DE102020129191A1

DE102020129191A1 - Ultrasonic transducer, ultrasonic flow meter and method for operating an ultrasonic flow meter

Info

Publication number: DE102020129191A1
Application number: DE102020129191.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Vogt
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2022-03-31

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Ultraschallwandler (1), insbesondere für ein Ultraschalldurchflussmessgerät (2), wobei der Ultraschallwandler (1) wenigstens ein elektroakustisches Element (6), wenigstens ein Gehäuse (4), wenigstens ein akustisches Fenster (5) und wenigstens eine Steuereinheit (11) aufweist, wobei das elektroakustische Element (6) innerhalb des Gehäuses (4) derart auf dem akustischen Fenster (5) angeordnet ist, dass im Betrieb ein von dem elektroakustischen Element (6) erzeugtes Ultraschallsignal das Gehäuse (4) durch das akustische Fenster (5) verlässt und wobei das elektroakustische Element (6) wenigstens eine elektroakustische Scheibe (9) aufweist.Die Aufgabe, einen Ultraschallwandler anzugeben, der eine Verbesserung der Qualität eines Empfangssignals gewährleistet, wird dadurch gelöst, dass mit dem elektroakustischen Element (6) wenigstens drei Elektroden (8) verbunden sind, wobei die wenigstens drei Elektroden (8) durch die Steuereinheit (11) separat ansteuerbar sind.Described and illustrated is an ultrasonic transducer (1), in particular for an ultrasonic flowmeter (2), the ultrasonic transducer (1) having at least one electroacoustic element (6), at least one housing (4), at least one acoustic window (5) and at least one control unit (11), wherein the electro-acoustic element (6) within the housing (4) is arranged on the acoustic window (5) that during operation of the electro-acoustic element (6) generated ultrasonic signal, the housing (4) through the acoustic window (5) and wherein the electroacoustic element (6) has at least one electroacoustic disc (9).The task of specifying an ultrasonic transducer that ensures an improvement in the quality of a received signal is achieved in that the electroacoustic element (6) at least three electrodes (8) are connected, the at least three electrodes (8) being separately controllable by the control unit (11). r are.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Ultraschallwandler, insbesondere für ein Ultraschalldurchflussmessgerät, wobei der Ultraschallwandler wenigstens ein elektroakustisches Element, wenigstens ein Gehäuse, wenigstens ein akustisches Fenster und wenigstens eine Steuereinheit aufweist,
wobei das elektroakustische Element innerhalb des Gehäuses derart auf dem akustischen Fenster angeordnet ist, dass im Betrieb ein von dem elektroakustischen Element erzeugtes Ultraschallsignal das Gehäuse durch das akustische Fenster verlässt und
wobei das elektroakustische Element wenigstens eine elektroakustische Scheibe aufweist.The invention is based on an ultrasonic transducer, in particular for an ultrasonic flowmeter, the ultrasonic transducer having at least one electroacoustic element, at least one housing, at least one acoustic window and at least one control unit.
wherein the electro-acoustic element is arranged within the housing on the acoustic window in such a way that, during operation, an ultrasonic signal generated by the electro-acoustic element exits the housing through the acoustic window, and
wherein the electro-acoustic element comprises at least one electro-acoustic disc.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Ultraschalldurchflussmessgerät mit wenigstens einem Messrohr, mit wenigstens einem Ultraschallwandler und mit wenigstens einer Steuer- und Auswerteeinheit, wobei der wenigstens eine Ultraschallwandler zumindest als Ultraschallsender, vorzugsweise als Ultraschallsender und -empfänger, ausgebildet ist, und wobei der Ultraschallwandler derart an dem Messrohr angeordnet ist, dass er im Betrieb ein Ultraschallsignal in oder entgegen der Strömungsrichtung eines strömenden Mediums in das Messrohr aussendet, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts.In addition, the invention relates to an ultrasonic flowmeter with at least one measuring tube, with at least one ultrasonic transducer and with at least one control and evaluation unit, wherein the at least one ultrasonic transducer is designed at least as an ultrasonic transmitter, preferably as an ultrasonic transmitter and receiver, and the ultrasonic converter is connected in such a way is arranged on the measuring tube so that during operation it emits an ultrasonic signal in or against the flow direction of a flowing medium into the measuring tube, and a method for operating an ultrasonic flowmeter.

Aus dem Stand der Technik bekannte Ultraschallwandler, die zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines durch ein Messrohr strömenden Mediums eingesetzt werden, senden im Betrieb unabhängig von der aktuellen Prozesssituation ein Ultraschallsignal mit fester Frequenz und mit einer festen Strahlbreite aus.Ultrasonic transducers known from the prior art, which are used to determine the flow velocity of a medium flowing through a measuring tube, emit an ultrasonic signal with a fixed frequency and with a fixed beam width during operation, regardless of the current process situation.

Im Folgenden wird ein Ultraschallsignal, das ein Medium durchquert hat, als Empfangssignal bezeichnet. Grundsätzlich ist die Qualität eines Empfangssignals abhängig von dem Medium sowie den aktuellen Prozessbedingungen, also den Zustandsgrößen des Messsystems. Die Qualität des Empfangssignals mindernde Effekte sind beispielsweise die Dämpfung des Ultraschallsignals durch das Medium oder Verwehungseffekte bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Im Extremfall kann es bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten sogar dazu kommen, dass das von einem Sender ausgesendete Ultraschallsignal den schräg gegenüberliegenden Empfänger gar nicht erreicht. Auch ein Übersprechen von ungewollten Reflexionen des Ultraschallsignals an der Innenwand des Messrohrs mit dem Empfangssignal mindert insgesamt die Qualität des Empfangssignals.In the following, an ultrasonic signal that has traversed a medium is referred to as a received signal. Basically, the quality of a received signal depends on the medium and the current process conditions, i.e. the state variables of the measuring system. Effects that reduce the quality of the received signal are, for example, the attenuation of the ultrasonic signal by the medium or drift effects at high flow speeds. In extreme cases, at high flow velocities, it can even happen that the ultrasonic signal sent out by a transmitter does not even reach the receiver diagonally opposite. Crosstalk from unwanted reflections of the ultrasonic signal on the inner wall of the measuring tube with the received signal also reduces the overall quality of the received signal.

Zur Vermeidung oder Reduzierung der zuvor dargelegten Nachteile ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Ultraschallwandler anzugeben, der eine Verbesserung der Qualität eines Empfangssignal gewährleistet.In order to avoid or reduce the disadvantages set out above, it is therefore the object of the present invention to specify an ultrasonic transducer which ensures an improvement in the quality of a received signal.

Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Ultraschalldurchflussmessgerät und ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts anzugeben, das jeweils eine Verbesserung der Qualität eines Empfangssignals gewährleistet.In addition, it is the object of the invention to specify an ultrasonic flow measuring device and a method for operating an ultrasonic flow measuring device which ensure an improvement in the quality of a received signal in each case.

Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die zuvor dargelegte Aufgabe dadurch gelöst, dass mit dem elektroakustischen Element wenigstens drei Elektroden verbunden sind, wobei die wenigstens drei Elektroden durch die Steuereinheit separat ansteuerbar sind.According to a first teaching of the present invention, the object set out above is achieved in that at least three electrodes are connected to the electroacoustic element, the at least three electrodes being able to be controlled separately by the control unit.

Wenn es heißt, dass die Elektroden separat ansteuerbar sind, so ist damit gemeint, dass im Betrieb eine Spannung zwischen unterschiedliche Kombinationen der Elektroden angelegt werden kann.When it is said that the electrodes can be controlled separately, this means that a voltage can be applied between different combinations of the electrodes during operation.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das elektroakustische Element, das im Betrieb das Ultraschallsignal erzeugt, strukturell derart modular ausgebildet sein kann, dass es durch wenigstens drei separat ansteuerbare Elektroden unterschiedlich angeregt werden kann, sodass im Betrieb die Strahlform des ausgesendeten Ultraschallsignals beispielsweise an das zu messende Medium oder an die aktuelle Messsituation angepasst werden kann.According to the invention, it was recognized that the electroacoustic element, which generates the ultrasonic signal during operation, can be structurally modular in such a way that it can be excited differently by at least three separately controllable electrodes, so that during operation the beam shape of the transmitted ultrasonic signal is adapted to the medium to be measured, for example or can be adapted to the current measurement situation.

