DE102016115199A1 - Ultrasonic sensor for determining or monitoring a process variable of a medium in automation technology - Google Patents

Ultrasonic sensor for determining or monitoring a process variable of a medium in automation technology Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor (4) zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums (2) in der Automatisierungstechnik mit einer Sende-/Empfangseinheit (9) zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen, mit einer Einkoppeleinheit (8), über die die gesendeten Ultraschallsignale von der Sende-/Empfangseinheit (9) auf eine Amplitudentransformationseinheit (10) und die empfangenen Ultraschallsignale von der Amplitudentransformationseinheit (10) auf die Sende-/Empfangseinheit (9) eingekoppelt werden, wobei die Amplitudentransformationseinheit (10) eine erste Amplitudentransformationskomponente (11) mit einem ersten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt aufweitenden Konus (14) und zumindest eine zweite Amplitudentransformationskomponente (12) mit einem zweiten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt verjüngenden Konus (15) aufweist, wobei der zweite Konus (15) innerhalb des ersten Konus (14) angeordnet ist und wobei eine Frontmembran (13) an den in Abstrahlrichtung weisenden Endbereichen (16, 17) von erstem Konus (14) und von zweitem Konus (15) vorgesehen ist.The invention relates to an ultrasonic sensor (4) for determining or monitoring a process variable of a medium (2) in automation technology with a transmitting / receiving unit (9) for transmitting and / or receiving ultrasound signals, with a coupling unit (8) via which the transmitted ultrasound signals from the transmitting / receiving unit (9) to an amplitude transformation unit (10) and the received ultrasonic signals from the amplitude transformation unit (10) are coupled to the transmitting / receiving unit (9), wherein the amplitude transformation unit (10) comprises a first amplitude transformation component (11 ) with a first cone (14) widening in cross-section in the emission direction of the ultrasonic signals and at least one second amplitude transformation component (12) having a second cone (15) tapering in cross-section in the emission direction of the ultrasonic signals, the second cone (15) being within the first cone (14) angeo rdnet is and wherein a front membrane (13) at the end pointing in the direction of radiation end portions (16, 17) of the first cone (14) and of the second cone (15) is provided.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums in der Automatisierungstechnik.The invention relates to an ultrasonic sensor for determining or monitoring a process variable of a medium in automation technology.

Ultraschallsensoren kommen u.a. in Ultrasachall-Durchflussmessgeräten zum Einsatz. Ultraschall-Durchflussmessgeräte bestimmen oder überwachen den Volumen- und/oder Massendurchfluss eines fluiden Mediums, das eine Rohrleitung in einer definierten Strömungsrichtung passiert. Bei dem fluiden Medium handelt es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas. Weiterhin sind Ultraschall-Prüf-Sensoren für die akustische Inspektion von Werkstücken bekannt geworden.Ultrasonic sensors come i.a. used in Ultrasachall flowmeters. Ultrasonic flowmeters determine or monitor the volume and / or mass flow of a fluid medium that passes through a pipeline in a defined flow direction. The fluid medium is a liquid or a gas. Furthermore, ultrasonic test sensors for the acoustic inspection of workpieces have become known.

Ein nach dem Time-of-Flight arbeitendes Ultraschall-Durchflussmessgerät besteht aus mindestens zwei Ultraschallsensoren, die jeweils in einer Öffnung der Wandung eines Messrohres befestigt sind. Bei diesem sogenannten Inline-Durchflussmessgerät ist das Messrohr in die Rohrleitung eingepasst. Zumindest zwei Ultraschallsensoren sind in Strömungsrichtung des Mediums versetzt zueinander derart platziert, dass die von einem Ultraschallsensor ausgesendeten Ultraschallsignale bzw. Ultraschallwellen von dem anderen Ultraschallsensor empfangen werden. Die Ultraschallsensoren werden abwechselnd als Sende- und Empfangseinheit betrieben. Eine Regel-/Auswerteeinheit, üblicherweise zumindest ein Microcontroller mit entsprechender Software, bestimmt den Volumen- und/oder den Massendurchfluss des fluiden Mediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung. Entsprechende Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden von der Anmelderin in unterschiedlichen Ausführungen für unterschiedliche Applikationen angeboten und vertrieben. Durchflussmessgeräte der Anmelderin tragen beispielsweise die Bezeichnung: Prosonic Flow 92F, 93C oder B200. Weiter sind auch nach dem Dopplerprinzip arbeitende Ultraschall-Durchflussmessgeräte bekannt, die nur mit einem Ultraschallsensor arbeiten können.A time-of-flight ultrasonic flowmeter consists of at least two ultrasonic sensors, each mounted in an opening in the wall of a measuring tube. In this so-called in-line flowmeter, the measuring tube is fitted in the pipeline. At least two ultrasonic sensors are placed offset to one another in the flow direction of the medium in such a way that the ultrasonic signals or ultrasonic waves emitted by one ultrasonic sensor are received by the other ultrasonic sensor. The ultrasonic sensors are operated alternately as a transmitting and receiving unit. A control / evaluation unit, usually at least one microcontroller with appropriate software determines the volume and / or mass flow of the fluid in the pipe or in the measuring tube based on the transit time difference of the ultrasonic signals in the flow direction and against the flow direction. Corresponding ultrasonic flowmeters are offered and distributed by the applicant in different versions for different applications. Applicants' flowmeters have the name Prosonic Flow 92F, 93C or B200, for example. Next also working on the Doppler principle ultrasonic flowmeters are known, which can only work with an ultrasonic sensor.

