DE102018109807A1 - Ultrasonic transducer and flowmeter - Google Patents

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Abstract

Ultraschallwandler (10) umfassend:
mindestens ein Wandlerelement (11), welches dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu erzeugen und/oder zu erfassen;
ein Koppelelement (12), welches dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale zwischen dem Wandlerelement und dem Messrohr sowie umgekehrt zu leiten;
wobei das Wandlerelement dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale entlang einer Oberflächennormalen (11.1) des Wandlerelements abzustrahlen, wobei ein räumliches Abstrahlprofil des Ultraschallsignals einen Zentralbereich (Z) mit einer ersten Wellenfront und einen Außenbereich mit einer zweiten Wellenfront aufweist,
wobei das Koppelelement auf einer zweiten, dem Messrohr zuzuwendenden Seite (12.2) eine zweite Seitenfläche (12.21) mit einem Kontaktbereich (12.22) aufweist, welche zweite Seitenfläche mittels des Kontaktbereichs dazu eingerichtet ist, mit dem Messrohr akustisch und mechanisch gekoppelt zu werden,
dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement eine Ausblendeeinrichtung (13) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die zweite Wellenfront zumindest abschnittsweise am Erreichen des Kontaktbereichs zumindest teilweise zu hindern.

Figure DE102018109807A1_0000
Ultrasonic transducer (10) comprising:
at least one transducer element (11) which is adapted to generate and / or detect ultrasonic signals;
a coupling element (12) which is adapted to conduct ultrasonic signals between the transducer element and the measuring tube and vice versa;
wherein the transducer element is adapted to emit ultrasonic signals along a surface normal (11.1) of the transducer element, wherein a spatial emission profile of the ultrasound signal has a central region (Z) with a first wavefront and an outer region with a second wavefront,
wherein the coupling element has a second side surface (12.21) with a contact region (12.22) on a second side (12.2) facing the measuring tube, which second side surface is adapted by means of the contact region to be acoustically and mechanically coupled to the measuring tube,
characterized in that the coupling element has a masking device (13) which is adapted to at least partially prevent the second wavefront from reaching the contact region at least in sections.
Figure DE102018109807A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler eines Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts, sowie das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät, wobei das Durchflussmessgerät dazu eingerichtet ist, eine Durchflussgeschwindigkeit bzw. einen Volumendurchfluss eines durch ein Messrohr strömenden Mediums zu messen.The invention relates to an ultrasonic transducer of a clamp-on ultrasonic flowmeter, and the clamp-on ultrasonic flowmeter, wherein the flowmeter is adapted to measure a flow rate or a volume flow of a medium flowing through a measuring tube.

Clamp-On-Ultraschallwandler gemäß dem Stand der Technik weisen üblicherweise ein Wandlerelement sowie ein Koppelelement auf, wobei das Wandlerelement auf einer dem Messrohr abzuwendenden Seite des Koppelelements angebracht ist. Vom Wandlerelement erzeugte Ultraschallsignale laufen somit durch das Koppelelement zum Messrohr und werden über eine Messrohrwandung in das Messrohr eingekoppelt. Beispielhaft sei an dieser Stelle folgende Schrift genannt: DE102015107567A1 .Clamp-on ultrasonic transducers according to the prior art usually have a transducer element and a coupling element, wherein the transducer element is mounted on a side facing away from the measuring tube of the coupling element. Ultrasonic signals generated by the transducer element thus pass through the coupling element to the measuring tube and are coupled into the measuring tube via a measuring tube wall. By way of example, the following document may be mentioned at this point: DE102015107567A1 ,

Die Wandlerelemente weisen üblicherweise eine scheibenförmige Geometrie auf, die Erzeugung eines Ultraschallsignals basiert auf einer erzwungenen schnellen Dickenänderung des Wandlerelements. Diese Dickenänderung erzeugt ein Ultraschallsignal mit einer in einem Zentralbereich in guter Näherung ebenen Wellenfront, welche für eine Ultraschall-Durchflussmessung genutzt werden kann.The transducer elements usually have a disk-shaped geometry, the generation of an ultrasonic signal based on a forced rapid change in thickness of the transducer element. This change in thickness produces an ultrasonic signal with a wavefront, which is in a good approximation in a central region, which can be used for an ultrasonic flow measurement.

Jedoch treten in einem Randbereich solcher Wandlerelemente Störanteile des Ultraschallsignals auf, welche eine nichtebene Wellenfront aufweisen und an anderen Stellen in das Messrohr eintreten, als die ebene Wellenfront. Diese Störanteile erhöhen auf eine recht zuverlässige Art und Weise ein Störschallniveau im Messrohr und verschlechtern ein Signal/Rauschen-Verhältnis.However, in an edge region of such transducer elements, interference components of the ultrasound signal which have a non-planar wavefront and enter the measuring tube at other locations than the planar wavefront occur. These noise components increase a level of noise in the measuring tube in a fairly reliable manner and worsen the signal-to-noise ratio.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallwandler sowie ein Clamp-On-Ultraschalldurchflussmessgerät vorzuschlagen, bei welchen der Einfluss des Störanteils auf das Signal/Rauschen-Verhältnis gemindert ist.The object of the invention is therefore to propose an ultrasonic transducer and a clamp-on ultrasonic flowmeter, in which the influence of the noise component is reduced to the signal / noise ratio.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler umfassend:

  • mindestens ein Wandlerelement, insbesondere ein piezoelektrisches Wandlerelement, welches dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu erzeugen und/oder zu erfassen;
  • ein Koppelelement, welches dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale zwischen dem Wandlerelement und dem Messrohr sowie umgekehrt zu leiten;
  • wobei das Wandlerelement auf einer ersten, dem Messrohr abzuwendenen Seite des Koppelelements angeordnet ist und mit diesem akustisch und mechanisch gekoppelt ist;
  • wobei das Wandlerelement dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale insbesondere entlang einer Oberflächennormalen des Wandlerelements abzustrahlen, wobei ein räumliches Abstrahlprofil des Ultraschallsignals einen Zentralbereich mit einer ersten Wellenfront und einen Außenbereich mit einer zweiten Wellenfront aufweist,
  • wobei Normalenvektoren der ersten Wellenfront maximal einen Maximalwinkel β1 zur Oberflächennormalen aufweisen, und wobei Normalenvektoren der zweiten Wellenfront zumindest einen Mindestwinkel β2 zur Oberflächennormalen aufweisen,
  • wobei das Koppelelement auf einer zweiten, dem Messrohr zuzuwendenden Seite eine zweite Seitenfläche mit einem Kontaktbereich aufweist, welche zweite Seitenfläche mittels des Kontaktbereichs dazu eingerichtet ist, mit dem Messrohr akustisch und mechanisch gekoppelt zu werden,
  • wobei durch Anlegen des Koppelelements an ein Messrohr in Richtung einer Messrohrachse des Messrohrs eine dritte Seite und eine der dritten Seite gegenüberliegende vierte Seite definiert ist,
  • wobei dass das Koppelelement eine Ausblendeeinrichtung aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die zweite Wellenfront zumindest abschnittsweise am Übertreten in das Messrohr zumindest teilweise zu hindern.
The object of the invention is achieved by an ultrasonic transducer according to the invention comprising:
  • at least one transducer element, in particular a piezoelectric transducer element, which is set up to generate and / or detect ultrasonic signals;
  • a coupling element which is adapted to conduct ultrasonic signals between the transducer element and the measuring tube and vice versa;
  • wherein the transducer element is arranged on a first side of the coupling element which is to be averted from the measuring tube and is acoustically and mechanically coupled thereto;
  • wherein the transducer element is adapted to emit ultrasonic signals, in particular along a surface normal of the transducer element, wherein a spatial emission profile of the ultrasound signal has a central region with a first wavefront and an outer region with a second wavefront,
  • wherein normal vectors of the first wavefront have at most a maximum angle β 1 to the surface normal, and wherein normal vectors of the second wavefront have at least one minimum angle β 2 have surface normal,
  • wherein the coupling element has a second side surface with a contact region on a second side facing the measuring tube, which second side surface is set up by means of the contact region to be acoustically and mechanically coupled to the measuring tube,
  • wherein, by applying the coupling element to a measuring tube in the direction of a measuring tube axis of the measuring tube, a third side and a fourth side opposite the third side are defined,
  • wherein the coupling element has a masking device, which is adapted to at least partially prevent the second wavefront from at least partially passing into the measuring tube.

In einer Ausgestaltung weist das Koppelelement eine Mantelfläche auf, wobei die Ausblendeeinrichtung mindestens eine Spaltgruppe mit mindestens einem Spalt aufweist, welcher Spalt von der Mantelfläche in das Koppelelement hineinragt,
wobei der Spalt dazu eingerichtet ist, in einen räumlichen Ausbreitungsbereich der zweiten Wellenfront hineinzuragen,
wobei der Spalt ein Luftspalt ist oder mit einem akustisch dämpfenden Material gefüllt ist,
wobei das akustisch dämpfende Material beispielsweise ein Polyurethanschaum oder eine mehrlagige Metall- bzw. Kunststofffolie mit zwischen den Lagen angeordneten Polymerschichten ist.In one embodiment, the coupling element has a jacket surface, wherein the masking device has at least one gap group with at least one gap, which gap protrudes from the jacket surface into the coupling element,
wherein the gap is adapted to project into a spatial propagation area of the second wavefront,
wherein the gap is an air gap or filled with an acoustically damping material,
wherein the acoustically damping material is for example a polyurethane foam or a multilayer metal or plastic film with polymer layers arranged between the layers.

Ein Ultraschallsignalanteil, welcher auf den Spalt auftrifft, wird teilweise rückreflektiert sowie teilweise in den Spalt eindringen und verliert dabei an Intensität.An ultrasonic signal component, which impinges on the gap, is partially reflected back and partially penetrate into the gap and thereby loses intensity.

In einer Ausgestaltung weist der Spalt eine Dicke auf, wobei die Dicke senkrecht zur zweiten Seitenfläche ist, wobei die Dicke des Spalts größer als 0.02 mm, und insbesondere größer als 0.05 mm und bevorzugt größer als 0.1mm, und/oder kleiner als 1.5 mm und insbesondere kleiner als 1.2 mm und bevorzugt kleiner als 1 mm ist.In one embodiment, the gap has a thickness, wherein the thickness is perpendicular to the second side surface, wherein the thickness of the gap is greater than 0.02 mm, and in particular greater than 0.05 mm and preferably greater than 0.1mm, and / or less than 1.5 mm and in particular less than 1.2 mm and preferably less than 1 mm.

Durch die Eingrenzung des Spalts auf eine Höchstdicke kann eine strukturelle Integrität des Koppelelements aufrechterhalten werden, eine Mindestdicke stellt sicher, dass die Dicke der Spalte größer ist als maximale auftretende Amplituden der Ultraschallsignale im Koppelelement.By limiting the gap to a maximum thickness, a structural integrity of the coupling element can be maintained, a minimum thickness ensures that the thickness of the column is greater than the maximum occurring amplitudes of the ultrasonic signals in the coupling element.

