DE19725717A1 - Ultrasonic transducer for a liquid flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler für Flüssigkeitsdurchfluß messer mit einem zwischen zwei Ultraschallwandlern angeordneten flüssigkeits durchströmten Meßrohr, mit einer piezoelektrischen Keramikscheibe, die beidseits mit elektrische Anschlußleitungen aufweisenden Elektroden versehen ist, sowie mit einer Abdichtung gegen die Meßflüssigkeit.The invention relates to an ultrasonic transducer for liquid flow knife with a liquid arranged between two ultrasonic transducers flowed through measuring tube, with a piezoelectric ceramic disc on both sides is provided with electrodes having electrical connecting lines, and with a seal against the measuring liquid.
Bei dem bisher üblichen Aufbau eines Ultraschallwandlers sind die Elektroden auf die Keramikscheibe mittels Dickschicht- oder Dünnschichttechnik aufgebracht, also beispielsweise aufgedampft, und die Anschlußdrähte an die Elektroden ange lötet. Die Abdichtung gegen das Meßmedium erfolgt durch eine Metallscheibe oder durch Einbringen in ein Metallgehäuse.In the conventional design of an ultrasonic transducer, the electrodes are open the ceramic disc is applied using thick-film or thin-film technology, So, for example, evaporated, and the connecting wires to the electrodes solder. The metal is sealed against the measuring medium or by placing it in a metal housing.
Der Nachteil dieses bekannten Aufbaus liegt zum einen darin daß es sehr auf wendig ist, die Elektrodenstruktur auf die Keramik aufzubringen. Die Elektroden haften relativ schlecht und können durch Mikrorisse zerstört werden. Die elektri sche Verbindung der Elektrode mit einem Anschlußdraht durch Anschweißen oder Anlöten ist eine prinzipielle Schwachstelle, da hier immer wieder Kabelabrisse oder Lötstellenkorrosion auftreten können, solche Lötprozesse grundsätzlich auf wendig sind und undefinierte Mengen von Lötzinn das Schwingungsverhalten stö rend beeinflussen.The disadvantage of this known structure is, on the one hand, that it is very bulky it is necessary to apply the electrode structure to the ceramic. The electrodes adhere relatively poorly and can be destroyed by microcracks. The electri cal connection of the electrode with a connecting wire by welding or Soldering is a weak point in principle, as cable breaks occur again and again or solder joint corrosion can occur, such soldering processes are agile and undefined quantities of solder disrupt the vibration behavior influence.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler für Flüssigkeitsdurchflußmesser der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei vereinfachtem Aufbau und leichterer Herstellbarkeit gleichzeitig eine bessere und längere Haltbarkeit gegeben ist.The invention is therefore based on the object of an ultrasonic transducer To design liquid flow meters of the type mentioned in such a way that with a simplified structure and easier manufacturability at the same time a better one and there is a longer shelf life.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Elektroden auf die Keramikscheibe aufgeklebte flexible Leiterplatten mit vorgefertigt ange brachten Anschlußleitungen sind.To solve this problem, the invention provides that the electrodes on the ceramic disc glued flexible circuit boards with prefabricated brought connecting lines are.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der die die Elektroden bildenden Leiterplatten vorzugsweise mittels eines leitfähigen Klebers auf der Keramikschei be befestigt sein können, der ggf. ein anisotroper Leitkleber sein kann oder ein Kleber mit angeglichener Dielektrizitätszahl, um die Möglichkeit unterschiedlicher Elektrodenstrukturen auf einer Keramikseite zu realisieren, ergibt sich der grund legende Vorteil, daß keine thermischen Prozesse an der Keramik stattfinden, die durch Elektroden-Strukturierung oder Lötprozesse gegeben sind. Selbst wenn man die Anschlußleitungen vor dem Ankleben der Leiterplatten an die Keramik scheibe an die Leiterplatten anlöten sollte, läßt sich dies sehr viel einfacher und vor allen Dingen ohne thermische Belastung der Keramikscheibe durchführen. Bevorzugt wird man aber gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorse hen, daß die Anschlußleitungen an die Leiterplatte angeformt sind, so daß zumin dest eine Anschlußleiterzunge zur Verfügung steht, an die darin die eigentlichen Abgangsleitungen angeschlossen werden können, wobei dortige Lötstellen unab hängig von der Definition oder der Menge des Lötzinns ohne Auswirkungen auf das Schwingungsverhalten des Ultraschallwandlers sind, da sie ja nicht im Be reich der schwingenden Keramikscheibe angeordnet sind.Due to the configuration according to the invention, in which the electrodes forming Printed circuit boards preferably using a conductive adhesive on the ceramic wafer be attached, which may be an anisotropic conductive adhesive or a Adhesive with matched dielectric constant to allow the possibility of different The reason is to realize electrode structures on a ceramic side Legendary advantage that no thermal processes take place on the ceramic, the are given by electrode structuring or soldering processes. Even if the connecting lines before gluing the circuit boards to the ceramic should be soldered to the circuit board, this can be done much easier and above all, carry out without thermal stress on the ceramic disc. However, it is preferred according to a further feature of the invention hen that the connecting lines are formed on the circuit board, so that at least at least one connecting lead tongue is available, to which the actual ones are located Outgoing cables can be connected, with solder joints there independent depending on the definition or amount of solder with no effect the vibration behavior of the ultrasonic transducer, since they are not in the loading richly arranged the vibrating ceramic disc.
