DE102022110718A1 - Multifrequenz-Ultraschallwandler und Ultraschall-Messgerät mit einem solchen Ultraschallwandler - Google Patents

Multifrequenz-Ultraschallwandler und Ultraschall-Messgerät mit einem solchen Ultraschallwandler Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler (10) eingerichtet für ein Ultraschall-Messgerät zum Erfassen mindestens einer Messgröße umfassend:ein Gehäuse (20) mit einer Gehäusekammer (21);einen Ultraschallwandlerkörper (30) zum Erzeugen und/oder Erfassen von Ultraschallsignalen, wobei der Ultraschallwandlerkörper in der Gehäusekammer angeordnet ist;elektrische Verbindungsleitungen (40) mittels welchen der Wandlerkörper an eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung des Ultraschall-Messgeräts anschließbar ist,wobei der Ultraschallwandlerkörper eine Anzahl größer 1 von Piezoelementen (31) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dassdie Piezoelemente gestapelt sind und eine gleiche Polarisationsrichtung aufweisen, wobei benachbarte Piezoelemente über einander zugewandte Seitenflächen (31.1) jeweils mit einer selben Elektrode (32) elektrisch kontaktiert sind,wobei die Elektroden jeweils separat elektrisch ansteuerbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Multifrequenz-Ultraschallwandler, welcher dazu geeignet ist, in verschiedenen Frequenzbereichen resonant betrieben zu werden und ein Ultraschall-Messgerät mit zumindest einem solchen Ultraschallwandler.
  • Ultraschallwandler nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise in der DE102017130976A1 gezeigt, weisen ein Piezoelement auf, welches über Elektroden mit einer Spannung beaufschlagt werden kann. Eine maximale Schwingungsamplitude liegt dann vor, wenn eine Schwingungsgrundmode angeregt wird. Schwingungen höherer Ordnung können nur für ungeradzahlige Ordnung angeregt werden, wobei die dabei angeregte Amplitude mit zunehmender Ordnung stark abfällt. Die Nutzbarkeit solcher Schwingungen höherer Ordnung ist somit stark eingeschränkt.
  • Als Aufgabe der Erfindung kann es daher gesehen werden, einen Ultraschallwandler sowie ein Ultraschall-Messgerät vorzuschlagen, bei welchen eine Vielzahl von Frequenzbereichen effektiv genutzt werden können.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallwandler gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Ultraschall-Messgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 7.
  • Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler eingerichtet für ein Ultraschall-Messgerät zum Erfassen mindestens einer Messgröße umfasst:
    • ein Gehäuse mit einer Gehäusekammer;
    • einen Ultraschallwandlerkörper zum Erzeugen und/oder Erfassen von Ultraschallsignalen, wobei der Ultraschallwandlerkörper in der Gehäusekammer angeordnet ist;
    • elektrische Verbindungsleitungen mittels welchen der Wandlerkörper an eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung des Ultraschall-Messgeräts anschließbar ist,
    • wobei der Ultraschallwandlerkörper eine Anzahl größer 1 von Piezoelementen aufweist,
    • wobei die Piezoelemente gestapelt sind, und eine gleiche Polarisationsrichtung aufweisen, wobei benachbarte Piezoelemente über einander zugewandte Seitenflächen jeweils mit einer selben Elektrode elektrisch kontaktiert sind,
    • wobei die Elektroden jeweils separat über elektrische Verbindungsleitungen elektrisch ansteuerbar sind.
  • Auf diese Weise lassen sich mehrere Harmonische des Ultraschallwandlerkörpers, unter anderem auch Harmonische mit geradzahliger Ordnung, jeweils separat effektiv erzeugen und erfassen. Zur Erzeugung von Ultraschallsignalen einer Harmonischen wird eine Auswahl der Elektroden mit einer Spannung beaufschlagt, zur Erfassung von Ultraschallsignalen werden Spannungswerte von Elektroden dieser Auswahl ausgelesen.
