DE102016115199B4 - Ultrasonic sensor for determining or monitoring a process variable of a medium in automation technology - Google Patents
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Abstract
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, 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 transmitter/receiver unit (9) for transmitting and/or receiving ultrasonic signals, with a coupling unit via which the transmitted ultrasonic signals are transmitted from the transmitter/ receiving unit (9) to an amplitude transformation unit (10) and the received ultrasonic signals are coupled from the amplitude transformation unit (10) to the transmitter/receiver unit (9), the amplitude transformation unit (10) having a first amplitude transformation component (11) with a first one in the emission direction the cone (14) that widens in cross-section of the ultrasonic signals and at least one second amplitude transformation component (12) with a second cone (15) that narrows in cross-section in the direction of emission of the ultrasonic signals, the second cone (15) being arranged inside the first cone (14). and wherein a front membrane (13) is provided on the end regions (16, 17) of the first cone (14) and of the second cone (15) pointing in the emission direction.
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 are used, among other things, in ultrasonic flowmeters. Ultrasonic flow measuring devices 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.An ultrasonic flowmeter working according to the time-of-flight consists of at least two ultrasonic sensors, each of which is fastened in an opening in the wall of a measuring tube. With this so-called inline flow meter, the measuring tube is fitted into the pipeline. At least two ultrasonic sensors are offset from one another in the direction of flow 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 transmitter and receiver unit. A control/evaluation unit, usually at least one microcontroller with appropriate software, determines the volume and/or mass flow of the fluid medium in the pipeline or in the measuring tube based on the transit time difference of the ultrasonic signals in the direction of flow and against the direction of flow. Corresponding ultrasonic flow measuring devices are offered and sold by the applicant in different versions for different applications. The applicant's flowmeters are called, for example: Prosonic Flow 92F, 93C or B200. Also known are ultrasonic flowmeters that work according to the Doppler principle and 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.An electromechanical converter, which is usually at least one piezoelectric element, serves as the transmitting and/or receiving unit. The electromechanical converter is arranged in a pot-shaped housing whose end face facing the medium is closed by a membrane at the end. Impedance matching between the ultrasonic sensor and the medium takes place via at least one suitably configured matching layer.
Die
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor mit einer verbesserten Impedanzanpassung vorzuschlagen.The
The invention is based on the object of proposing an ultrasonic sensor with 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 transmitter/receiver unit for transmitting and/or receiving ultrasonic signals, with a coupling unit, via which the transmitted ultrasonic signals are transmitted from the transmitter/receiver unit to a Amplitude transformation unit and the received ultrasonic signals are coupled from the amplitude transformation unit to the transmitter / receiver unit. The amplitude transformation unit comprises a first amplitude transformation component with a first cone that widens in cross section in the direction of emission of the ultrasonic signals and at least a second amplitude transformation component with a second cone that narrows in cross section in the direction of emission of the ultrasonic signals, with 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 stiff membrane which has properties comparable to those of a loudspeaker membrane. The usual thickness to diameter ratio for these membranes is less than 1:5; preferably the ratio is less than 1:20. The amplitude transformation unit is in contact with the medium, ie 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 can be at the Affect front membrane surface radiated wave front of the ultrasonic signals so that the ratio of transmission to reflection is maximum or at least approximately maximum.
- - Due to the high proportion of transmission of the ultrasonic signals through the front membrane, the structure-borne noise, i.e. the proportion of the ultrasonic signals that do not propagate through the medium but through the wall of the measuring tube/pipe and disturb the measurement signal acquisition, is reduced. According to the invention, an optimized signal/noise ratio can therefore be implemented.