Durch eine unterschiedliche Geometrie der zur Anregung des elektroakustischen Elementes vorgesehenen Elektroden kann die Strahlform des von dem Ultraschallwandler erzeugten Ultraschallsignals beeinflusst werden. Die Strahlform kann so an die jeweils aktuelle Messsituation auch im Betrieb angepasst und umgeschaltet werden.The beam shape of the ultrasonic signal generated by the ultrasonic transducer can be influenced by a different geometry of the electrodes provided for exciting the electroacoustic element. In this way, the beam shape can be adapted and switched over to the current measurement situation, even during operation.

Ist das zu messende Medium ein strömendes Medium, so kann es passieren, dass das in das Medium ausgesendete Ultraschallsignal die Empfangseinheit aufgrund des Verwehungseffektes nicht erreicht. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Strahlbreite zumindest einseitig zu vergrößern, sodass auch hohe Strömungsgeschwindigkeiten erfasst werden können. Zudem kann durch eine Verringerung der Strahlbreite der Effekt, dass ungewollte Reflexionen das Empfangssignal störend überlagern, reduziert werden.If the medium to be measured is a flowing medium, it can happen that the ultrasonic signal transmitted into the medium does not reach the receiving unit due to the drift effect. In this case, it is advantageous to increase the jet width at least on one side, so that high flow velocities can also be detected. In addition, by reducing the beam width, the effect that unwanted reflections interfere with the received signal can be reduced.

Im Ergebnis weist der erfindungsgemäße Ultraschallwandler den Vorteil auf, dass die Eigenschaften des Ultraschallsignals auf die Messsituation angepasst werden können, womit die Qualität des Empfangssignals verbessert werden kann.As a result, the ultrasonic transducer according to the invention has the advantage that the properties of the ultrasonic signal can be adapted to the measurement situation, which means that the quality of the received signal can be improved.

Ein elektroakustisches Element ist vorzugsweise als Piezoelement, also als Element aus einer Piezokeramik ausgebildet. Alternativ kann das elektroakustische Element auch ein mikromechanisches Element eines kapazitiv mikromechanischen Ultraschallwandlers sein.An electroacoustic element is preferably a piezo element, ie as an element of a Piezoceramic formed. Alternatively, the electroacoustic element can also be a micromechanical element of a capacitive micromechanical ultrasonic transducer.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung weist die wenigstens eine elektroakustische Scheibe eine erste und eine zweite Stirnfläche auf, wobei wenigstens zwei separat ansteuerbare Elektroden auf derselben Stirnfläche der wenigstens einen elektroakustischen Scheibe angeordnet sind.According to a first embodiment, the at least one electro-acoustic disc has a first and a second end face, with at least two separately controllable electrodes being arranged on the same end face of the at least one electro-acoustic disc.

Die wenigstens eine elektroakustische Scheibe ist vorzugsweise derart zylinderförmig ausgebildet, dass die Höhe der Scheibe kleiner als der Durchmesser der Stirnflächen der Scheibe ist.The at least one electroacoustic disc is preferably designed in a cylindrical manner in such a way that the height of the disc is smaller than the diameter of the end faces of the disc.

Die Stirnflächen einer elektroakustischen Scheibe sind die einander gegenüberliegende Grundflächen des Zylinders. Diese Grundflächen können kreisförmig ausgebildet sein oder auch die Form eines Vielecks oder einer Ellipse aufweisen.The end faces of an electroacoustic disc are the opposite base faces of the cylinder. These bases can be circular or have the shape of a polygon or an ellipse.

Die elektroakustische Scheibe ist gemäß einer Ausgestaltung in Richtung der Höhe des Zylinders polarisiert. Sind die Elektroden auf den Stirnflächen positioniert, so vollzieht die elektroakustische Scheibe im Betrieb longitudinale Schwingungen und wird mechanisch zwischen den Elektroden ausgelenkt.According to one embodiment, the electroacoustic disk is polarized in the direction of the height of the cylinder. If the electrodes are positioned on the end faces, the electro-acoustic disc performs longitudinal oscillations during operation and is mechanically deflected between the electrodes.

Alternativ kann auch eine transversale Schwingungsanregung der elektroakustischen Scheibe realisiert werden.. In diesem Fall sind die Elektroden seitlich an dem elektroakustischen Element angeordnet und bei Anlegen einer Spannung erfolgt die Schwingung senkrecht zu den Elektroden. Alternatively, a transversal oscillation excitation of the electro-acoustic disc can also be realized. In this case, the electrodes are arranged laterally on the electro-acoustic element and when a voltage is applied, the oscillation occurs perpendicularly to the electrodes.

Besonders bevorzugt unterscheiden sich wenigstens zwei Elektroden in ihrer Form und/oder ihrer Größe, wobei sich vorzugsweise zwei auf derselben Stirnfläche angeordnete Elektroden in ihrer Form und/oder Größe unterscheiden.Particularly preferably, at least two electrodes differ in their shape and/or their size, with two electrodes arranged on the same end face preferably differing in their shape and/or size.

Besonders bevorzugt sind die Elektroden geometrisch derart ausgebildet, dass das erzeugte Ultraschallsignal rotationssymmetrisch ist. Gemäß dieser Ausgestaltung sind die Elektroden besonders bevorzugt kreisförmig ausgebildet. Insbesondere die kreisförmige Ausgestaltung ist in den Anwendungsbereichen vorteilhaft, in denen keine Vorzugsrichtung existiert.The electrodes are particularly preferably designed geometrically in such a way that the ultrasonic signal generated is rotationally symmetrical. According to this configuration, the electrodes are particularly preferably circular. In particular, the circular configuration is advantageous in areas of application in which there is no preferred direction.

Neben einer symmetrischen Strahlform kann durch entsprechend geometrische Ausgestaltung der Elektroden auch eine unsymmetrische Strahlform des Ultraschallsignals realisiert sein.In addition to a symmetrical beam shape, an asymmetrical beam shape of the ultrasonic signal can also be realized by a corresponding geometric design of the electrodes.

Besonders bevorzugt unterscheiden sich die wenigstens zwei Elektroden in ihrem Durchmesser.The at least two electrodes particularly preferably differ in their diameter.

Beispielsweise umgibt eine als Ringelektrode ausgebildete erste Elektrode eine zweite innerhalb der Ringelektrode liegende zweite kreisförmige Elektrode. Im Betrieb kann gemäß dieser Ausgestaltung nur die innere Elektrode angesteuert werden, oder die innere Elektrode kann zu der äußeren Ringelektrode parallel angesteuert werden. Denkbar ist es ebenfalls, dass nur die äußere Ringelektrode angesteuert wird.For example, a first electrode designed as a ring electrode surrounds a second circular electrode lying within the ring electrode. In operation, according to this configuration, only the inner electrode can be driven, or the inner electrode can be driven in parallel with the outer ring electrode. It is also conceivable that only the outer ring electrode is activated.

Zudem ist es ebenso vorteilhaft, wenn wenigstens drei Elektroden auf derselben Stirnfläche der wenigstens einen elektroakustischen Scheibe angeordnet sind, wobei wenigstens zwei Elektroden als ineinanderliegende Ringelektroden ausgebildet sind und eine Elektrode als im Wesentlichen kreisförmige Elektrode innerhalb der Ringelektroden angeordnet ist. Auch in dieser Kombination können die Elektroden im Betrieb separat oder parallel angesteuert werden.It is also advantageous if at least three electrodes are arranged on the same end face of the at least one electroacoustic disc, with at least two electrodes being designed as ring electrodes lying one inside the other and one electrode being arranged as a substantially circular electrode inside the ring electrodes. In this combination, too, the electrodes can be controlled separately or in parallel during operation.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist wenigstens eine Elektrode elliptisch ausgebildet. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Elektroden elliptisch ausgebildet, wobei wenigstens eine elliptisch ausgebildete Elektrode wenigstens eine weitere elliptisch ausgebildete Elektrode umgibt. Auch gemäß dieser Ausgestaltung können die Elektroden sowohl separat als auch parallel angesteuert werden.According to a further embodiment, at least one electrode is elliptical. At least two electrodes are preferably embodied elliptically, with at least one elliptically embodied electrode surrounding at least one further elliptically embodied electrode. According to this configuration, too, the electrodes can be driven both separately and in parallel.