In einer Ausgestaltung umfasst mindestens eine Spaltgruppe mehrere Spalten, welche Spalte in einer senkrechten Richtung zur zweiten Seitenfläche zueinander versetzt sind, wobei die senkrechte Richtung jeweils eine Höhe eines jeden Spalts bezüglich der zweiten Seitenfläche definiert.In one embodiment, at least one split group includes a plurality of columns which are offset from one another in a direction perpendicular to the second side surface, the vertical direction defining a height of each gap with respect to the second side surface.

Auf diese Weise kann eine Intensität von störenden Ultraschallsignalanteilen weiter vermindert werden.In this way, an intensity of interfering ultrasonic signal components can be further reduced.

In einer Ausgestaltung ist ein Versatz benachbarter Spalte so bemessen, dass eine Totalreflektion des Ultraschallsignals auftritt, oder dass das Ultraschallsignal in die Ausblendeeinrichtung eintritt und dort sukzessive abgeschwächt wird.In one embodiment, an offset of adjacent column is dimensioned so that a total reflection of the ultrasonic signal occurs, or that the ultrasonic signal enters the masking device and is successively attenuated there.

In einer Ausgestaltung ist der bezüglich der Höhe tiefste Spalt einer Spaltgruppe ein Luftspalt, wobei mindestens ein weiterer Spalt mit einem akustisch dämpfenden Material, beispielsweise einem Schaumstoff oder einem Kunststoff gefüllt ist.In one embodiment, the lowest gap of a gap group with respect to the height is an air gap, wherein at least one further gap is filled with an acoustically damping material, for example a foam or a plastic.

Durch einen im Vergleich mit akustisch dämpfenden Materialen gefüllten Spalten hohen Unterschied der akustischen Impedanzen von Spalt und Koppelelement wird ein größerer Signalanteil am Luftspalt verstärkt rückreflektiert und durchläuft die mit akustisch dämpfendem Material gefüllten Spalte ein zweites Mal.By a filled in comparison with acoustically damping materials columns high difference of the acoustic impedance of gap and coupling element a larger signal component at the air gap is reflected back reinforced and passes through the filled with acoustic damping material column a second time.

In einer Ausgestaltung weist die erste Seite eine der dritten Seite zugewandte, bezüglich der zweiten Seitenfläche schräge Einkoppelfläche auf, auf welcher Einkoppelfläche das Wandlerelement angeordnet ist,
wobei eine erste Spaltgruppe auf der dritten Seite des Koppelelements angeordnet ist, und/oder wobei eine zweite Spaltgruppe auf der vierten Seite des Koppelelements angeordnet ist.In one embodiment, the first side has a coupling surface that faces the third side and is inclined with respect to the second side surface, on which coupling surface the transducer element is arranged.
wherein a first gap group is arranged on the third side of the coupling element, and / or wherein a second gap group is arranged on the fourth side of the coupling element.

In einer Ausgestaltung weist die zweite Seite eine der dritten Seite zugewandte, bezüglich der zweiten Seitenfläche schräge Reflektionsfläche und/oder eine der vierten Seite zugewandte, bezüglich der zweiten Seitenfläche schräge Reflektionsfläche auf, welche Reflektionsfläche jeweils dazu eingerichtet ist, das Ultraschallsignal in einem räumlichen Ausbreitungsbereich der zweiten Wellenfront in das Koppelelement teilweise rückzureflektieren.In one configuration, the second side has a reflection surface which faces the third side and / or a reflection surface which faces the second side surface and faces the third side surface, which reflection surface is in each case adapted to transmit the ultrasonic signal in a spatial propagation region partially reflect back the second wavefront in the coupling element.

Auf diese Weise wird der störende Ultraschallsignalanteil zumindest bereichsweise in das Koppelelement rückreflektiert und zerstreut.In this way, the disturbing ultrasonic signal component is at least partially reflected back into the coupling element and scattered.

In einer Ausgestaltung weist die schräge Reflektionsfläche eine Einkerbung auf, welche dazu eingerichtet ist, das rückreflektierte Ultraschallsignal zu streuen.In one embodiment, the oblique reflecting surface has a notch which is adapted to scatter the back-reflected ultrasonic signal.

Eine Einkerbung kann bei entsprechender Ausgestaltung die Zerstreuung des störenden Ultraschallsignalanteils unterstützen.A notch may assist with appropriate design, the dispersion of the interfering ultrasonic signal component.

In einer Ausgestaltung weist die zweite Seitenfläche eine Vertiefung auf, welche dazu eingerichtet ist, die zweite Wellenfront zumindest abschnittsweise an einem Übertreten in das Messrohr zu hindern, wobei die Vertiefung den Kontaktbereich zumindest abschnittsweise umgrenzt.In one embodiment, the second side surface has a depression, which is configured to prevent the second wavefront, at least in sections, from transgressing into the measuring tube, wherein the depression delimits the contact region at least in sections.

In einer Ausgestaltung weist die zweite Seitenfläche eine Randfläche auf, welche die Vertiefung umgrenzt.In one embodiment, the second side surface has an edge surface which bounds the depression.

Durch Einrichten einer Randfläche kann ein stabiler Sitz des Koppelelements auf dem Messrohr gewährleistet werden.By establishing an edge surface, a stable seat of the coupling element can be ensured on the measuring tube.

In einer Ausgestaltung gilt folgendes: β1 < 15° und/oder β2 > 15°.In one embodiment, the following applies: β 1 <15 ° and / or β 2 > 15 °.