  • In einer Ausgestaltung weisen die Piezoelemente jeweils einen gleichen Durchmesser und/oder eine gleiche Dicke auf.
  • Auf diese Weise kann der Ultraschallwandlerkörper einfach und kostengünstig hergestellt werden.
  • In einer Ausgestaltung ist die Anzahl der Piezoelemente eine hochzusammengesetzte Zahl größer 2, und insbesondere größer 4. Hochzusammengesetzte Zahlen sind positive Zahlen, welche mehr Teiler besitzen als jede vorhergehende Zahl. Auf diese Weise erreicht man, dass die Anzahl der Piezoelemente mit einer besonders hohen Anzahl von anregbaren Harmonischen verbunden ist. Die ersten zehn hochzusammengesetzten Zahlen sind 1, 2, 4, 6, 12, 24, 36, 48, 60, 120.
  • In einer Ausgestaltung weisen die Elektroden jeweils eine Anschlussfahne auf, mittels welcher sie jeweils mit einer elektrischen Anschlussleitung kontaktierbar oder kontaktiert sind.
  • In einer Ausgestaltung ist eine elektronische Schaltung dazu eingerichtet, die Elektroden anzusteuern, wobei die Ansteuerung der Elektroden durch die elektronische Schaltung einstellbar ist.
  • In einer Ausgestaltung ist eine Ansteuerung der Elektroden durch die elektronische Schaltung mittels eines externes Einstellsignal wählbar.
  • Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Messgerät zum Erfassen mindestens einer Messgröße umfasst:
    • mindestens einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler,
    • eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben des mindestens einen Ultraschallwandlers sowie zum Erzeugen und Bereitstellen von Messwerten der mindestens einen Messgröße,
    • wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, den Ultraschallwandler in verschiedenen Frequenzbereichen insbesondere resonant zu betreiben.
  • Die elektronische Mess-/Betriebsschaltung veranlasst also das Erzeugen von Ultraschallsignalen aus verschiedenen Frequenzbereichen.
  • In einer Ausgestaltung sind die Frequenzbereiche jeweils einer harmonischen Schwingung des Ultraschallwandlerkörpers zugeordnet.
  • In einer Ausgestaltung ist eine Anzahl von verschiedenen zu betreibenden Frequenzbereichen zumindest T-2 und insbesondere zumindest T-1, mit T als Teilerzahl der Anzahl von Piezoelementen einschließlich 1 und die Anzahl von Piezoelementen selbst.
  • In einer Ausgestaltung ist die elektronische Mess-/Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, einen Frequenzbereich des Ultraschallwandlers durch Senden eines Einstellsignals an den Signaleingang der elektronischen Schaltung zu wählen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
    • 1 skizziert einen beispielhaften erfindungsgemäßen Ultraschallwandler;
    • 2 a) und b) skizzieren beispielhafte erfindungsgemäße Ultraschallwandlerkörper;
    • 3 skizziert eine beispielhafte erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ultraschallwandlers;
    • 4 skizziert ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Ultraschall-Messgerät.
  • Ein beispielhafter erfindungsgemäßer Ultraschallwandler 10 wie in 1 skizziert, weist ein Gehäuse 20 mit einer Gehäusekammer 21 auf, in welcher ein Ultraschallwandlerkörper 30 zum Erzeugen und Erfassen von Ultraschallsignalen angeordnet ist. Der Ultraschallwandlerkörper weist eine Mehrzahl von gestapelten Piezoelementen auf, wie in 2 a) und b) skizziert, welche separat durch Elektroden 32 ansteuerbar sind. Die Elektroden sind dabei mit elektrischen Verbindungsleitungen 40 verbunden, über welche die Elektroden mit elektrischen Spannungssignalen beaufschlagbar sind, und über welche durch die Piezoelemente erzeugte Spannungssignale abführbar sind. Durch die separate Ansteuerbarkeit kann nicht nur eine Schwingungsgrundmode des Piezoelementestapels angeregt und erfasst werden, sondern je nach Anzahl der Piezoelemente in einem Stapel können auch ein oder mehrere höhere Harmonische effizient und effektiv angeregt und erfasst werden, so dass ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler in mehreren Frequenzbereichen eingesetzt werden kann.