Als Sende- und/oder Empfangseinheit dient ein elektromechanischer Wandler, bei dem es sich üblicherweise um zumindest ein piezoelektrisches Element handelt. Der elektromechanische Wandler ist in einem topfförmigen Gehäuse angeordnet, dessen dem Medium zugewandte Stirnfläche durch eine endseitige Membran verschlossen ist. Eine Impedanzanpassung zwischen dem Ultraschallsensor und dem Medium erfolgt über zumindest eine geeignet ausgestaltete Anpassschicht.The transmitting and / or receiving unit used is an electromechanical converter, which is usually at least one piezoelectric element. The electromechanical transducer is arranged in a cup-shaped housing, whose end face facing the medium is closed by an end-side membrane. An impedance matching between the ultrasonic sensor and the medium takes place via at least one suitably configured matching layer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor mit einer verbesserten Impedanzanpassung vorzuschlagen.The invention has for its object to propose an ultrasonic sensor with an improved impedance matching.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallsensor zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums in der Automatisierungstechnik mit einer Sende-/Empfangseinheit zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen, mit einer Einkoppeleinheit, über die die gesendeten Ultraschallsignale von der Sende-/Empfangseinheit auf eine Amplitudentransformationseinheit und die empfangenen Ultraschallsignale von der Amplitudentransformationseinheit auf die Sende-/Empfangseinheit eingekoppelt werden. Die Amplitudentransformationseinheit umfasst eine erste Amplitudentransformationskomponente mit einem ersten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt aufweitenden Konus und zumindest eine zweite Amplitudentransformationskomponente mit einem zweiten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt verjüngenden Konus, wobei der zweite Konus innerhalb des ersten Konus‘ angeordnet ist. Eine Frontmembran ist an bzw. in den in Abstrahlrichtung weisenden Endbereichen von erstem Konus und von zweitem Konus angeordnet. Bevorzugt handelt es sich bei der Frontmembran, die mit den Endbereichen gekoppelt ist, um eine dünne und steife Membran, die vergleichbare Eigenschaften wie eine Lautsprechermembran aufweist. Das übliche Dicke zu Durchmesser- Verhältnis ist bei diesen Membranen kleiner als 1:5; vorzugsweise ist das Verhältnis kleiner als 1:20. Die Amplitudentransformationseinheit ist mediumsberührend, also mit dem zu messenden fluiden Medium in Kontakt.The object is achieved by an ultrasonic sensor for determining or monitoring a process variable of a medium in automation technology with a transmitting / receiving unit for emitting and / or receiving ultrasonic signals, with a coupling unit, via which the transmitted ultrasonic signals from the transmitting / receiving unit to a Amplitude transformation unit and the received ultrasonic signals from the amplitude transformation unit are coupled to the transmitting / receiving unit. The amplitude transformation unit comprises a first amplitude transformation component having a first cone which widens in cross section in the emission direction of the ultrasound signals and at least one second amplitude transformation component with a second cone tapering in cross section in the emission direction of the ultrasound signals, the second cone being arranged inside the first cone. A front membrane is arranged on or in the end regions of the first cone and of the second cone pointing in the emission direction. The front membrane, which is coupled to the end regions, is preferably a thin and rigid membrane which has comparable properties to a loudspeaker membrane. The usual thickness to diameter ratio is less than 1: 5 in these membranes; Preferably, the ratio is less than 1:20. The amplitude transformation unit is in contact with the medium, that is, in contact with the fluid medium to be measured.

Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor zeichnet sich durch eine Vielzahl von Vorteilen aus:

  • – Mittels der erfindungsgemäßen Amplitudentransformationseinheit lässt sich die an der Frontmembranfläche abgestrahlte Wellenfront der Ultraschallsignale so beeinflussen, dass das Verhältnis von Transmission zu Reflexion maximal oder zumindest näherungsweise maximal ist.
  • – Aufgrund des hohen Transmissionsanteils der Ultraschallsignale durch die Frontmembran, wird der Körperschall, also der Anteil der Ultraschallsignale, die sich nicht über das Medium sondern über die Wandung des Messrohres/der Rohrleitung ausbreiten und die Messsignalerfassung stören, reduzieren. Erfindungsgemäß lässt sich daher ein optimiertes Signal-/Rauschverhältnis realisieren.
  • – Über die Ausgestaltung und/oder die Materialwahl von erstem Konus und zweitem Konus lässt sich eine gewünschte Wellenfront im Nahfeld der abstrahlenden Frontmembran erreichen. In vielen Anwendungen ist die Abstrahlung einer ebenen Wellenfront vorteilhaft, da diese eine maximale Energiedichte aufweist. Bei Messrohren mit kleinem Messrohr- zu Sensor-Durchmesser, d.h. bei einem Messrohr- zu Sensor-Durchmesser von kleiner als 10:1 bzw. bevorzugt 3:1 kann eine Fokussierung der Wellenfront oder eine Kugelwelle von Vorteil sein. Durch den ersten Konus wird die Schallwelle amplitudentransformiert und erreicht die Frontmembran. Über den zweiten Konus wird die Amplitude der Schallwelle weiter erhöht und an das zu messende Medium bezüglich der Impedanz angepasst. Durch die Dimensionierung der Konen und/oder die Wahl der Materialien (materialabhängige Schallgeschwindigkeit), aus denen die Konen gefertigt sind, lässt sich die Laufzeit der Schallwellen in den Konen so variieren, dass die gewünschte Form der Wellenfront in das Medium abgestrahlt bzw. aus dem Medium empfangen wird.
  • – Da die beiden Konen der Amplitudentransformationseinheit lediglich in zwei ringförmigen Bereichen mit der Membran in Verbindung stehen, ist die Impedanz geringer als bei den bislang bei Ultraschallsensoren zur Impedanzanpassung eingesetzten Anpassschichten. Daher erlaubt es die erfindungsgemäße Amplitudentransformationseinheit, die Ultraschallsignale nahezu ungedämpft mit einer hohen Amplitude über die Frontmembran in das Medium aussenden bzw. aus dem Medium empfangen.
  • – Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Amplitudentransformationseinheit ist darin zu sehen, dass sie sich auf jedes zu messende Medium durch entsprechende Materialwahl und/oder Dimensionierung der Konen einfach anpassen lässt und auch nachträglich an einen Ultraschallsensor mit einem topfförmigen Gehäuse und Sende-/Empfangseinheit angebracht werden kann. Bevorzugt – aber keineswegs ausschließlich – ist der erfindungsgemäße Ultraschallsensor bzw. das Durchflussmessgerät mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor zur Messung der Laufzeit von Ultraschallsignalen in gasförmigen Medien geeignet.
The ultrasonic sensor according to the invention is distinguished by a multiplicity of advantages:
  • By means of the amplitude transformation unit according to the invention, the wavefront of the ultrasonic signals radiated on the front membrane surface can be influenced such that the ratio of transmission to reflection is maximal or at least approximately maximum.
  • - Due to the high transmission component of the ultrasonic signals through the front membrane, the structure-borne noise, ie the proportion of the ultrasonic signals that do not propagate through the medium but over the wall of the measuring tube / pipe and interfere with the measurement signal detection, reduce. According to the invention, therefore, an optimized signal / noise ratio can be realized.
  • - About the design and / or the choice of material of the first cone and second cone can be a desired wavefront in the near field of the radiating front membrane can be achieved. In many applications, the radiation of a planar wavefront is advantageous because it has a maximum energy density. With measuring tubes with Small measuring tube to sensor diameter, ie at a measuring tube to sensor diameter of less than 10: 1 or preferably 3: 1 may be a focus of the wavefront or a spherical wave advantage. The first cone amplifies the sound wave and reaches the front membrane. Via the second cone, the amplitude of the sound wave is further increased and adapted to the medium to be measured with respect to the impedance. By dimensioning the cones and / or the choice of materials (material-dependent speed of sound) from which the cones are made, the duration of the sound waves in the cones can be varied so that the desired shape of the wavefront radiated into the medium or from the Medium is received.
  • Since the two cones of the amplitude transformation unit communicate with the membrane only in two annular regions, the impedance is lower than in the case of the matching layers hitherto used in the case of ultrasonic impedance matching sensors. Therefore, the amplitude transformation unit according to the invention allows the ultrasound signals to be emitted almost unattenuated with a high amplitude across the front membrane into the medium or received from the medium.
  • Another advantage of the amplitude transformation unit according to the invention is the fact that it can be easily adapted to any medium to be measured by appropriate choice of material and / or dimensioning of the cones and can also be retrofitted to an ultrasonic sensor with a cup-shaped housing and transmitting / receiving unit , Preferably, but by no means exclusively, the ultrasonic sensor according to the invention or the flow measuring device with the ultrasonic sensor according to the invention is suitable for measuring the transit time of ultrasonic signals in gaseous media.