Bevorzugt wird man aber in diesem Fall die angeformten Anschlußleitungen, also die direkt an der Leiterplatte angeformten Anschlußleiterzungen, so lang ausbil den, daß sie direkt bis zu einer Schaltplatine od. dgl. geführt werden können, ohne daß zusätzliche elektrische Verbindungen erforderlich sind.In this case, however, preference is given to the integrally formed connecting lines, ie the connecting tabs formed directly on the circuit board, so long the fact that they can be led directly to a circuit board or the like without that additional electrical connections are required.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann schließlich vorgesehen sein, daß die Elektrode auf der dem Meßrohr zugewandten Vorderseite radial über die Keramik überstehend als Träger- und Dichtelement zum Aufhängen in einem Gehäuse ausgebildet ist, wobei die überstehende Elektrode beispielsweise durch einen O-Ring dichtend im Gehäuse verklemmt sein kann.In a further embodiment of the invention it can finally be provided that the Electrode on the front side facing the measuring tube radially over the ceramic protruding as a support and sealing element for hanging in a housing is formed, the projecting electrode, for example, by a O-ring may be jammed in the housing.
Bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallwander sind die als flexible aufgeklebte Leiterplatten ausgebildeten Elektroden unempfindlich gegen mechanische Bean spruchungen und es ergibt sich sowohl eine einfache Fertigung der Ultraschall wandler als auch eine einfache Montage. Der erfindungsgemäße Aufbau ermög licht das Vorsehen von Vielfach-Elektroden ohne Mehraufwand, z. B. zur Anregung von multisegmentierter Piezokeramik. Ersichtlich lassen sich durch den Aufbau der Elektroden als aufgeklebte flexible Leiterplatten praktisch beliebige Elektro dengeometrien realisieren. Ein weiterer Vorteil liegt im Wegfall der bisherigen Stahlfolie zur Abdichtung des Ultraschallwandlers gegenüber der zu messenden Flüssigkeit, da diese Funktion unmittelbar durch die überstehende Elektrode übernommen werden kann.In an ultrasonic wand according to the invention, they are glued on as flexible Printed circuit boards trained electrodes insensitive to mechanical bean spells and there is both a simple manufacture of the ultrasound converter as well as easy assembly. The structure according to the invention enables light the provision of multiple electrodes without additional effort, e.g. B. for suggestion of multi-segmented piezoceramic. Can be seen through the construction the electrodes as glued flexible printed circuit boards practically any electrical realize the geometries. Another advantage lies in the elimination of the previous ones Steel foil to seal the ultrasonic transducer against the one to be measured Liquid because this function is directly through the protruding electrode can be taken over.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention result from the following description of an embodiment and based on the Drawing. Show:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschall wandlers von der dem Meßrohr und damit der zu messenden Flüs sigkeit abgelegenen Rückseite, Fig. 1 is a perspective view of an ultrasonic transducer according to the invention from the measuring tube, and thus the to be measured flues sigkeit remote back
Fig. 2 und 3 Aufsichten auf die Rückseite des Ultraschallwandlers mit abgewan delter Elektrodenausbildung, und Fig. 2 and 3 are plan views of the back of the ultrasonic transducer with abgewan Delter electrode formation, and
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Stirnende eines Flüssigkeitsdurch flußmessers mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler. Fig. 4 shows a longitudinal section through an end face of a liquid flow meter with an ultrasonic transducer according to the invention.
Der in Fig. 1 gezeigte Ultraschallwandler besteht aus der Keramikscheibe 1, auf deren in der Einbaustellung der zu messenden Flüssigkeit abgelegenen Rückseite 2 eine Elektrode 3 in Form einer ausgestanzten flexiblen Leiterplatte aufgeklebt ist. An der Elektrode 3 ist direkt als angestanzte Zunge eine Anschlußleitung 4 angeformt. Durch die in Fig. 1 gezeigte Faltung dieser angeformten Anschlußlei tung 4 ergibt sich beim Einbauen in einen Durchflußmesser (vgl. hierzu die weiter unten noch zu beschreibende Fig. 4) eine Zugentlastung.The ultrasound transducer shown in FIG. 1 consists of the ceramic disk 1 , on the rear side 2 of which is in the installed position of the liquid to be measured, an electrode 3 in the form of a punched-out flexible printed circuit board is glued on. A connecting line 4 is formed directly on the electrode 3 as a punched-out tongue. The folding of this molded connecting line 4 shown in FIG. 1 results in strain relief when installed in a flow meter (cf. FIG. 4 to be described further below).
