DE102017104883A1 - Ultrasonic transducer of an ultrasonic flowmeter and such a flowmeter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden gasförmigen Mediums und ein solches Ultraschall-Durchflussmessgerät, wobei der Ultraschallwandler einen Ultraschallübertrager mit einer zum Medium gerichteten Stirnfläche und einen an die Stirnfläche angrenzenden ersten Bereich aufweist, und wobei eine Aufweitung (31) in einem dritten Bereich dazu eingerichtet ist, einen Schwingungsknote zu einer Arbeitsfrequenz gehörenden Schwingungsmode in den Bereich einer Gehäuseanbindung zu legen.The invention relates to an ultrasonic transducer of an ultrasonic flowmeter for measuring the flow rate or the volume flow of a flowing through a measuring tube gaseous medium and such an ultrasonic flowmeter, the ultrasonic transducer having an ultrasonic transducer with an end face directed toward the medium and a first region adjacent to the end face , and wherein a widening (31) in a third area is arranged to place a vibration node to a working frequency associated vibration mode in the region of a housing connection.
Description
Ultraschallwandler eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden gasförmigen Mediums und ein solches Ultraschall-Durchflussmessgerät.Ultrasonic transducer of an ultrasonic flowmeter for measuring the flow rate or the volume flow rate of a flowing through a measuring tube gaseous medium and such an ultrasonic flowmeter.
Ultraschallwandler sind bereits seit langem bekannt und werden in unterschiedlichen technischen Bereichen eingesetzt. So zeigt die Patentschrift
Im technischen Bereich der Ultraschall-Durchflussmessung ist es vorteilhaft, Ultraschallwandler einzusetzen, welche gepulste Ultraschallsignale aussenden und empfangen, da für eine Durchflussbestimmung eine Laufzeitmessung bzw. eine durch einen Durchfluss verursachte Frequenzverschiebung eines Spektralbereichs eines Ultraschallpulses genauere Informationen liefert als eine Frequenzverschiebung eines kontinuierlichen Ultraschallsignals. Die Patentschrift
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallwandler sowie Ultraschall-Durchflussmessgerät mit mindestens einem Ultraschallwandler vorzuschlagen, bei welchem mindestens einer der genannten Nachteile gelindert wird.The object of the invention is therefore to propose an ultrasonic transducer and ultrasonic flowmeter with at least one ultrasonic transducer, in which at least one of the disadvantages mentioned is alleviated.
Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts umfasst:
- Ein Wandlerelement zum Erzeugen und Erfassen von pulsförmigen Ultraschallsignalen;
- Einen Ultraschallübertrager zum Leiten von Ultraschallsignalen zwischen dem Wandlerelement und dem Medium,
- wobei der Ultraschallübertrager eine Längsachse und eine Mantelfläche sowie eine dem Wandlerelement abgewandte Stirnfläche aufweist, welche Stirnfläche die Längsachse schneidet und mediumsberührend ist;
- Ein Gehäuse, welches mit dem Ultraschallübertrager verbunden ist;
- wobei der Ultraschallübertrager auf der der Stirnfläche abgewandten Seite eine Rückseite aufweist, wobei das Wandlerelement und der Ultraschallübertrager akustisch und mechanisch über die Rückseite miteinander gekoppelt sind,
- wobei der Ultraschallwandler auf einer der Stirnfläche abgewandten Seite einen dritten Bereich aufweist, wobei sich der Ultraschallübertrager im dritten Bereich in Richtung der Rückseite zumindest abschnittsweise aufweitet,
- wobei die Aufweitung des Ultraschallübertragers beispielsweise konusförmig ist, wobei der dritte Bereich freistehend und mediumsberührend ist,
- wobei
- der dritte Bereich in einem Bereich maximaler Beabstandung der Mantelfläche von der Längsachse an das Gehäuse angebunden ist,
- wobei die Aufweitung des Ultraschallübertragers im dritten Bereich dazu eingerichtet ist, einen Schwingungsknoten einer zu einer Arbeitsfrequenz des Ultraschallwandlers gehörenden resonanten Schwingungsmode des Ultraschallübertragers in einen Bereich der Gehäuseanbindung zu legen.