In einer Ausgestaltung gilt folgendes: β1 < 10° und/oder β2 > 10°In one embodiment, the following applies: β 1 <10 ° and / or β 2 > 10 °

In einer Ausgestaltung gilt folgendes: β1 < 5° und/oder β2 > 5°In one embodiment, the following applies: β 1 <5 ° and / or β 2 > 5 °

In einer Ausgestaltung ist β1 so gewählt, dass eine Ultraschallsignalamplitude gegenüber einem Maximalwert einer räumlichen Amplitudenverteilung um weniger als 12dB, und insbesondere weniger als 9dB, und bevorzugt weniger als 6dB abfällt, bzw. β2 so gewählt, dass ein Mindestabfall von 12dB und insbesondere 9dB und bevorzugt 6dB eintritt.In one embodiment β 1 is selected so that an ultrasonic signal amplitude falls below a maximum value of a spatial amplitude distribution by less than 12 dB, and in particular less than 9 dB, and preferably less than 6 dB, or β 2 chosen so that a minimum drop of 12dB and especially 9dB and preferably 6dB occurs.

Ein erfindungsgemäßes Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit bzw. eines Volumendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden Mediums nach dem Laufzeitdifferenzenprinzip umfasst:A clamp-on ultrasonic flowmeter according to the invention for measuring a flow rate or a volume flow rate of a medium flowing through a measuring tube according to the transit time difference principle comprises:

Mindestens ein Paar Ultraschallwandler mit Ultraschallwandlern nach einem der vorigen Ansprüche, welche Ultraschallwandler entlang einer Messrohrachse des Messrohrs versetzt zueinander am Messrohr angeordnet sind, wobei die Ultraschallwandler eines Paars dazu eingerichtet sind, wechselseitig Ultraschallsignale zu senden und zu empfangen;
eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Generieren von Durchflussmesswerten.At least one pair of ultrasonic transducers with ultrasonic transducers according to one of the preceding claims, which ultrasonic transducers are arranged along a measuring tube axis of the measuring tube offset from each other on the measuring tube, wherein the ultrasonic transducers of a pair are adapted to mutually transmit and receive ultrasonic signals;
an electronic measuring / operating circuit for operating the ultrasonic transducers and for generating flow measurements.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.In the following the invention will be described by means of exemplary embodiments.

1 skizziert den Aufbau eines Clamp-On-Ultraschallwandlers gemäß dem Stand der Technik; 2 skizziert den Aufbau einer Variante eines erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallwandlers; 3 skizziert den Aufbau eines weiteren erfindungsgemäßen Clamp-On-Ultraschallwandlers; 4 skizziert eine Aufsicht auf eine zweite Seite eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers; und 5 skizziert einen Aufbau eines Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts. 1 outlines the structure of a clamp-on ultrasonic transducer according to the prior art; 2 outlines the structure of a variant of a clamp-on ultrasonic transducer according to the invention; 3 outlines the structure of another clamp-on ultrasonic transducer according to the invention; 4 outlines a plan view of a second side of an ultrasonic transducer according to the invention; and 5 outlined a construction of a clamp-on ultrasonic flowmeter.

1 zeigt einen schematischen Aufbau eines typischen Clamp-On-Ultraschallwandlers 10 mit einem Wandlerelement 11 und einem Koppelelement 12, wobei das Wandlerelement an einer Einkoppelfläche 12.11 auf einer einem Messrohr 20 abzuwendenden ersten Seite 12.1 des Koppelelements angebracht ist. Das Koppelelement ist dazu eingerichtet, Ultraschallsignale zwischen dem Wandlerelement und dem Messrohr sowie umgekehrt zu leiten. In Folge dessen weist das Koppelelement auf einer zweiten, dem Messrohr zuzuwendenden Seite 12.2 eine zweite Seitenfläche 12.21 mit einem Kontaktbereich 12.22 auf, welche zweite Seitenfläche mittels des Kontaktbereichs dazu eingerichtet ist, mit dem Messrohr akustisch und mechanisch gekoppelt zu werden. Das Wandlerelement ist unter anderem dazu eingerichtet, Ultraschallsignale zu erzeugen und entlang einer Oberflächennormalen 11.1 des Wandlerelements in das Koppelelement abzustrahlen, wobei ein räumliches Abstrahlprofil des Ultraschallsignals einen Zentralbereich Z mit einer ersten, näherungsweise ebenen Wellenfront und einen Außenbereich A mit einer zweiten, gekrümmten Wellenfront aufweist. Normalenvektoren der ersten, näherungsweise ebenen Wellenfront weisen maximal einen Maximalwinkel β1 zur Oberflächennormalen auf, Normalenvektoren der zweiten Wellenfront weisen zumindest einen Mindestwinkel β2 zur Oberflächennormalen auf. Da nur der Ultraschallsignalanteil aus dem Zentralbereich für eine Messung eines Ultraschalldurchflusses genutzt werden kann, stellt der Ultraschallsignalanteil aus dem Außenbereich einen störenden Anteil dar, welcher ebenfalls in das Messrohr eintritt und daher ein Signal/Rauschen-Verhältnis verschlechtert. Beispielsweise kann der Winkel β1 kleiner 15° und insbesondere kleiner 10° und bevorzugt kleiner 5° sowie β2 größer als 15° und insbesondere größer als 10° und bevorzugt größer als 5° sein. 1 shows a schematic structure of a typical clamp-on ultrasonic transducer 10 with a transducer element 11 and a coupling element 12 , wherein the transducer element at a coupling surface 12:11 on a measuring tube 20 averting first page 12.1 of the coupling element is attached. The coupling element is adapted to conduct ultrasonic signals between the transducer element and the measuring tube and vice versa. As a result, the coupling element on a second, facing the measuring tube side 12.2 a second side surface 12:21 with a contact area 12:22 on which second side surface is arranged by means of the contact region to be acoustically and mechanically coupled to the measuring tube. The transducer element is, inter alia, adapted to generate ultrasonic signals and along a surface normal 11.1 of the transducer element to radiate into the coupling element, wherein a spatial radiation profile of the ultrasonic signal has a central region Z with a first, approximately flat wavefront and an outdoor area A having a second, curved wavefront. Normal vectors of the first, approximately planar wavefront have a maximum maximum angle β 1 to the surface normal, normal vectors of the second wavefront have at least a minimum angle β 2 to the surface normal. Since only the ultrasound signal component from the central region can be used for a measurement of an ultrasound flow, the ultrasound signal component from the outside represents an interfering component, which likewise enters the measuring tube and therefore degrades a signal / noise ratio. For example, the angle β 1 less than 15 ° and in particular less than 10 ° and preferably less than 5 ° and β 2 greater than 15 ° and in particular greater than 10 ° and preferably greater than 5 °.