Die von der Sende-/Empfangseinheit gesendeten bzw. empfangenen Ultraschallsignale werden über die erste Amplitudentransformationskomponente mit dem sich im Querschnitt aufweitenden Konus beeinflusst, z.B. fokussiert. Die akustische Anpassung der Ultraschall-Messsignale erfolgt über die zweite Amplitudentransformationskomponente, die einem sich in Abstrahlrichtung im Querschnitt verjüngenden Konus aufweist. Es versteht sich von selbst, dass je nach Ausgestaltung und Applikation auch Amplitudentransformationseinheiten mit mehr als zwei Konen eingesetzt werden können.The ultrasound signals transmitted or received by the transceiver unit are influenced by the first amplitude transformation component with the cross-section widening cone, e.g. focused. The acoustic adaptation of the ultrasound measuring signals takes place via the second amplitude transformation component, which has a cone which tapers in cross-section in the emission direction. It goes without saying that, depending on the design and application, also amplitude transformation units with more than two cones can be used.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors ist an der Amplitudentransformationskomponente zumindest eine Druckausgleichsöffnung vorgesehen ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei einem Einsatz des Ultraschallsensors zur Messung der Volumen- oder Durchflussmessung eines Gases in einer Rohrleitung, da mögliche Druckstöße bzw. ein temporär oder kontinuierlich auftretender Über- oder Unterdruck nicht zur Zerstörung der Amplitudentransformationseinheit führt. Trotz der filigranen Struktur der Amplitudentransformationseinheit zeichnet diese sich durch eine hohe Druckbeständigkeit aus.According to a preferred embodiment of the ultrasonic sensor according to the invention, at least one pressure equalization opening is provided on the amplitude transformation component. This is particularly advantageous when using the ultrasonic sensor for measuring the volume or flow measurement of a gas in a pipeline, since possible pressure surges or a temporary or continuous overpressure or underpressure does not lead to the destruction of the amplitude transformation unit. Despite the filigree structure of the amplitude transformation unit, it is distinguished by its high pressure resistance.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors sieht vor, dass die in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale weisenden Endbereiche des ersten Konus und/oder des zweiten Konus eine gezackte Kronenstruktur aufweisen. Bevorzugt sind nur die Spitzen der gezackten Kronenstruktur/Kronenstrukturen mit der Frontmembran verbunden. Trotz des filigranen Aufbaus der Kronenstruktur der Amplitudentransformationseinheit lässt sich erfindungsgemäße eine Druckbeständigkeit und/oder eine Stabilität erreichen, die größer sind/ist als bei einer entsprechenden Amplitudentransformationseinheit mit einem geschlossenen Aufbau der Konen.An advantageous embodiment of the ultrasonic sensor according to the invention provides that the end regions of the first cone and / or the second cone pointing in the emission direction of the ultrasonic signals have a serrated crown structure. Preferably, only the tips of the serrated crown structure / crown structures are connected to the front membrane. Despite the filigree structure of the crown structure of the amplitude transformation unit, it is possible according to the invention to achieve a pressure resistance and / or a stability which is greater than in a corresponding amplitude transformation unit with a closed configuration of the cones.

Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors vor, dass der erste Konus und der zweite Konus bezüglich der konstruktiven Abmessungen und/oder der Schallgeschwindigkeit der verwendeten Materialien der Konen so aufeinander abgestimmt sind, dass die über die Frontmembran in das Medium abgestrahlten Ultraschallsignale bzw. die aus dem Medium empfangenen Ultraschallsignale im Wesentlichen eine ebene Wellenfront bilden und/oder eine Wellenfront, die auf die Anforderungen der jeweiligen Applikation angepasst ist. Der Einsatz von Ultraschallsensoren kann in einem Messrohr angeordnet sein, das eine beliebige Form und/oder einen beliebigen Durchmesser aufweist. Weiterhin kann das zu messende Medium beliebig sein; jedes Medium ob Gas oder Flüssigkeit hat eine definierte Schallgeschwindigkeit, die gerade bei Gasen auch von der T und dem Druck beeinflusst wird. Unter einer Applikation wird übrigens im Zusammenhang mit der Erfindung verstanden, dass der Ultraschallsensor an einem Messrohr mit einem definierten Durchmesser installiert ist, wobei das Messrohr von einem definierten Medium durchflossen wird. An alle möglichen Applikationen oder Gruppen von Applikationen, die vergleichbare Eigenschaften aufweisen, ist der erfindungsgemäße Ultraschallsensor mittels der variierbaren erfindungsgemäßen Amplitudentransformationseinheit einfach adaptierbar.As already mentioned above, provides an advantageous development of the ultrasonic sensor according to the invention that the first cone and the second cone with respect to the structural dimensions and / or the speed of sound of the materials used the cones are coordinated so that the on the front membrane in the Medium radiated ultrasound signals or the ultrasound signals received from the medium substantially form a planar wavefront and / or a wavefront, which is adapted to the requirements of the particular application. The use of ultrasonic sensors can be arranged in a measuring tube which has an arbitrary shape and / or an arbitrary diameter. Furthermore, the medium to be measured can be arbitrary; every medium, whether gas or liquid, has a defined speed of sound, which is also influenced by the T and the pressure in the case of gases. Incidentally, in the context of the invention, an application is understood to mean that the ultrasonic sensor is installed on a measuring tube having a defined diameter, the measuring tube being traversed by a defined medium. For all possible applications or groups of applications which have comparable properties, the ultrasonic sensor according to the invention can be easily adapted by means of the variable amplitude transformation unit according to the invention.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die erfindungsgemäße Amplitudentransformationseinheit einstückig ausgestaltet. Auf einfache Art und Weise lässt sich eine einstückige Amplitudentransformationseinheit über ein Selektives Lasersinter-Verfahren oder ein 3-D-Druck-Verfahren herstellen. Darüber hinaus können auch die Amplitudentransformationseinheit und das topfförmige Gehäuse bzw. der Sensortopf des Ultraschallsensors über das Selektive Lasersinter-Verfahren oder das 3-D-Druck-Verfahren einstückig hergestellt sein.It is regarded as particularly advantageous if the amplitude transformation unit according to the invention is configured in one piece. In a simple way can be a one-piece Amplitude transformation unit via a selective laser sintering method or a 3-D printing method manufacture. In addition, the amplitude transformation unit and the cup-shaped housing or the sensor pot of the ultrasonic sensor can be made in one piece by means of the selective laser sintering method or the 3-D printing method.

Eine alternative Ausgestaltung schlägt vor, dass die Amplitudentransformationseinheit aus mehreren miteinander verbindbaren Einzelkomponenten gefertigt ist. Die Einzelkomponenten werden über herkömmliche Verbindungstechniken, wie Verschweißen, Verlöten (Hart- oder Weichlot) oder verkleben miteinander verbunden.An alternative embodiment proposes that the amplitude transformation unit is manufactured from a plurality of interconnected individual components. The individual components are connected to one another via conventional joining techniques, such as welding, soldering (hard or soft solder) or gluing.

