DE102018109807B4 - Ultrasonic transducer and flow meter - Google Patents

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Abstract

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 abzuwendenden Seite (12.1) des Koppelelements angeordnet ist und mit diesem akustisch und mechanisch gekoppelt ist;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 (A) mit einer zweiten Wellenfront aufweist,wobei Normalenvektoren der ersten Wellenfront maximal einen Maximalwinkel β1zur Oberflächennormalen aufweisen, und wobei Normalenvektoren der zweiten Wellenfront zumindest einen Mindestwinkel β2zur 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 das Messrohr in Richtung einer Messrohrachse bzw. Messrohrmittenlinie des Messrohrs eine dritte Seite (12.3) undeine der dritten Seite gegenüberliegende vierte Seite (12.4) definiert ist,wobei das Koppelelement eine Ausblendeeinrichtung (13) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die zweite Wellenfront zumindest abschnittsweise am Übertreten in das Messrohr zumindest teilweise zu hindern,wobei das Koppelelement eine Mantelfläche (12.51) aufweist,dadurch gekennzeichnet, dass 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 mindestens eine Spalt ein Luftspalt ist.Ultrasonic transducer (10) of a clamp-on ultrasonic flowmeter (1), which flowmeter is set up to measure a flow rate or a volumetric flow rate 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 set up to generate and/or detect ultrasonic signals;a coupling element (12), which is set up to conduct ultrasonic signals between the converter element and the measuring tube and vice versa;wherein the converter element is arranged on a first , the side (12.1) of the coupling element facing away from the measuring tube and is acoustically and mechanically coupled thereto;wherein the transducer element is set up to emit ultrasonic signals along a surface normal (11.1) of the transducer element, with a spatial emission profile of the ultrasonic signal having a central area (Z) With has a first wavefront and an outer area (A) with a second wavefront, with normal vectors of the first wavefront having at most a maximum angle β1 to the surface normal, and normal vectors of the second wavefront having at least a minimum angle β2 to the surface normal, with the coupling element on a second, facing the measuring tube Side (12.2) has a second side surface (12.21) with a contact area (12.22), which second side surface is set up by means of the contact area to be acoustically and mechanically coupled to the measuring tube, whereby by applying the coupling element to the 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 fourth side (12.4) opposite the third side are defined, wherein the coupling element has a masking device (13) which is set up to block the second wave front at least in sections at the transient to at least partially prevent entry into the measuring tube, the coupling element having a lateral surface (12.51), characterized in that the blanking device has at least one gap group (13.1) with at least one gap (13.11), which gap protrudes from the lateral surface into the coupling element, wherein the gap is configured to protrude into a spatial propagation region of the second wavefront, wherein the at least one gap is an air gap.

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, the flowmeter being set up 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 seien an dieser Stelle folgende Schriften genannt: DE102015107567A1 , DE 202015104291 U1 , US 2002/0011120 A1 und US 6062091 A .Clamp-on ultrasonic transducers according to the prior art usually have a transducer element and a coupling element, with the transducer element being attached to a side of the coupling element facing away from the measuring tube. Ultrasonic signals generated by the transducer element thus run through the coupling element to the measuring tube and are coupled into the measuring tube via a measuring tube wall. The following writings are mentioned here as examples: DE102015107567A1 , DE 202015104291 U1 , U.S. 2002/0011120 A1 and US6062091A .

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 disc-shaped geometry, and the generation of an ultrasonic signal is based on a forced rapid change in thickness of the transducer element. This change in thickness generates an ultrasonic signal with a wavefront which is approximately flat in a central area and 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, interference components of the ultrasonic signal occur in an edge area of such transducer elements, which have a non-planar wavefront and enter the measuring tube at different points than the planar wavefront. These interference components increase an interference noise level in the measuring tube in a very reliable manner and worsen a signal/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.It is therefore the object of the invention to propose an ultrasonic transducer and a clamp-on ultrasonic flow meter in which the influence of the interference component on the signal-to-noise ratio is reduced.

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,
  • wobei das Koppelelement eine Mantelfläche aufweist, 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.
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 set up 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, facing away from the measuring tube, and is acoustically and mechanically coupled thereto;
  • wherein the transducer element is set up to emit ultrasonic signals in particular along a surface normal of the transducer element, wherein a spatial emission profile of the ultrasonic signal has a central area with a first wavefront and an outer area 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 a minimum angle β 2 to the surface normal,
  • wherein the coupling element has a second side face with a contact area on a second side facing the measuring tube, which second side face is set up by means of the contact area to be acoustically and mechanically coupled to the measuring tube,
  • wherein a third side and a fourth side opposite the third side are defined by placing the coupling element on a measuring tube in the direction of a measuring tube axis of the measuring tube,
  • wherein the coupling element has a suppression device which is set up to at least partially prevent the second wavefront from entering the measuring tube at least in sections,
  • wherein the coupling element has a lateral surface, wherein the blanking device has at least one gap group with at least one gap, which gap protrudes from the lateral surface into the coupling element,
  • wherein the gap is set up to protrude into a spatial propagation area of the second wavefront,
  • where the gap is an air gap.