Besonders bevorzugt ist es weiterhin, wenn zwischen den wenigstens zwei auf einer Stirnfläche angeordneten Elektroden wenigstens eine Einkerbung und/oder wenigstens ein Spalt angeordnet ist. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass ein Übersprechen zwischen den einzelnen Elektroden im Betrieb vermieden oder zumindest reduziert werden kann.It is also particularly preferred if at least one notch and/or at least one gap is arranged between the at least two electrodes arranged on an end face. This configuration has the advantage that crosstalk between the individual electrodes during operation can be avoided or at least reduced.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit derart ausgebildet und mit den Elektroden verbunden ist, dass wenigstens zwei Elektroden zumindest zeitweise mit einer unterschiedlichen Phase und/oder Amplitude ansteuerbar sind. Besonders bevorzugt sind die wenigstens zwei Elektroden, die mit einer unterschiedlichen Phase und/oder Amplitude angesteuert werden auf derselben Stirnfläche angeordnet, Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Richtung des ausgesendeten Ultraschallsignals beeinflusst werden kann.According to a further preferred embodiment, the control unit is designed and connected to the electrodes in such a way that at least two electrodes can be controlled at least at times with a different phase and/or amplitude. The at least two electrodes, which are controlled with a different phase and/or amplitude, are particularly preferably arranged on the same end face. This configuration has the advantage that the direction of the transmitted ultrasonic signal can be influenced.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist eine Mehrzahl an separat ansteuerbaren Elektroden vorhanden, wobei die Mehrzahl an Elektroden auf derselben Stirnfläche der wenigstens einen elektroakustischen Scheibe angeordnet ist und wobei im Betrieb die einzelnen Elektroden zur Einstellung der Strahlform, insbesondere der Strahlbreite, des ausgesendeten Ultraschallsignals in unterschiedlichen Kombinationen angesteuert werden können.According to a further preferred embodiment, there is a plurality of separately controllable electrodes, with the plurality of electrodes being arranged on the same end face of the at least one electroacoustic disc and with the individual electrodes for adjusting the beam shape, in particular the beam width of the emitted ultrasonic signal can be controlled in different combinations.

Unter einer Mehrzahl an Elektroden wird im Rahmen der Erfindung eine Anzahl von wenigstens drei Elektroden oder wenigstens vier Elektroden oder wenigstens fünf Elektroden verstanden.Within the scope of the invention, a plurality of electrodes is understood to mean a number of at least three electrodes or at least four electrodes or at least five electrodes.

Beispielsweise können die einzelnen Elektroden eine sechseckige oder eine quadratische Form aufweisen, sodass sich insgesamt ein Raster mit separat ansteuerbaren Elektroden ergibt. Die angesteuerte geometrische Form kann gemäß dieser Ausgestaltung besonders flexibel eingestellt werden. Besonders bevorzugt ist auf einer Stirnfläche eine Kombination aus sieben oder 19 sechseckförmigen Waben oder eine Kombination aus 4, 6, 9 oder 12 Quadraten angeordnet. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Strahlform einerseits besonders flexibel eingestellt werden kann und weiterhin neben der symmetrischen Form auch als unsymmetrische Strahlform ausgebildet sein kann.For example, the individual electrodes can have a hexagonal or square shape, resulting overall in a grid with separately controllable electrodes. According to this configuration, the controlled geometric shape can be set particularly flexibly. A combination of seven or 19 hexagonal honeycombs or a combination of 4, 6, 9 or 12 squares is particularly preferably arranged on an end face. This configuration has the advantage that the jet shape can be set particularly flexibly and can also be designed as an asymmetrical jet shape in addition to the symmetrical form.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist eine Elektrode als Masseelektrode ausgebildet, wobei die Masseelektrode eine gemeinsame Masseelektrode für wenigstens zwei Elektroden ist. Besonders bevorzugt ist die Masseelektrode auf der dem akustischen Fenster zugewandten Stirnfläche des elektroakustischen Elementes angeordnet. In diesem Fall hat die Masseelektrode dasselbe Potenzial wie das Gehäuse. Besonders bevorzugt bedeckt die Masseelektrode die Stirnfläche, auf der die Masseelektrode angeordnet ist, im Wesentlichen vollständig.According to a further preferred embodiment, one electrode is designed as a ground electrode, with the ground electrode being a common ground electrode for at least two electrodes. The ground electrode is particularly preferably arranged on the end face of the electroacoustic element which faces the acoustic window. In this case, the ground electrode has the same potential as the case. Particularly preferably, the ground electrode essentially completely covers the end face on which the ground electrode is arranged.

Weiterhin bevorzugt umfasst das elektroakustische Element wenigstens eine erste und eine zweite elektroakustische Scheibe, wobei die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben übereinander angeordnet sind, und wobei vorzugsweise die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben von der Steuereinheit separat ansteuerbar sind.Furthermore, the electroacoustic element preferably comprises at least one first and one second electroacoustic disc, the at least two electroacoustic discs being arranged one above the other, and the at least two electroacoustic discs preferably being separately controllable by the control unit.

Eine elektroakustische Scheibe ist vorzugsweise als Piezoscheibe, also als Scheibe aus einem piezokeramischen Material, ausgebildet. Die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben weisen vorzugsweise dasselbe Material auf. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung weisen die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben ein unterschiedliches Material auf.An electroacoustic disk is preferably designed as a piezo disk, ie as a disk made of a piezoceramic material. The at least two electro-acoustic disks preferably have the same material. According to an alternative embodiment, the at least two electroacoustic discs have different materials.

Besonders bevorzugt weist jede elektroakustische Scheibe eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche auf, wobei die erste und die zweite elektroakustische Scheibe über die zwischen den elektroakustischen Scheiben angeordneten Stirnflächen miteinander verbunden sind, wobei wenigstens eine Elektrode auf der dem akustischen Fenster zugewandten Stirnfläche der ersten elektroakustischen Scheibe angeordnet ist, wobei wenigstens eine Elektrode zwischen der ersten und der zweiten elektroakustischen Scheibe angeordnet, und wobei wenigstens eine Elektrode auf der der ersten elektroakustischen Scheibe abgewandten Stirnfläche der zweiten elektroakustischen Scheibe angeordnet.Each electroacoustic pane particularly preferably has a first end face and a second end face, with the first and second electroacoustic panes being connected to one another via the end faces arranged between the electroacoustic panes, with at least one electrode on the end face of the first electroacoustic pane facing the acoustic window is arranged, wherein at least one electrode is arranged between the first and the second electro-acoustic disc, and wherein at least one electrode is arranged on the face of the second electro-acoustic disc facing away from the first electro-acoustic disc.

Diese Ausgestaltung weist durch die Anordnung der Elektroden den Vorteil auf, dass die einzelnen elektroakustischen Scheiben im Betrieb separat angeregt werden können.Due to the arrangement of the electrodes, this configuration has the advantage that the individual electroacoustic disks can be excited separately during operation.

Im Betrieb kann das elektroakustische Element insofern einerseits dadurch angeregt werden, dass lediglich eine elektroakustische Scheibe angesteuert wird. Im Betrieb schwingt dann die zweite elektroakustische Scheibe mit, sodass die Resonanzfrequenz und damit die Frequenz des von dem elektroakustischen Elements erzeugten Ultraschallsignals durch die komplette Höhe des elektroakustischen Elementes bestimmt wird.In operation, the electroacoustic element can be excited on the one hand in that only one electroacoustic disc is activated. During operation, the second electro-acoustic disc then oscillates, so that the resonant frequency and thus the frequency of the ultrasonic signal generated by the electro-acoustic element is determined by the full height of the electro-acoustic element.

