DE102020129196A1

DE102020129196A1 - Ultrasonic transducer, method for operating an ultrasonic transducer, ultrasonic flow meter and method for operating an ultrasonic flow meter

Info

Publication number: DE102020129196A1
Application number: DE102020129196.5A
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 (3), wobei der Ultraschallwandler (1) wenigstens ein elektroakustisches Element (7), wenigstens ein Gehäuse (5), wenigstens ein akustisches Fenster (6) und wenigstens eine Steuereinheit (13) aufweist, wobei das elektroakustisches Element (7) innerhalb des Gehäuses (5) derart auf dem akustischen Fenster (6) angeordnet ist, dass im Betrieb ein von dem elektroakustischem Element (7) erzeugten Ultraschallsignal das Gehäuse (5) durch das akustische Fenster (6) verlässt.Die Aufgabe, einen Ultraschallwandler anzugeben, der eine Verbesserung der Qualität des Messsignals und damit eine Vergrößerung des Messbereichs gewährleistet, ist dadurch gelöst, dass das elektroakustische Element (7) wenigstens zwei elektroakustische Scheiben (10) aufweist, wobei die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben (10) übereinander angeordnet sind und wobei wenigstens eine elektroakustische Scheibe (10) von der Steuereinheit (13) zumindest zeitweise separat angeregt werden kann.Described and illustrated is an ultrasonic transducer (1), in particular for an ultrasonic flowmeter (3), the ultrasonic transducer (1) having at least one electroacoustic element (7), at least one housing (5), at least one acoustic window (6) and at least one control unit (13), wherein the electro-acoustic element (7) within the housing (5) is arranged on the acoustic window (6) that during operation of the electro-acoustic element (7) generated ultrasonic signal, the housing (5) through the acoustic window (6).The task of specifying an ultrasonic transducer, which ensures an improvement in the quality of the measurement signal and thus an increase in the measurement range, is achieved in that the electroacoustic element (7) has at least two electroacoustic discs (10), the at least two electro-acoustic discs (10) are arranged one above the other and at least one electro-acoustic disc (1 0) can be separately excited at least temporarily by the control unit (13).

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.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 such that, in operation, an ultrasonic signal generated by the electro-acoustic element exits the housing through the acoustic window.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers in einer Messumgebung, 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 a method for operating an ultrasonic transducer in a measurement environment, an ultrasonic flowmeter with at least one measuring tube, with at least one ultrasonic transducer and with at least one control and evaluation unit, the at least one ultrasonic transducer being used at least as an ultrasonic transmitter, preferably as an ultrasonic transmitter and receiver , is formed and wherein the ultrasonic transducer is arranged on the measuring tube 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, and a method for operating an ultrasonic flowmeter.

Aus dem Stand der Technik bekannte Ultraschallwandler zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines durch ein Messrohr strömenden Mediums 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 for determining 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, independently of the current process situation.

Grundsätzlich ist die Qualität eines Ultraschallmesssignals, das ein Medium durchläuft, abhängig von den Absorptionseigenschaften des Mediums, der Viskosität des Mediums sowie von den aktuellen Prozessbedingungen. Die Qualität des Transmissionssignals mindernde Effekte sind beispielsweise die Dämpfung des Signals durch das Medium oder Verwehungseffekte bei hohen Fließgeschwindigkeiten im Fall einer Messung von strömenden Medien. Im Folgenden wird ein Ultraschallsignal, das ein Medium durchquert hat, als Empfangssignal bezeichnet.Basically, the quality of an ultrasonic measurement signal that passes through a medium depends on the absorption properties of the medium, the viscosity of the medium and the current process conditions. Effects that reduce the quality of the transmission signal are, for example, the attenuation of the signal by the medium or drift effects at high flow velocities when measuring flowing media. In the following, an ultrasonic signal that has traversed a medium is referred to as a received signal.

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

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

Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die zuvor dargelegte Aufgabe dadurch gelöst, dass das elektroakustische Element wenigstens zwei elektroakustische Scheiben aufweist, wobei die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben übereinander angeordnet sind und wobei wenigstens eine elektroakustische Scheibe von der Steuereinheit zumindest zeitweise separat angeregt werden kann.According to a first teaching of the present invention, the object set out above is achieved in that the electroacoustic element has at least two electroacoustic discs, the at least two electroacoustic discs being arranged one above the other and at least one electroacoustic disc being able to be excited separately by the control unit at least at times.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das elektroakustische Element eines Ultraschallwandlers modular ausgebildet sein kann, sodass es in unterschiedlicher Weise angeregt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass Einfluss auf die Eigenschaften des im Betrieb erzeugten Ultraschallsignals genommen werden kann. Im Detail können die Eigenschaften des Ultraschallsignals an die Eigenschaften des Mediums und/oder an die aktuelle Prozesssituation angepasst werden, wodurch im Ergebnis die Qualität des Empfangssignals verbessert werden kann.According to the invention, it was recognized that the electroacoustic element of an ultrasonic transducer can be of modular design, so that it can be excited in different ways. This has the advantage that the properties of the ultrasonic signal generated during operation can be influenced. In detail, the properties of the ultrasonic signal can be adapted to the properties of the medium and/or to the current process situation, as a result of which the quality of the received signal can be improved.

Im Betrieb kann beispielsweise genau eine elektroakustische Scheibe zur Schwingung angeregt werden, wobei die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben derart miteinander verbunden sind, dass die zweite elektroakustische Scheibe mitschwingt, sodass im Ergebnis die Resonanzfrequenz des durch das elektroakustische Element gebildeten Resonators durch die Kombination der wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben bestimmt wird. Unter einer separaten Anregung im Sinne der Erfindung ist damit nicht gemeint, dass eine separat angeregte elektroakustische Scheibe alleine frei schwingt.During operation, for example, exactly one electro-acoustic disk can be excited to oscillate, with the at least two electro-acoustic disks being connected to one another in such a way that the second electro-acoustic disk vibrates, so that the resonant frequency of the resonator formed by the electro-acoustic element is increased by the combination of the at least two electro-acoustic slices is determined. A separate excitation within the meaning of the invention does not mean that a separately excited electroacoustic disc oscillates freely on its own.