- A desired wavefront in the near field of the radiating front membrane can be achieved via the configuration and/or the choice of material for the first cone and second cone. In many applications, the emission of a plane wavefront is advantageous because it has a maximum energy density. In the case of measuring tubes with a small measuring tube to sensor diameter, ie with a measuring tube to sensor diameter of less than 10:1 or preferably 3:1, focusing of the wave front or a spherical wave can be advantageous. The sound wave is amplitude transformed by the first cone and reaches the front membrane. The amplitude of the sound wave is further increased via the second cone and adapted to the medium to be measured with regard to the impedance. Through the dimensioning of the cones and/or the choice of materials (material-dependent speed of sound) from which the cones are made, the propagation time of the sound waves in the cones can be varied in such a way that the desired shape of the wave front is radiated into or out of the medium medium is received.
- Since the two cones of the amplitude transformation unit are only connected to the membrane in two ring-shaped areas, the impedance is lower than in the case of the matching layers previously used for impedance matching in ultrasonic sensors. Therefore, the amplitude transformation unit according to the invention allows the ultrasonic signals to be transmitted into the medium or received from the medium almost undamped with a high amplitude via the front membrane.
- Another advantage of the amplitude transformation unit according to the invention is that it can be easily adapted to any medium to be measured by selecting the appropriate material and/or dimensioning of the cones and can also be retrofitted to an ultrasonic sensor with a pot-shaped housing and transmitter/receiver unit . Preferably - but by no means exclusively - the ultrasonic sensor according to the invention or the flow meter with the ultrasonic sensor according to the invention is suitable for measuring the propagation 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 ultrasonic signals sent or received by the transmitter/receiver unit are influenced, e.g. focused, via the first amplitude transformation component with the cone expanding in cross section. The acoustic adaptation of the ultrasonic measurement signals takes place via the second amplitude transformation component, which has a cone that tapers in cross-section in the direction of emission. It goes without saying that, depending on the design and application, amplitude transformation units with more than two cones can also be used.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors ist an der Amplitudentransformationseinheit 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 unit. This is particularly advantageous when using the ultrasonic sensor to measure the volume or flow rate of a gas in a pipeline, since possible pressure surges or a temporary or continuous overpressure or underpressure do not lead to the destruction of the amplitude transformation unit. Despite the filigree structure of the amplitude transformation unit, it is characterized by 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 jagged crown structure. Preferably only the tips of the jagged crown structure(s) are connected to the front membrane. Despite the filigree design of the crown structure of the amplitude transformation unit, a pressure resistance and/or stability can be achieved according to the invention that are/is greater than in a corresponding amplitude transformation unit with a closed construction 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, an advantageous development of the ultrasonic sensor according to the invention provides that the first cone and the second cone are matched to one another with regard to the structural dimensions and/or the speed of sound of the materials used for the cones in such a way that the Medium emitted ultrasonic signals or received from the medium ultrasonic signals essentially form a plane wavefront and / or Wavefront that is adapted to the requirements of the respective application. Ultrasonic sensors can be used in a measuring tube that has any shape and/or any 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, especially in the case of gases. Incidentally, an application in connection with the invention is understood to mean that the ultrasonic sensor is installed on a measuring tube with a defined diameter, with a defined medium flowing through the measuring tube. The ultrasonic sensor according to the invention can be easily adapted to all possible applications or groups of applications that have comparable properties 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 considered particularly advantageous if the amplitude transformation unit according to the invention is designed in one piece. A one-piece amplitude transformation unit can be produced in a simple manner using a selective laser sintering process or a 3D printing process. In addition, the amplitude transformation unit and the cup-shaped housing or the sensor cup of the ultrasonic sensor can also be produced in one piece using the selective laser sintering process or the 3D printing process.
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 made from several individual components that can be connected to one another. The individual components are connected to one another using conventional connection 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.However, at least the front membrane is preferably designed in one piece with one of the two cones—preferably with the second cone. Here, too, the production processes already mentioned 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 the purpose of increased stability, the front membrane can have a honeycomb, hexagonal reinforcement structure. It preferably consists of an inhomogeneous material or foam, such as open-cell PU foam, bonded hollow glass spheres in an epoxy matrix or aluminum foam. The advantage of these configurations 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 ceramic. Ceramic is very durable and is not attacked by most aggressive media. A ceramic front membrane can be produced as a combination of membrane and inner cone using a ceramic injection molding process (CIM process). Alternatively, a possibly processed ceramic plate material can be used, on which a metallic layer is provided for the purpose of soldering.