Bevorzugt ist aber zumindest die Frontmembran mit einem der beiden Konen – bevorzugt mit dem zweiten Konus – einstückig ausgebildet. Auch hier können wieder die bereits zuvor erwähnten Herstellungsverfahren zur Anwendung kommen.Preferably, however, at least the front membrane with one of the two cones - preferably integrally formed - preferably with the second cone. Again, the previously mentioned production process can be used again.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors betreffen die Ausgestaltung der Frontmembran. Zwecks erhöhter Stabilität kann die Frontmembran eine wabenförmige, sechseckige Verstärkungsstruktur aufweisen. Bevorzugt besteht sie aus einem inhomogenen Material oder Schaum, wie offenzelligem PU-Schaum, verklebten Glashohlkugeln in Epoxymatrix oder Aluminium-Schaum. Der Vorteil bei diesen Ausgestaltungen ist die geringe Dichte der Frontmembran.Advantageous developments of the ultrasonic sensor according to the invention relate to the design of the front membrane. For increased stability, the front membrane may have a honeycomb hexagonal reinforcement structure. It preferably consists of an inhomogeneous material or foam, such as open-cell PU foam, glued glass hollow spheres in epoxy matrix or aluminum foam. The advantage of these designs is the low density of the front membrane.

Alternativ ist die Frontmembran aus einem perforierten Material, z.B. einem Lochblech hergestellt ist, wobei der Durchmesser der Perforationen klein gegenüber der jeweils kürzeren Wellenlänge der Ultraschallsignale bzw. Ultraschallwellen – Membran oder Medium – ist. Neben dem Vorteil einer geringen Dichte hat diese Lösung auch den Vorteil, dass simultan eine alternative Möglichkeit zum Druckausgleich besteht. Bei dieser Ausgestaltung ist die zumindest eine Druckausgleichsöffnung in der Frontmembran vorgesehen. Weitere Gestaltungsmöglichkeiten wurden z.B. in der DE 10 2004 059 524 A1 oder der DE 10 2007 027 277 A1 beschrieben.Alternatively, the front membrane is made of a perforated material, such as a perforated plate, wherein the diameter of the perforations is small compared to the respective shorter wavelength of the ultrasonic signals or ultrasonic waves - membrane or medium - is. In addition to the advantage of a low density, this solution also has the advantage that there is simultaneously an alternative possibility for pressure equalization. In this embodiment, the at least one pressure equalization opening in the front membrane is provided. Further design possibilities were eg in the DE 10 2004 059 524 A1 or the DE 10 2007 027 277 A1 described.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Frontmembran aus einer Keramik gefertigt. Keramik ist sehr beständig und wird von den meisten aggressiven Medien nicht angegriffen. Eine Frontmembran aus Keramik lässt sich über ein Ceramic-Injection-Molding-Verfahren (CIM-Verfahren) als Kombination aus Membran und innerem Konus herstellen. Alternativ kann ein ev. bearbeitetes keramisches Plattenmaterial verwendet werden, auf das zum Zwecke des Verlötens mit einer metallischen Schicht versehen ist.According to an advantageous embodiment, the front membrane is made of a ceramic. Ceramic is very durable and is not attacked by most aggressive media. A ceramic front membrane can be produced using a ceramic injection molding (CIM) process as a combination of membrane and inner cone. Alternatively, an ev. Processed ceramic plate material may be used, which is provided for the purpose of soldering with a metallic layer.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Frontmembran eine Wölbung in Richtung des Mediums aufweist und/oder im gewölbten Bereich zum Zentrum hin verdünnt ist. Durch diese Maßnahme lassen sich einerseits die akustische Ankopplung an das Messrohr und damit der unerwünschte Körperschall verringern, während andererseits die Druckbeständigkeit der Amplitudentransformationseinheit erhöht wird.An advantageous embodiment provides that the front membrane has a curvature in the direction of the medium and / or is diluted in the curved area towards the center. By this measure, on the one hand, the acoustic coupling to the measuring tube and thus the unwanted structure-borne noise can be reduced while, on the other hand, the pressure resistance of the amplitude transformation unit is increased.

Um die mit dem Medium in Kontakt kommenden Teilbereich des Ultraschallsensors vor einer abrasiven Beschädigung oder einer chemischen Veränderung durch Mediums- oder Umwelteinflüsse zu schützen, ist vorteilhafterweise eine Schutzbeschichtung vorgesehen. Diese kann metallischer, polymerer oder keramischer Natur sein. Bei der Verwendung von Einzelkomponenten erfolgt das Aufbringen der Schutzbeschichtung beispielsweise nach deren Zusammenfügen und schützt damit insbesondere auch die Verbindungsstellen.In order to protect the sub-region of the ultrasonic sensor coming into contact with the medium from abrasive damage or a chemical change due to medium or environmental influences, a protective coating is advantageously provided. This may be metallic, polymeric or ceramic nature. When using individual components, the application of the protective coating, for example, after their assembly and thus protects in particular also the joints.

Additiv oder alternativ kann die Schutzbeschichtung über ein galvanisches Beschichtungsverfahren aufgebracht werden, und ist damit sowohl zur Verbindung der Einzelkomponenten als auch zum Schutz vor Mediums- und Umwelteinflüssen geeignet.Additively or alternatively, the protective coating can be applied by way of a galvanic coating method, and is therefore suitable both for the connection of the individual components and for protection against medium and environmental influences.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensor sieht vor, dass es sich bei der Sende-/Empfangseinheit, die die Ultraschallsignale erzeugt, sendet und empfängt, um zumindest ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element handelt, das kraftschlüssig an der Innenfläche einer ein topfförmiges Gehäuse abschließenden endseitigen Membran befestigt ist, wobei die endseitige Membran so ausgestaltet ist, dass sie die Einkoppeleinheit zwischen der Sende-/Empfangseinheit und der Amplitudentransformationseinheit bildet.An advantageous embodiment of the ultrasonic sensor according to the invention provides that it is at the transmitting / receiving unit, which generates the ultrasonic signals, sends and receives, is at least one disc-shaped piezoelectric element, which is fixed non-positively on the inner surface of a cup-shaped housing final end membrane , wherein the end-side membrane is configured such that it forms the coupling unit between the transmitting / receiving unit and the amplitude transformation unit.