Ein Ultraschallsignalanteil, welcher auf den Spalt auftrifft, wird teilweise rückreflektiert sowie teilweise in den Spalt eindringen und verliert dabei an Intensität.A portion of the ultrasonic signal that impinges on the gap is partially reflected back and partially penetrates the gap and loses intensity in the process.

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 0.1 mm, und/oder kleiner als 1.5 mm und insbesondere kleiner als 1.2 mm und bevorzugt kleiner als 1 mm ist.In one configuration, the gap has a thickness, the thickness being perpendicular to the second side surface, the thickness of the gap being greater than 0.02 mm, and in particular greater than 0.05 mm and preferably greater than 0.1 mm, and/or smaller 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, structural integrity of the coupling element can be maintained; a minimum thickness ensures that the thickness of the gap is greater than the maximum amplitudes of the ultrasonic signals that occur 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 configuration, at least one gap group comprises a plurality of gaps, which gaps are offset from one another in a direction perpendicular to the second side surface, the perpendicular direction in each case 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 between adjacent columns is dimensioned in such a way that a total reflection of the ultrasonic signal occurs, or that the ultrasonic signal enters the blanking device and is successively weakened 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 in a gap group in terms of height is an air gap, with at least one further gap being filled with an acoustically damping material, for example a foam material 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.Due to a high difference in the acoustic impedances of the gap and the coupling element compared to gaps filled with acoustically damping materials, a larger proportion of the signal is increasingly reflected back at the air gap and passes through the gaps filled with acoustically damping material 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 reflective surface facing the third side, sloping with respect to the second side surface and/or a reflective surface facing the fourth side, sloping with respect to the second side surface, which reflective surface is set up in each case to reflect the ultrasonic signal in a spatial propagation area of the 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 interfering portion of the ultrasonic signal is reflected back into the coupling element, at least in certain areas, and scattered.

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

Eine Einkerbung kann bei entsprechender Ausgestaltung die Zerstreuung des störenden Ultraschallsignalanteils unterstützen.With an appropriate design, a notch can support the scattering 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 configuration, the second side surface has a depression which is set up to prevent the second wave front from entering the measuring tube at least in sections, the depression delimiting the contact area at least in sections.

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

Durch Einrichten einer Randfläche kann ein stabiler Sitz des Koppelelements auf dem Messrohr gewährleistet werden.A stable seat of the coupling element on the measuring tube can be ensured by setting up an edge surface.

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 such that an ultrasonic signal amplitude falls by less than 12 dB, and in particular less than 9 dB, and preferably less than 6 dB compared to a maximum value of a spatial amplitude distribution, or β 2 is selected such that a minimum drop of 12 dB and in particular 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:

  • 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.
A clamp-on ultrasonic flow meter according to the invention for measuring a flow rate or a volume flow of a medium flowing through a measuring tube according to the transit time difference principle comprises:
  • At least one pair of ultrasonic transducers with ultrasonic transducers according to one of the preceding claims, which ultrasonic transducers are arranged offset to one another on the measuring tube along a measuring tube axis of the measuring tube, the ultrasonic transducers of a pair being arranged thereto are configured to reciprocally transmit and receive ultrasonic signals;
  • an electronic measurement/operation circuit for operating the ultrasonic transducers and for generating flow measurement values.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.The invention is described below using 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 a further clamp-on ultrasonic transducer according to the invention; 4 outlines a top view of a second side of an ultrasonic transducer according to the invention; and 5 outlines a setup of a clamp-on ultrasonic flow meter.