Durch die Ausgestaltung und/oder Ansteuerung der zweiten elektroakustischen Scheibe kann die Resonanzfrequenz des elektroakustischen Elements insgesamt beeinflusst werden, wodurch im Ergebnis die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals variiert werden kann. Dies wird nachfolgend für unterschiedliche Ausgestaltungen detaillierter ausgeführt.The resonant frequency of the electro-acoustic element as a whole can be influenced by the configuration and/or activation of the second electro-acoustic disc, as a result of which the frequency of the generated ultrasonic signal can be varied. This is explained in more detail below for different configurations.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben separat angesteuert werden. In diesem Fall sind beide elektroakustischen Scheiben separat mit der Steuereinheit verbunden. Im Betrieb können die wenigstens zwei Scheiben beispielsweise unterschiedlich angeregt werden. Denkbar ist auch, dass die elektroakustischen Scheiben zumindest zeitweise parallel oder in Serie geschaltet sind. Besonders bevorzugt sind die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben derart mit der Steuereinheit verbunden, dass im Betrieb zwischen unterschiedlichen Ansteuerungen der einzelnen elektroakustischen Scheiben umgeschaltet werden kann.According to a preferred embodiment, the at least two electroacoustic disks can be controlled separately. In this case, both electro-acoustic disks are separately connected to the control unit. During operation, the at least two disks can be excited differently, for example. It is also conceivable that the electroacoustic discs are connected in parallel or in series at least temporarily. The at least two electro-acoustic discs are particularly preferably connected to the control unit in such a way that during operation between different chen controls of the individual electro-acoustic discs can be switched.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das elektroakustische Element ein Piezoelement, also ein Element aus einem piezokeramischen Material, und/oder ein mikromechanisches Element eines kapazitiv mikromechanischen Ultraschallwandlers. Vorzugsweise ist weiterhin eine elektroakustische Scheibe eine Piezoscheibe, also eine Scheibe aus einem piezokeramischen Material, und/oder eine mikromechanische Scheibe eines kapazitiv mikromechanischen Ultraschallwandlers. Andere elektroakustische Elemente bzw. Scheiben sind für die Realisierung der Erfindung ebenfalls denkbar.According to a further embodiment, the electroacoustic element is a piezo element, ie an element made of a piezoceramic material, and/or a micromechanical element of a capacitive micromechanical ultrasonic transducer. Furthermore, an electroacoustic disk is preferably a piezo disk, ie a disk made of a piezoceramic material, and/or a micromechanical disk of a capacitive micromechanical ultrasonic transducer. Other electroacoustic elements or disks are also conceivable for the implementation of the invention.

Besonders bevorzugt weisen die wenigstens zwei elektroakustischen Scheiben jeweils eine erste und eine zweite Stirnfläche auf, wobei mit dem elektroakustischen Element wenigstens drei Elektroden verbunden sind, wobei wenigstens eine Elektrode auf der dem akustischen Fenster zugewandten Stirnfläche der ersten elektroakustischen Scheiben angeordnet ist, wobei wenigstens eine Elektrode zwischen der ersten und der zweiten elektroakustischen Scheibe angeordnet ist, und wobei wenigstens eine Elektrode auf der dem akustischen Fenster abgewandten Stirnfläche der zweiten elektroakustischen Scheibe angeordnet ist.Particularly preferably, the at least two electroacoustic panes each have a first and a second end face, with at least three electrodes being connected to the electroacoustic element, with at least one electrode being arranged on the end face of the first electroacoustic panes facing the acoustic window, with 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 end face of the second electro-acoustic disc facing away from the acoustic window.

Ist die elektroakustische Scheibe im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet, so entsprechen die Stirnflächen einer elektroakustischen Scheibe den einander gegenüberliegenden Grundflächen des Zylinders. Diese Grundflächen können kreisförmig ausgebildet sein oder auch die Form eines Vielecks oder einer Ellipse aufweisen.If the electro-acoustic disc is essentially cylindrical, the end faces of an electro-acoustic disc correspond to the opposing base areas of the cylinder. These bases can be circular or have the shape of a polygon or an ellipse.

Besonders bevorzugt sind auf wenigstens einer Stirnfläche der ersten und/oder der zweiten elektroakustischen Scheibe wenigstens zwei Elektroden angeordnet, wobei die wenigstens zwei Elektroden sich in ihrer Form und/oder ihrer Größe unterscheiden.At least two electrodes are particularly preferably arranged on at least one end face of the first and/or the second electroacoustic disk, the at least two electrodes differing in their shape and/or their size.

Beispielsweise umgibt eine als Ringelektrode ausgebildete erste Elektrode eine zweite innerhalb der Ringelektrode liegende zweite Elektrode. Vorzugsweise sind gemäß dieser Ausgestaltung beide Elektroden kreisförmig oder elliptisch ausgebildet. Gemäß dieser Ausgestaltung können die beiden Elektroden im Betrieb einzeln oder parallel angesteuert werden.For example, a first electrode designed as a ring electrode surrounds a second electrode lying within the ring electrode. According to this configuration, both electrodes are preferably circular or elliptical. According to this configuration, the two electrodes can be driven individually or in parallel during operation.

Die Form und/oder die Größe der Elektroden hat bei Anregung der elektroakustischen Scheibe Einfluss auf die Form des erzeugten Ultraschallsignals.When the electroacoustic disc is excited, the shape and/or the size of the electrodes has an influence on the shape of the ultrasonic signal generated.

Neben der Ausgestaltung als Ringelektrode mit einer innenliegenden Elektrode sind ebenfalls andere Elektrodenformen denkbar und vorteilhaft. Beispielsweise kann auf einer Stirnfläche eine Mehrzahl an Elektroden vorhanden sein, wobei im Betrieb die einzelnen Elektroden zur Einstellung der Strahlform, insbesondere der Strahlbreite, des ausgesendeten Ultraschallsignals separat und/oder in unterschiedlichen Kombinationen angesteuert werden können.In addition to the design as a ring electrode with an internal electrode, other electrode shapes are also conceivable and advantageous. For example, a plurality of electrodes can be present on an end face, with the individual electrodes being able to be controlled separately and/or in different combinations during operation to adjust the beam shape, in particular the beam width, of the transmitted ultrasonic signal.

Beispielsweise können die Elektroden sechseckig und/oder rechteckig, vorzugsweise quadratisch, ausgebildet sein, 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 electrodes can be hexagonal and/or rectangular, preferably square, so that overall there is 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.

Durch die Ansteuerung von unterschiedlichen Elektroden kann im Betrieb insofern auch die Form des Ultraschallsignals variiert werden. Durch die alternative Ansteuerung von zwei Elektrodengeometrien kann im Betrieb in vorteilhafter Weise zwischen zwei Strahlformen umgeschaltet werden. Insofern weist diese Ausgestaltung den Vorteil auf, dass das erzeugte Ultraschallsignal besonders gut auf die aktuelle Messsituation eingestellt werden kann. By controlling different electrodes, the shape of the ultrasonic signal can also be varied during operation. By alternatively controlling two electrode geometries, it is advantageously possible to switch between two beam shapes during operation. In this respect, this refinement has the advantage that the ultrasonic signal generated can be adjusted particularly well to the current measurement situation.

