlich und im von der Anpassschicht abgewandten Bereich vollständig umschließende Spannungssymmetrisierungsschicht angeordnet. Die Spannungssymmetrisierungsschicht besteht z. B. aus Duroplast. Ein Spannring umgibt die Anpassschicht koaxial. Der Hohlraum zwischen dem Spannring und der Spannungssymmetrisierungsschicht ist mit einem Dämpfungsverguss ausgefüllt.
Bei der Nutzung eines kombinierten Sende-/Empfangssystems zum Aussenden und Empfangen von Ultraschall-Messsignalen liegt zwischen dem Aussenden und dem Empfangen ein vom Füllstand oder vom Durchfluss abhängiges Zeitintervall. Auch im kürzesten zur Verfügung stehenden Zeitintervall muss das Ausschwingen des Sende-/Empfangssystems nach erfolgter Anregung und Aussendung des Sendesignals möglichst weitgehend abgeklungen sein. Auf diese Art und Weise wird sichergestellt, dass das Empfangssignal bezüglich seiner Amplitudenwerte höher ist als das abklingende Sendesignal und dass somit eine gute Detektion mit einer angestrebten hohen Messempfindlichkeit möglich ist.
Generell lässt sich sagen, dass in der Ultraschall-Messtechnik ein optimales Maß an mechanischer Dämpfung angestrebt wird: Die Dämpfung muss so ausgelegt sein, dass ein hinreichend schnelles Ausschwingen des Schwingsystems bei einer hinreichend großen angestrebten Messempfindlichkeit möglich ist.
Um das angestrebte Ziel zu erreichen, ist – in Abstrahlrichtung der Ultraschall-Messsignale gesehen – im Rückraumbereich des Sensorelements zur Bedämpfung und damit zur Reduktion der Nachschwingzeit ein Bedämpfungsverguss vorgesehen. Durch den Bedämpfungsverguss wird weiterhin auch die Übertragung von Energie auf das topfförmige Gehäuse gedämpft. Auch dient der Bedämpfungsverguss als Diffusionssperre für Gase und Sperre für Flüssigkeiten.
Bevorzugt kommt bei Ultraschall-Messgeräten von Endress + Hauser als Dämpfungsverguss ein Zwei-Komponenten Silikonverguss zum Einsatz, der bei Raumtemperatur vernetzt. Die übliche Abkürzung für einen derartigen Verguss ist 2-K RTV. Bei den von Endress + Hauser angebotenen und vertriebenen Ultraschallwandlern bzw. Ultraschallsensoren wird der Zwei-Komponenten bei Raumtemperatur vernetzende Silikonverguss durch gezielte Luftblaseneinbringung für die Bedämpfung konditioniert.
Diese Art der Aufbereitung des Dämpfungsvergusses ist insofern problematisch, als die Lufteinbringung in Überdruckbehältern erfolgen muss. Daher ist die Prozessführung ebenso wie die Prozesskontrolle aufwändig. Darüber hinaus sind die erzielten Ergebnisse nicht in dem gewünschten hohen Maße reproduzierbar.
Bekannt ist es auch, einem Verguss zur Funktionserfüllung der Rückraumdämpfung Anteile von Füllstoffen, wie beispielsweise Korkmehl, beizumengen. Problematisch bei der Zumischung der Füllstoffe zu dem Epoxid-Verguss ist, dass sich keine stabile, homogene Mischung bildet, so dass die erzielte Bedämpfung weniger gut reproduzierbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Messgerät mit einer verbesserten mechanischen Dämpfung des mechanischen Schwingsystems vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch einen in ein Ultraschall-Messgerät integrierten Ultraschallwandler mit folgenden Merkmalen gelöst:

– ein Ultraschall-Messsignale erzeugendes Sensorelement – üblicherweise eine Piezokeramik –, das/die die Ultraschall-Messsignale über eine Anpassschicht und/oder eine Membran abstrahlt bzw. die an einer Reflektionsfläche reflektierten Ultraschall-Messsignale empfängt,
– einen – in Bezug auf die Abstrahlrichtung – im Rückraumbereich des Sensorelements vorgesehenen Dämpfungsverguss, wobei es sich bei dem Dämpfungsverguss um einen mit Metall- oder Metalloxidpartikeln versetzten Zwei-Komponenten bei Raumtemperatur vernetzenden Verguss, also ein 2-K-RTV, handelt, der mit Mikrohohlsphären konditioniert ist.