  • 2 a) skizziert den Aufbau eines beispielhaften erfindungsgemäßen Ultraschallwandlerkörpers 30 mit beispielhaften zwei gestapelten Piezoelementen 31. Bei benachbarten Piezoelemente sind einander zugewandte Seitenflächen 31.1 mit jeweils einer Elektrode 30 verbunden. Die Piezoelemente eines Stapels weisen dabei eine gleiche Polarisationsrichtung auf. Wie in 2 a) skizziert, können die Elektroden jeweils eine Anschlussfahne 32.1 aufweisen, mittels welchen sie besser an eine elektrische Verbindungsleitung 40 anschließbar sind.
  • 2 b) skizziert nutzbare Schwingungsmoden bei einem beispielhaften erfindungsgemäßen Stapel aus vier Piezoelementen. Die Kurven auf der rechten Seite skizzieren Auslenkungsverteilung einer Grundmode, also einer Schwingungsmode nullter Ordnung sowie einer ersten Harmonischen und einer zweiten Harmonischen, wobei eine vertikale Auslenkung des Stapels durch eine horizontale Auslenkung einer jeweiligen Kurve dargestellt ist. Die Ziffern auf der linken Seite des Piezostapels stellen eine Nummerierung von hier nicht hervorgehobenen Elektroden dar.
  • Die Grundmode weist ein Amplitudenmaximum im Zentrum und jeweils einen Schwingungsknoten in Endbereichen des Piezostapels auf und ist anregbar durch eine Beaufschlagung mit einer zeitlich variierenden elektrischen Spannungsdifferenz über die Elektroden 1 und 5. Entsprechend würde eine Schwingungsanregung des Stapels zu einer zeitlich variierenden Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 1 und 5 führen.
  • Die erste Harmonische weist Schwingungsknoten in den Endbereichen sowie im Zentrum des Piezostapels auf und ist anregbar durch zeitlich variierende Spannungsdifferenzen zwischen den Elektroden 1 und 3, sowie zwischen den Elektroden 3 und 5, wobei die Spannungsdifferenzen gegensätzlich sind, so dass idealerweise zwischen den Elektroden 1 und 5 keine Spannungsdifferenz anliegt. Auf diese Weise können die Elektroden 1 und 5 beispielsweise durch eine gemeinsame elektrische Verbindungsleitung angesteuert werden. Entsprechend würde eine Schwingungsanregung des Stapels mit der ersten Harmonischen zu äquivalenten Spannungsdifferenzen zwischen den jeweiligen Elektroden führen, welche durch die elektrischen Verbindungsleitungen abfragbar sind.
  • Die zweite Harmonische weist nun weitere Schwingungsknoten im Bereich der Elektroden 2 und 4 auf. Die Amplitudenverteilung sowie Spannungsdifferenzen zwischen den Elektroden 1, 2 und 3 ist bzw. 3, 4 und 5 sind äquivalent zur Amplitudenverteilung sowie Spannungsdifferenzen bei der ersten Harmonischen und zwischen den Elektroden 1, 3 und 5.
  • Entsprechendes gilt für Piezostapel mit einer Piezoanzahl anders als vier. Harmonische Schwingungen und deren Auslenkungsverteilungen sind dem Fachmann wohlbekannt.
  • In einer praktischen Umsetzung lassen sich die Elektroden des Piezostapels dabei mit zwei gegensätzlichen Spannungssignalen betreiben, die auf die einzelnen Elektroden verteilt werden. Im Beispiel mit vier Piezoelementen lassen sich die Elektroden 1, 3 und 5 mit einem ersten Spannungssignal betreiben, und die Elektroden 2 und 4 mit einem zweiten Spannungssignal, welches beispielsweise invers zum ersten Spannungssignal bezüglich eines Spannungsnullniveaus ist.
