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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezowandler, insbesondere für Ultraschall, insbesondere zur Durchflussmessung.
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Geräte zur industriellen Durchflussmessung mittels Ultraschall basieren herkömmlicherweise auf der Verwendung entsprechender piezoelektrischer Sensoren. Diese werden üblicherweise seitlich über Anschlussstücke in die von Flüssigkeiten oder Gasen durchströmtem Rohre eingeführt und sind mit ihrer insbesondere planaren Vorderseite gegenüber der Rohrwand entweder leicht zurückversetzt, bündig oder ragen etwas über die Rohrwandung nach innen hinein. Die Dichtung gegenüber dem Fluid erfolgt beispielsweise mittels Verschraubung oder Verklebung im Anschlussstück (Änderung hier bitte von anderer Anmeldung übernehmen).
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Als Piezoelemente werden herkömmlicherweise bevorzugt einfache metallisierte Scheiben oder geklebte Stapel aus Einzelkeramikplättchen verwendet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Piezowandler, insbesondere zur Durchflussmessung, insbesondere mittels Ultraschall, eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit und eines Gases, mit geforderten aktorischen und sensorischen Eigenschaften bereit zu stellen. Es soll in-situ eine an das Fluid wirksam angepasste akustische Impedanz kostengünstig eingestellt werden können. Eine geforderte akustische Impedanz kann im Vergleich zum Stand der Technik klein sein. Es soll eine ausreichende mechanische Stabilität bereit gestellt werden, wobei der Piezowandler zu einem Strömungskanal dicht ankoppelbar sein soll. Das gesuchte aktive Piezoelement soll in der industriellen Ultraschall-Durchflussmessung verwendbar sein.
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Die Aufgabe wird mittels eines Piezowandlers gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Piezowandler, insbesondere für Ultraschall, zur Durchflussmessung vorgeschlagen, wobei mindestens ein piezoelektrisches Material aufweisender durch gekrümmte Flächen begrenzter, entlang einer Längsachse sich räumlich erstreckender Piezo-Hohlkörper zwischen Elektrodenmaterial angeordnet ist, wobei der Piezowandler derart ausgestaltet ist, eine Längenänderung des Piezo-Hohlkörpers, insbesondere an einem Längsende des Piezo-Hohlkörpers, aktorisch zu bewirken und/oder sensorisch zu erfassen.
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Der Piezowandler ist als ein einen aktorischen und/oder sensorischen Längeneffekt senkrecht zur Feldrichtung und damit als ein den Transversaleffekt nutzender piezoelektrischer, insbesondere piezokeramischer, Hohlkörper ausgebildet.
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Der Piezowandler ist als ein einem Transversaleffekt nutzender piezoelektrischer Hohlkörper ausgebildet, der vorteilhaft an einem Randbereich eines Strömungskanals fixierbar ist.
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Entsprechend werden vorteilhaft die Eigenschaften eines Querdehnelementes genutzt.
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Anstatt eine Piezokeramik über einen d33-/g33-Effekt in Dickenrichtung einer planar liegenden Scheibe anzuregen, wird ein d31-/g31-Effekt eines piezokeramischen Hohlkörpers genutzt, d.h. einen piezoelektrischen Transversaleffekt. Ein aktorischer d31-Effekt einer Piezokeramik beträgt zwar lediglich ca. 40 % eines d33-Effektes. Für eine elektrische Ansteuerung, insbesondere zur Durchflussmessung, ergeben sich keinerlei Nachteile, auch wenn die erforderlichen Auslenkungen gering sind.
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Es wird vorteilhaft ein aktorischer d31- und/oder ein sensorischer g31-Transversaleffekt genutzt.