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 thinned towards the center in the curved area. As a result of this measure, the acoustic coupling to the measuring tube and thus the unwanted structure-borne noise can be reduced on the one hand, 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.A protective coating is advantageously provided in order to protect the partial area of the ultrasonic sensor that comes into contact with the medium from abrasive damage or chemical changes caused by the influence of the medium or the environment. This can be of a metallic, polymeric or ceramic nature. When using individual components, the protective coating is applied, for example, after they have been assembled and thus also protects the connection points in particular.
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.Additionally or alternatively, the protective coating can be applied using a galvanic coating process, and is therefore suitable both for connecting the individual components and for protecting 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 the transmitter/receiver unit, which generates, transmits and receives the ultrasonic signals, is at least one disk-shaped piezoelectric element which is non-positively connected to the inner surface surface of an end membrane terminating a pot-shaped housing, the end membrane being designed in such a way that it forms the coupling unit between the transmitter/receiver 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 transmitter/receiver unit, which generates, transmits and receives the ultrasonic signals, consists of several disc-shaped piezoelectric elements which are non-positively attached to the inner surface of a membrane at the end of a pot-shaped housing by means of a pressure mechanism, the end membrane is designed so that it forms the coupling unit between the transmitter / receiver 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 been described above in different configurations, is preferably used in an ultrasonic flowmeter for determining or monitoring the flow of a medium through a pipeline with a measuring tube and with at least one in an opening in the wall of the Measuring tube arranged ultrasonic sensor used. In addition to the flow meter described above, which determines the flow of the medium on the basis of the transit time difference of ultrasonic signals in and against the direction of flow 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 displacement.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : eine schematische Darstellung eines Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräts 1 - teilweise im Längsschnitt, -
2 : eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors, -
2a : einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch den in2 gezeigten Ultraschallsensor, -
3 : eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors und -
3a : einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch den in3 gezeigten Ultraschallsensor.
-
1 : a schematic representation of an inline ultrasonic flow meter 1 - partially in longitudinal section, -
2 : a perspective view of a first embodiment of an ultrasonic sensor according to the invention, -
2a : a longitudinal section according to the marking AA through the in2 shown ultrasonic sensor, -
3 : a perspective view of a second embodiment of an ultrasonic sensor according to the invention and -
3a : a longitudinal section according to the marking AA through the in3 shown ultrasonic sensor.
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
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.A fluid medium 2 , which is essentially a liquid or a gaseous medium 2 , flows through the measuring tube 3 in the flow direction S . The two
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 sound waves traversing the medium 2 preferably run on the measurement path MP that is drawn in, which characterizes the shortest connection between the two
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.The ultrasonic signals or ultrasonic waves generated by the electromechanical transducer element are coupled to the
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
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
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
Während bei der ersten Ausgestaltung (
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
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Ultraschall-DurchflussmessgerätUltrasonic flow meter
- 22
- Mediummedium
- 33
- Messrohrmeasuring tube
- 44
- Ultraschallsensorultrasonic sensor
- 55
- Regel-/Auswerteeinheitcontrol/evaluation unit
- 66
- Öffnungopening
- 77
- topfförmiges Gehäusepot-shaped housing
- 88th
- Membranmembrane
- 99
- elektromechanisches Wandlerelementelectromechanical converter element
- 1010
- Amplitudentransformationseinheitamplitude transformation unit
- 1111
- erste Amplitudentransformationskomponentefirst amplitude transformation component
- 1212
- zweite Amplitudentransformationskomponentesecond amplitude transformation component
- 1313
- Frontmembranfront membrane
- 1414
- sich aufweitender Konusexpanding cone
- 1515
- sich verjüngender Konustapered cone
- 1616
- Endbereichend area
- 1717
- Endbereichend area
- 1818
- Druckausgleichsöffnungpressure equalization opening
- 1919
- Kronenstrukturcrown structure
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