Die Wortwahl „Anpassschicht und/oder Membran” spiegelt die Tatsache wider, dass es unterschiedlichste Lösungen bei Ultraschallwandler gibt, die je nach Anwendungsfall einsetzbar sind. Bei einfach aufgebauten Ultraschallwandlern kann z. B. die Membran fehlen und das Senden und/oder Empfangen der Ultraschall-Messsignale erfolgt direkt über die Anpassschicht.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich eine gewünschte optimale, reproduzierbare Einstellung für die mechanische Dämpfung des Schwingsystems erreichen. Diese optimale Einstellung gewährleistet, dass ein hinreichend schnelles Ausschwingen des Schwingsystems, das die Ultraschall-Messsignale sowohl aussendet als auch empfängt, bei einer hinreichend großen angestrebten Messempfindlichkeit möglich ist. Die Einstellung bzw. die Konditionierung erfolgt über zwei Maßnahmen:

– In Abhängigkeit von den verwendeten Schwingfrequenzen und dem Temperaturbereich, in dem das Ultraschall-Messgerät zum Einsatz kommen soll, wird durch das Einbringen von schwereren Partikeln, insbesondere von Metall- oder Metalloxidpartikeln, der Füllstoffgehalt und somit die Masse des Dämpfungsvergusses so angehoben, dass eine optimale gewünschte Dämpfung erreicht wird. Diese Dämpfung ist so ausgelegt, dass das Ausschwingen des Schwingsystems bei einer hinreichend großen angestrebten Messempfindlichkeit hinreichend schnell abgeschlossen ist. Das Kriterium für ein hinreichend schnelles Ausschwingen wurde bereits an vorhergehender Stelle genannt. Erfolgt ein hinreichend schnelles Ausschwingen, so lässt sich das Empfangssignal sauber von dem Sendesignal unterscheiden. Darüber hinaus hat der Einsatz von thermisch leitfähigen Partikeln, insbesondere von Metall- oder Metalloxid-Partikeln, den Vorteil, dass Wärme abgeführt wird, wodurch insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen die Ausbildung von Hot Spots in dem Messgerät reduziert bzw. ausgeschlossen wird.
– Durch Einbringen von Mikrohohlsphären, insbesondere von Kunststoffkügelchen, erfolgt eine weitere Konditionierung und Optimierung des Dämpfungsvergusses: Die Mikrohohlsphären ermöglichen eine für die angestrebte Messempfindlichkeit hinreichend gute Anpassung des Dämpfungsvergusses im Hinblick auf Absorptions- und Elastizitätseffekte.

