DE102016115199A1 - Ultrasonic sensor for determining or monitoring a process variable of a medium in automation technology - Google Patents
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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.
- 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
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:
Im gezeigten Fall sind die beiden Ultraschallsensoren
Das Messrohr
Die das Medium
Über die Membran
Die Amplitudentransformationseinheit
Wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben, sind der erste Konus
Wird er Ultraschallsensor
Während bei der ersten Ausgestaltung (
Die Verfahren zur Fertigung der Amplitudentransformationseinheit
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
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- DE 102007027277 A1 [0016] DE 102007027277 A1 [0016]
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