Wird im Betrieb lediglich eine von wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben angesteuert, so kann an die wenigstens eine andere elektroakustische Scheibe eine elektrische, also induktive oder kapazitive, Last angelegt werden. Dies bewirkt, dass die Last in eine akustische Impedanz transformiert wird, die die Schwingung der ersten elektroakustischen Scheibe beeinflusst, sodass im Ergebnis die Resonanzfrequenz des gesamten elektroakustischen Elements und damit die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals verändert werden kann. Im Betrieb kann so die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals damit beispielsweise derart angepasst werden, dass die Absorption durch das zu vermessende Medium minimal ist.If only one of at least two electroacoustic panes is activated during operation, then an electrical, ie inductive or capacitive, load can be applied to the at least one other electroacoustic pane. This causes the load to be transformed into an acoustic impedance, which influences the vibration of the first electro-acoustic disc, so that as a result the resonant frequency of the entire electro-acoustic element and thus the frequency of the ultrasonic signal generated can be changed. During operation, the frequency of the ultrasonic signal generated can thus be adjusted, for example, in such a way that the absorption by the medium to be measured is minimal.

Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Anpassung der Eigenschaften des erzeugten Ultraschallsignals an die jeweilige Messsituation maximal ist, sodass die Strahlqualität des Empfangssignals besonders hoch ist.This configuration has the advantage that the adaptation of the properties of the ultrasonic signal generated to the respective measurement situation is maximum, so that the beam quality of the received signal is particularly high.

Gemäß einer zweiten Lehre wird die eingangs dargelegte Aufgabe durch ein eingangs beschriebenes Ultraschalldurchflussmessgerät dadurch gelöst, dass der wenigstens eine Ultraschallwandler gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist.According to a second teaching, the object presented at the outset is achieved by an ultrasonic flowmeter as described at the outset in that the at least one ultrasonic transducer is designed in accordance with one of the configurations described above.

Besonders bevorzugt sind wenigstens zwei Ultraschallwandler vorhanden, wobei beide Ultraschallwandler als Ultraschallsender und -empfänger ausgebildet sind und wobei beide Ultraschallwandler erfindungsgemäß ausgestaltet sind. Gemäß dieser Ausgestaltung sind die Ultraschallwandler in Strömungsrichtung versetzt am Messrohr angeordnet.At least two ultrasonic transducers are particularly preferably present, with both ultrasonic transducers being designed as ultrasonic transmitters and receivers and with both ultrasonic transducers being designed according to the invention. According to this embodiment, the ultrasonic transducers are offset in the direction of flow on the measuring tube.

Hinsichtlich der Ausgestaltung des elektroakustischen Elementes sind gemäß einer Ausgestaltung die beiden Ultraschallwandler identisch ausgebildet. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung können die Ultraschallwandler eine unterschiedliche Ausgestaltung der elektroakustischen Elemente aufweisen. Beispielsweise können sich die Ultraschallwandler hinsichtlich der Anzahl und/oder der Geometrie der Elektroden unterscheiden.With regard to the design of the electroacoustic element, the two ultrasonic transducers are of identical design according to one design. According to an alternative configuration, the ultrasonic transducers can have a different configuration of the electroacoustic elements. For example, the ultrasonic transducers can differ in terms of the number and/or the geometry of the electrodes.

Die Steuer- und Auswerteeinheit umfasst gemäß einer Ausgestaltung ebenfalls die Steuereinheit des wenigstens einen Ultraschallwandlers. Besonders bevorzugt ist in der Steuer- und Auswerteeinheit ein Zusammenhang zwischen der Fließgeschwindigkeit und/oder der Viskosität des zu messenden Mediums bzw. der Dämpfung des Ultraschallsignals durch das zu messende Medium und der Ansteuerung der Elektroden hinterlegt.According to one embodiment, the control and evaluation unit also includes the control unit of the at least one ultrasonic transducer. A connection between the flow rate and/or the viscosity of the medium to be measured or the damping of the ultrasonic signal by the medium to be measured and the activation of the electrodes is particularly preferably stored in the control and evaluation unit.

Gemäß einer dritten Lehre wird die eingangs dargelegte Aufgabe durch ein eingangs dargelegtes Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts, dadurch gelöst, dass das Ultraschalldurchflussmessgerät gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit in Abhängigkeit von wenigstens einer Zustandsgröße wenigstens zwei Elektroden ansteuert, und wobei im Betrieb in Abhängigkeit von der wenigstens einer Zustandsgröße die Ansteuerung der wenigstens zwei Elektroden geändert wird.According to a third teaching, the task set out at the outset is achieved by a method set out at the outset for operating an ultrasonic flowmeter, in that the ultrasonic flowmeter is designed in accordance with one of the configurations described above, with the control and evaluation unit controlling at least two electrodes as a function of at least one state variable , and wherein the activation of the at least two electrodes is changed during operation as a function of the at least one state variable.

Die relevante Zustandsgröße ist dabei die Fließgeschwindigkeit des strömenden Mediums und/oder die Viskosität des Mediums und/oder die Absorption des Ultraschallsignals durch das Medium.The relevant state variable is the flow rate of the flowing medium and/or the viscosity of the medium and/or the absorption of the ultrasonic signal by the medium.

Gemäß einer Ausgestaltung wird durch die Steuer- und Auswerteeinheit die Amplitude und/oder das Frequenzspektrum eines Empfangssignals analysiert. In Abhängigkeit von dem Wert der transmittierten Intensität und/oder dem Frequenzspektrum des Empfangssignals werden die mit dem elektroakustischen Element verbundenen Elektroden angesteuert.According to one embodiment, the amplitude and/or the frequency spectrum of a received signal is analyzed by the control and evaluation unit. Depending on the value of the transmitted intensity and/or the frequency spectrum of the received signal, the electrodes connected to the electroacoustic element are activated.

Dabei ist der Grenzwert zur Umschaltung der Ansteuerung der Elektroden von dem zu messenden Medium abhängig. Da Gase eine kleinere Schallgeschwindigkeit haben als Flüssigkeiten, womit die Schallwellen eine längere Zeit unterwegs sind, wirkt sich der Verwehungseffekt bei gasförmigen Medien deutlich stärker aus als bei flüssigen Medien. Der Grenzwert zur Umschaltung zu einer breiteren Strahlform ist bei gasförmigen Medien daher vorzugsweise niedriger als bei flüssigen Medien.The limit value for switching over the activation of the electrodes depends on the medium to be measured. Since gases have a lower speed of sound than liquids, which means that the sound waves travel a longer time, the drift effect has a much stronger effect on gaseous media than on liquid media. The limit value for switching to a wider jet shape is therefore preferably lower in the case of gaseous media than in the case of liquid media.

Zudem kann wenigstens ein zusätzlicher Sensor zur Messung wenigstens einer weiteren Zustandsgröße des Systems, beispielsweise zur Messung der Viskosität des Mediums vorhanden sein.In addition, there can be at least one additional sensor for measuring at least one other state variable of the system, for example for measuring the viscosity of the medium.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden wenigstens zwei auf derselben Stirnfläche einer elektroakustischen Scheibe angeordneten Elektroden zumindest zeitweise parallel angesteuert. Die Einstellung der Strahlform ist gemäß dieser Ausgestaltung besonders flexibel.According to a preferred embodiment, at least two electrodes arranged on the same end face of an electroacoustic disk are driven in parallel at least at times. According to this configuration, the setting of the beam shape is particularly flexible.

Zudem ist es weiterhin bevorzugt, wenn wenigstens zwei Elektroden zumindest zeitweise mit unterschiedlicher Phase und/oder mit unterschiedlicher Amplitude angesteuert werden. Insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, kann die Richtung des ausgesendeten Ultraschallsignals derart beeinflusst werden, dass das ausgesendete Ultraschallsignal entgegen Strömungsrichtung geschwenkt wird. Hierzu werden beispielsweise wenigstens zwei Elektroden, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, zeitlich versetzt entgegen der Strömungsrichtung angesteuert. So kann in vorteilhafter Weise dem Verwehungseffekt durch ein Schwenken des Ultraschallsignals entgegengewirkt werden.In addition, it is also preferred if at least two electrodes are driven at least temporarily with a different phase and/or with a different amplitude. In particular at high flow velocities, the direction of the emitted ultrasonic signal can be influenced in such a way that the emitted ultrasonic signal is pivoted against the direction of flow. For this purpose, for example, at least two electrodes, which are arranged one behind the other in the direction of flow, are activated counter to the direction of flow with a time offset. In this way, the drifting effect can be counteracted in an advantageous manner by pivoting the ultrasonic signal.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind wenigstens zwei Ultraschallwandler vorhanden, wobei die wenigstens zwei Ultraschallwandler als Ultraschallsender und als Ultraschallempfänger ausgebildet sind und wobei beide Ultraschallwandler gemäß einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet sind, wobei beide Ultraschallwandler im Hinblick auf die Ausgestaltung des elektroakustischen Elements gleich ausgebildet sind und wobei die beiden Ultraschallwandler im Betrieb gleich angesteuert werden.According to a further preferred embodiment of the method, at least two ultrasonic transducers are present, with the at least two ultrasonic transducers being designed as ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers, and with both ultrasonic transducers being designed according to one of the embodiments described above, with both ultrasonic transducers being identical in terms of the design of the electroacoustic element are formed and the two ultrasonic transducers are controlled in the same way during operation.