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 zu vergrößern, sodass auch hohe Strömungsgeschwindigkeiten erfasst werden können. Zudem kann eine Überlagerung von Reflexionen an Oberflächen der Messumgebung, wie beispielsweise an der Innenwand eines Messrohrs, mit dem Empfangssignal reduziert werden, wenn die Strahlbreite des erzeugten Ultraschallsignals reduziert wird.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 so that high flow velocities can also be detected. In addition, superimposition of reflections on surfaces of the measuring environment, such as on the inner wall of a measuring tube, with the received signal can be reduced if the beam width of the generated ultrasonic signal is reduced.

Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens eine Elektrode als Masseelektrode ausgebildet, wobei die Masseelektrode vorzugsweise gemeinsame Masseelektrode für die wenigstens zwei anderen 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, at least one electrode is designed as a ground electrode, with the ground electrode preferably being a common ground electrode for the at least two other 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. The mass particularly preferably covers electrode the end face on which the ground electrode is arranged, essentially completely.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weisen wenigstens zwei elektroakustische Scheiben im Wesentlichen die gleiche Dicke auf. Die Dicke einer elektroakustischen Scheibe ist im Fall einer zylinderförmigen Scheibe gleichbedeutend mit der Höhe der Scheibe.According to a particularly preferred embodiment, at least two electroacoustic panes have essentially the same thickness. In the case of a cylindrical disc, the thickness of an electroacoustic disc is synonymous with the height of the disc.

Zudem ist es auch vorteilhaft, wenn wenigstens zwei elektroakustische Scheiben eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Beispielsweise kann die zur Anregung vorgesehene elektroakustische Scheibe dicker ausgebildet sein als die auf dieser Scheibe angeordnete zweite elektroakustische Scheibe.In addition, it is also advantageous if at least two electroacoustic panes have different thicknesses. For example, the electroacoustic disc provided for excitation can be made thicker than the second electroacoustic disc arranged on this disc.

Denkbar ist ebenfalls, dass das elektroakustische Element eine Mehrzahl an elektroakustischen Scheiben aufweist, die teilweise eine gleiche Dicke und/oder teilweise eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Diese Scheiben können im Betrieb parallel oder in Serie betrieben werden.It is also conceivable for the electroacoustic element to have a plurality of electroacoustic discs, some of which have the same thickness and/or some of which have different thicknesses. These disks can be operated in parallel or in series during operation.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen wenigstens zwei elektroakustische Scheiben das gleiche Material auf. Beispielsweise sind wenigstens zwei elektroakustische Scheiben aus einer Piezokeramik ausgebildet.According to a further preferred embodiment, at least two electroacoustic panes have the same material. For example, at least two electroacoustic disks are made of a piezoceramic.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn wenigstens zwei elektroakustische Scheiben ein unterschiedliches Material aufweisen.Furthermore, it is preferred if at least two electroacoustic panes have a different material.

Besonders bevorzugt ist wenigstens eine elektroakustische Scheibe mit einer einstellbaren Last, insbesondere einer induktiven und/oder kapazitiven Last, verbunden. Im Betrieb kann durch Anlegen der Last eine akustische Impedanz in diese elektroakustische Scheibe transformiert werden, die die Schwingung der anderen, aktiv angeregten elektroakustischen Scheibe beeinflusst. Im Ergebnis kann so die Resonanzfrequenz des gesamten elektroakustischen Elementes und damit die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals verändert werden. Im Betrieb kann so die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals beispielsweise derart angepasst werden, dass die Absorption durch das Medium minimal ist.At least one electroacoustic disk is particularly preferably connected to an adjustable load, in particular an inductive and/or capacitive load. During operation, by applying the load, an acoustic impedance can be transformed into this electroacoustic disk, which influences the vibration of the other, actively excited electroacoustic disk. 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 be adjusted, for example, in such a way that absorption by the medium is minimal.

Denkbar ist ebenfalls, dass eine Mehrzahl von elektroakustischen Scheiben mit unterschiedlichen Lasten beaufschlagt werden.It is also conceivable that different loads are applied to a plurality of electroacoustic disks.

Beispielsweise kann die einstellbare Last als Gyrator ausgebildet sein. Weiterhin kann die Last eine hochohmige Last sein. Zudem kann die Last mit einem Schalter derart verbunden sein, dass die Last im Betrieb bedarfsweise zu geschaltet werden kann. Gemäß dieser Ausgestaltung kann im Betrieb besonders leicht zwischen der Aussendung von zwei unterschiedlichen Frequenzen umgeschaltet werden.For example, the adjustable load can be designed as a gyrator. Furthermore, the load can be a high-impedance load. In addition, the load can be connected to a switch in such a way that the load can be switched on as needed during operation. According to this refinement, it is particularly easy to switch between the transmission of two different frequencies during operation.

Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs dargelegte Aufgabe durch ein eingangs genanntes Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers in einer Messumgebung, dadurch gelöst, dass der Ultraschallwandler gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist,
dass der Ultraschallwandler ein Ultraschallsignal in ein Medium aussendet und
dass in Abhängigkeit von der Viskosität des Mediums und/oder der Absorption des erzeugten Ultraschallsignals durch das Medium das elektroakustische Element, insbesondere wenigstens eine elektroakustische Scheibe, angesteuert wird.According to a second teaching of the present invention, the object set out at the outset is achieved by a method for operating an ultrasonic transducer in a measurement environment, as mentioned at the outset, in that the ultrasonic transducer is designed in accordance with one of the configurations described above,
that the ultrasonic transducer emits an ultrasonic signal into a medium and
that depending on the viscosity of the medium and/or the absorption of the ultrasonic signal generated by the medium, the electroacoustic element, in particular at least one electroacoustic disk, is controlled.

Wenn es heißt, dass in Abhängigkeit von der Viskosität des Mediums und/oder in Abhängigkeit von der Absorption des erzeugten Ultraschallsignals durch das Medium das elektroakustische Element angesteuert wird, so ist damit gemeint, dass wenn der Wert der Viskosität des Mediums unterhalb von einem Grenzwert liegt, die elektroakustischen Scheiben derart angesteuert werden, dass das Ultraschallsignal eine erste Frequenz aufweist, liegt der Wert der Viskosität oberhalb von einem Grenzwert, werden die elektroakustischen Scheiben derart angesteuert, dass das Ultraschallsignal eine zweite Frequenz aufweist.When it is stated that the electroacoustic element is activated as a function of the viscosity of the medium and/or as a function of the absorption of the generated ultrasonic signal by the medium, this means that the value of the viscosity of the medium is below a limit value , the electro-acoustic discs are controlled in such a way that the ultrasonic signal has a first frequency, if the value of the viscosity is above a limit value, the electro-acoustic discs are controlled in such a way that the ultrasonic signal has a second frequency.