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Ein vorteilhafter Piezowandler oder Piezotransducer eignet sich vorteilhaft für Anwendungen, bei denen Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugt oder erfasst werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Piezowandlers vorgeschlagen, bei dem Trockenpressen, Strangpressen, Schlickergießen, Folien wickeln, additives Fertigen, Entbindern, Sintern, mechanisches Bearbeiten, Metallisieren oder Polarisieren ausgeführt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der mindestens eine Piezo-Hohlkörper zwischen einem inneren und einem äußeren, jeweils durch gekrümmte Flächen begrenzten, entlang der Längsachse sich räumlich erstreckende Elektroden-Hohlkörper eingefasst sein, die zu dem oder den Piezo-Hohlkörper (n) insbesondere koaxial sind und das Elektrodenmaterial aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Piezowandler von einem, insbesondere zu dem oder den Piezo-Hohlkörper (n) koaxialen, insbesondere durch gekrümmte Flächen begrenzten, entlang der Längsachse sich räumlich erstreckenden Gehäuse-Hohlkörper, insbesondere bestehend aus Metall, umfasst sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mindestens eine Piezo-Hohlkörper oder der Gehäuse-Hohlkörper an einer Grundflächenseite mittels einer Membran abgeschlossen sein, wobei das Längsende des Piezo-Hohlkörpers aktorisch und/oder sensorisch im Kraftfluß mit der Membran gekoppelt ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Membran eine Umfassung eines Strömungskanals, insbesondere ein Strömungsrohr, in Richtung zum Inneren des Strömungskanals, insbesondere hermetisch, dicht abschließen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Gehäuse-Hohlkörper zu der Umfassung des Strömungskanals mechanisch, insbesondere mittels Federn, Faltenbalg und/oder Materialauswahl, vorgespannt sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mindestens eine Piezo-Hohlkörper, die Elektroden-Hohlkörper und/oder der Gehäuse-Hohlkörper als Hohlzylinder ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mindestens eine Piezo-Hohlkörper, die Elektroden-Hohlkörper und/oder der Gehäuse-Hohlkörper als Kegelstumpf ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Dicke des mindestens einen Piezo-Hohlkörpers entlang der Längsachse des Piezo-Hohlkörpers veränderlich, insbesondere in Richtung zu dem Längsende sich verkleinernd, ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mindestens eine Piezo-Hohlkörper mittels mindestens eines entlang der Längsachse sich räumlich erstreckenden und die Membran passiv abstützenden Elementes, insbesondere Puffers oder Gummipuffers, mechanisch entlastet sein.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt zu einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 einen Längsschnitt zum ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 einen Längsschnitt zu einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 einen Längsschnitt zu einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt einen Querschnitt zu einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 zeigt einen Piezowandler P im Querschnitt, wobei ein Piezo-Hohlkörper 1 von einem inneren Elektroden-Hohlkörper 3 und einem äußerem Elektroden-Hohlkörper 5 umfasst und elektrisch kontaktiert ist. Der Piezo-Hohlkörper 1 und die Elektroden-Hohlkörper 3 und 5 sind zudem von einem Gehäuse-Hohlkörper 7 eingefasst. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind hier alle Hohlkörper, und zwar der Piezo-Hohlkörper 1, die Elektroden-Hohlkörper 3 und 5 sowie der Gehäuse-Hohlkörper 7 jeweils als Hohlzylinder 15 ausgebildet. Alle Hohlkörper erstrecken sich räumlich entlang der Längsachse L, die in diesem Querschnitt als Mittelpunkt dargestellt ist.
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2 zeigt einen Längsschnitt des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Piezowandler P weist hier wieder eine Hohlzylinderform auf, wobei ein Piezo-Hohlzylinder 1 von einem inneren Elektroden-Hohlzylinder 3 und einem äußerem Elektroden-Hohlzylinder 5 eingefasst ist. Der Piezo-Hohlzylinder 1 und die in einfassenden Elektroden-Hohlzylinder 3 und 5 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel in einem Gehäuse-Hohlkörper positioniert, der hier ebenso als ein Gehäuse-Hohlzylinder 7 ausgebildet ist. Das Bezugszeichen 15 kennzeichnet in 2 jeweils die geometrische Form eines Hohlzylinders.
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Der Piezowandler P ist hier als ein Querdehnelement ausgestaltet, wobei eine Änderung des Piezo-Hohlzylinders 1 entlang einer Längsachse L als Längenänderung des Piezo-Hohlkörpers aktorisch bewirkt und/oder sensorisch erfasst wird. Ein Längsende des Piezo-Hohlzylinders 1 ist mechanisch mit einer Membran 9 gekoppelt, die eine Umfassung 11 eines Strömungskanals 13 dicht abschließt. Entsprechende Schwingungen der Membran 9 können von dem Piezowandler P erfasst oder in diese eingeprägt werden. Besonders vorteilhaft können Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugt und/oder messtechnisch erfasst werden. In dem Strömungskanal 13 fließt ein Strömungsmedium, beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit.