Alternativ können die beiden Ultraschallwandler auch unterschiedliche elektroakustische Elemente aufweisen und/oder im Betrieb derart angesteuert werden, dass sie eine unterschiedliche Frequenz und/oder eine unterschiedliche Strahlbreite aufweisen. Die Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Gesamtbandbreite der Durchflussmessung erhöht werden kann.Alternatively, the two ultrasonic transducers can also have different electroacoustic elements and/or be controlled during operation in such a way that they have a different frequency and/or a different beam width. The configuration has the advantage that the overall bandwidth of the flow measurement can be increased.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden die Ultraschallwandler im Sendebetrieb anders betrieben als im Empfangsbetrieb. Beispielsweise können die Ultraschallwandler ein Ultraschallsignal mit einer geringen Strahlbreite aussenden und dann durch Umschalten der Ansteuerung derart betrieben werden, dass sie eine breitere akustisch wirksame Empfangsfläche aufweisen.According to a further embodiment, the ultrasonic transducers are operated differently in the transmission mode than in the reception mode. For example, the ultrasonic transducers can emit an ultrasonic signal with a small beam width and then be operated by switching the control in such a way that they have a broader, acoustically effective receiving area.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler, das erfindungsgemäße Ultraschalldurchflussmessgerät und die erfindungsgemäßen Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten abhängigen Patentansprüchen sowie auf die Beschreibung der nachfolgenden Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

1a einen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallwandler,
1b ein aus dem Stand der Technik bekanntes elektroakustisches Element,
2 ein erfindungsgemäßes elektroakustisches Element,
3 eine Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes elektroakustisches Element,
4a-4c Draufsichten auf weitere erfindungsgemäße elektroakustische Elemente,
5 ein weiteres erfindungsgemäßes elektroakustisches Element,
6 ein weiteres erfindungsgemäßes elektroakustisches Element,
7 ein erfindungsgemäßes Ultraschalldurchflussmessgerät,
8 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts und
9 ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts.

There are now a large number of possibilities for embodying and developing the ultrasonic transducer according to the invention, the ultrasonic flowmeter according to the invention and the method according to the invention. In this regard, reference is made to the dependent patent claims subordinate to the independent patent claims and to the description of the following drawing. Show in the drawing:

1a an ultrasonic transducer known from the prior art,
1b an electroacoustic element known from the prior art,
2 an electroacoustic element according to the invention,
3 a top view of another electroacoustic element according to the invention,
4a-4c Top views of further electroacoustic elements according to the invention,
5 another electroacoustic element according to the invention,
6 another electroacoustic element according to the invention,
7 an ultrasonic flowmeter according to the invention,
8th a method according to the invention for operating an ultrasonic flow meter and
9 another method according to the invention for operating an ultrasonic flowmeter.

1a zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallwandler 1, der für den Einsatz in einem Ultraschalldurchflussmessgerät 2 geeignet ist. Der Ultraschallwandler 1 weist ein Gehäuse 4 und ein akustisches Fenster 5 auf, wobei das elektroakustische Element 6 auf dem akustischen Fenster 5 angeordnet ist. Im Betrieb wird an das elektroakustische Element 6 eine Spannung angelegt, wodurch das elektroakustische Element 6 in Schwingung versetzt wird. Die Weitergabe dieser Schwingung durch das akustische Fenster 5 erzeugt im Betrieb ein Ultraschallsignal in dem vor dem akustischen Fenster 5 angeordneten Medium. 1a shows an ultrasonic transducer 1 known from the prior art, which is suitable for use in an ultrasonic flowmeter 2 . The ultrasonic transducer 1 has a housing 4 and an acoustic window 5, with the electro-acoustic element 6 being arranged on the acoustic window 5. FIG. In operation, a voltage is applied to the electroacoustic element 6, causing the electroacoustic element 6 to oscillate. The transmission of this vibration through the acoustic window 5 generates an ultrasonic signal in the medium arranged in front of the acoustic window 5 during operation.

1b zeigt das elektroakustische Element 6 in Form eines Piezoelements, also in Form eines Elements aus einem piezokeramischen Material, in vergrößerter Ansicht. Auf den Stirnflächen 7 des elektroakustischen Elementes 6 sind Elektroden 8 angeordnet, an die im Betrieb durch die Steuereinheit 11 eine Spannung zur Anregung des elektroakustischen Elementes 6 gelegt wird. Dabei bestimmt die Form der Elektroden 8 die Form des von dem elektroakustischen Elementes 6 ausgesendeten Ultraschallsignals, insbesondere die Breite eines ausgesendeten Ultraschallkegels. 1b shows the electroacoustic element 6 in the form of a piezoelectric element, ie in the form of an element made of a piezoceramic material, in an enlarged view. Electrodes 8 are arranged on the end faces 7 of the electroacoustic element 6, to which a voltage for exciting the electroacoustic element 6 is applied by the control unit 11 during operation. The shape of the electrodes 8 determines the shape of the ultrasonic signal emitted by the electroacoustic element 6, in particular the width of an emitted ultrasonic cone.

2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elementes 6. Das dargestellte elektroakustische Element 6 weist zwei Stirnflächen 7 auf, wobei auf der oberen Stirnfläche 7 zwei Elektroden 8 angeordnet sind, die sich in ihrer Größe und ihrer Form unterscheiden. Eine erste Elektrode 8 weist die Form einer Ringelektrode mit dem Durchmesser D₁ auf. Innerhalb dieser Elektrode 8 ist eine zweite kreisförmige Elektrode 8 mit einem Durchmesser D₂ angeordnet. Die auf der unteren Stirnfläche 7 angeordnete Elektrode 8 ist als vollflächige Masseelektrode ausgebildet. Die Masseelektrode 8 ist als gemeinsame Masseelektrode 8 für die beiden auf der oberen Stirnfläche 7 angeordneten Elektroden 8 ausgebildet. Im Betrieb wird entweder die innere Elektrode 8 zusammen mit der Masseelektrode angesteuert oder die innere Elektrode 8 wird parallel zur äußeren Ringelektrode 8 gegen die Masseelektrode 8 angesteuert. Im Betrieb unterscheidet sich die Form, insbesondere die Strahlbreite, des so erzeugten Ultraschallsignals in Abhängigkeit davon, ob nur die innere Elektrode 8 oder beide Elektroden 8 auf der oberen Stirnfläche betrieben werden. Durch die unterschiedliche Anregung des elektroakustischen Elementes 6 kann die Form des Ultraschallsignals im Betrieb damit umgeschaltet und an die jeweilige Messsituation angepasst werden. 2 shows a first exemplary embodiment of an electroacoustic element 6 according to the invention. The illustrated electroacoustic element 6 has two end faces 7, with two electrodes 8 being arranged on the upper end face 7, which differ in size and shape. A first electrode 8 has the form of a ring electrode with the diameter D ₁ . A second circular electrode 8 with a diameter D ₂ is arranged inside this electrode 8 . The electrode 8 arranged on the lower end face 7 is designed as a full-surface ground electrode. The ground electrode 8 is designed as a common ground electrode 8 for the two electrodes 8 arranged on the upper end face 7 . In operation, either the inner electrode 8 is driven together with the ground electrode, or the inner electrode 8 is driven parallel to the outer ring electrode 8 against the ground electrode 8. During operation, the shape, in particular the beam width, of the ultrasonic signal generated in this way differs depending on whether only the inner electrode 8 or both electrodes 8 on the upper end face are operated. Due to the different excitation of the electro-acoustic element 6, the form of the ultrasonic signal can be switched during operation and adapted to the respective measurement situation.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Elementes 6 in Draufsicht von oben, wobei auf der oberen Stirnfläche 7 drei Elektroden 8, und zwar zwei ineinanderliegende Ringelektroden 8 und eine innenliegende kreisförmige Elektrode 8 angeordnet sind. Die erste äußere Ringelektrode 8 weist einen Durchmesser D₁ auf, die zweite innen liegende Ringelektrode 8 weist einen kleineren Durchmesser D₂ auf und die innenliegende kreisförmige Elektrode 8 weist einen Durchmesser D₃ auf. Im Betrieb können die Elektroden 8 einzeln oder parallel zueinander in unterschiedlichen Kombinationen angesteuert werden, sodass durch die unterschiedliche Ansteuerung der Elektroden 8 verschiedene Strahlformen des erzeugten Ultraschallsignals eingestellt werden können. 3 shows a further embodiment of an electroacoustic element 6 in plan view from above, with three electrodes 8, namely two ring electrodes 8 lying one inside the other and one circular electrode 8 lying on the inside, being arranged on the upper end face 7. The first outer ring electrode 8 has a diameter D ₁ , the second inner ring electrode 8 has a smaller diameter D ₂ and the inner circular electrode 8 has a diameter D ₃ . During operation, the electrodes 8 can be controlled individually or in parallel in different combinations, so that different beam shapes of the ultrasonic signal generated can be set by the different control of the electrodes 8 .