Alternativ oder zusätzlich kann die Transmission des Ultraschallsignals durch das Medium bei den wenigstens zwei zu realisierenden Frequenzen bestimmt werden, wobei das elektroakustische Element dann derart angesteuert wird, das ein Ultraschallsignal mit einer Frequenz ausgesendet werden, deren Absorption minimal ist.Alternatively or additionally, the transmission of the ultrasonic signal through the medium can be determined at the at least two frequencies to be realized, with the electroacoustic element then being controlled in such a way that an ultrasonic signal is emitted with a frequency whose absorption is minimal.

Besonders bevorzugt kann im Betrieb der Ultraschallwandler zwischen zwei Frequenzen, beispielsweise zwischen 1 MHz und 2 MHz, umgeschaltet werden.Particularly preferably, the ultrasonic transducer can be switched between two frequencies, for example between 1 MHz and 2 MHz, during operation.

Beispielsweise kann das Verfahren zum Betreiben eines Ultraschallwandlers zur Messung des Durchflusses eines strömenden Mediums oder auch zur Füllstandmessung eingesetzt werden.For example, the method for operating an ultrasonic transducer can be used to measure the flow of a flowing medium or also to measure the fill level.

Grundsätzlich kann das Medium, in das das Ultraschallsignal ausgesendet wird ein flüssiges Medium oder ein gasförmiges Medium sein.In principle, the medium into which the ultrasonic signal is emitted can be a liquid medium or a gaseous medium.

Gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung 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 third teaching of the present invention, the object set out above is achieved by an ultrasonic flowmeter described above in that the at least an ultrasonic transducer is designed according to one of the configurations described above.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind wenigstens zwei Ultraschallwandler vorhanden, wobei beide Ultraschallwandler als Ultraschallsender und als Ultraschallempfänger ausgebildet sind und wobei beide Ultraschallwandler gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet sind. Die beiden Ultraschallwandler können hinsichtlich der Ausgestaltung des elektroakustischen Elementes gleich ausgebildet sein. Alternativ kann der Aufbau der elektroakustischen Elemente der beiden Ultraschallwandler sich unterscheiden.According to a preferred embodiment, there are at least two ultrasonic transducers, with both ultrasonic transducers being designed as ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers, and with both ultrasonic transducers being designed according to one of the previously described embodiments. The two ultrasonic transducers can be of the same design with regard to the configuration of the electroacoustic element. Alternatively, the structure of the electroacoustic elements of the two ultrasonic transducers can differ.

Besonders bevorzugt ist in der Steuer- und Auswerteeinheit ein Zusammenhang zwischen der Viskosität des Mediums und/oder der Absorption des Ultraschallsignals durch das Medium und der Ansteuerung des elektroakustischen Elementes hinterlegt.A connection between the viscosity of the medium and/or the absorption of the ultrasonic signal by the medium and the activation of the electroacoustic element is particularly preferably stored in the control and evaluation unit.

Vorzugsweise weist das Ultraschalldurchflussmessgerät eine weitere Sensoreinheit zur Erfassung der Viskosität des Mediums auf.The ultrasonic flowmeter preferably has a further sensor unit for detecting the viscosity of the medium.

Gemäß einer vierten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs dargelegte Aufgabe durch ein eingangs beschriebenes Verfahren zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts dadurch gelöst, dass das Ultraschalldurchflussmessgerät gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist und dass der wenigstens eine Ultraschallwandler nach einem oben beschriebenen Verfahren betrieben wird.According to a fourth teaching of the present invention, the object set out at the outset is achieved by a method for operating an ultrasonic flowmeter as described at the outset, in that the ultrasonic flowmeter is designed according to one of the configurations described above and that the at least one ultrasonic transducer is operated according to a method described above.

Gemäß einer Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Ultraschalldurchflussmessgerät wenigstens zwei Ultraschallwandler auf, wobei beide Ultraschallwandler als Ultraschallsender und als Ultraschallempfänger ausgebildet sind, wobei beide Ultraschallwandler gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet sind, wobei beide Ultraschallwandler im Hinblick auf die Ausgestaltung des elektroakustischen Elementes gleich ausgebildet sind und wobei die beiden Ultraschallwandler im Betrieb gleich angesteuert werden.According to one configuration, the ultrasonic flowmeter according to the invention has at least two ultrasonic converters, both ultrasonic converters being designed as ultrasonic transmitters and ultrasonic receivers, both ultrasonic converters being configured according to one of the configurations described above, both ultrasonic converters being configured identically with regard to the configuration of the electroacoustic element and the two ultrasonic transducers are controlled in the same way during operation.

Im Detail werden die beiden Ultraschallwandler derart angesteuert, dass sie dieselbe Frequenz aussenden. Gemäß dieser Ausgestaltung arbeiten die Ultraschallwandler im Sendemodus und im Empfangsmodus auf derselben Frequenz.In detail, the two ultrasonic transducers are controlled in such a way that they emit the same frequency. According to this refinement, the ultrasonic transducers operate on the same frequency in the transmission mode and in the reception mode.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens sendet ein erster Ultraschallwandler ein Ultraschallsignal mit einer ersten Frequenz f₁ und ein zweiter Ultraschallwandler sendet ein Ultraschallsignal mit einer zweiten Frequenz f₂. Gemäß dieser Ausgestaltung arbeiten die Ultraschallwandler im Sendemodus und im Empfangsmodus auf unterschiedlichen Frequenzen. Im Detail wird der erste Ultraschallwandler im Empfangsmodus derart betrieben, dass er eine Frequenz f₂ empfängt, der zweite Ultraschallwandler wird im Empfangsmodus derart betrieben, dass eine Frequenz f₁ empfängt.According to a further embodiment of the method, a first ultrasonic transducer sends an ultrasonic signal with a first frequency f ₁ and a second ultrasonic transducer sends an ultrasonic signal with a second frequency f ₂ . According to this refinement, the ultrasonic transducers operate at different frequencies in the transmission mode and in the reception mode. In detail, the first ultrasonic transducer is operated in reception mode in such a way that it receives a frequency f ₂ , the second ultrasonic transducer is operated in reception mode in such a way that a frequency f ₁ is received.