2 zeigt einen schematischen beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers. Das Koppelelement 12 weist eine Ausblendeeinrichtung mit zwei Spaltgruppen 13.1 mit jeweils zwei Spalten 13.11 auf, welche in die Mantelfläche 12.51 auf der dritten Seite 12.3 und der vierten Seite 12.4 eingebracht sind. Die Spalte können beispielsweise mit Luft oder einem akustisch dämpfenden Material wie einem Polyurethanschaum oder eine mehrlagige Metall- bzw. Kunststofffolie mit zwischen den Lagen angeordneten Polymerschichten gefüllt sein. Ein auf die Spalte auftreffender Ultraschallsignalanteil wird teilweise rückreflektiert und teilweise gedämpft, wobei die Intensität der Rückreflektion unter anderem von akustischen Eigenschaften des Koppelelements sowie des die Spalte füllenden Materials abhängt. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass hauptsächlich der Zentralbereich des Ultraschallsignals in das Messrohr eintritt, und das Eintreten des Außenbereichs des Ultraschallsignals großenteils unterbunden wird. 2 shows a schematic exemplary structure of an ultrasonic transducer according to the invention. The coupling element 12 has a blanking device with two splitting groups 13.1 with two columns each 13:11 on which in the lateral surface 12:51 on the third page 12.3 and the fourth page 12.4 are introduced. For example, the gaps may be filled with air or an acoustically damping material such as a polyurethane foam or a multilayer metal or plastic film having polymer layers disposed between the layers. An incident on the column ultrasonic signal component is partially reflected back and partially attenuated, the intensity of the back reflection depends inter alia on the acoustic properties of the coupling element and the column filling material. In this way, it can be achieved that mainly the central region of the ultrasonic signal enters the measuring tube, and the entry of the outer region of the ultrasonic signal is largely prevented.

Die Spalte sind in einer senkrechten Richtung zur zweiten Seitenfläche zueinander versetzt, wobei die senkrechte Richtung jeweils eine Höhe 13.13 eines jeden Spalts bezüglich der zweiten Seitenfläche definiert. Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler ist nicht auf die hier gezeigte Anzahl von Spalten und der gezeigten Spaltgruppierungen beschränkt. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler auch nur einen Spalt auf der dritten Seite 12.3 und/oder der vierten Seite 12.4 aufweisen. Es können aber auch mehr als zwei Spalte pro Spaltgruppe angeordnet sein. Verschiedene Spaltgruppen können verschiedene Spaltanzahlen aufweisen.The gaps are offset from each other in a direction perpendicular to the second side surface, the vertical direction each having a height 13:13 of each gap defined with respect to the second side surface. An inventive ultrasonic transducer is not limited to the number of columns shown here and the splitting groupings shown. For example, an inventive ultrasonic transducer also only a gap on the third side 12.3 and / or the fourth page 12.4 exhibit. However, it is also possible for more than two gaps to be arranged per gap group. Different splitting groups can have different numbers of splits.

3 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Ultraschallwandler, wobei das Koppelelement auf der zweiten Seite 12.2 eine der dritten Seite 12.3 zugewandte Reflektionsfläche 13.2 sowie eine Spaltgruppe 13.1 auf der vierten Seite 12.4 aufweist. Die Reflektionsfläche reflektiert einen Teil des Außenbereichs des Ultraschallsignals in das Koppelelement zurück und vermindert dadurch den zum Rauschen beitragenden Anteil des Ultraschallsignals. Alternativ zur in 3 gezeigten Ausführung kann ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler auch ein Koppelelement ohne Spalte und mindestens einer Reflektionsfläche 13.2 aufweisen, welche der dritten Seite 12.3 oder der vierten Seite 12.4 zugewandt ist. Bei Kombination von Spalten mit Reflektionsflächen können Spaltgruppen mit Spalten beliebiger Anzahl mit Reflektionsfläche auf der dritten Seite und/oder der vierten Seite angeordnet sein. Die in 3 gezeigte Ausführung ist nicht beschränkend auszulegen. Die Reflektionsfläche 13.2 kann auch eine Einkerbung mit einer oder mehreren Kerben aufweisen. Eine Einkerbung kann bei entsprechender Ausgestaltung die Zerstreuung des störenden Ultraschallsignalanteils unterstützen. Die Einkerbung kann beispielsweise eine Pyramidenstruktur oder eine Eierbecherstruktur aufweisen. Alternativ kann die Einkerbung auch eine unregelmäßige Struktur aufweisen. 3 shows a further ultrasonic transducer according to the invention, wherein the coupling element on the second side 12.2 one of the third page 12.3 facing reflection surface 13.2 as well as a splitting group 13.1 on the fourth page 12.4 having. The reflecting surface reflects back a part of the outer region of the ultrasonic signal into the coupling element and thereby reduces the proportion of the ultrasonic signal contributing to the noise. Alternatively to in 3 As shown, an ultrasonic transducer according to the invention may also have a coupling element without gaps and at least one reflection surface 13.2 which are the third side 12.3 or the fourth page 12.4 is facing. When columns are combined with reflection surfaces, groups of columns with columns of any number with reflection surface can be arranged on the third side and / or the fourth side. In the 3 shown embodiment is not construed restrictively. The reflection surface 13.2 may also have a notch with one or more notches. A notch may assist with appropriate design, the dispersion of the interfering ultrasonic signal component. The notch may, for example, have a pyramidal structure or an eggcup structure. Alternatively, the notch may also have an irregular structure.