Alternativ wird vorgeschlagen, dass es sich bei der Sende-/Empfangseinheit, die die Ultraschallsignale erzeugt, sendet und empfängt, um mehrere scheibenförmige piezoelektrische Elemente handelt, die über eine Andrückmechanismus kraftschlüssig mit der Innenfläche einer ein topfförmiges Gehäuse abschließenden endseitigen Membran befestigt ist, wobei die endseitige Membran so ausgestaltet ist, dass sie die Einkoppeleinheit zwischen der Sende-/Empfangseinheit und der Amplitudentransformationseinheit bildetAlternatively, it is proposed that the transmitting / receiving unit which generates, transmits and receives the ultrasonic signals is a plurality of disk-shaped piezoelectric elements, which is fixed in a non-positive manner to the inner surface of a cup-shaped housing-terminating membrane by means of a pressure mechanism end membrane is configured such that it forms the coupling unit between the transmitting / receiving unit and the amplitude transformation unit

Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, wird der erfindungsgemäße Ultraschallsensor, der zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen beschrieben wurde, bevorzugt bei einem Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Bestimmung oder Überwachung des Durchflusses eines Mediums durch eine Rohrleitung mit einem Messrohr und mit zumindest einem in einer Öffnung der Wandung des Messrohrs angeordneten Ultraschallsensor eingesetzt. Neben dem zuvor beschriebenen Durchflussmessgerät, dass den Durchfluss des Mediums auf der Basis der Laufzeitdifferenz von Ultraschallsignalen in und entgegen der Strömungsrichtung des Mediums bestimmt, kann der erfindungsgemäße Ultraschallsensor natürlich auch bei einem Durchflussmessgerät eingesetzt werden, das den Durchfluss auf der Basis einer Doppelverschiebung bestimmt.As already mentioned above, the ultrasonic sensor according to the invention, which has previously been described in different embodiments, preferably in an ultrasonic flowmeter for determining or monitoring the flow of a medium through a pipe with a measuring tube and with used at least one arranged in an opening of the wall of the measuring tube ultrasonic sensor. In addition to the flowmeter described above, which determines the flow of the medium on the basis of the transit time difference of ultrasonic signals in and against the flow direction of the medium, the ultrasonic sensor according to the invention can of course also be used in a flow meter that determines the flow on the basis of a double shift.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:

1: eine schematische Darstellung eines Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräts 1 – teilweise im Längsschnitt, 1 : A schematic representation of an inline ultrasonic flowmeter 1 Partly in longitudinal section,

2: eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors, 2 FIG. 4: a perspective view of a first embodiment of an ultrasonic sensor according to the invention, FIG.

2a: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch den in 2 gezeigten Ultraschallsensor, 2a a longitudinal section according to the marking AA by the in 2 shown ultrasonic sensor,

3: eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors und 3 a perspective view of a second embodiment of an ultrasonic sensor according to the invention and

3a: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch den in 3 gezeigten Ultraschallsensor. 3a a longitudinal section according to the marking AA by the in 3 shown ultrasonic sensor.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräts 1 – teilweise im Längsschnitt. Das Inline-Durchflussmessgerät ist über in 1 nicht gesondert dargestellte Flansche in einer nicht gesondert dargestellten Rohrleitung befestigt. In zwei Öffnungen 6 der Wandung des Messrohres 3 sind in bekannter Weise Ultraschallsensoren 4 positioniert. Anzumerken ist, dass neben diesem sog. einkanaligen Durchflussmessgerät 1 auch mehrkanalige Durchflussmessgeräte bekannt geworden sind. Bei mehrkanaligen Durchflussmessgeräten sind die Ultraschallsensoren 4 paarweise so angeordnet, auch Messpfade MP vorhanden sind, die die Längsachse L des Messrohrs 3 nicht schneiden. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann bei der Bestimmung des Durchflusses der Einfluss des Strömungsprofils des in dem Messrohr 3 strömenden Mediums 2 berücksichtigt werden. 1 shows a schematic representation of an in-line ultrasonic flowmeter according to the invention 1 - partly in longitudinal section. The inline flowmeter is over in 1 not shown separately flanges mounted in a pipe not shown separately. In two openings 6 the wall of the measuring tube 3 are in a known manner ultrasonic sensors 4 positioned. It should be noted that in addition to this so-called. Single-channel flowmeter 1 Also multi-channel flowmeters have become known. For multichannel flowmeters, the ultrasonic sensors are 4 arranged in pairs, also measuring paths MP are present, which are the longitudinal axis L of the measuring tube 3 do not cut. In such an embodiment, in the determination of the flow, the influence of the flow profile of the in the measuring tube 3 flowing medium 2 be taken into account.

Im gezeigten Fall sind die beiden Ultraschallsensoren 4 in einander gegenüberliegenden Bereichen des Messrohres 3 angeordnet, wobei die beiden Bereiche parallel zur Längsachse L versetzt sind. Beide Ultraschallsensoren 4 sind in ihrem dem Medium 2 zugewandten Endbereich mediumsberührend.In the case shown, the two ultrasonic sensors 4 in opposite areas of the measuring tube 3 arranged, wherein the two areas are offset parallel to the longitudinal axis L. Both ultrasonic sensors 4 are in their medium 2 facing end region in contact with the medium.

Das Messrohr 3 wird von einem fluiden Medium 2, bei dem es sich im Wesentlichen um ein flüssiges oder ein gasförmiges Medium 2 handelt, in Strömungsrichtung S durchströmt. Die beiden Ultraschallsensoren 4 werden von der Regel-/Auswerteeinheit 5 abwechselnd in einen Sendemodus und in einen Empfangsmodus geschaltet. Im Sendemodus sendet einer der beiden Ultraschallsensoren 4 eine Schallwelle bzw. ein Ultraschallsignal in Richtung des gegenüberliegenden Ultraschallsensors 4 aus. Die Schallwelle bzw. das Ultraschallsignal wird von dem im Empfangsmodus betriebenen Ultraschallsensor 4 nach Durchlaufen des Messpfades MP empfangen. Anschließend werden die Modi der beiden Ultraschallsensoren 4 getauscht.The measuring tube 3 is from a fluid medium 2 which is essentially a liquid or gaseous medium 2 acts in the flow direction S flows through. The two ultrasonic sensors 4 are from the control / evaluation unit 5 alternately switched to a transmit mode and a receive mode. In transmit mode, one of the two ultrasonic sensors transmits 4 a sound wave or an ultrasonic signal in the direction of the opposite ultrasonic sensor 4 out. The sound wave or the ultrasonic signal is from the ultrasonic sensor operated in the reception mode 4 after passing through the measuring path MP received. Subsequently, the modes of the two ultrasonic sensors 4 exchanged.

Die das Medium 2 querenden Schallwellen laufen bevorzugt auf dem eingezeichneten Messpfad MP, der die kürzeste Verbindung zwischen den beiden Ultraschallsensoren 4 kennzeichnet. Sendet der obere Ultraschallsensor 4 ein Ultraschallsignal aus, so wird dieses von dem in Strömungsrichtung S strömenden Medium 2 mitgenommen und hat auf dem Messpfad MP eine von der Regel-/Auswerteeinheit 5 ermittelte Laufzeit. Sendet der untere Ultraschallsensor 4, so wird auf dem Messpfad MP eine längere Laufzeit gemessen, da sich das Ultraschallsignal entgegen der Strömungsrichtung S des Mediums 2 ausbreitet. Die Differenz zwischen den beiden Laufzeiten ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit der das Medium 2 durch das Messrohr 3 bzw. durch die Rohrleitung strömt.The the medium 2 transverse sound waves preferably run on the marked measuring path MP, the shortest connection between the two ultrasonic sensors 4 features. Sends the upper ultrasonic sensor 4 an ultrasonic signal, this is from the flowing medium in the flow direction S. 2 taken along and has on the measuring path MP one of the control / evaluation unit 5 determined duration. Sends the lower ultrasonic sensor 4 , so a longer transit time is measured on the measuring path MP, since the ultrasonic signal counter to the flow direction S of the medium 2 spreads. The difference between the two transit times depends on the speed with which the medium 2 through the measuring tube 3 or flows through the pipeline.