- A transducer element for generating and detecting pulsed ultrasonic signals;
- An ultrasonic transducer for conducting ultrasonic signals between the transducer element and the medium,
- wherein the ultrasonic transducer has a longitudinal axis and a lateral surface and an end face facing away from the transducer element, which end face intersects the longitudinal axis and is in contact with the medium;
- A housing which is connected to the ultrasonic transducer;
- wherein the ultrasonic transducer on the side facing away from the end face has a rear side, wherein the transducer element and the ultrasonic transducer are acoustically and mechanically coupled to each other via the back,
- wherein the ultrasound transducer has a third region on a side remote from the end face, wherein the ultrasound transducer expands at least in sections in the third region in the direction of the back side,
- wherein the expansion of the ultrasound transducer is, for example, conical, the third region being free-standing and in contact with the medium,
- in which
- the third region is connected to the housing in a region of maximum spacing of the lateral surface from the longitudinal axis,
- wherein the expansion of the ultrasound transducer in the third region is set up to place a vibration node of a resonant vibration mode belonging to an operating frequency of the ultrasound transducer of the ultrasound transducer in a region of the housing connection.
Dadurch lässt sich die Übertragung von Schallsignalen zwischen Wandlerelement und Messrohr sowie umgekehrt weitgehend unterdrücken, was das Signal-Rauschen-Verhältnis und somit die Durchflussmessung stark verbessert.As a result, the transmission of sound signals between transducer element and measuring tube and vice versa largely suppress, which greatly improves the signal-to-noise ratio and thus the flow measurement.
Das Wandlerelement ist dabei bevorzugt ein piezoelektrisches Element.The transducer element is preferably a piezoelectric element.
In einer Ausgestaltung weist der Ultraschallwandler einen an die Stirnfläche angrenzenden ersten Bereich und einen an den ersten Bereich angrenzenden zweiten Bereich auf,
wobei der Ultraschallübertrager im ersten Bereich zumindest abschnittsweise einen Übergangsbereich aufweist, in welchem Übergangsbereich sich der Ultraschallübertrager in Richtung des zweiten Bereichs verjüngt, wobei der Übergangsbereich an den zweiten Bereich angrenzt, wobei der erste Bereich mit der Stirnfläche zu axialen Biegeschwingungen anregbar ist, wobei die Biegeschwingung ein Amplitudenmaximum auf der Mantelfläche aufweist.
wobei der erste Bereich und der zweite Bereich insbesondere freistehend und mediumsberührend sind.In one embodiment, the ultrasound transducer has a first region adjoining the end face and a second region adjoining the first region,
wherein the ultrasonic transducer in the first region at least partially has a transition region, in which transition region is the Ultrasonic transducer tapers in the direction of the second region, wherein the transition region adjacent to the second region, wherein the first region is stimulable with the end face to axial bending vibrations, wherein the bending vibration has an amplitude maximum on the lateral surface.
wherein the first region and the second region are in particular free-standing and medium-contacting.
Das Freistellen des Ultraschallübertragers im ersten und zweiten Bereich bzw. Vermeiden einer Umhausung dessen vermindert unerwünschte Resonatoreffekte, welche das Schwingungsverhalten des Ultraschallübertragers beeinträchtigen, wobei Resonatoreffekte insbesondere bei Umhausungen ausgeprägt sein können. Da Frequenzen von Resonanzmoden von durch Umhausungen erzeugten Resonanzkammern eine starke Abhängigkeit vom die Resonanzkammer füllenden Medium, sowie dessen Dichte und Temperatur aufweisen kann, würde eine solche Resonanzkammer Messergebnisse mit einer hohen Unsicherheit behaften, Hierbei weist die Aufweitung des Ultraschallübertragers im dritten Bereichs einen weiteren Vorteil auf, sie verhindert eine Rückstreuung von vom ersten Bereich abgestrahlten Ultraschallsignalen zum ersten Bereich und somit einen Resonatoreffekt, was das freie Schwingen des ersten Bereichs stören würde. Eine Freistellung des zweiten Bereichs und des dritten Bereichs ermöglicht die Zerstreuung der durch die Aufweitung reflektierten Ultraschallsignale in das Medium.Exempting the ultrasonic transducer in the first and second regions or avoiding a housing thereof reduces unwanted resonator effects which impair the vibration behavior of the ultrasound transducer, with resonator effects in particular being able to be pronounced in enclosures. Since frequencies of resonance modes of resonance chambers generated by enclosures can have a strong dependence on the medium filling the resonance chamber, as well as its density and temperature, such a resonance chamber would have measurement results with a high degree of uncertainty. In this case, the widening of the ultrasonic transducer in the third region has a further advantage , it prevents a backscatter of ultrasound signals radiated from the first region to the first region and thus a resonator effect, which would disturb the free oscillation of the first region. Exemption of the second region and the third region allows the dispersion of the ultrasonic signals reflected by the expansion into the medium.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist der Ultraschallübertrager im ersten Bereich mit der Stirnfläche zu axialen Biegeschwingungen anregbar, wobei die Biegeschwingung ein Amplitudenmaximum auf der Mantelfläche aufweist.In one embodiment of the ultrasonic transducer of the ultrasonic transducer in the first region with the end face can be excited to axial bending vibrations, wherein the bending vibration has an amplitude maximum on the lateral surface.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist im Übergangsbereich in Richtung des Wandlerelements eine den radialen Abstand der Mantelfläche zur Längsachse beschreibende Funktion monoton,
wobei die Funktion stufenweise konstant ist oder stufenweise konstante, in Richtung des Wandlerelements abnehmende Steigung aufweist.In an embodiment of the ultrasonic transducer, a function describing the radial distance of the lateral surface to the longitudinal axis is monotonic in the transition region in the direction of the transducer element,
wherein the function is stepwise constant or has stepwise constant, decreasing slope in the direction of the transducer element.