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 Patentansprüche sowie auf die Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele zusammen mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1a einen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallwandler,
1b ein aus dem Stand der Technik bekanntes Piezoelement,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements,
9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflussmessgeräts,
10 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Ultraschallwandlers und
11 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 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 flow meter according to the invention and the method according to the invention. For this purpose, reference is made to the patent claims subordinate to the independent patent claims and to the description of the following exemplary embodiments together with the drawing. Show in the drawing

1a an ultrasonic transducer known from the prior art,
1b a piezo element known from the prior art,
2 a first exemplary embodiment of an electroacoustic element according to the invention,
3 a further exemplary embodiment of an electroacoustic element according to the invention,
4 a further exemplary embodiment of an electroacoustic element according to the invention,
5 a further exemplary embodiment of an electroacoustic element according to the invention,
6 a further exemplary embodiment of an electroacoustic element according to the invention,
7 a further exemplary embodiment of an electroacoustic element according to the invention,
8th a further exemplary embodiment of an electroacoustic element according to the invention,
9 an embodiment of an ultrasonic flow meter according to the invention,
10 an embodiment of a method according to the invention for operating an ultrasonic transducer and
11 an embodiment of a method according to the invention for operating an ultrasonic flow meter.

1a zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallwandler 1, der für den Einsatz in einem Ultraschalldurchflussmessgerät 3 geeignet ist. Der Ultraschallwandler 1 weist ein Gehäuse 5 und ein akustisches Fenster 6 auf. Zudem ist ein elektroakustisches Element 7 vorhanden, das als Piezoelement ausgestaltet ist und das auf dem akustischen Fenster 6 angeordnet ist. Im Betrieb wird an das elektroakustische Element 7 eine Spannung angelegt, wodurch das elektroakustische Element 7 in Schwingung versetzt wird. Die Weitergabe dieser Schwingung durch das akustische Fenster 6 erzeugt im Betrieb ein Ultraschallsignal in dem vor dem akustischen Fenster 6 angeordneten Medium. 1a shows an ultrasonic transducer 1 known from the prior art, which is intended for use in an ultrasonic flowmeter 3 suitable is. The ultrasonic transducer 1 has a housing 5 and an acoustic window 6 . In addition, there is an electroacoustic element 7 which is designed as a piezo element and which is arranged on the acoustic window 6 . In operation, a voltage is applied to the electroacoustic element 7, causing the electroacoustic element 7 to vibrate. The transmission of this vibration through the acoustic window 6 generates an ultrasonic signal in the medium arranged in front of the acoustic window 6 during operation.

1b zeigt das elektroakustische Element 7 in vergrößerter Ansicht. Auf den Stirnflächen 8 des elektroakustischen Elementes 7 sind Elektroden 9 angeordnet, an die im Betrieb eine Spannung zur Anregung des elektroakustischen Elements 7 gelegt wird. Grundsätzlich bestimmt die Form der Elektroden 9 die Form des von dem elektroakustischen Element 7 ausgesendeten Ultraschallsignals, insbesondere die Breite des Ultraschallkegels. Die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals ist abhängig von der Höhe des elektroakustischen Elements. Üblicherweise wird ein elektroakustisches Element so angeregt, dass es in Resonanz schwingt. Dabei schwingt das elektroakustische Element derart, dass die Höhe des elektroakustischen Elementes einem ganzzahligen, vorzugsweise ungeraden, Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. 1b shows the electroacoustic element 7 in an enlarged view. Electrodes 9 are arranged on the end faces 8 of the electroacoustic element 7, to which a voltage for exciting the electroacoustic element 7 is applied during operation. In principle, the shape of the electrodes 9 determines the shape of the ultrasonic signal emitted by the electroacoustic element 7, in particular the width of the ultrasonic cone. The frequency of the ultrasonic signal generated depends on the height of the electro-acoustic element. An electroacoustic element is usually excited in such a way that it oscillates in resonance. The electroacoustic element oscillates in such a way that the height of the electroacoustic element corresponds to an integer, preferably odd, multiple of half the wavelength.

2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements 7, das als Piezoelement ausgestaltet ist. Das elektroakustische Element 7 weist zwei elektroakustische Scheiben 10 in Form von Piezoscheiben auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die elektroakustischen Scheiben 10 die gleiche Dicke sowie das gleiche Material auf. Zudem sind die elektroakustischen Scheiben 10 im Betrieb separat ansteuerbar. Im Detail können die elektroakustischen Scheiben 10 einzeln mit einer Spannung beaufschlagt werden. Im Betrieb können die elektroakustischen Scheiben 10 insofern mit der gleichen Spannung oder auch mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden. 2 shows a first exemplary embodiment of an electroacoustic element 7 according to the invention, which is designed as a piezoelectric element. The electro-acoustic element 7 has two electro-acoustic discs 10 in the form of piezo discs. In the exemplary embodiment shown, the electroacoustic discs 10 have the same thickness and the same material. In addition, the electroacoustic discs 10 can be controlled separately during operation. In detail, the electro-acoustic discs 10 can be charged individually with a voltage. During operation, the same voltage or different voltages can be applied to the electroacoustic discs 10 in this respect.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Elements 7 in Form eines Piezoelements, wobei das elektroakustische Element 7 ebenfalls zwei elektroakustische Scheiben 10 gleicher Dicke aufweist. Alternativ zu der separaten Ansteuerung der einzelnen elektroakustischen Scheiben 10 können die elektroakustischen Scheiben 10 auch zusammen angeregt werden. 3 shows another embodiment of an electro-acoustic element 7 in the form of a piezoelectric element, wherein the electro-acoustic element 7 also has two electro-acoustic discs 10 of the same thickness. As an alternative to the separate activation of the individual electro-acoustic disks 10, the electro-acoustic disks 10 can also be excited together.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Elements 7 in Form eines Piezoelements, wobei das elektroakustische Element 7 zwei elektroakustische Scheiben 10 in Form von Piezoscheiben aufweist. Im Betrieb wird die untere elektroakustische Scheibe durch Anlegen einer Spannung angeregt. Die obere Scheibe ist mit einer elektrischen Last 11 verbunden, die im Betrieb die Schwingung der oberen elektroakustischen Scheibe 10 beeinflusst. Die Resonanzfrequenz der Kombination der beiden elektroakustischen Scheiben 10 kann im Betrieb auf diese Weise verstimmt werden, sodass das auch die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals angepasst werden kann. 4 12 shows a further exemplary embodiment of an electroacoustic element 7 in the form of a piezoelectric element, the electroacoustic element 7 having two electroacoustic discs 10 in the form of piezoelectric discs. During operation, the lower electro-acoustic disc is excited by applying a voltage. The upper pane is connected to an electrical load 11 which affects the vibration of the upper electro-acoustic pane 10 during operation. The resonant frequency of the combination of the two electro-acoustic discs 10 can be detuned during operation in this way, so that the frequency of the ultrasonic signal generated can also be adjusted.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements 7 in Form eines Piezoelements, wobei das elektroakustische Element 7 zwei elektroakustische Scheiben 10 Form von Piezoscheiben aufweist. Im Unterschied zu den in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die elektroakustischen Scheiben 10 eine unterschiedliche Dicke auf. Die untere elektroakustische Scheibe 10 weist eine Dicke d₂ auf, die größer ist als die Dicke d₁ der oberen elektroakustischen Scheibe. 5 12 shows an exemplary embodiment of an electroacoustic element 7 according to the invention in the form of a piezoelectric element, the electroacoustic element 7 having two electroacoustic disks 10 in the form of piezoelectric disks. In contrast to those in the 2 until 4 illustrated embodiments, the electro-acoustic discs 10 have a different thickness. The lower electro-acoustic disc 10 has a thickness d ₂ which is greater than the thickness d ₁ of the upper electro-acoustic disc.