Generell können alle Flächen außer der Kontaktfläche 12.22 und der Einkoppelfläche 12.11 jeweils eine Einkerbung zur Zerstreuung von reflektierten Ultraschallsignalen aufweisen. In general, all surfaces except the contact surface 12:22 and the coupling surface 12:11 each have a notch for dispersing reflected ultrasound signals.

4 zeigt eine Aufsicht auf eine beispielhafte erfindungsgemäße zweite Seite 12.2 des Koppelelements. Die zweite Seite 12.2 weist einen Kontaktbereich 12.22 auf, welcher dazu eingerichtet ist, mit dem Messrohr kontaktiert zu werden. Der Kontaktbereich ist von einer Vertiefung 12.23 umgeben, welche dazu eingerichtet ist, zumindest einen Teil des Außenbereichs am Übertritt in das Messrohr zu hindern. Die Vertiefung kann beispielsweise zumindest teilweise mit einem akustisch dämpfenden Material gefüllt sein. Die Vertiefung ist von einer Randfläche 12.24 umgeben, mittels welcher eine sichere und stabile Auflage des Koppelelements auf dem Messrohr sichergestellt werden kann. Alternativ zur Einrichtung einer Vertiefung im Koppelelement kann der Kontaktbereich 12.22 durch Anbringen einer Scheibe und/oder die Randfläche 12.24 durch Anbringen eines Stützrings hergestellt sein. 4 shows a plan view of an exemplary inventive second page 12.2 of the coupling element. The second page 12.2 has a contact area 12:22 which is adapted to be contacted with the measuring tube. The contact area is from a depression 12:23 surrounded, which is adapted to prevent at least a part of the outer area at the passage into the measuring tube. For example, the recess may be at least partially filled with an acoustically damping material. The depression is of an edge surface 12:24 surrounded, by means of which a secure and stable support of the coupling element can be ensured on the measuring tube. As an alternative to establishing a depression in the coupling element, the contact region 12:22 by attaching a disc and / or the edge surface 12:24 be made by attaching a support ring.

5 skizziert ein Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät 1 mit einem Messrohr 20, welches dazu eingerichtet ist, ein Medium zu führen, zwei daran angeordneten erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern 10 und einer elektronischen Mess-/Betriebsschaltung 777, welche dazu eingerichtet ist, die Ultraschallwandler zu betreiben sowie Durchflussmesswerte zu generieren. Das Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät arbeitet beispielsweise nach einem Laufzeitdifferenzenprinzip. 5 outlines a clamp-on ultrasonic flowmeter 1 with a measuring tube 20 , which is adapted to guide a medium, two ultrasonic transducers according to the invention arranged thereon 10 and an electronic measuring / operating circuit 777 , which is set up to operate the ultrasonic transducers and to generate flow measurements. The clamp-on ultrasonic flowmeter, for example, operates according to a transit time difference principle.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Clamp-On-Ultraschall-DurchflussmessgerätClamp-on ultrasonic flowmeter
1010
Ultraschallwandlerultrasound transducer
1111
Wandlerelementtransducer element
11.111.1
Oberflächennormalesurface normal
1212
Koppelelementcoupling element
12.112.1
erste Seitefirst page
12.1112:11
Einkoppelflächecoupling surface
12.212.2
zweite Seitesecond page
12.2112:21
zweite Seitenflächesecond side surface
12.2212:22
Kontaktbereichcontact area
12.2312:23
Vertiefungdeepening
12.2412:24
Randflächeedge surface
12.312.3
dritte Seitethird page
12.412.4
vierte Seitefourth page
12.5112:51
Mantelflächelateral surface
1313
AusblendeeinrichtungAusblendeeinrichtung
13.113.1
Spaltgruppegap group
13.1113:11
Spaltgap
13.1213:12
Versatzoffset
13.1313:13
Höheheight
13.213.2
Reflektionsflächereflecting surface
2020
Messrohrmeasuring tube
777777
elektronische Mess-/Betriebsschaltungelectronic measuring / operating circuit
AA
Außenbereichoutdoors
ZZ
ZentralbereichCentral area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102015107567 A1 [0002]DE 102015107567 A1 [0002]

Claims (14)