  • In einer Ausgestaltung ist die Anzahl der Piezoelemente in einem Piezostapel eines Ultraschallwandlerkörpers eine hochzusammengesetzte Zahl größer 2, und insbesondere größer 4. Hochzusammengesetzte Zahlen sind positive Zahlen, welche mehr Teiler besitzen als jede vorhergehende Zahl. Auf diese Weise erreicht man, dass die Anzahl der Piezoelemente mit einer besonders hohen Anzahl von anregbaren Harmonischen verbunden ist. Die ersten zehn hochzusammengesetzten Zahlen sind 1, 2, 4, 6, 12, 24, 36, 48, 60, 120. Beispielsweise hat die Zahl 12 die Teiler 1, 2, 3, 4, 6 und 12. Man kann mit einem erfindungsgemäßen Piezostapel also die Grundmode sowie die Harmonischen der Ordnungen 2, 3, 4, 6 und 12 effektiv und effizient und spezifisch anregen.
  • Auf diese Weise kann also der Einsatzbereich eines Ultraschallwandlers stark erweitert werden und auf unkomplizierte Art und Weise eine Multifrequenzanalyse durchgeführt werden.
  • 3 skizziert eine beispielhafte Umsetzung eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers, bei welchem der Ultraschallwandler zusätzlich eine elektronische 50 Schaltung aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die Elektroden eines Piezoelementestapels mit elektrischen Spannungssignalen zu beaufschlagen sowie elektrische Spannungen verursacht durch mechanische Schwingungen des Piezoelementestapels abzugreifen. Es kann eine elektrische Anbindung 51 der elektronischen Schaltung eingerichtet sein zur Verbindung mit einer elektronische Mess-/Betriebsschaltung 2 eines Ultraschall-Messgeräts 1 dient zur Übertragung von elektrischen Spannungssignalen zwecks Anregung des Piezoelementestapels sowie zur Übertragung von elektrischen Messsignalen erzeugt durch Schwingungen des Piezoelementestapels. Die elektronische Schaltung 50 kann dabei eine beispielsweise eine Mehrzahl von Transistoren oder Transistorschaltungen aufweisen, welche durch entsprechende Ansteuerung eines jeweiligen Steuereingangs eine elektrische Verbindungsleitung 40 zur Elektrode freischaltet oder sperrt. Beispielsweise kann die elektronische Schaltung 50 beispielsweise über die elektrische Anbindung oder über einen separaten Programmiereingang (nicht gezeigt) programmierbar sein, so dass ein zu nutzender Frequenzbereich des Ultraschallwandlers elektronisch einstellbar ist.
  • 4 zeigt ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Ultraschall-Messgerät 1 mit zwei erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern 10, welche zur Messung eines Durchflusses eines Mediums durch ein Messrohr 3 eingerichtet und an einer Außenseite des Messrohrs angeordnet sind. Alternativ zu einem Ultraschall-Durchflussmessgerät kann das Ultraschall-Messgerät beispielsweise auch ein Füllstandsmessgerät oder ein Abstandsmessgerät sein.