In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Elements 7 in Form eines Piezoelements dargestellt, wobei das elektroakustische Element 7 drei elektroakustische Scheiben 10 in Form von Piezoscheiben umfasst. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist derart ausgestaltet, dass im Betrieb an die mittlere elektroakustische Scheibe 10, die eine größere Dicke d₂ als die beiden äußeren elektroakustischen Scheiben 10 aufweist, eine Spannung zur Anregung des elektroakustischen Elements 7 angelegt wird. Die beiden äußeren elektroakustischen Scheiben sind jeweils mit einer einstellbaren Last verbunden, durch die im Betrieb die Schwingung der Kombination aus den drei elektroakustischen Scheiben beeinflusst werden kann.In 6 Another exemplary embodiment of an electroacoustic element 7 in the form of a piezoelectric element is shown, the electroacoustic element 7 comprising three electroacoustic discs 10 in the form of piezoelectric discs. The exemplary embodiment shown is designed in such a way that, during operation, a voltage for exciting the electroacoustic element 7 is applied to the middle electroacoustic pane 10, which has a greater thickness d ₂ than the two outer electroacoustic panes 10. The two outer electro-acoustic discs are each connected to an adjustable load that can be used to influence the vibration of the combination of the three electro-acoustic discs during operation.

7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Elements 7 in Form eines Piezoelements, wobei das elektroakustische Element 7 zwei elektroakustische Scheiben 10 in Form von Piezoscheiben aufweist. Jede elektroakustische Scheibe 10 weist eine obere Stirnfläche 8 und eine untere Stirnfläche 8 auf, wobei die elektroakustischen Scheiben 10 über die obere Stirnfläche 8 des unteren elektroakustischen Elements 10 und die untere Stirnfläche 8 des oberen elektroakustischen Elements 10 miteinander verbunden sind. Auf der unteren Stirnfläche 8 der unteren elektroakustischen Scheibe 10 ist eine Elektrode 9 angeordnet, die als Masseelektrode ausgebildet ist. Diese Elektrode dient für sämtliche anderen Elektroden 9, die mit dem elektroakustischen Element 7 verbunden sind, als Masseelektrode. Auf der oberen Stirnfläche 8 der unteren elektroakustischen Scheibe 10 ist eine äußere Ringelektrode 9 und eine weitere innerhalb der Ringelektrode 9 angeordnete Elektrode vorhanden. Auf der oberen Stirnfläche der oberen elektroakustischen Scheibe 8 ist eine Mehrzahl von sechseckigen Elektroden 9 angeordnet, die im Betrieb einzeln oder auch parallel angesteuert werden können. 7 12 shows a further exemplary embodiment of an electroacoustic element 7 in the form of a piezoelectric element, the electroacoustic element 7 having two electroacoustic discs 10 in the form of piezoelectric discs. Each electro-acoustic disk 10 has an upper end surface 8 and a lower end surface 8, the electro-acoustic disks 10 being connected to one another via the upper end surface 8 of the lower electro-acoustic element 10 and the lower end surface 8 of the upper electro-acoustic element 10. On the lower end face 8 of the lower electro-acoustic disc 10 there is an electrode 9 which is designed as a ground electrode. This electrode serves as a ground electrode for all other electrodes 9 which are connected to the electroacoustic element 7 . On the upper face 8 of the lower electro-acoustic disc 10 there is an outer ring electrode 9 and another electrode arranged inside the ring electrode 9 . On the upper face of the upper electro A plurality of hexagonal electrodes 9 are arranged on the acoustic disk 8 and can be activated individually or in parallel during operation.

Im Betrieb kann entweder eine oder auch beide elektroakustischen Scheiben angeregt werden, wobei durch eine unterschiedliche Ansteuerung der Elektroden auch die Strahlform des erzeugten Ultraschallsignals beeinflusst werden kann.During operation, either one or both electro-acoustic disks can be excited, whereby the beam shape of the generated ultrasonic signal can also be influenced by a different activation of the electrodes.

8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Elements 7, das als Piezoelement ausgebildet ist. Das elektroakustische Element 7 weist ebenfalls zwei übereinander angeordnete elektroakustische Scheiben 10 in Form von Piezoscheiben auf, wobei auf den Stirnflächen 7 der elektroakustischen Scheiben 10 jeweils wenigstens eine Elektrode 9 angeordnet ist. 8th shows a further exemplary embodiment of an electroacoustic element 7 according to the invention, which is designed as a piezoelectric element. The electro-acoustic element 7 also has two electro-acoustic disks 10 arranged one above the other in the form of piezo disks, with at least one electrode 9 being arranged on each of the end faces 7 of the electro-acoustic disks 10 .

Auf der oberen Stirnfläche 8 der unteren elektroakustischen Scheibe 10 und auf der oberen Stirnfläche 8 der oberen elektroakustischen Scheibe 10 sind jeweils zwei separat oder parallel ansteuerbare Elektroden 9 angeordnet, wobei jeweils eine äußere Ringelektrode 9 eine innere kreisförmige Elektrode 9 umgibt.On the upper end face 8 of the lower electro-acoustic disc 10 and on the upper end face 8 of the upper electro-acoustic disc 10 there are two electrodes 9 that can be controlled separately or in parallel, with an outer ring electrode 9 surrounding an inner circular electrode 9 in each case.