Ultraschallwandler (10) eines Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgeräts (1), welches Durchflussmessgerät dazu eingerichtet ist, eine Durchflussgeschwindigkeit bzw. einen Volumendurchfluss eines durch ein Messrohr (20) strömenden Mediums zu messen, wobei der Ultraschallwandler umfasst: mindestens ein Wandlerelement (11), insbesondere ein piezoelektrisches Wandlerelement, welches dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale zu erzeugen und/oder zu erfassen; ein Koppelelement (12), welches dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale zwischen dem Wandlerelement und dem Messrohr sowie umgekehrt zu leiten; wobei das Wandlerelement auf einer ersten, dem Messrohr abzuwendenen Seite (12.1) des Koppelelements angeordnet ist und mit diesem akustisch und mechanisch gekoppelt ist; wobei das Wandlerelement dazu eingerichtet ist, Ultraschallsignale insbesondere entlang einer Oberflächennormalen (11.1) des Wandlerelements abzustrahlen, wobei ein räumliches Abstrahlprofil des Ultraschallsignals einen Zentralbereich (Z) mit einer ersten Wellenfront und einen Außenbereich (A) mit einer zweiten Wellenfront aufweist, wobei Normalenvektoren der ersten Wellenfront maximal einen Maximalwinkel β1 zur Oberflächennormalen aufweisen, und wobei Normalenvektoren der zweiten Wellenfront zumindest einen Mindestwinkel β2 zur Oberflächennormalen aufweisen, wobei das Koppelelement auf einer zweiten, dem Messrohr zuzuwendenden Seite (12.2) eine zweite Seitenfläche (12.21) mit einem Kontaktbereich (12.22) aufweist, welche zweite Seitenfläche mittels des Kontaktbereichs dazu eingerichtet ist, mit dem Messrohr akustisch und mechanisch gekoppelt zu werden, wobei durch Anlegen des Koppelelements an ein Messrohr in Richtung einer Messrohrachse bzw. Messrohrmittenlinie des Messrohrs eine dritte Seite (12.3) und eine der dritten Seite gegenüberliegende vierte Seite (12.4) definiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement eine Ausblendeeinrichtung (13) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die zweite Wellenfront zumindest abschnittsweise am Übertreten in das Messrohr zumindest teilweise zu hindern.Ultrasonic transducer (10) of a clamp-on ultrasonic flowmeter (1), which flowmeter is adapted to measure a flow rate or a volume flow of a medium flowing through a measuring tube (20), the ultrasonic transducer comprising: at least one transducer element (11 ), in particular a piezoelectric transducer element which is adapted to generate and / or detect ultrasonic signals; a coupling element (12) which is adapted to conduct ultrasonic signals between the transducer element and the measuring tube and vice versa; wherein the transducer element is arranged on a first, the measuring tube averted side (12.1) of the coupling element and is coupled to this acoustically and mechanically; wherein the transducer element is adapted to emit ultrasonic signals, in particular along a surface normal (11.1) of the transducer element, wherein a spatial radiation profile of the ultrasonic signal has a central region (Z) with a first wavefront and an outer region (A) with a second wavefront, wherein normal vectors of the first Wavefront maximally have a maximum angle β 1 to the surface normal, and wherein normal vectors of the second wavefront have at least a minimum angle β 2 to the surface normal, wherein the coupling element on a second, the measuring tube facing side (12.2) has a second side surface (12.21) with a contact region (12.22 ), which second side surface is adapted by means of the contact region to be acoustically and mechanically coupled to the measuring tube, wherein by applying the coupling element to a measuring tube in the direction of a measuring tube axis or measuring tube center line of the measuring tube a third side (12.3) and a third side opposite the fourth side (12.4) is defined, characterized in that the coupling element comprises a masking device (13) which is adapted to the second wavefront at least partially at the transgression into the measuring tube at least partially to prevent. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei das Koppelelement eine Mantelfläche (12.51) aufweist, wobei die Ausblendeeinrichtung mindestens eine Spaltgruppe (13.1) mit mindestens einem Spalt (13.11) aufweist, welcher Spalt von der Mantelfläche in das Koppelelement hineinragt, wobei der Spalt dazu eingerichtet ist, in einen räumlichen Ausbreitungsbereich der zweiten Wellenfront hineinzuragen, wobei der Spalt ein Luftspalt ist oder mit einem akustisch dämpfenden Material gefüllt ist, wobei das akustisch dämpfende Material beispielsweise ein Polyurethanschaum oder eine mehrlagige Metall- bzw. Kunststofffolie mit zwischen den Lagen angeordneten Polymerschichten ist.Ultrasonic transducer after Claim 1 , wherein the coupling element has a lateral surface (12.51), wherein the Ausblendeeinrichtung has at least one gap group (13.1) with at least one gap (13.11), which gap projects from the lateral surface into the coupling element, wherein the gap is adapted to, in a spatial propagation area the second wavefront, wherein the gap is an air gap or filled with an acoustically damping material, wherein the acoustically damping material is for example a polyurethane foam or a multilayer metal or plastic film with polymer layers arranged between the layers. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, wobei der Spalt (13.11) eine Dicke aufweist, wobei die Dicke senkrecht zur zweiten Seitenfläche ist, wobei die Dicke des Spalts größer als 0.02 mm, und insbesondere größer als 0.05 mm und bevorzugt größer als 0.1 mm, und/oder kleiner als 1.5 mm und insbesondere kleiner als 1.2 mm und bevorzugt kleiner als 1 mm ist.Ultrasonic transducer after Claim 2 wherein the gap (13.11) has a thickness, wherein the thickness is perpendicular to the second side surface, wherein the thickness of the gap is greater than 0.02 mm, and in particular greater than 0.05 mm and preferably greater than 0.1 mm, and / or less than 1.5 mm and in particular less than 1.2 mm and preferably less than 1 mm. Ultraschallwandler nach Anspruch 2 oder 3, wobei mindestens eine Spaltgruppe (13.1) mehrere Spalten (13.11) umfasst, welche Spalte in einer senkrechten Richtung zur zweiten Seitenfläche zueinander versetzt sind, wobei die senkrechte Richtung jeweils eine Höhe (13.13) eines jeden Spalts bezüglich der zweiten Seitenfläche definiert.Ultrasonic transducer after Claim 2 or 3 wherein at least one split group (13.1) comprises a plurality of columns (13.11) which are offset from each other in a direction perpendicular to the second side surface, the vertical direction defining a height (13.13) of each gap with respect to the second side surface. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, wobei für einen Versatz (13.12) benachbarter Spalte folgendes gilt: V=n*λ/2, wobei λ eine mittlere Wellenlänge des Ultraschallsignals ist, und wobei n eine natürliche Zahl ist.Ultrasonic transducer after Claim 4 , wherein for an offset (13.12) of adjacent columns: V = n * λ / 2, where λ is a mean wavelength of the ultrasonic signal, and n is a natural number. Ultraschallwandler nach Anspruch 4 oder 5, wobei der bezüglich der Höhe (13.13) tiefste Spalt einer Spaltgruppe ein Luftspalt ist, und wobei mindestens ein weiterer Spalt mit einem akustisch dämpfenden Material, beispielsweise einem Schaumstoff oder einem Kunststoff gefüllt ist.Ultrasonic transducer after Claim 4 or 5 , wherein the lowest gap of a gap group with respect to the height (13.13) is an air gap, and wherein at least one further gap is filled with an acoustically damping material, for example a foam or a plastic. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die erste Seite eine der dritten Seite zugewandte, bezüglich der zweiten Seitenfläche schräge Einkoppelfläche (12.11) aufweist, auf welcher Einkoppelfläche das Wandlerelement angeordnet ist, wobei eine erste Spaltgruppe auf der dritten Seite des Koppelelements angeordnet ist, und/oder wobei eine zweite Spaltgruppe auf der vierten Seite des Koppelelements angeordnet ist.Ultrasonic transducer according to one of Claims 2 to 6 in which the first side has a coupling surface (12.11) which faces the third side and is inclined with respect to the second side face, on which coupling surface the transducer element is arranged, a first gap group being arranged on the third side of the coupling element, and / or a second splitting group is arranged on the fourth side of the coupling element. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die zweite Seite eine der dritten Seite zugewandte, bezüglich der zweiten Seitenfläche schräge Reflektionsfläche (13.2) und/oder eine der vierten Seite zugewandte, bezüglich der zweiten Seitenfläche schräge Reflektionsfläche (13.2) aufweist, welche Reflektionsfläche jeweils dazu eingerichtet ist, das Ultraschallsignal in einem räumlichen Ausbreitungsbereich der zweiten Wellenfront in das Koppelelement teilweise rückzureflektieren.Ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, wherein the second side facing the third side, with respect to the second side surface oblique reflection surface (13.2) and / or one of the fourth side facing, with respect to the second side surface oblique reflection surface (13.2), which reflection surface in each case is set up to partially reflect back the ultrasonic signal in a spatial propagation region of the second wavefront in the coupling element. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die schräge Reflektionsfläche (13.2) eine Einkerbung (13.21) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, das rückreflektierte Ultraschallsignal zu streuen.Ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, wherein the oblique reflecting surface (13.2) has a notch (13.21), which in addition is set up to scatter the reflected back ultrasonic signal. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die zweite Seitenfläche eine Vertiefung (12.23) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die zweite Wellenfront zumindest abschnittsweise an einem Übertreten in das Messrohr zu hindern, wobei die Vertiefung den Kontaktbereich zumindest abschnittsweise umgrenzt.Ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, wherein the second side surface has a recess (12.23) which is adapted to prevent the second wavefront, at least in sections, from transgressing into the measuring tube, the depression delimiting the contact region at least in sections. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die zweite Seitenfläche eine Randfläche (12.24) aufweist, welche die Vertiefung (12.23) umgrenzt.Ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, wherein the second side surface has an edge surface (12.24), which bounds the recess (12.23). Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 9, wobei der Kontaktbereich (12.22) durch Anbringen einer Scheibe an das Koppelelement und/oder die Randfläche (12.24) durch Anbringen eines Stützrings an das Koppelelement hergestellt ist.Ultrasonic transducer after one of the previous ones Claims 1 to 9 wherein the contact region (12.22) is made by attaching a disc to the coupling element and / or the edge surface (12.24) by attaching a support ring to the coupling element. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei folgendes gilt: β1 < 15°, insbesondere < 10°, bevorzugt < 5° und/oder β2 > 15°, insbesondere > 10°, bevorzugt > 5°.Ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, wherein the following applies: β 1 <15 °, in particular <10 °, preferably <5 ° and / or β 2 > 15 °, in particular> 10 °, preferably> 5 °. Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät (1) zur Messung einer Durchflussgeschwindigkeit bzw. eines Volumendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden Mediums nach dem Laufzeitdifferenzenprinzip umfassend: Mindestens ein Paar Ultraschallwandler (10) mit Ultraschallwandlern nach einem der vorigen Ansprüche, welche Ultraschallwandler entlang einer Messrohrachse des Messrohrs versetzt zueinander am Messrohr angeordnet sind, wobei die Ultraschallwandler eines Paars dazu eingerichtet sind, wechselseitig Ultraschallsignale zu senden und zu empfangen; eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (777) zum Betreiben der Ultraschallwandler sowie zum Generieren von Durchflussmesswerten.Clamp-on ultrasonic flowmeter (1) for measuring a flow rate or a volume flow rate of a medium flowing through a measuring tube according to the transit time difference principle comprising: At least one pair of ultrasonic transducers (10) with ultrasonic transducers according to one of the preceding claims, which ultrasound transducers are arranged offset along a measuring tube axis of the measuring tube to the measuring tube, wherein the ultrasonic transducers of a pair are adapted to mutually transmit and receive ultrasonic signals; an electronic measuring / operating circuit (777) for operating the ultrasonic transducers and for generating flow measurements.
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