Durch diese Ausgestaltung lässt sich auf eine fertigungstechnisch einfach zu handhabende Art und Weise ein erster Bereich herstellen, bei welchem die Biegeschwingung ein Amplitudenmaximum auf der Mantelfläche aufweist.By means of this configuration, a first region can be produced in a manner which is easy to handle in terms of production technology, in which case the bending vibration has an amplitude maximum on the lateral surface.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist im Übergangsbereich in Richtung des Wandlerelements eine den radialen Abstand der Mantelfläche zur Längsachse beschreibende Funktion in Richtung des Wandlerelements streng monoton fallend,
wobei der Betrag einer Ableitung der Funktion nach einer Richtung parallel zu Längsachse kleiner 20 ist,
wobei die Funktion beispielsweise einer linearen Funktion, einer Exponentialfunktion, einer Bezierkurve, einer Gaußfunktion oder einer hyperbolischen Funktion folgt.In one embodiment of the ultrasound transducer, in the transition region in the direction of the transducer element, a function describing the radial distance of the lateral surface to the longitudinal axis in the direction of the transducer element is strictly monotonically decreasing,
the amount of derivative of the function being smaller than 20 in a direction parallel to the longitudinal axis,
The function follows, for example, a linear function, an exponential function, a Bezier curve, a Gaussian function or a hyperbolic function.
Durch diese Ausgestaltung lässt sich ein erster Bereich herstellen, bei welchem die Biegeschwingung ein Amplitudenmaximum auf der Mantelfläche aufweist, wobei der glatte Verlauf der Funktion spannungsmindernd wirkt, und somit durch Biegeschwingungen auftretende Spannungsbrüche vermeidet.This embodiment makes it possible to produce a first region in which the bending vibration has an amplitude maximum on the lateral surface, wherein the smooth course of the function has a stress-reducing effect, and thus avoids stress fractures occurring due to bending vibrations.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers weist eine axiale Ausdehnung y des Übergangsbereichs und ein maximaler radialer erster Abstand R1 der Mantelfläche zur Längsachse und ein minimaler radialer zweiter Abstand R2 der Mantelfläche zur Längsachse und eine Arbeitsfrequenz f des Ultraschallwandlers folgenden Zusammenhang auf:
und/oder wobei B kleiner als 2200 und insbesondere kleiner als 2000 und bevorzugt kleiner als 1800 ist,
wobei die Arbeitsfrequenz eine Zentralfrequenz der spektralen Verteilung des Ultraschallsignals ist.In one embodiment of the ultrasound transducer, an axial extent y of the transition region and a maximum radial first distance R1 of the lateral surface relative to the longitudinal axis and a minimum radial second distance R2 of the lateral surface relative to the longitudinal axis and an operating frequency f of the ultrasound transducer have the following relationship:
and / or wherein B is less than 2200 and in particular less than 2000 and preferably less than 1800,
wherein the operating frequency is a center frequency of the spectral distribution of the ultrasonic signal.
Die Arbeitsfrequenz ist dabei größer als 20 kHz und insbesondere größer als 50 kHz und bevorzugt größer als 75 kHz.The operating frequency is greater than 20 kHz and in particular greater than 50 kHz and preferably greater than 75 kHz.