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, the transducer element being attached to a coupling surface 12.11 on a first side 12.1 of the coupling element facing away from a measuring tube 20. The coupling element is set up to conduct ultrasonic signals between the transducer element and the measuring tube and vice versa. As a result, the coupling element has a second side surface 12.21 with a contact area 12.22 on a second side 12.2 facing the measuring tube, which second side surface is set up by means of the contact area to be acoustically and mechanically coupled to the measuring tube. The transducer element is set up, among other things, to generate ultrasonic signals and to radiate them into the coupling element along a surface normal 11.1 of the transducer element, with a spatial radiation profile of the ultrasonic signal having a central region Z with a first, approximately flat wavefront and an outer region A with a second, curved wavefront . Normal vectors of the first, approximately planar wave front have a maximum angle β 1 to the surface normal, normal vectors of the second wave front have at least a minimum angle β 2 to the surface normal. Since only the ultrasonic signal component from the central area can be used to measure an ultrasonic flow, the ultrasonic signal component from the outer area represents a disruptive component, which also enters the measuring tube and therefore worsens the signal-to-noise ratio. For example, the angle β 1 can be less than 15° and in particular less than 10° and preferably less than 5°, and β 2 can be 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 sind mit Luft gefüllt. 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 gap groups 13.1, each with two gaps 13.11, which are introduced into the lateral surface 12.51 on the third side 12.3 and the fourth side 12.4. The gaps are filled with air. An ultrasonic signal component impinging on the gap is partly reflected back and partly attenuated, the intensity of the back reflection depending, among other things, on the acoustic properties of the coupling element and of the material filling the gap. In this way it can be achieved that mainly the central area of the ultrasonic signal enters the measuring tube and the entry of the outer area 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 one another in a direction perpendicular to the second face, the perpendicular direction defining a height 13.13 of each gap relative to the second face. An ultrasonic transducer according to the invention is not limited to the number of gaps shown here and the gap groupings shown. For example, an ultrasonic transducer according to the invention can also only have a gap on the third side 12.3 and/or the fourth side 12.4. However, more than two columns can also be arranged per column group. Different gap groups can have different gap numbers.

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 another ultrasonic transducer according to the invention, wherein the coupling element on the second side 12.2 has a reflective surface 13.2 facing the third side 12.3 and a gap group 13.1 on the fourth side 12.4. The reflection surface reflects part of the outer area of the ultrasonic signal back into the coupling element and thereby reduces the portion of the ultrasonic signal that contributes to the noise. As an alternative to in 3 In the embodiment shown, an ultrasonic transducer according to the invention can also have a coupling element without a gap and at least one reflection surface 13.2, which faces the third side 12.3 or the fourth side 12.4. When columns with reflection surfaces are combined, column groups with any number of columns with reflection surfaces can be arranged on the third side and/or the fourth side. In the 3 The embodiment shown is not to be interpreted as limiting. The reflective surface 13.2 can also have a notch with one or more notches. With an appropriate design, a notch can support the scattering of the interfering ultrasonic signal component. The indentation can have a pyramid structure or an egg cup structure, for example. Alternatively, the notch can 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 apart from the contact surface 12.22 and the coupling surface 12.11 can each have a notch for scattering reflected ultrasonic 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 top view of an exemplary second side 12.2 of the coupling element according to the invention. The second side 12.2 has a contact area 12.22, which is designed to be in contact with the measuring tube. The contact area is surrounded by a depression 12.23, which is designed to prevent at least part of the outer area from entering the measuring tube. For example, the depression can be at least partially filled with an acoustically damping material. The depression is surrounded by an edge surface 12.24, by means of which a secure and stable support of the coupling element on the measuring tube can be ensured. As an alternative to creating a depression in the coupling element, the contact area 12.22 can be produced by attaching a disk and/or the edge surface 12.24 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 set up to carry a medium, two ultrasonic transducers 10 according to the invention arranged thereon and an electronic measuring/operating circuit 777, which is set up to operate the ultrasonic transducers as well to generate flow measurements. The clamp-on ultrasonic flow meter, for example, works according to a transit time difference principle.

Bezugszeichenlistereference list

11
Clamp-On-Ultraschall-DurchflussmessgerätClamp-On Ultrasonic Flow Meter
1010
Ultraschallwandlerultrasonic 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 face
12.2212.22
Kontaktbereichcontact area
12.2312.23
Vertiefungdeepening
12.2412.24
Randflächeedge surface
12.312.3
dritte Seitethird party
12.412.4
vierte Seitefourth page
12.5112.51
Mantelflächelateral surface
1313
Ausblendeeinrichtungblanking device
13.113.1
Spaltgruppecleft group
13.1113.11
Spaltgap
13.1213.12
Versatzoffset
13.1313.13
HöheHeight
13.213.2
Reflektionsflächereflection surface
2020
Messrohrmeasuring tube
777777
elektronische Mess-/Betriebsschaltungelectronic measurement/operation circuit
AA
Außenbereichoutdoor area
ZZ
Zentralbereichcentral area

Claims (13)