Die 4a bis 4c zeigen jeweils Ausführungsbeispiele von elektroakustischen Elementen 6 in Draufsicht auf die obere Stirnfläche 7, wobei die Elektroden 8 unterschiedliche Formen aufweisen. Im Detail zeigt 4a eine wabenförmige Struktur aus sieben Elektroden, wobei jede einzelne, separat ansteuerbare Elektrode 8 sechseckig ausgebildet ist. 4b zeigt eine Kombination aus neun separat ansteuerbaren Elektroden, wobei jede einzelne Elektrode 8 rechteckig, insbesondere quadratisch ausgebildet ist. Beide Ausführungsbeispiele weisen den Vorteil auf, dass unterschiedliche Kombinationen an Elektroden 8 parallel angesteuert werden können. Damit lassen sich im Betrieb besonders viele Strahlformen, insbesondere auch unsymmetrische Strahlformen einstellen. 4c zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Elektrode 8 eine elliptische Form aufweisen. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel umgibt eine ringförmige elliptische Elektrode 8 eine innenliegende elliptische Elektrode 8.the 4a until 4c each show exemplary embodiments of electroacoustic elements 6 in a plan view of the upper end face 7, with the electrodes 8 having different shapes. shows in detail 4a a honeycomb structure made up of seven electrodes, each individual, separately controllable electrode 8 being hexagonal. 4b shows a combination of nine separately controllable electrodes, each individual electrode 8 being rectangular, in particular square is trained. Both exemplary embodiments have the advantage that different combinations of electrodes 8 can be controlled in parallel. A particularly large number of beam shapes, in particular asymmetrical beam shapes, can thus be set during operation. 4c Fig. 12 shows an embodiment in which the electrodes 8 have an elliptical shape. According to the illustrated embodiment, an annular elliptical electrode 8 surrounds an inner elliptical electrode 8.

In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das elektroakustische Element 6 eine erste elektroakustische Scheibe 9 und eine zweite elektroakustische Scheibe 9 auf, die übereinander angeordnet sind. Jede elektroakustische Scheibe 9 weist eine erste Stirnfläche 7 und eine zweite Stirnfläche 7 auf, wobei auf jeder der Stirnflächen 7 wenigstens eine Elektrode 8 angeordnet ist. Die elektroakustische Scheiben 9 sind über die obere Stirnfläche 7 der unteren elektroakustischen Scheibe 9 und die untere Stirnfläche 7 der oberen elektroakustischen Scheibe 9 miteinander verbunden. Auf der unteren Stirnfläche 7 der unteren elektroakustischen Scheibe 9 ist eine vollflächige Elektrode 8 angeordnet, die im Betrieb als Masseelektrode 8 für sämtliche übrigen Elektroden 8 ausgebildet ist. Auf der oberen Stirnfläche 7 der unteren elektroakustischen Scheibe 9, bzw. auf der unteren Stirnfläche 7 der oberen elektroakustischen Scheibe 9, sind zwei kreisförmige Elektroden 8 angeordnet, die jeweils separat oder auch parallel ansteuerbar sind. Auf der oberen Stirnfläche 7 der oberen elektroakustischen Scheibe 9 ist eine Mehrzahl an separat oder parallel ansteuerbaren Elektroden 8 angeordnet, die jeweils sechseckig ausgebildet sind.in the in 5 In the illustrated embodiment, the electroacoustic element 6 has a first electroacoustic disc 9 and a second electroacoustic disc 9, which are arranged one above the other. Each electroacoustic disk 9 has a first end face 7 and a second end face 7, with at least one electrode 8 being arranged on each of the end faces 7. FIG. The electro-acoustic discs 9 are connected to one another via the upper face 7 of the lower electro-acoustic disc 9 and the lower face 7 of the upper electro-acoustic disc 9 . On the lower end face 7 of the lower electro-acoustic disk 9 there is a full-surface electrode 8 which is designed as a ground electrode 8 for all other electrodes 8 during operation. On the upper face 7 of the lower electro-acoustic disk 9, or on the lower face 7 of the upper electro-acoustic disk 9, two circular electrodes 8 are arranged, which can each be controlled separately or in parallel. On the upper end face 7 of the upper electro-acoustic disc 9 there are a plurality of electrodes 8 which can be controlled separately or in parallel and are each hexagonal.

Im Betrieb kann zur Anregung des elektroakustischen Elementes 6 entweder die obere elektroakustische Scheibe 9 angesteuert werden und/oder die untere elektroakustische Scheibe 9. Wird nur eine Scheibe angeregt, so schwingt die jeweils andere elektroakustische Scheibe 9 dann im Betrieb mit. Denkbar ist ebenso im Betrieb die beiden elektroakustischen Scheiben unterschiedlich anzuregen. Aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Ausgestaltung der Elektroden 8 auf der oberen Stirnfläche 7 der unteren elektroakustischen Scheibe 9 und der oberen Stirnfläche 7 der oberen elektroakustischen Scheibe kann die Strahlform des erzeugten Ultraschallsignals im Betrieb besonders flexibel eingestellt werden.During operation, either the upper electro-acoustic disk 9 and/or the lower electro-acoustic disk 9 can be activated to excite the electro-acoustic element 6. If only one disk is excited, the other electro-acoustic disk 9 then oscillates during operation. It is also conceivable to stimulate the two electroacoustic panes differently during operation. Due to the different geometric configuration of the electrodes 8 on the upper end face 7 of the lower electro-acoustic disc 9 and the upper end face 7 of the upper electro-acoustic disc, the beam shape of the ultrasonic signal generated can be set particularly flexibly during operation.

In 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Elementes 6 dargestellt, wobei das elektroakustische Element 6 ebenfalls zwei übereinander angeordnete elektroakustische Scheiben 9 in Form von Piezoscheiben aufweist, wobei auf den Stirnflächen 7 der elektroakustischen Scheiben 9 jeweils wenigstens eine Elektrode 8 angeordnet ist. Auf der oberen Stirnfläche 7 der unteren elektroakustischen Scheibe 9 und auf der oberen Stirnfläche 7 der oberen elektroakustischen Scheibe 9 sind jeweils zwei separat oder parallel ansteuerbare Elektroden 8 angeordnet, wobei eine äußere Ringelektrode 8 eine innere kreisförmige Elektrode 8 umgibt.In 6 1 shows an embodiment of an electroacoustic element 6, the electroacoustic element 6 also having two superimposed electroacoustic discs 9 in the form of piezo discs, with at least one electrode 8 being arranged on the end faces 7 of the electroacoustic discs 9. On the upper end face 7 of the lower electro-acoustic disc 9 and on the upper end face 7 of the upper electro-acoustic disc 9 there are two electrodes 8 that can be controlled separately or in parallel, with an outer ring electrode 8 surrounding an inner circular electrode 8 .