Bevorzugt ist der Dämpfungsverguss derart konditioniert ist, dass die Abklingzeit des Verbundschwingsystem, zumindest bestehend aus der Membran, der Anpassschicht, den Klebeschichten, dem Sensorelement und dem Dämpfungsverguss im Wesentlichen einem Zeitintervall entspricht, das zwischen dem Aussenden und dem Empfangen eines Ultraschall-Messsignals liegt. Das Verbundschwingsystem ist übrigens bevorzugt in einem dem Medium zugewandten Endbereich eines topfförmigen Gehäuses angeordnet. Zu beachten ist, dass die Membran und die Anpassschicht auch integral ausgeführt sein können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass der Dämpfungsverguss mit den Mikrohohlsphären derart konditioniert ist, dass der Dämpfungsverguss während des Vergießens und Aushärtens eine stabile, homogene Mischung bildet. So lässt sich bevorzugt die angestrebte Reproduzierbarkeit des Dämpfungsvergusses sicherstellen.
Das schwingende Verbundschwingsystem besteht, wie bereits gesagt, je nach Ausgestaltung des Ultraschallwandlers im einfachsten Fall aus der Membran, der Anpassschicht bzw. aus der Komponente Membran/Anpassschicht, dem Sensorelement, dem Dämpfungsverguss und den die Komponenten verbindenden Klebeschichten. Bevorzugt sind die einzelnen Komponenten des Verbundschwingsystems über einen zähelastischen Klebstoff, z. B. über einen Epoxidklebstoff, miteinander verbunden. Dieser wird so ausgewählt, dass er ggf. auch für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist. Ein zähelastischer Klebstoff ist erforderlich, da die einzelnen Komponenten unterschiedliche Elastizitätsmodule und Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Zudem weisen die einzelnen Komponenten, wenn Sie aus Kunststoffen gefertigt sind, ggf. spezifische Glasübergangstemperaturen auf.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschall-Messgeräts sieht vor, dass der Masseanteil der Mikrohohlsphären an dem Dämpfungsverguss mehr als 0.01 Gewichtsprozent und weniger als 0,15 Gewichtsprozent beträgt. In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Masseanteil ca. 0,05 Gewichtsprozente. Bei den Mikrohohlsphären handelt es sich beispielsweise um Micropearl F-80DE.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Größe der Mikrohohlsphären statistisch verteilt. Bevorzugt haben die Mikrohohlsphären einen Durchmesser, der in einem Bereich von 90–130 μm liegt. Bei den Metalloxidpartikeln handelt es sich bevorzugt um Al2O3 Partikel. Es versteht sich von selbst, dass in Abhängigkeit von der Anwendung auch andere Metall- oder Metalloxidpartikel zum Einsatz kommen können.
Um ein möglichst verlustarmes Senden und Empfangen der Ultraschall-Messsignale sicherzustellen, handelt es sich bei der Anpassschicht um eine λ/4 Schicht. Die Anpassschicht besteht bevorzugt aus einem mit Glashohlkügelchen gefüllten Epoxidharz. Ein entsprechendes Material wird als Syntactic Foam bezeichnet. Auch im Falle der Anpassschicht können alternative Füllmaterialien zum Einsatz kommen. Prinzipiell sind als Materialien für die Anpassschicht, die je nach Ausgestaltung und Einsatzbereich des Ultraschallwandlers auch durchaus ohne Membran verwendet wird, ggf. Elastomermaterialien einsetzbar. Die Funktion der Anpassschicht wurde bereits an vorhergehender Stelle beschrieben.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur 1 näher erläutert. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors 1 bzw. des Ultraschallwandlers 1. Der Ultraschallsensor 1 wird in einem Füllstandsmessgerät, das den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter bestimmt oder überwacht, eingesetzt, oder der Ultraschallsensor 1 kommt in Durchflussmessgerät zum Einsatz und überwacht oder bestimmt den Durchfluss eines Mediums in eine Rohrleitung.
Der Ultraschallwandler 1 ist in einem Endbereich eines topfförmigen Gehäuses 12 platziert. Das die Ultraschall-Messsignale erzeugende Sensorelement 2 strahlt die Ultraschall-Messsignale über eine Anpassschicht 3 und eine Membran 4 ab. Bei der Anpassschicht 3 handelt es sich bevorzugt um eine λ/4 Schicht, die in einer günstigen Ausgestaltung aus einem mit Glashohlkügelchen versehenen Füllmaterial besteht. Als Füllmaterial wird bevorzugt Epoxidharz oder ein Elastomermaterial verwendet.
Die an einer Reflektionsfläche – im Falle der Füllstandsmessung ist Reflektionsfläche die Oberfläche des Füllguts – reflektierten Ultraschall-Messsignale werden von dem Sensorelement 2 empfangen. In Bezug auf die Abstrahlrichtung X ist im Rückraumbereich 5 des Sensorelements 2 ein Dämpfungsverguss 6 vorgesehen. Bei dem Dämpfungsverguss 6 handelt es sich um einen mit Metall- oder Metalloxidpartikeln 15 versetzten Zwei-Komponenten bei Raumtemperatur vernetzenden Verguss (2-K-RTV), der mit Mikrohohlsphären 16 konditioniert ist. Bevorzugt handelt es sich bei den Metalloxidpartikeln 15 um Al2O3 Partikel. Der Dämpfungsverguss 6 mit den Metall- oder Metalloxidpartikeln 15 und den Mikrohohlsphären 16 ist derart konditioniert, dass der Dämpfungsverguss 6 während des Vergießens und Aushärtens eine stabile, homogene Mischung bildet. Dies ist sehr vorteilhaft, da über diese Ausgestaltung Ultraschallsensoren 1 mit reproduzierbaren Dämpfungseigenschaften gefertigt werden. Qualitätsschwankungen im Dämpfungsverguss 6 werden minimiert. In einer konkreten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Dämpfungsverguss um Lord SC 309, der mit dem Typ von Mikrohohlsphären: 16 Micropearl F-80DE beaufschlagt ist. Bevorzugt beträgt der Masseanteil der Mikrohohlsphären 16 an dem Dämpfungsverguss mehr als 0.01 Gewichtsprozente und weniger als 0,15 Gewichtsprozente betragen. Die Größe der Mikrohohlsphären 16 ist statistisch verteilt. Der Durchmesser der zuvor genannten Mikrohohlsphären liegt bevorzugt in einem Bereich von 90–130 μm und ist bis 140°C temperaturbeständig. Bei höheren Temperaturen ist der Einsatz von thermisch höher belastbaren Mikrohohlsphären vorgesehen.
Der Dämpfungsverguss ist über eine Klebstoffbeschichtung 7b, insbesondere einem Epoxidklebstoff, mit dem Sensorelement 2 verbunden. Generell lässt sich sagen, dass der Dämpfungsverguss 6 derart konditioniert ist, dass die Abklingzeit des Verbundschwingsystems 11, das im Wesentlichen aus dem Sensorelement 1, der Membran 4, der Anpassschicht 3, den Klebeschichten 7a, 7b, 7c und dem Dämpfungsverguss 6 besteht, näherungsweise dem Zeitintervall entspricht, das zwischen dem Aussenden und dem Empfangen eines Ultraschall-Messsignals liegt. Die Klebeschicht 7c bildet zusätzlich einen Spannring für das Sensorelement 2. Im gezeigten Fall ist über dem Dämpfungsverguss 6 noch eine Dämpfungsschicht 9 aus Schaumstoff vorgesehen.
Das Senden und Empfangen der Ultraschall-Messsignale erfolgt über das Sensorelement 2, bei dem es sich um einen elektromechanischen Wandler, insbesondere eine Piezokeramik handelt. Die elektrische Kontaktierung des Sensorelements 2 erfolgt üblicherweise über zwei auf gegenüberliegenden Flächen des als Scheibe ausgebildeten Sensorelements 2 angeordnete Elektroden. Die Elektroden sind in der 1 nicht gesondert dargestellt. Über Anschlussleitungen 8 sind die Elektroden mit der Leiterplatte 10 mit integrierter Steuerungselektronik verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallwandler/Ultraschallsensor
2: Sensorelement/Piezokeramik
3: Anpassschicht
4: Membran
5: Rückraumbereich
6: Dämpfungsverguss
7a: Klebstoffschicht
7b: Klebstoffschicht
7c: Klebstoffschicht
8: Sensorlitze
9: elastische Schicht aus Schaumstoff
10: Leiterplatte (mit Elektronik)
11: Schwingsystem
12: topfförmiges Gehäuse
13: Leiterplattenhalter
14: Kontaktierung
15: Metalloxid- bzw. Metallpartikel
16: Mikrohohlsphäre