Auf der der zu messenden Flüssigkeit zugekehrten Vorderseite der Keramikschei be 1 ist eine allseits über die Keramikscheibe 1 überstehende Elektrode 5 aufge klebt, die ebenfalls mit einer bevorzugt an ihr angeformten Anschlußleitung 6 ver sehen ist. Der Pfeil 7 zeigt die Schallabstrahlrichtung des Ultraschallwandlers, der selbstverständlich umgekehrt auch als Empfänger für die in entgegengesetzter Richtung vom Ultraschallwandler auf der Gegenseite des Meßrohrs ausgestrahlte Ultraschallstrahlung fungiert.On the side facing the fluid being measured front side of the ceramic ticket be 1 is a well over the ceramic sheet 1 protruding electrode glued 5, which is also provided with a preferably integrally formed on its connecting line 6 see ver. The arrow 7 shows the direction of sound emission of the ultrasound transducer, which of course also functions as the receiver for the ultrasound radiation emitted in the opposite direction by the ultrasound transducer on the opposite side of the measuring tube.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist die zentrisch auf der Rückseite 2 der Keramik scheibe 1 angeordnete Elektrode 3 mit einem Massering 3' versehen, dem eine gesonderte angeformte Anschlußleitung 4' zugeordnet ist.In the arrangement according to FIG. 2, the electrode 3 arranged centrally on the rear side 2 of the ceramic disk 1 is provided with a ground ring 3 ', to which a separate molded connecting line 4 ' is assigned.
Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine Multielektrodenstruktur mit mehreren die Elektrode 3 ringartig umfassenden Elektrodenringen 3'' und 3''', ihrerseits wieder um mit elektrischen Anschlußleitungen 4'' und 4'''. FIG. 3 shows an example of a multi-electrode structure with a plurality of electrode rings 3 ″ and 3 ″ ″ that surround the electrode 3 in a ring-like manner, in turn with electrical connecting lines 4 ″ and 4 ″ ″.
Aus der Fig. 4 erkennt man die Art und Weise des Einbaus und der Abdichtung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in das Gehäuse 8 eines Ultraschall wandlers. Dieses Gehäuse ist mit einem Flüssigkeitseinlauf 9 und einem auf der Gegenseite am anderen Ende des Meßrohrs 10 angeordneten Flüssigkeitsablauf versehen, wobei auf dieser nicht gezeigten Gegenseite in ähnlicher Weise ein er weiterter Kopf 11 zur Aufnahme eines Ultraschallwandlers gemäß den Fig. 1 bis 3 angeordnet ist, wie er in Fig. 4 links zu erkennen ist. Die über die Keramik scheibe 1 allseits radial überstehende Elektrode 5 ist mit Hilfe des in den Kopf 11 einschraubbaren Trägers 12 gegen einen O-Ring 13 dichtend verklemmt, d. h. die auf der Flüssigkeitsseite angeordnete Elektrode 5 bildet gleichzeitig die Abdich tung des Ultraschallwandlers gegenüber der über den Einlauf 9 einströmenden und aus der erweiterten Kopfkammer 11 dann in das Meßrohr eingeleiteten Flüs sigkeit. Die Anschlußleitungen 4 und 6 werden zu einer Schaltplatine 14 geführt, dort aus werden die elektronischen Signale zur Anregung der Keramikscheibe an die Elektroden 3 und 5 geleitet bzw. die bei der Funktion des Ultraschallwand lers als Empfänger erzeugten elektrischen Signale, die von den Elektroden 3, 5 über die Anschlußleitungen 4, 6 an die Schaltplatine gelangen, entsprechend weiterverarbeitet.From Fig. 4 you can see the way of installing and sealing the ultrasonic transducer according to the invention in the housing 8 of an ultrasonic transducer. This housing is provided with a liquid inlet 9 and a liquid outlet arranged on the opposite side at the other end of the measuring tube 10 , a further head 11 for receiving an ultrasonic transducer according to FIGS . 1 to 3 being arranged in a similar manner on this opposite side, not shown, as can be seen on the left in FIG. 4. The over the ceramic disc 1 radially projecting electrode 5 is clamped with the help of the screwed into the head 11 support 12 against an O-ring 13 , ie the electrode 5 arranged on the liquid side simultaneously forms the sealing device of the ultrasonic transducer from the above Inlet 9 flowing in and then introduced from the expanded head chamber 11 into the measuring tube liquid. The connecting lines 4 and 6 are routed to a circuit board 14 , from there the electronic signals for exciting the ceramic disc are passed to the electrodes 3 and 5 or the electrical signals generated by the function of the ultrasound transducer as a receiver, which are generated by the electrodes 3 , 5 via the connecting lines 4 , 6 to the circuit board, processed accordingly.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140101 |