Im Betrieb wird an wenigstens eine auf der oberen Stirnfläche 7 der unteren elektroakustischen Scheibe 9 und an die auf der unteren Stirnfläche 7 der unteren elektroakustischen Scheibe 9 angeordnete Elektrode 8 eine Spannung zur Anregung der unteren elektroakustischen Scheibe 9 angelegt. Durch die Anregung der unteren elektroakustischen Scheibe 9 wird im Betrieb die obere elektroakustische Scheibe 9 ebenfalls zur Schwingung angeregt. Zwischen wenigstens einer Elektrode 8 auf der unteren Stirnfläche 7 der oberen elektroakustischen Scheibe 9 und wenigstens einer auf der oberen Stirnfläche 7 der oberen elektroakustischen Scheibe 9 angeordneten Elektrode 8 liegt eine zusätzlich elektrische Last an, die im Fall der Schwingung der oberen elektroakustischen Scheibe 9 eine akustische Impedanz in der oberen elektroakustischen Scheibe 9 erzeugt, sodass im Ergebnis die Schwingungsfrequenz des gesamten elektroakustischen Elements 6 verändert wird.In operation, a voltage for excitation of the lower electro-acoustic disc 9 is applied to at least one on the upper face 7 of the lower electro-acoustic disc 9 and to the electrode 8 arranged on the lower face 7 of the lower electro-acoustic disc 9 . By excitation of the lower electro-acoustic disc 9, the upper electro-acoustic disc 9 is also excited to oscillate during operation. Between at least one electrode 8 on the lower end face 7 of the upper electro-acoustic disc 9 and at least one electrode 8 arranged on the upper end face 7 of the upper electro-acoustic disc 9 there is an additional electrical load which, if the upper electro-acoustic disc 9 vibrates, generates an acoustic load Impedance generated in the upper electro-acoustic disc 9, so that the vibration frequency of the entire electro-acoustic element 6 is changed as a result.

Im Ergebnis kann mittels des dargestellten Ausführungsbeispiels sowohl durch die Mehrzahl an verschiedenen Elektroden eine unterschiedliche Strahlform eingestellt werden als auch durch die gesonderte Ansteuerung der elektroakustische Scheiben 9 in Kombination mit der an der oberen elektroakustischen Scheibe anliegenden Last die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals beeinflusst werden.As a result, using the exemplary embodiment shown, a different beam shape can be set by the plurality of different electrodes and the frequency of the ultrasonic signal generated can be influenced by the separate activation of the electro-acoustic discs 9 in combination with the load applied to the upper electro-acoustic disc.

Die Steuereinheit 11 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Multiplexer oder als Schaltmatrix ausgebildet.In the exemplary embodiment shown, the control unit 11 is designed as a multiplexer or as a switching matrix.

Neben der flexiblen Ansteuerung des elektroakustischen Elements 6 ist es ebenso möglich, dass das elektroakustische Element 6 im Sendemodus anders angesteuert wird als im Empfangsmodus.In addition to the flexible control of the electroacoustic element 6, it is also possible for the electroacoustic element 6 to be controlled differently in the transmission mode than in the reception mode.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist insofern besonders flexibel einstellbar im Hinblick auf die Eigenschaften des erzeugten Ultraschallsignals sowie auf den Empfang eines Ultraschallsignals.In this respect, the exemplary embodiment shown can be set particularly flexibly with regard to the properties of the ultrasonic signal generated and to the reception of an ultrasonic signal.

7 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ultraschalldurchflussmessgeräts 2 mit zwei erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern 1, die an einem Messrohr 10 angeordnet sind. Beide Ultraschallwandler 1 sind jeweils als Ultraschallsender und als Ultraschallempfänger ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ultraschallwandler 1 kann insbesondere die Form der von den Sendern ausgesendeten Ultraschallsignale auf die jeweilige Messsituation angepasst werden. Ist beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Mediums sehr hoch, sodass die transmittierte Intensität an dem als Empfangseinheit arbeitenden Ultraschallwandler einen Schwellwert unterschreitet, können die Ultraschallwandler derart angesteuert werden, dass die Strahlbreite ΔΘ₁ groß ist. In der Folge kann auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten das Ultraschallsignal den jeweiligen Empfänger erreichen. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten können die Ultraschallwandler 1 derart angesteuert werden, dass die Strahlbreite ΔΘ₂ des Ultraschallsignals klein ist, sodass eine hohe Signalintensität gewährleistet werden kann. Im Ergebnis kann der Betrieb der Ultraschallwandler 1 auf die jeweilige Messsituation angepasst werden. 7 shows a first exemplary embodiment of an ultrasonic flow measuring device 2 with two ultrasonic transducers 1 according to the invention, which are arranged on a measuring tube 10 . Both ultrasonic transducers 1 are designed as ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers. Through The configuration of the ultrasonic transducer 1 according to the invention allows in particular the form of the ultrasonic signals emitted by the transmitters to be adapted to the respective measurement situation. If, for example, the flow rate of the medium to be measured is very high, so that the transmitted intensity at the ultrasonic transducer working as a receiving unit falls below a threshold value, the ultrasonic transducers can be controlled in such a way that the beam width ΔΘ ₁ is large. As a result, the ultrasonic signal can reach the respective receiver even at high flow speeds. At low flow velocities, the ultrasonic transducers 1 can be controlled in such a way that the beam width ΔΘ ₂ of the ultrasonic signal is small, so that a high signal intensity can be guaranteed. As a result, the operation of the ultrasonic transducer 1 can be adapted to the respective measurement situation.

8 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 3 zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts 2 umfassend zwei Ultraschallwandler 1, wobei beide Ultraschallwandler 1 als Ultraschallsender und -empfänger ausgebildet sind und wobei die Ultraschallwandler 1 sowohl gleich ausgebildet sind als auch gleich angesteuert werden, sodass die erzeugten Ultraschallsignale hinsichtlich Strahlbreite und Frequenz übereinstimmen. In einem ersten Schritt 12 wird sowohl von dem ersten Ultraschallwandler 1 als auch von dem zweiten Ultraschallwandler 1 ein Ultraschallsignal ausgesendet. 8th shows a first exemplary embodiment of a method 3 for operating an ultrasonic flowmeter 2 comprising two ultrasonic transducers 1, both ultrasonic transducers 1 being designed as ultrasonic transmitters and receivers and the ultrasonic transducers 1 being designed and controlled in the same way so that the ultrasonic signals generated are identical in terms of beam width and frequency match. In a first step 12, both the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 1 emit an ultrasonic signal.

Mit der gleichen Ansteuerung der Elektroden 8 wird das jeweilige Empfangssignal von den Ultraschallwandlern 1 empfangen 13.With the same activation of the electrodes 8, the respective received signal is received by the ultrasonic transducers 1 13.

Aus den gemessenen Laufzeiten wird die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bestimmt 14.The flow velocity of the medium is determined from the measured transit times 14.

In Abhängigkeit von der gemessenen Strömungsgeschwindigkeit wird die Ansteuerung der Elektroden 8 umgeschaltet 15, sodass die Strahlbreite vergrößert bzw. verkleinert wird. Im Detail wird entweder die Ansteuerung umgeschaltet, wenn der Wert der Strömungsgeschwindigkeit einen Grenzwert überschreitet oder unterschreitet, alternativ oder ergänzend wird die Ansteuerung umgeschaltet, wenn die transmittierte Intensität einen Schwellwert überschreitet oder unterschreitet.Depending on the measured flow rate, the activation of the electrodes 8 is switched over 15 so that the jet width is increased or decreased. In detail, either the control is switched over if the value of the flow velocity exceeds or falls below a limit value, alternatively or additionally the control is switched over if the transmitted intensity exceeds or falls below a threshold value.

Anschließend wird erneut von den Ultraschallwandlern 1 ein Ultraschallsignal zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit ausgesendet.An ultrasonic signal for measuring the flow rate is then emitted again by the ultrasonic transducers 1 .