  • Die Möglichkeit, Ultraschallwandler in verschiedenen Frequenzbereichen effektiv betreiben zu können ist vorteilhaft, weil solche Ultraschallwandler beispielsweise bei Ultraschall-Durchflussmessgeräten bei völlig unterschiedlichen Medien eingesetzt werden können. Man reduziert auf diese Weise die Anzahl von vorzuhaltenden Ultraschallwandlervarianten. So kann beispielsweise bei stark dämpfenden Medien eine ausreichend tiefe Frequenz gewählt werden, bei welcher die Dämpfung schwächer ausfällt. Bei benötigter hoher Zeitauflösung kann hingegen eine besonders hohe Frequenz gewählt werden. Bei Clamp-On-Ultraschallmessgeräten kann eine Ultraschallsignalfrequenz an Messrohr- und Medieneigenschaften angepasst werden. Erfindungsgemäße Ultraschallwandler sind also an eine gegebene Situation flexibel anpassbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ultraschall-Messgerät
    2
    elektronische Mess-/Betriebsschaltung
    3
    Messrohr
    10
    Ultraschallwandler
    20
    Gehäuse
    21
    Gehäusekammer
    30
    Ultraschallwandlerkörper
    31
    Piezoelement
    31.1
    Seitenfläche
    32
    Elektrode
    32.1
    Anschlussfahne
    40
    elektrische Verbindungsleitungen
    50
    elektronische Schaltung
    51
    elektrische Anbindung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102017130976 A1 [0002]

Claims (10)

  1. Ultraschallwandler (10) eingerichtet für ein Ultraschall-Messgerät zum Erfassen mindestens einer Messgröße umfassend: ein Gehäuse (20) mit einer Gehäusekammer (21); einen Ultraschallwandlerkörper (30) zum Erzeugen und/oder Erfassen von Ultraschallsignalen, wobei der Ultraschallwandlerkörper in der Gehäusekammer angeordnet ist; wobei der Ultraschallwandlerkörper eine Anzahl größer 1 von Piezoelementen (31) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente gestapelt sind und eine gleiche Polarisationsrichtung aufweisen, wobei benachbarte Piezoelemente über einander zugewandte Seitenflächen (31.1) jeweils mit einer selben Elektrode (32) elektrisch kontaktiert sind, wobei die Elektroden jeweils separat über elektrische Verbindungsleitungen (40) elektrisch ansteuerbar sind.
  2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei die Piezoelemente (31) jeweils einen gleichen Durchmesser und/oder eine gleiche Dicke aufweisen.
  3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der Piezoelemente (31) eine hochzusammengesetzte Zahl größer 2 und insbesondere größer 4 ist.
  4. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Elektroden jeweils eine Anschlussfahne (32.1) aufweisen, mittels welcher sie jeweils mit einer elektrischen Verbindungsleitung (40) kontaktierbar oder kontaktiert sind.
  5. Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei eine elektronische Schaltung (50) dazu eingerichtet ist, die Elektroden (32) anzusteuern, wobei die Ansteuerung der Elektroden durch die elektronische Schaltung einstellbar ist.
  6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, wobei eine Ansteuerung der Elektroden durch die elektronische Schaltung (50) mittels eines externes Einstellsignals wählbar ist.
  7. Ultraschall-Messgerät (1) zum Erfassen mindestens einer Messgröße umfassend: mindestens einen Ultraschallwandler (10) gemäß einem der vorigen Ansprüche, eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (2) zum Betreiben des mindestens einen Ultraschallwandlers sowie zum Erzeugen und Bereitstellen von Messwerten der mindestens einen Messgröße, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung (2) dazu eingerichtet ist, den Ultraschallwandler in verschiedenen Frequenzbereichen insbesondere resonant zu betreiben.
  8. Ultraschall-Messgerät nach Anspruch 7, wobei die Frequenzbereiche jeweils einer harmonischen Schwingung des Ultraschallwandlerkörpers (30) zugeordnet sind.
  9. Ultraschall-Messgerät nach Anspruch 8 oder 7, wobei eine Anzahl von verschiedenen zu betreibenden Frequenzbereichen zumindest T-2 und insbesondere zumindest T-1 ist, mit T als Teilerzahl der Anzahl von Piezoelementen (31) einschließlich 1 und die Anzahl von Piezoelementen selbst.
  10. Ultraschall-Messgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9 mit einem Ultraschallwandler nach Anspruch 5 oder 6, wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung (2) dazu eingerichtet ist, einen Frequenzbereich des Ultraschallwandlers durch Senden eines Einstellsignals die elektronische Schaltung (50) zu wählen.
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