Im Betrieb wird an wenigstens eine auf der oberen Stirnfläche 8 der unteren elektroakustischen Scheibe 10 und an die auf der unteren Stirnfläche 8 der unteren elektroakustischen Scheibe 10 angeordnete Elektrode 9 eine Spannung zur Anregung der unteren elektroakustischen Scheibe 10 angelegt. Durch die Anregung der unteren elektroakustischen Scheibe 10 wird im Betrieb die obere elektroakustische Scheibe 10 ebenfalls zur Schwingung angeregt. Zwischen wenigstens einer Elektrode 9 auf der unteren Stirnfläche 8 der oberen elektroakustischen Scheibe 10 und wenigstens einer auf der oberen Stirnfläche 8 der oberen elektroakustischen Scheibe 10 angeordneten Elektrode 9 liegt eine zusätzliche elektrische Last an, über die im Betrieb die Schwingung der oberen elektroakustischen Scheibe 10 gedämpft werden kann, sodass im Ergebnis die Resonanzschwingung des elektroakustischen Elementes 7 insgesamt verstimmt werden kann. Die Steuereinheit 13 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Multiplexer oder als schaltbare Matrix ausgebildet. Im Ergebnis kann mittels des dargestellten Ausführungsbeispiels sowohl durch die Mehrzahl an verschiedenen Elektroden 9 die Strahlform angepasst werden als auch durch die gesonderte Ansteuerung der elektroakustischen Scheiben 10 die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals beeinflusst werden kann.During operation, a voltage for exciting the lower electro-acoustic disc 10 is applied to at least one on the upper face 8 of the lower electro-acoustic disc 10 and to the electrode 9 arranged on the lower face 8 of the lower electro-acoustic disc 10 . Through the excitation of the lower electro-acoustic disk 10, the upper electro-acoustic disk 10 is also excited to oscillate during operation. An additional electrical load is applied between at least one electrode 9 on the lower face 8 of the upper electro-acoustic disc 10 and at least one electrode 9 arranged on the upper face 8 of the upper electro-acoustic disc 10, via which the vibration of the upper electro-acoustic disc 10 is damped during operation can be, so that as a result the resonance vibration of the electro-acoustic element 7 can be detuned overall. In the exemplary embodiment shown, the control unit 13 is designed as a multiplexer or as a switchable matrix. As a result, the beam shape can be adjusted by means of the exemplary embodiment shown both by the plurality of different electrodes 9 and the frequency of the ultrasonic signal generated can be influenced by the separate control of the electroacoustic discs 10 .

Zudem kann die dargestellte elektroakustische Scheibe im Betrieb im Sendemodus anders betrieben werden als im Empfangsmodus.In addition, the electroacoustic disc shown can be operated differently in transmission mode than in reception mode.

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

9 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschalldurchflussmessgeräts 3 mit zwei erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern 1. Beide Ultraschallwandler 1 sind sowohl als Ultraschallsender als auch als Ultraschallempfänger ausgebildet. Die Ultraschallwandler 1 sind derart versetzt an dem Messrohr 12 angeordnet, dass ein Ultraschallsignal jeweils in und entgegen der Strömungsrichtung in das Medium ausgesendet wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Ultraschallwandler kann jeder Ultraschallwandler in Abhängigkeit der Messsituation und der Eigenschaften des zu vermessenden Mediums unterschiedlich angesteuert werden. Im Ergebnis können die Ultraschallwandler 1 Signale mit zwei unterschiedlichen Strahlbreiten ΔΘ₁ und ΔΘ₂ sowie auch mit zwei unterschiedlichen Frequenzen f₁ und f₂ aussenden. 9 shows a first exemplary embodiment of an ultrasonic flowmeter 3 according to the invention with two ultrasonic converters 1 according to the invention. Both ultrasonic converters 1 are designed both as ultrasonic transmitters and as ultrasonic receivers. The ultrasonic transducers 1 are offset on the measuring tube 12 in such a way that an ultrasonic signal is emitted into the medium in and against the direction of flow. Due to the configuration of the ultrasonic transducer according to the invention, each ultrasonic transducer can be controlled differently depending on the measurement situation and the properties of the medium to be measured. As a result, the ultrasonic transducers 1 can emit signals with two different beam widths ΔΘ ₁ and ΔΘ ₂ as well as with two different frequencies f ₁ and f ₂ .

Insofern kann der Betrieb des Ultraschalldurchflussmessgeräts 3 besonders flexibel an das Medium und die aktuelle Messsituation angepasst werden.In this respect, the operation of the ultrasonic flowmeter 3 can be adapted particularly flexibly to the medium and the current measurement situation.

10 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 2 zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 1. 10 shows a first exemplary embodiment of a method 2 for operating an ultrasonic transducer 1 according to the invention.

In einem ersten Schritt wird die Viskosität des zu messenden Mediums bestimmt 14. In Abhängigkeit von der Viskosität wird eine Spannung an eine elektroakustische Scheibe 10 angelegt. Durch die festgelegte Spannung wird die Frequenz des erzeugten Ultraschallsignals derart eingestellt, dass sie 1 MHz oder 2 MHz beträgt.In a first step, the viscosity of the medium to be measured is determined 14. Depending on the viscosity, a voltage is applied to an electroacoustic disc 10. The frequency of the ultrasonic signal generated is set by the fixed voltage in such a way that it is 1 MHz or 2 MHz.

Alternativ zur Bestimmung der Viskosität des Mediums kann auch die Intensität der Transmission eines Ultraschallsignals bestimmt werden, und/oder das Frequenzspektrum des Transmissionssignals kann bestimmt werden. Insofern kann auch alternativ die Frequenz des Ultraschallsignals derart eingestellt werden, dass die Transmission durch das Medium maximal ist.As an alternative to determining the viscosity of the medium, the intensity of the transmission of an ultrasonic signal can also be determined and/or the frequency spectrum of the transmission signal can be determined. In this respect, the frequency of the ultrasonic signal can alternatively also be adjusted in such a way that the transmission through the medium is at a maximum.