2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors. In 2a ist ein Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch den in 2 gezeigten Ultraschallsensor zu sehen. Der Ultraschallsensor 4 zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines fluiden Mediums 2 in der Automatisierungstechnik weist eine elektromechanische Wandlereinheit 9 zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen auf. Die elektromechanische Wandlereinheit 9 ist im gezeigten Fall als piezoelektrisches scheibenförmiges Element ausgestaltet, das kraftschlüssig mit der endseitigen Membran 8 verbunden ist. Die endseitige Membran 8 verschließt das topfförmige Gehäuse 7 gegen das Medium 2. 2 shows a perspective view of a first embodiment of an ultrasonic sensor according to the invention. In 2a is a longitudinal section according to the label AA by the in 2 to see the ultrasonic sensor shown. The ultrasonic sensor 4 for determining and / or monitoring a process variable of a fluid medium 2 in automation technology has an electromechanical transducer unit 9 for transmitting and / or receiving ultrasound signals. The electromechanical transducer unit 9 is designed in the case shown as a piezoelectric disc-shaped element, which frictionally with the end-side membrane 8th connected is. The end-side membrane 8th closes the pot-shaped housing 7 against the medium 2 ,

Über die Membran 8, die als Einkoppeleinheit fungiert, werden die von dem elektromechanischen Wandlerelement erzeugten Ultraschallsignale bzw. Ultraschallwellen auf die Amplitudentransformationseinheit 10 eingekoppelt. Entsprechend werden die empfangenen Ultraschallsignale bzw. Ultraschallwellen von der Amplitudentransformationseinheit 10 auf das elektromechanische Wandlerelement 9 eingekoppelt.About the membrane 8th acting as a coupling unit, the ultrasonic signals or ultrasonic waves generated by the electromechanical transducer element become the amplitude transformation unit 10 coupled. Accordingly, the received ultrasonic signals and ultrasonic waves, respectively, from the amplitude transformation unit 10 on the electromechanical transducer element 9 coupled.

Die Amplitudentransformationseinheit 10 weist zwei Komponenten auf: eine erste Amplitudentransformationskomponente 11 mit einem ersten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt aufweitenden Konus 14 und zumindest eine zweite Amplitudentransformationskomponente 12 mit einem zweiten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt verjüngenden Konus 15 aufweist. Die Querschnitte der Konen können beliebig sein: kreisförmig, eckig, oval, etc. Der zweite Konus 15 ist innerhalb des ersten Konus 14 angeordnet. An den in Abstrahlrichtung weisenden Endbereichen 16, 17 von erstem Konus 14 und von zweitem Konus 15 ist eine Frontmembran 13 vorgesehen. Endbereiche sind übrigens im gezeigten Fall die kreislinienförmigen Endflächen der beiden Konen 14, 15. The amplitude transformation unit 10 has two components: a first amplitude transformation component 11 with a first cone which widens in cross section in the emission direction of the ultrasonic signals 14 and at least a second amplitude transformation component 12 with a second cone which tapers in cross-section in the direction of emission of the ultrasonic signals 15 having. The cross sections of the cones can be arbitrary: circular, angular, oval, etc. The second cone 15 is inside the first cone 14 arranged. At the end pointing in the direction of radiation end 16 . 17 from the first cone 14 and second cone 15 is a front membrane 13 intended. Incidentally, in the case shown, end regions are the circular end faces of the two cones 14 . 15 ,

Wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben, sind der erste Konus 14 und der zweite Konus 15 bezüglich der konstruktiven Abmessungen und/oder der Schallgeschwindigkeit der verwendeten Materialien so aufeinander abgestimmt sind, dass die über die Frontmembran 13 in das Medium 2 abgestrahlten Ultraschallsignale bzw. die aus dem Medium 2 empfangenen Ultraschallsignale eine definierte Wellenfront aufweisen. Üblicherweise handelt es sich bei der definierten Wellenfront im Wesentlichen um eine ebene Wellenfront. Je nach Applikation – von welchem Medium wird welcher Messrohrdurchmesser durchströmt – kann die Wellenfront auch eine von der ebenen Wellenfront abweichende Wellenfront aufweisen. Ggf. kann der Effekt noch durch eine besondere Ausprägung der Frontmembran 13 unterstützt werden. Mögliche Ausgestaltungen der Frontmembran 13 sind bereits an vorhergehender Stelle beschrieben worden. Auf eine Wiederholung an dieser Stelle wird daher verzichtet.As already described above, the first cone 14 and the second cone 15 with respect to the structural dimensions and / or the speed of sound of the materials used are coordinated so that the on the front membrane 13 into the medium 2 radiated ultrasound signals or from the medium 2 received ultrasonic signals having a defined wavefront. Typically, the defined wavefront is essentially a planar wavefront. Depending on the application - which medium flows through which measuring tube diameter - the wavefront can also have a wavefront deviating from the plane wavefront. Possibly. the effect can still by a special expression of the front membrane 13 get supported. Possible embodiments of the front membrane 13 have already been described in previous passage. A repetition at this point is therefore omitted.

Wird er Ultraschallsensor 4 zur Messung in einem fluiden Medium eingesetzt, z.B. in einem Gas, das zumindest zeitweise unter Druck steht, so kann durch die Anbringung einer Druckausgleichsöffnung der Gefahr einer Zerstörung der Amplitudentransformationseinheit 10 vorgebeugt werden. Die Druckausgleichsöffnung besteht im einfachsten Fall aus einer Öffnung in dem äußeren Konus 14 und ggf. auch in dem inneren Konus 15. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Druckausgleichsöffnungen 18 ist in den Figuren 3 und 3a zu sehen. Alternativ kann die Druckausgleichsöffnung 18 auch in der Memberan 13 vorgesehen sein.Will he be an ultrasonic sensor 4 used for measurement in a fluid medium, for example in a gas which is at least temporarily under pressure, so by attaching a pressure equalization opening of the risk of destruction of the amplitude transformation unit 10 be prevented. The pressure equalization opening consists in the simplest case of an opening in the outer cone 14 and possibly also in the inner cone 15 , A preferred embodiment of the pressure equalization openings 18 is in the figures 3 and 3a to see. Alternatively, the pressure compensation opening 18 also in the memberan 13 be provided.

3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors. In 3a ist ein Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch den in 3 gezeigten Ultraschallsensor dargestellt. Der Aufbau des in 3 gezeigten Ultraschallsensors 4 entspricht bis auf die Druckausgleichsöffnungen 18 dem in 2 gezeigten Ultraschallsensor 4. Daher wird auf eine wiederholte Beschreibung der identischen Teile verzichtet. 3 shows a perspective view of a second embodiment of an ultrasonic sensor according to the invention. In 3a is a longitudinal section according to the label AA by the in 3 shown ultrasonic sensor shown. The construction of in 3 shown ultrasonic sensor 4 corresponds to the pressure equalization openings 18 the in 2 shown ultrasonic sensor 4 , Therefore, a repeated description of the identical parts is omitted.