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 abzuwendenden Seite (12.1) des Koppelelements angeordnet ist und mit diesem akustisch und mechanisch gekoppelt ist; 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 (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 das 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, wobei das Koppelelement eine Ausblendeeinrichtung (13) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die zweite Wellenfront zumindest abschnittsweise am Übertreten in das Messrohr zumindest teilweise zu hindern, wobei das Koppelelement eine Mantelfläche (12.51) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass 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 mindestens eine Spalt ein Luftspalt ist.Ultrasonic transducer (10) of a clamp-on ultrasonic flowmeter (1), which flowmeter is set up to measure a flow rate or a volumetric flow rate 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 set up to generate and/or detect ultrasonic signals; a coupling element (12) which is set up 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 (12.1) of the coupling element facing away from the measuring tube and is acoustically and mechanically coupled thereto; wherein the transducer element is set up to emit ultrasonic signals along a surface normal (11.1) of the transducer element, wherein a spatial emission profile of the ultrasonic signal has a central region (Z) with a first wavefront and an outer area (A) with a second wavefront, with 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 a minimum angle β 2 to the surface normal, the coupling element having a second side surface (12.21) with a contact area (12.22) on a second side (12.2) facing the measuring tube has, which second side surface is set up by means of the contact area to be acoustically and mechanically coupled to the measuring tube, wherein by applying the coupling element to the 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 fourth side (12.4) opposite the third side, wherein the coupling element has a blanking device (13) which is set up to at least partially prevent the second wavefront from entering the measuring tube at least in sections, wherein the coupling element has a lateral surface (12.51), characterized in that the blanking device 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, the gap being set up to extend into a spatial propagation area of the second wavefront, wherein the at least one gap is an air gap. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, 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 converter claim 1 , wherein the gap (13.11) has a thickness, the thickness being perpendicular to the second side surface, the thickness of the gap being 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 is less than 1.2 mm and preferably less than 1 mm. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die 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 converter claim 1 or 2 , wherein the at least one gap group (13.1) comprises a plurality of gaps (13.11), which gaps are offset from one another in a direction perpendicular to the second side face, the perpendicular direction in each case defining a height (13.13) of each gap with respect to the second side face. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, 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 converter claim 3 , where for an offset (13.12) of adjacent columns, the following applies: V=n*λ/2, where λ is a mean wavelength of the ultrasonic signal, and where n is a natural number. Ultraschallwandler nach Anspruch 3 oder 4, 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 converter claim 3 or 4 , wherein the lowest gap of a gap group in terms of height (13.13) is an air gap, and at least one further gap is filled with an acoustically damping material, for example a foam material or a plastic. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, 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 die 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 the preceding claims, wherein the first side has a coupling surface (12.11) facing the third side and inclined with respect to the second side surface, on which coupling surface the transducer element is arranged, the first gap group being 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. 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 has a reflective surface (13.2) facing the third side and sloping with respect to the second side surface and/or a reflective surface (13.2) facing the fourth side and sloping with respect to the second side surface, which reflective surface respectively is set up to partially reflect the ultrasonic signal back into the coupling element in a spatial propagation range of the second wave front. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, wobei die schräge Reflektionsfläche (13.2) eine Einkerbung (13.21) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, das rückreflektierte Ultraschallsignal zu streuen.ultrasonic converter claim 7 , wherein the oblique reflection surface (13.2) has a notch (13.21) which is designed to scatter the reflected 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 depression (12.23) which is set up to prevent the second wavefront from entering the measuring tube at least in sections, the depression delimiting the contact area at least in sections. Ultraschallwandler nach Anspruch 9, wobei die zweite Seitenfläche eine Randfläche (12.24) aufweist, welche die Vertiefung (12.23) umgrenzt.ultrasonic converter claim 9 , wherein the second side surface has an edge surface (12.24) which delimits the depression (12.23). Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kontaktbereich (12.22) durch Anbringen einer Scheibe an das Koppelelement und/oder eine Randfläche (12.24) durch Anbringen eines Stützrings an das Koppelelement hergestellt ist.Ultrasonic transducer according to any of the above Claims 1 until 8th , wherein the contact area (12.22) is produced by attaching a disc to the coupling element and/or an 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 (20) 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 flow meter (1) for measuring a flow rate or a volume flow of a medium flowing through a measuring tube (20) 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 ultrasonic transducers are arranged offset to one another on the measuring tube along a measuring tube axis of the measuring tube, the ultrasonic transducers of a pair being set up to transmit and receive ultrasonic signals alternately; an electronic measurement/operation circuit (777) for operating the ultrasonic transducers and for generating flow measurements.
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