11 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 4 zum Betreiben eines Ultraschalldurchflussmessgeräts 3, wobei das Ultraschalldurchflussmessgerät 3 wie in 9 dargestellt, ausgebildet ist. In einem ersten Schritt 14 wird die Viskosität des Mediums bestimmt. In Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der Viskosität wird bei jedem Ultraschallwandler 1 eine Spannung an eine elektroakustische Scheibe 10 angelegt 15, wodurch die Frequenz des Ultraschallsignals eingestellt wird. Aus den gemessenen Laufzeiten der Ultraschallsignale wird die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bestimmt 16. 11 shows an embodiment of a method 4 for operating an ultrasonic flowmeter 3, wherein the ultrasonic flowmeter 3 as in 9 shown, is formed. In a first step 14, the viscosity of the medium is determined. Depending on the measured value of the viscosity, a voltage is applied 15 to an electroacoustic disk 10 for each ultrasonic transducer 1, as a result of which the frequency of the ultrasonic signal is adjusted. the end The flow velocity of the medium is determined from the measured propagation times of the ultrasonic signals 16.

Anschließend wird die Viskosität erneut bestimmt 14, bevor ein zweites Ultraschallsignal zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ausgesendet wird.The viscosity is then determined again 14 before a second ultrasonic signal is emitted to determine the flow rate.

Die Bestimmung der Viskosität des zu messenden Mediums kann vor jeder Messung erfolgen, in einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt die Messung in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen. Weiterhin können die Ultraschallwandler mit der gleichen Frequenz betrieben werden, alternativ können die Ultraschallsignale auch mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. In diesem Fall arbeiten die einzelnen Ultraschallwandler in Sendebetrieb mit anderen Frequenzen als im Empfangsbetrieb.The viscosity of the medium to be measured can be determined before each measurement; in an alternative exemplary embodiment, the measurement is carried out at regular or irregular intervals. Furthermore, the ultrasonic transducers can be operated with the same frequency, alternatively the ultrasonic signals can also be operated with different frequencies. In this case, the individual ultrasonic transducers work at different frequencies in transmission mode than in reception mode.

Im Ergebnis weist das dargestellte Verfahren den Vorteil auf, dass der Betrieb der Ultraschallwandler 1 und insofern der Betrieb des Ultraschalldurchflussmessgeräts 3 auf das Medium und/oder auf die aktuelle Messsituation angepasst werden kann, sodass insgesamt der Messprozess verbessert werden kann.As a result, the method shown has the advantage that the operation of the ultrasonic transducer 1 and to that extent the operation of the ultrasonic flowmeter 3 can be adapted to the medium and/or to the current measurement situation, so that the measurement process can be improved overall.

BezugszeichenlisteReference List

11: Ultraschallwandlerultrasonic transducer
22: Verfahren zum Betreiben eines UltraschallwandlersMethod for operating an ultrasonic transducer
33: Ultraschalldurchflussmessgerätultrasonic flow meter
44: Verfahren zum Betreiben eines UltraschalldurchflussmessgerätsMethod for operating an ultrasonic flow meter
55: Gehäusehousing
66: akustisches Fensteracoustic window
77: elektroakustisches Elementelectroacoustic element
88th: Stirnflächeface
99: Elektrodeelectrode
1010: elektroakustische Scheibeelectroacoustic disc
1111: elektrische Lastelectrical load
1212: Messrohrmeasuring tube
1313: Steuereinheitcontrol unit
1414: Bestimmung der ViskositätDetermination of the viscosity
1515: Anlegen einer Spannung an eine elektroakustische ScheibeApplying a voltage to an electroacoustic disk
1616: Bestimmung der StrömungsgeschwindigkeitDetermination of the flow rate

Claims

Ultrasonic transducer (1), in particular for an ultrasonic flow meter (3), wherein the ultrasonic transducer (1) has at least one electroacoustic element (7), at least one housing (5), at least one acoustic window (6) and at least one control unit (13), wherein the electroacoustic element (7) is arranged inside the housing (5) on the acoustic window (6) such that during operation an ultrasonic signal generated by the electroacoustic element (7) leaves the housing (5) through the acoustic window (6). , characterized in that the electroacoustic element (7) has at least two electroacoustic discs (10), the at least two electroacoustic discs (10) being arranged one above the other and at least one electroacoustic disc (10) being separated from the control unit (13) at least at times can be stimulated.

Ultrasonic converter (1) after claim 1 that the electroacoustic element (7) is a piezoelectric element and/or a micromechanical element of a capacitive micromechanical ultrasonic transducer and/or that at least one electroacoustic disc (10) is a piezoelectric disc and/or a micromechanical disc of a capacitive micromechanical ultrasonic transducer.

Ultrasonic converter (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the at least two electro-acoustic discs (10) each have a first and a second end face (8), that at least three electrodes (9) are connected to the electro-acoustic element (7), with at least one electrode (9) on is arranged on the end face (8) of the first electro-acoustic panes (10) facing the acoustic window (6), at least one electrode (9) being arranged between the first and the second electro-acoustic pane (10), and at least one electrode (9 ) is arranged on the end face (8) of the second electroacoustic disc (10) facing away from the acoustic window (6).

Ultrasonic transducer (1) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that at least two electro-acoustic discs (10) have substantially the same thickness.

Ultrasonic transducer (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that at least two electro-acoustic discs (10) have a different thickness.

Ultrasonic transducer (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that at least two electro-acoustic discs (10) have the same material.

Ultrasonic transducer (1) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that at least two electro-acoustic discs (10) have a different material.

Ultrasonic transducer (1) according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that at least one electro-acoustic disk (10) is connected to an adjustable load, in particular an inductive and/or capacitive load.

Method (2) for operating an ultrasonic transducer (1) in a measurement environment, characterized in that the ultrasonic transducer (1) according to one of Claims 1 until 8th is designed such that the ultrasonic transducer (1) emits an ultrasonic signal into a medium and that, depending on the viscosity of the medium and/or the absorption of the generated ultrasonic signal by the medium, the electroacoustic element (7), in particular at least one electroacoustic disc (10) , is controlled.

Ultrasonic flow measuring device (3) with at least one measuring tube (12), with at least one ultrasonic transducer (1) and with at least one control and evaluation unit, wherein the at least one ultrasonic transducer (1) is designed 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 (12) 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 (12), characterized in that the at least one ultrasonic transducer (1) according to one of the Claims 1 until 8th is trained.

Ultrasonic flow meter (3) according to claim 10 , characterized in that a relationship between the viscosity of the medium to be measured and/or the absorption of the ultrasonic signal by the medium and the activation of the electroacoustic element (7) is stored in the control and evaluation unit.

Method (4) for operating an ultrasonic flow meter (3), characterized in that the ultrasonic flow meter (3) according to claim 10 or 11 is formed and that the at least one ultrasonic transducer (1) according to a method (2) according to claim 9 is operated.

Method (4) according to claim 12 , characterized in that the ultrasonic flowmeter (3) has at least two ultrasonic transducers (1), 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 (7) and with the two ultrasonic transducers (1) being controlled in the same way during operation.