9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 3 zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts 2 umfassend zwei Ultraschallwandler 1, wobei beide Ultraschallwandler 1 als Ultraschallsender und -empfänger ausgebildet sind und wobei die Ultraschallwandler 1 sowohl gleich ausgebildet sind als auch hinsichtlich Strahlbreite und/oder Frequenz des Ultraschallsignals gleich betrieben werden. 9 shows another exemplary embodiment of a method 3 for operating an ultrasonic flowmeter 2 comprising two ultrasonic transducers 1, with both ultrasonic transducers 1 being designed as ultrasonic transmitters and receivers and with the ultrasonic transducers 1 being designed in the same way and being operated in the same way in terms of beam width and/or frequency of the ultrasonic signal .

In einem ersten Schritt wird sowohl von dem ersten Ultraschallwandler 1 als auch von dem zweiten Ultraschallwandler 1 ein Ultraschallsignal ausgesendet 12. Im Sendemodus werden die Ultraschallwandler 1 dabei derart angesteuert, dass sie ein Signal mit geringer Strahlbreite aussenden.In a first step, an ultrasonic signal is emitted 12 by both the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 1. In the transmit mode, the ultrasonic transducers 1 are controlled in such a way that they emit a signal with a narrow beam width.

Anschließend schalten 16 die Ultraschallwandler 1 um in den Empfangsmodus, wobei die Ultraschallwandler 1 im Empfangsmodus zum Empfang einer breiten Strahlbreite ausgebildet sind.The ultrasonic transducers 1 then switch 16 to the receiving mode, with the ultrasonic transducers 1 being designed to receive a wide beam width in the receiving mode.

Nach dem Empfang 13 des Empfangssignals wird aus den gemessenen Laufzeiten die Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Mediums bestimmt 14.After receiving 13 the received signal, the flow velocity of the medium to be measured is determined 14 from the measured propagation times.

Anschließend schalten die Ultraschallwandler wieder um in den Sendemodus 17.The ultrasonic converters then switch back to transmission mode 17.

Da der Betrieb der Ultraschallwandler hinsichtlich der Ausgestaltung des ausgesendeten Ultraschallsignals an die Messsituation angepasst werden kann, kann die Qualität des jeweiligen Empfangssignals auch bei anspruchsvollen Messsituationen verbessert werden.Since the operation of the ultrasonic transducer can be adapted to the measurement situation with regard to the configuration of the emitted ultrasonic signal, the quality of the respective received signal can be improved even in demanding measurement situations.

BezugszeichenlisteReference List

11: Ultraschallwandlerultrasonic transducer
22: Ultraschalldurchflussmessgerätultrasonic flow meter
33: Verfahren zum Betreiben eines UltraschalldurchflussmessgerätsMethod for operating an ultrasonic flow meter
44: Gehäusehousing
55: Akustisches Fensteracoustic window
66: Elektroakustisches ElementElectroacoustic element
77: Stirnflächeface
88th: Elektrodeelectrode
99: Elektroakustische ScheibeElectroacoustic disc
1010: Messrohrmeasuring tube
1111: Steuereinheitcontrol unit
1212: Aussendung eines Ultraschallsignalstransmission of an ultrasonic signal
1313: Empfang des EmpfangssignalsReception of the received signal
1414: Bestimmung der StrömungsgeschwindigkeitDetermination of the flow rate
1515: Umschaltung der Ansteuerung der ElektrodenSwitching the activation of the electrodes
1616: Umschalten in der Ansteuerung in den EmpfangsmodusSwitching in control to receive mode
1717: Umschalten der Ansteuerung in den SendemodusSwitching the control to transmit mode

Claims

Ultrasonic transducer (1), in particular for an ultrasonic flowmeter (2), wherein the ultrasonic transducer (1) has at least one electroacoustic element (6), at least one housing (4), at least one acoustic window (5) and at least one control unit (11), wherein the electroacoustic element (6) is arranged within the housing (4) on the acoustic window (5) such that during operation an ultrasonic signal generated by the electroacoustic element (6) leaves the housing (4) through the acoustic window (5). and wherein the electroacoustic element (6) has at least one electroacoustic disc (9), characterized in that at least three electrodes (8) are connected to the electroacoustic element (6), the at least three electrodes (8) being controlled by the control unit (11 ) can be controlled separately.

Ultrasonic converter (1) after claim 1 , characterized in that the at least one electro-acoustic disc (9) has a first and a second end face (7) and that at least two separately controllable electrodes (8) are arranged on the same end face (7) of the at least one electro-acoustic disc (9).

Ultrasonic converter (1) after claim 1 or 2 , characterized in that at least two electrodes (8) differ in their shape and/or their size, wherein preferably two electrodes (8) arranged on the same end face (7) differ in their shape and/or size.

Ultrasonic transducer (1) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the control unit (11) is designed and connected to the electrodes (8) in such a way that at least two electrodes (8) can be controlled at least temporarily with a different phase and/or with a different amplitude.

Ultrasonic transducer (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that there is a plurality of separately controllable electrodes (8), the plurality of electrodes (8) being arranged on the same end face (7) of the at least one electroacoustic disc (9), and the individual electrodes ( 8) can be controlled in different combinations to adjust the beam shape, in particular the beam width, of the generated ultrasonic signal.

Ultrasonic transducer (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that one electrode (8) is designed as a ground electrode, the ground electrode preferably being a common ground electrode for at least two electrodes (8).

Ultrasonic transducer (1) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the electro-acoustic element (6) comprises at least a first and a second electro-acoustic disc (9), the at least two electro-acoustic discs (9) being arranged one above the other, and the at least two electro-acoustic discs (9) preferably being separated from the Control unit (11) can be controlled separately.

Ultrasonic converter (1) after claim 7 , characterized in that each electro-acoustic disc (9) has a first end face (7) and a second end face (7), the first and the second electro-acoustic disc (9) being connected via the end faces (7 ) are connected to one another, with at least one electrode (8) being arranged on the end face (7) of the first electro-acoustic disc (9) facing the acoustic window (5), with at least one electrode (8) between the first and the second electro-acoustic disc (9) and wherein at least one electrode (8) is arranged on the end face (7) of the second electro-acoustic disc (9) facing away from the first electro-acoustic disc (9).

Ultrasonic flow meter (2) with at least one measuring tube (10), with at least one ultrasonic transducer (1) and with at least one control and evaluation unit (11), wherein the at least one ultrasonic transducer (1) acts at least as an ultrasonic transmitter, preferably as an ultrasonic transmitter and receiver, and wherein the ultrasonic transducer (1) is arranged on the measuring tube (10) in such a way that during operation it emits an ultrasonic signal in or against the direction of flow of a flowing medium into the measuring tube (10), characterized in that the at least one ultrasonic transducer (1) pursuant to any of Claims 1 until 8th is trained.

Ultrasonic flow meter (2) according to claim 9 , characterized in that in the control and evaluation unit (11) a relationship between the value of at least one state variable of the ultrasonic flow meter, in particular a value of the flow rate speed and/or the viscosity of the medium to be measured, and the activation of the electrodes (8) is stored.

Method (3) for operating an ultrasonic flow meter (2), characterized in that the ultrasonic flow meter (2) according to claim 9 or 10 is formed, wherein the control and evaluation unit (11) controls at least two electrodes (8) as a function of at least one state variable, and wherein the control of the at least two electrodes is changed during operation as a function of the at least one state variable.

Method (3) according to claim 11 , characterized in that at least two electrodes (8) arranged on the same end face (7) of an electroacoustic disc (9) are driven in parallel at least at times.

Method (3) according to one of Claims 11 or 12 , characterized in that at least two electrodes (8) are driven at least temporarily with a different phase and/or with a different amplitude.

Method (3) according to one of claims 11 until 13 , characterized in that at least two ultrasonic transducers (1) are present, wherein the at least two ultrasonic transducers (1) are designed as ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers and both ultrasonic transducers (1) according to one of Claims 1 until 8th are designed, with both ultrasonic transducers (1) being designed identically with regard to the design of the electroacoustic element (6) and with the two ultrasonic transducers being controlled in the same way during operation.