Während bei der ersten Ausgestaltung (2) die Konen 14, 15 geschlossene Kegelflächen aufweisen, ist bei der Ausgestaltung (3) in den Endbereichen 16, 17 der Konen 14, 15 eine zackenförmige Kronenstruktur 19 vorgesehen. Die in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale weisenden Spitzen der beiden zackenförmigen Kronenstrukturen 19 sind mit der Frontmembran 13 verbunden. Bevorzugt wird diese Ausgestaltung bei der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Gasen eingesetzt. Wie bereits zuvor gesagt, spielt die Form der zumindest einen Druckausgleichsöffnung 18 für die Erfüllung der Aufgabe des Druckausgleichs keine Rolle.While in the first embodiment ( 2 ) the cones 14 . 15 have closed conical surfaces is in the embodiment ( 3 ) in the end areas 16 . 17 the cones 14 . 15 a jagged crown structure 19 intended. The pointing in the direction of emission of the ultrasonic signals peaks of the two serrated crown structures 19 are with the front membrane 13 connected. Preferably, this embodiment is used in the determination of the speed of sound of gases. As previously stated, the shape of the at least one pressure equalization opening plays 18 for the fulfillment of the task of pressure equalization irrelevant.

Die Verfahren zur Fertigung der Amplitudentransformationseinheit 10, ggf. in Verbindung mit weiteren Komponenten des Ultraschallsensors 4 sind bereits an vorhergehender Stelle beschrieben worden.The methods for manufacturing the amplitude transformation unit 10 , if necessary in conjunction with other components of the ultrasonic sensor 4 have already been described in previous passage.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Ultraschall-Durchflussmessgerät Ultrasonic flowmeter
22
Medium medium
33
Messrohr measuring tube
44
Ultraschallsensor ultrasonic sensor
55
Regel-/Auswerteeinheit Control / evaluation unit
66
Öffnung opening
77
topfförmiges Gehäuse pot-shaped housing
88th
Membran membrane
99
elektromechanisches Wandlerelement electromechanical transducer element
1010
Amplitudentransformationseinheit Amplitude transformation unit
1111
erste Amplitudentransformationskomponente first amplitude transformation component
1212
zweite Amplitudentransformationskomponente second amplitude transformation component
1313
Frontmembran front membrane
1414
sich aufweitender Konus expanding cone
1515
sich verjüngender Konus tapering cone
1616
Endbereich end
1717
Endbereich end
1818
Druckausgleichsöffnung Pressure equalization port
1919
Kronenstruktur crown structure

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102004059524 A1 [0016] DE 102004059524 A1 [0016]
  • DE 102007027277 A1 [0016] DE 102007027277 A1 [0016]

Claims (20)