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0766071 B1 [0004]

Claims

Ultraschallwandler (1) mit zumindest einem Ultraschall-Messsignale erzeugenden Sensorelement (2), das die Ultraschall-Messsignale über eine Anpassschicht (3) und/oder eine Membran (4) abstrahlt und die an einer Reflektionsfläche reflektierten Ultraschall-Messsignale empfängt, wobei – in Bezug auf die Abstrahlrichtung – im Rückraumbereich (5) des Sensorelements (2) ein Dämpfungsverguss (6) vorgesehen ist, wobei es sich bei dem Dämpfungsverguss (6) um einen mit Metall- oder Metalloxidpartikeln (15) versetzten Zwei-Komponenten bei Raumtemperatur vernetzenden Verguss (2-K-RTV) handelt, der mit Mikrohohlsphären (16) konditioniert ist.
Ultraschall-Messgerät nach Anspruch 1, wobei der Dämpfungsverguss (6) mit den Mikrohohlsphären derart konditioniert ist, dass der Dämpfungsverguss (6) während des Vergießens und Aushärtens eine stabile, homogene Mischung bildet.
Ultraschall-Messgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Anpassschicht (3) und dem Sensorelement (2) eine Schicht (7a) aus einem zähelastischen Klebstoff vorgesehen ist.
Ultraschall-Messgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Dämpfungsverguss (6) derart konditioniert ist, dass die Abklingzeit des Verbundschwingsystem, bestehend aus Membran (4), Anpassschicht (3), Klebeschichten (7a, 7b, 7c), Sensorelement (2) und Dämpfungsverguss (6) im Wesentlichen einem Zeitintervall entspricht, das zwischen dem Aussenden und dem Empfangen eines Ultraschall-Messsignals liegt.
Ultraschall-Messgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Masseanteil der Mikrohohlsphären an dem Dämpfungsverguss mehr als 0.01 Gewichtsprozent und weniger als 0,15 Gewichtsprozent beträgt.
Ultraschall-Messgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Größe der Mikrohohlsphären statistisch verteilt ist und bevorzugt einen Durchmesser in einem Bereich von 90–130 μm aufweist.
Ultraschall-Messgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den Metalloxidpartikeln bevorzugt um Al2O3 handelt.
Ultraschall-Messgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Anpassschicht um eine λ/4 Schicht handelt, die bevorzugt aus einem mit Glashohlkügelchen versehenen Füllmaterial besteht, wobei es sich bei dem Füllmaterial bevorzugt um Epoxidharz handelt.
Ultraschall-Messgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbundschwingsystem in einem dem Medium zugewandten Endbereich eines topfförmigen Gehäuses angeordnet ist.