Die Arbeitsfrequenz ist dabei kleiner als 400 kHz und insbesondere kleiner als 300 kHz und bevorzugt kleiner als 250 kHz.The operating frequency is less than 400 kHz and in particular less than 300 kHz and preferably less than 250 kHz.
Dadurch lässt sich eine maximale Abstrahleffizienz und/oder eine maximale Empfangseffizienz des Ultraschallwandlers einstellen.This makes it possible to set a maximum emission efficiency and / or a maximum reception efficiency of the ultrasonic transducer.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers schließt der dritte Bereich an den zweiten Bereich an.In one embodiment of the ultrasonic transducer, the third region adjoins the second region.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist im zweiten Bereich ein Abstand der Mantelfläche zur Längsachse in axialer Richtung zumindest abschnittsweise konstant.In one embodiment of the ultrasonic transducer, a distance of the lateral surface to the longitudinal axis in the axial direction is at least partially constant in the second region.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist die Mantelfläche im Wesentlichen rotationssymmetrisch.In one embodiment of the ultrasonic transducer, the lateral surface is substantially rotationally symmetrical.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist die Stirnfläche eben. In one embodiment of the ultrasonic transducer, the end face is flat.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers weist das Wandlerelement auf einer der Rückseite abgewandten Seite eine Backing-Masse auf.In one embodiment of the ultrasonic transducer, the transducer element has a backing mass on a side facing away from the back side.
Durch die Backing-Masse lässt sich eine axiale Gesamtlänge von Wandlerelement, Ultraschallübertrager und Backingmasse auf ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge einer zur Arbeitsfrequenz gehörenden Schwingungsmode einstellen und die somit die Schwingfähigkeit des Ultraschallwandlers bei der Arbeitsfrequenz verbessern.By means of the backing compound, an overall axial length of the transducer element, ultrasonic transducer and backing mass can be set to an odd multiple of half the wavelength of a vibration mode associated with the operating frequency and thus improve the vibration capability of the ultrasonic transducer at the operating frequency.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist der Ultraschallübertrager aus einem Werkstoff gefertigt, welcher Werkstoff eine longitudinale Schallgeschwindigkeit im Bereich von 5000 m/s bis 7000 m/s aufweist, wobei der Werkstoff insbesondere ein Stoff aus folgender Liste ist:
Titan, Edelstahl, Aluminium, Magnesium Glas, eine Legierung umfassend Nickel und/oder Molybdän und/oder Kupfer.In one embodiment of the ultrasonic transducer of the ultrasonic transducer is made of a material which material has a longitudinal speed of sound in the range of 5000 m / s to 7000 m / s, the material is in particular a substance from the following list:
Titanium, stainless steel, aluminum, magnesium glass, an alloy comprising nickel and / or molybdenum and / or copper.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist eine axiale Länge von Ultraschallübertrager und Wandlerelement und falls vorhanden Backing-Element ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge einer zur Arbeitsfrequenz gehörenden Schwingungsmode.In one embodiment of the ultrasound transducer, an axial length of ultrasound transducer and transducer element and, if present, backing element is an odd multiple of half the wavelength of a vibration mode associated with the operating frequency.
In einer Ausgestaltung weist der Ultraschallwandler mindestens einen Dämpfungsring auf, welcher zumindest teilweise im ersten Bereich und zweiten Bereich angeordnet ist und den Ultraschallübertrager umgreift, wobei der Dämpfungsring eng an der Mantelfläche des Ultraschallübertragers anliegt.In one embodiment, the ultrasound transducer has at least one damping ring, which is arranged at least partially in the first region and the second region and surrounds the ultrasound transducer, wherein the damping ring rests closely against the lateral surface of the ultrasound transducer.
In einer Ausgestaltung weist der Ultraschallübertrager im zweiten Bereich eine zweite Aufweitung auf, wobei die Verjüngung des Ultraschallübertragers im ersten Bereich sowie die zweite Aufweitung eine Mulde bilden, in welcher Mulde der Dämpfungsring angeordnet ist.In one embodiment, the ultrasound transmitter has a second widening in the second region, the taper of the ultrasound transducer in the first region and the second widening forming a depression, in which depression the damping ring is arranged.