Ultraschallsensor (4) zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums (2) in der Automatisierungstechnik mit einer Sende-/Empfangseinheit (9) zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen, mit einer Einkoppeleinheit (8), über die die gesendeten Ultraschallsignale von der Sende-/Empfangseinheit (9) auf eine Amplitudentransformationseinheit (10) und die empfangenen Ultraschallsignale von der Amplitudentransformationseinheit (10) auf die Sende-/Empfangseinheit (9) eingekoppelt werden, wobei die Amplitudentransformationseinheit (10) eine erste Amplitudentransformationskomponente (11) mit einem ersten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt aufweitenden Konus (14) und zumindest eine zweite Amplitudentransformationskomponente (12) mit einem zweiten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt verjüngenden Konus (15) aufweist, wobei der zweite Konus (15) innerhalb des ersten Konus (14) angeordnet ist und wobei eine Frontmembran (13) an den in Abstrahlrichtung weisenden Endbereichen (16, 17) von erstem Konus (14) und von zweitem Konus (15) vorgesehen ist.Ultrasonic sensor ( 4 ) for determining or monitoring a process variable of a medium ( 2 ) in automation technology with a transceiver unit ( 9 ) for emitting and / or receiving ultrasound signals, with a coupling unit ( 8th ) via which the transmitted ultrasound signals from the transceiver unit ( 9 ) to an amplitude transformation unit ( 10 ) and the received ultrasound signals from the amplitude transformation unit ( 10 ) to the transceiver unit ( 9 ), wherein the amplitude transformation unit ( 10 ) a first amplitude transformation component ( 11 ) with a first cone which widens in cross-section in the emission direction of the ultrasound signals (US Pat. 14 ) and at least one second amplitude transformation component ( 12 ) with a second cone which tapers in cross-section in the emission direction of the ultrasound signals (US Pat. 15 ), wherein the second cone ( 15 ) within the first cone ( 14 ) and wherein a front membrane ( 13 ) at the end regions pointing in the direction of radiation ( 16 . 17 ) of the first cone ( 14 ) and second cone ( 15 ) is provided. Ultraschallsensor nach Anspruch 1, wobei an der Amplitudentransformationskomponente (10) zumindest eine Druckausgleichsöffnung (18) vorgesehen ist.An ultrasonic sensor according to claim 1, wherein at the amplitude transformation component ( 10 ) at least one pressure equalization opening ( 18 ) is provided. Ultraschallsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale weisenden Endbereiche (16, 17) des ersten Konus (14) und/oder des zweiten Konus (15) eine gezackte Kronenstruktur (19) aufweisen und wobei bevorzugt die Spitzen der gezackten Kronenstruktur/Kronenstrukturen (19) mit der Frontmembran (13) verbunden sind. Ultrasonic sensor according to claim 1 or 2, wherein the end regions pointing in the emission direction of the ultrasonic signals ( 16 . 17 ) of the first cone ( 14 ) and / or the second cone ( 15 ) a serrated crown structure ( 19 ) and wherein preferably the tips of the serrated crown structure / crown structures ( 19 ) with the front membrane ( 13 ) are connected. Ultraschallsensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der erste Konus (14) und der zweite Konus (15) bezüglich der konstruktiven Abmessungen und/oder der Schallgeschwindigkeit der verwendeten Materialien der Konen(14, 15) so aufeinander abgestimmt sind, dass die über die Frontmembran (13) in das Medium (2) abgestrahlten Ultraschallsignale bzw. die aus dem Medium (2) empfangenen Ultraschallsignale im Wesentlichen eine ebene Wellenfront bilden und/oder eine Wellenfront, die auf die Anforderungen der jeweiligen Applikation angepasst ist.An ultrasonic sensor according to claim 1, 2 or 3, wherein the first cone ( 14 ) and the second cone ( 15 ) with regard to the structural dimensions and / or the speed of sound of the materials used in the cones ( 14 . 15 ) are matched to one another in such a way that they reach over the front membrane ( 13 ) into the medium ( 2 ) radiated ultrasound signals or from the medium ( 2 ) received ultrasonic signals substantially form a planar wavefront and / or a wavefront, which is adapted to the requirements of the respective application. Ultraschallsensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Amplitudentransformationseinheit (10) einstückig ausgestaltet ist und über ein Selektives Lasersinter-Verfahren oder ein 3-D-Druck-Verfahren hergestellt ist.Ultrasonic sensor according to at least one of the preceding claims, wherein the amplitude transformation unit ( 10 ) is made in one piece and is made by a selective laser sintering process or a 3-D printing process. Ultraschallsensor nach Anspruch 5, wobei die Amplitudentransformationseinheit (10) und das Gehäuse (7) des Sensors über das Selektive Lasersinter-Verfahren oder das 3-D-Druck-Verfahren einstückig miteinander verbunden sind.Ultrasonic sensor according to claim 5, wherein the amplitude transformation unit ( 10 ) and the housing ( 7 ) of the sensor via the selective laser sintering process or the 3-D printing process are integrally connected together. Ultraschallsensor nach zumindest einem der Ansprüche 1–4, wobei die Amplitudentransformationseinheit (10) aus mehreren miteinander verbindbaren Einzelkomponenten gefertigt ist.Ultrasonic sensor according to at least one of claims 1-4, wherein the amplitude transformation unit ( 10 ) is made of several interconnectable individual components. Ultraschallsensor nach Anspruch 7, wobei die Einzelkomponenten (14, 15, 13) miteinander verschweißt, verlötet oder verklebt sind.Ultrasonic sensor according to claim 7, wherein the individual components ( 14 . 15 . 13 ) are welded together, soldered or glued together. Ultraschallsensor nach Anspruch 7 oder 8, wobei zumindest die Frontmembran (13) und einer der zumindest zwei Konen (15; 14) einstückig ausgebildet sind. Ultrasonic sensor according to claim 7 or 8, wherein at least the front membrane ( 13 ) and one of the at least two cones ( 15 ; 14 ) are integrally formed. Ultraschallsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frontmembran (13) eine wabenförmige Verstärkungsstruktur aufweist.Ultrasonic sensor according to one or more of the preceding claims, wherein the front membrane ( 13 ) has a honeycomb reinforcing structure. Ultraschallsensor nach zumindest einem der Ansprüche 1–10, wobei die Frontmembran (13) aus einem inhomogenen Material oder Schaum, wie offenzelligem PU-Schaum, verklebten Glashohlkugeln in Epoxymatrix oder Aluminium-Schaum, hergestellt ist.Ultrasonic sensor according to at least one of claims 1-10, wherein the front membrane ( 13 ) is made of an inhomogeneous material or foam, such as open-cell PU foam, bonded hollow glass spheres in epoxy matrix or aluminum foam. Ultraschallsensor nach zumindest einem der Ansprüche 1–10, wobei die Frontmembran (13) aus einem perforierten Material, wie Lochblech hergestellt ist, wobei der Durchmesser der Perforationen klein gegenüber der Wellenlänge der Ultraschallsignale ist.Ultrasonic sensor according to at least one of claims 1-10, wherein the front membrane ( 13 ) made of a perforated material, such as perforated plate, wherein the diameter of the perforations is small compared to the wavelength of the ultrasonic signals. Ultraschallsensor nach Anspruch 12, wobei der Durchmesser der Perforationen beispielsweise kleiner als eine halbe Wellenlänge, bevorzugt kleiner als ein Zehntel der Wellenlänge der Ultraschallwellen ist.An ultrasonic sensor according to claim 12, wherein the diameter of the perforations, for example, less than a half wavelength, preferably less than one-tenth of the wavelength of the ultrasonic waves. Ultraschallsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frontmembran (13) aus einer Keramik gefertigt ist.Ultrasonic sensor according to one or more of the preceding claims, wherein the front membrane ( 13 ) is made of a ceramic. Ultraschallsensor einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Frontmembran (13) und/oder zumindest einzelne Komponenten der Amplitudentransformationseinheit (10) über ein Ceramic-Injection-Molding-Verfahren (CIM-Verfahren) hergestellt ist/sind. Ultrasonic sensor according to one or more of claims 1 to 14, wherein the front membrane ( 13 ) and / or at least individual components of the amplitude transformation unit ( 10 ) is produced via a ceramic injection molding (CIM) process. Ultraschallsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Schutzbeschichtung (20) vorgesehen ist, die zumindest einen Teilbereich der Außenfläche des Ultraschallsensors (4) bedeckt.Ultrasonic sensor according to one or more of the preceding claims, wherein a protective coating ( 20 ) is provided, the at least a portion of the outer surface of the ultrasonic sensor ( 4 ) covered. Ultraschallsensor nach Anspruch 16, wobei die Schutzbeschichtung (20) über ein galvanisches Beschichtungsverfahren aufgebracht ist. An ultrasonic sensor according to claim 16, wherein the protective coating ( 20 ) is applied via a galvanic coating process. Ultraschallsensor nach zumindest einem der Ansprüche 1–17, wobei es sich bei der Sende-/Empfangseinheit (9), die die Ultraschallsignale erzeugt, sendet und empfängt, um zumindest ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element handelt, das kraftschlüssig an der Innenfläche einer ein topfförmiges Gehäuse (7) abschließenden endseitigen Membran (8) befestigt ist, wobei die endseitige Membran (8) so ausgestaltet ist, dass sie die Einkoppeleinheit zwischen der Sende-/Empfangseinheit (9) und der Amplitudentransformationseinheit (10) bildet.Ultrasonic sensor according to at least one of claims 1-17, wherein it is in the transceiver unit ( 9 ) which generates, transmits and receives the ultrasound signals, is at least one disk-shaped piezoelectric element, which is frictionally connected to the inner surface of a cup-shaped housing (FIG. 7 ) final end-face membrane ( 8th ), wherein the end-side membrane ( 8th ) is configured so that it the coupling unit between the transmitting / receiving unit ( 9 ) and the amplitude transformation unit ( 10 ). Ultraschallsensor nach zumindest einem der Ansprüche 1–17, wobei es sich bei der Sende-/Empfangseinheit (9), die die Ultraschallsignale erzeugt, sendet und empfängt, um mehrere scheibenförmige piezoelektrische Elemente handelt, die über eine Andrückmechanismus kraftschlüssig mit der Innenfläche einer ein topfförmiges Gehäuse (7) abschließenden endseitigen Membran (8) befestigt ist, wobei die endseitige Membran (8) so ausgestaltet ist, dass sie die Einkoppeleinheit zwischen der Sende-/Empfangseinheit (9) und der Amplitudentransformationseinheit (10) bildetUltrasonic sensor according to at least one of claims 1-17, wherein it is in the transceiver unit ( 9 ), which transmits, transmits and receives the ultrasonic signals, which are a plurality of disc-shaped piezoelectric elements, which are non-positively connected via a pressure mechanism to the inner surface of a cup-shaped housing (FIG. 7 ) final end-face membrane ( 8th ), wherein the end-side membrane ( 8th ) is configured so that it the coupling unit between the transmitting / receiving unit ( 9 ) and the amplitude transformation unit ( 10 ) Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Bestimmung oder Überwachung des Durchflusses eines Mediums (2) durch eine Rohrleitung mit einem Messrohr (3) und mit zumindest einem in einer Öffnung (6) der Wandung des Messrohrs (3) angeordneten Ultraschallsensor (4), wobei der Ultraschallsensor (4) in zumindest einem der Ansprüche 1–19 beschrieben ist.Ultrasonic flowmeter for determining or monitoring the flow of a medium ( 2 ) through a pipeline with a measuring tube ( 3 ) and at least one in an opening ( 6 ) of the wall of the measuring tube ( 3 ) arranged ultrasonic sensor ( 4 ), wherein the ultrasonic sensor ( 4 ) is described in at least one of claims 1-19.
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