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Um die mechanische Stabilität des Piezowandlers P in diesem umgebenden, hermetisch dichten Gehäuse-Hohlkörper 7, das insbesondere ein Metallgehäuse sein kann, zu gewährleisten, und zwar insbesondere gegenüber dem von außerhalb des Gehäuse-Hohlkörpers 7 wirkenden Druck des Strömungsmediums bzw. Fluids im Strömungskanal 13, werden folgende Maßnahmen vorgeschlagen. Der Gehäuse-Hohlkörper 7 kann mechanisch vorgespannt werden. Dies kann beispielsweise mittels einer externen Feder oder mittels einer entsprechenden Auslegung des Gehäuse-Hohlkörpers 7 erfolgen. Beispielsweise kann der Gehäuse-Hohlkörper 7 als ein Falkenbalg bereitgestellt werden. Ebenso kann der Gehäuse-Hohlkörper 7 als Dehnelement zur Umfassung 11 des Strömungskanals 13 ausgebildet sein. Alternativ kann er als eine Integration entsprechender Federmodule beispielsweise mittels Rohrfedern ausgeführt werden. Alternativ kann der Piezo-Hohlkörper 1 als eine Verschachtelung mehrerer Piezoelemente ineinander oder als ein monolithischer Vielschichtaufbau in radialer Richtung von der Längsachse L geschaffen sein. Entsprechend kann eine Vielzahl von Piezo-Hohlkörpern 1, die beispielsweise als Piezo-Hohlzylinder ausgeführt sind, ineinander verschachtelt werden. Diese Piezo-Hohlzylinder können wiederum von einem inneren und einem äußerem Elektroden-Hohlzylinder 3 und 5 elektrisch kontaktiert werden.
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3 zeigt einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezowandlers P. Alternativ zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 sind hier der Piezo-Hohlkörper 1 und die Elektroden-Hohlkörper 3 und 5 als jeweilige Kegelstümpfe 17 ausgebildet. Der Gehäuse-Hohlkörper 7 ist weiterhin als ein Hohlzylinder 15 geschaffen. Der Gehäuse-Hohlkörper 7 ist zu dem Strömungskanal 13 hin mittels der Membran 9 abgeschlossen.
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4 zeigt einen Längsschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Piezowandlers P. 4 zeigt einen Gehäuse-Hohlzylinder 15 als Ausgestaltung eines Gehäuse-Hohlkörpers 7. Innerhalb des zum Strömungskanal 13 mit einer Membran 9 abgeschlossenen Gehäuse-Hohlkörpers 7 ist ein Piezo-Hohlzylinder 1 dargestellt, dessen Dicke D entlang der Längsachse L sich zu dem Längsende an der Membran 9 verkleinert. Des Weiteren zeigt 4 ein sich entlang der Längsachse L räumlich erstreckendes Element E, das sich passiv an der Membran 9 abstützt und auf diese Weise eine mechanische Beanspruchung des Piezo-Hohlkörpers 1 verkleinert. Es kann alternativ eine Mehrzahl von passiv abstützenden Elementen E ausgebildet sein. Die passiv abstützenden Elemente E können beispielsweise als Puffer insbesondere bestehend aus Kunststoff erzeugt sein. Kräfte von Seiten des Strömungskanals 13 auf die Membran 9 werden zusätzlich von dem passiv abstützenden Elementen E zusätzlich zu dem aufnehmenden Piezo-Hohlkörper 1 aufgenommen. 4 zeigt eine Variation der Wanddicke eines Piezotubus über die Länge. Alternativ kann die Ausgestaltung gemäß 3 und gemäß 4 kombiniert werden. Es erfolgt eine Übernahme einer mechanischen statischen Stützfunktion mittels der passiven Elemente E, die ebenso als Druckelemente bezeichnet werden können, die beispielsweise als Gummipuffer zu einem aktiven Piezotubus als passive Puffer parallel geschaltet sein können.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer Piezowandler P mittels additivem Fertigen hergestellt werden.
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Hergestellt werden kann der erfindungsgemäße Piezowandler P mit keramischen Herstellungsverfahren wie Trockenpressen, Strangpressen, Schlickerguss, Folien-Wickeltechnik, mittels additiver Fertigungsverfahren bei anschließender Entbinderung und Sinterung, mittels mechanischer Bearbeitung, mittels Metallisierung und Polarisation.