Dämpfungsringe können hilfreich sein, um eine zeitliche Dauer eines abgestrahlten Ultraschallpulses zu begrenzen und ein Nachschwingen des Ultraschallübertragers bei Erfassen eines Ultraschallpulses einzuschränken. Des Weiteren können sie auch hilfreich sein, oben erwähnte Resonanzeffekte zu vermeiden oder abzuschwächen.Dampening rings can be helpful in limiting a time duration of a radiated ultrasonic pulse and restricting a ringing of the ultrasonic transducer upon detection of an ultrasonic pulse. Furthermore, they may also be helpful in avoiding or mitigating the aforementioned resonance effects.
Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden gasförmigen Mediums nach dem Laufzeitdifferenzenprinzip oder Dopplerprinzip umfassend:
- Ein Messrohr mit einer Messrohrwandung;
- Mindestens einen Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Ultraschallwandler in der Messrohrwandung angeordnet sind;
- Eine Mess-/Betriebsschaltung, welche dazu eingerichtet ist, den Ultraschallwandler zu betreiben und die durch den Ultraschallwandler erfassten Ultraschallsignale auszuwerten.
- A measuring tube with a measuring tube wall;
- At least one ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic transducers are arranged in the measuring tube wall;
- A measurement / operating circuit which is adapted to operate the ultrasonic transducer and to evaluate the detected by the ultrasonic transducer ultrasonic signals.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
-
1 zeigt einen skizzenhaften Querschnitt durch einen beispielhaften Ultraschallwandler. -
2 zeigt einen skizzenhaften Querschnitt durch einen weiteren beispielhaften Ultraschallwandler mit einem Dämpfungsring. -
3 zeigt einen skizzenhaften Querschnitt durch einen weiteren beispielhaften Ultraschallwandler mit einem Dämpfungsring. -
4 .1 bis 4.4 zeigen Konturen einer Frontseite eines beispielhaften Ultraschallübertragers des Ultraschallwandlers. -
5 zeigt einen schematischen beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts.
-
1 shows a sketchy cross section through an exemplary ultrasonic transducer. -
2 shows a sketchy cross-section through another exemplary ultrasonic transducer with a damping ring. -
3 shows a sketchy cross-section through another exemplary ultrasonic transducer with a damping ring. -
4 FIGS. 1 to 4.4 show contours of a front side of an exemplary ultrasound transducer of the ultrasound transducer. -
5 shows a schematic exemplary structure of an ultrasonic flowmeter according to the invention.
An den Übergangsbereich
Bevorzugterweise ist der Ultraschallübertrager rotationssymmetrisch, da er sich dann auf eine einfache und günstige Weise fertigen lässt.Preferably, the ultrasonic transducer is rotationally symmetrical, since it can then be finished in a simple and inexpensive way.
Die in den
Die in den
Die in
Eine wie in
Alternativ kann die Strömungsgeschwindigkeit auch anhand einer Frequenzverschiebung des Spektralbereichs eines Ultraschalsignals bestimmt werden, welches an Partikeln im Medium zum Ultraschallwandler
Anstatt des in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Ultraschallwandlerultrasound transducer
- 1010
- erster Bereichfirst area
- 1111
- ÜbergangsbereichTransition area
- 2020
- zweiter Bereichsecond area
- 2121
- zweite Aufweitungsecond expansion
- 3030
- dritter Bereichthird area
- 3131
- Aufweitungwidening
- 4141
- Gehäuseanbindunghousing connection
- 4040
- Gehäusecasing
- 5050
- Wandlerelementtransducer element
- 6060
- Backing-MasseBacking mass
- 7070
- Messrohrmeasuring tube
- 7171
- MessrohrwandungMessrohrwandung
- 8080
- elektronische Mess-/Betriebsschaltungelectronic measuring / operating circuit
- 100100
- Ultraschall-DurchflussmessgerätUltrasonic flowmeter
- SS
- Stirnflächeface
- MM
- Mantelflächelateral surface
- UU
- UltraschallübertragerUltrasound transducer
- RR
- Rückseiteback
- LL
- Längsachselongitudinal axis
- R1R1
- erster Abstand R1first distance R1
- R2R2
-
zweiter Abstand
R2 second distanceR2 - yy
- axiale Ausdehnungaxial extent
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 4757227 [0002]US 4757227 [0002]
- US 3891869 [0003]US 3891869 [0003]
Claims (14)
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- 2017-03-08 DE DE102017104883.9A patent/DE102017104883A1/en active Pending
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