DE202017102417U1

DE202017102417U1 - Kompakter Weitwinkel-Schallwandler

Info

Publication number: DE202017102417U1
Application number: DE202017102417.2U
Authority: DE
Original assignee: GWF MessSysteme AG
Current assignee: GWF MessSysteme AG
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2027-04-26
Also published as: US10480971B2; DK3239974T3; PL3239974T3; CN108701450A; WO2017187322A1; ES2901159T3; US20200041320A1; US20170307424A1; US11156488B2; HK1256299A1; EP3239974B1; CN108701450B; EP3239974A1

Abstract

Ein Wandler zum Senden und Empfangen von Schallwellen, wobei der Wandler ein Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse einen Hohlraum bildet, das Gehäuse aufweisend – eine Erregeroberfläche und eine Sendeoberfläche, die der Erregeroberfläche gegenüberliegend angeordnet ist, – ein Wandlerelement, wobei das Wandlerelement an der Erregeroberfläche bereitgestellt ist, – einen Schalldiffusor, wobei der Schalldiffusor an der Sendeoberfläche des Gehäuses bereitgestellt ist, wobei eine Streustruktur des Schalldiffusors in Richtung des Hohlraums zeigt.

Description

Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf einen Schallwandler zum Erzeugen einer erweiterten Weitwinkel-Druckverteilung durch Verwendung diffuser interner Reflexionen.
Die US 4,156,863 offenbart einen Weitwinkel-Wandler mit großer Bandbreite, der akustische Signale in einen weiten Bereich aussendet, indem eine Anordnung vieler Wandlerelemente bereitgestellt wird, die radial auswärts entlang einer gekrümmten Oberfläche zeigen. Im Gegensatz dazu verwendet der Weitwinkel-Wandler gemäß der vorliegenden Beschreibung einen oder mehrere Schalldiffusoren, die in einem Hohlraum eines Gehäuses bereitgestellt sind.
Die vorliegende Beschreibung offenbart einen Wandler zum Senden und Empfangen von Schallwellen. Der Wandler wird auch als „Weitwinkel-Wandler“ bezeichnet. Insbesondere können die Schallwellen, die von dem Wandler ausgesendet und empfangen werden, Ultraschallwellen sein, die durch ein Fluid entlang eines geschlossenen oder eines offenen Fluidkanals übertragen werden.
Der Wandler weist ein Gehäuse auf, das einen Hohlraum umschließt. Mit anderen Worten bildet oder definiert das Gehäuse einen Hohlraum. Der Hohlraum des Gehäuses weist ein Füllmaterial wie beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gel, ein Epoxidmaterial oder ein anderes Kunststoffmaterial auf. Das Füllmaterial stellt eine Kopplung von und zu den Oberflächen des Gehäuses bereit. Insbesondere kann die Füllung einen Innenraum des Hohlraums im Wesentlichen komplett ausfüllen. Der Innenraum des Hohlraums wird durch den Hohlraum und jegliche Elemente, die in den Hohlraum hineinragen, definiert. Der Kürze halber wird auf den Innenraum des Hohlraums auch als Hohlraum Bezug genommen, wobei sich die Bedeutung aus dem Kontext erschließt, oder alternativ als „akustischer Hohlraum“.
Falls das Füllmaterial oder Übertragungsmedium durch eine Flüssigkeit oder ein Gel bereitgestellt ist, kann das Gehäuse wasserdicht oder flüssigkeitsdicht gemacht werden, um sicherzustellen, dass keine Luft eingeschlossen werden kann oder Gel auslaufen kann. Das Gehäuse des Weitwinkel-Wandlers weist eine Erregeroberfläche und eine Sendeoberfläche, die der Erregeroberfläche gegenüberliegend angeordnet ist, auf. Insbesondere können die Erregeroberfläche und die Sendeoberfläche parallel zueinander und an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses bereitgestellt werden.
Jedoch kann die Sendeoberfläche auch bezüglich der Erregeroberfläche geneigt sein. Zudem können die Erregeroberfläche und die Sendeoberfläche als ebene Oberflächen bereitgestellt sein. In anderen Ausführungsformen kann die Sendeoberfläche oder die Erregeroberfläche gekrümmt sein, beispielsweise um mit einer Form eines runden Kanals übereinzustimmen.
Insbesondere kann ein äußerer Bereich der Erregeroberfläche oder der Sendeoberfläche als ebene Oberfläche oder als gekrümmte Oberfläche bereitgestellt sein. Der Innenraum des Gehäuses, in welchem der eine oder die mehreren Diffusoren bereitgestellt sind, kann eine besonders einfache Form besitzen, die einfach herzustellen ist, wie beispielsweise einen Quader oder einen Zylinder, insbesondere einen Kreiszylinder. Ein Quader ist besonders geeignet zum Einpassen eines Diffusors mit einer rechteckigen Grundfläche in das Gehäuse. In einer Ausführungsform besitzt das Gehäuse die Form eines Quaders und die Sendeoberfläche und die Erregeroberfläche sind als gegenüberliegende Oberflächen des Quaders bereitgestellt.
Beispielsweise kann das Gehäuse aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein oder es kann auch aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein. Der Wandler weist zumindest ein Ultraschallwandlerelement auf, das mit der Erregeroberfläche des Gehäuses gekoppelt oder an dieser bereitgestellt ist. Beispielsweise kann das Wandlerelement durch die Erregeroberfläche eingebracht werden und/oder es kann an die Erregeroberfläche geschweißt, gelötet oder geklebt sein. Beispielsweise kann das Wandlerelement oder können die Wandlerelemente mit der Erregeroberfläche durch Presspassung oder durch Formschluss verbunden sein. Das Wandlerelement oder die Wandlerelemente sind von außerhalb des Gehäuses zugänglich und können mit elektrischen Kabeln verbunden sein, um ein Erregersignal an dem Wandlerelement oder den -elementen bereitzustellen oder um ein empfangenes Signal zu übertragen.
Ein Schalldiffusor ist an der Sendeoberfläche des Gehäuses bereitgestellt. Eine Streustruktur des Schalldiffusors zeigt in Richtung des Hohlraums. Mit anderen Worten ragt die Streustruktur in den durch den Hohlraum definierten Innenraum hinein.
Für eine noch bessere Streuung der Schallwellen innerhalb des Hohlraums kann ein zweiter Diffusor bereitgestellt sein. Insbesondere kann der zweite Diffusor dem ersten Diffusor gegenüberliegend bereitgestellt werden und derart, dass eine Streustruktur des zweiten Schalldiffusors in Richtung einer Streustruktur des ersten Schalldiffusors zeigt. Die Streustrukturen zeigen in Richtung zueinander oder zeigen zueinander in dem Sinn, dass eine Sichtverbindung zwischen den Streustrukturen existiert.
Insbesondere können die Streustrukturen derart relativ zueinander angeordnet sein, dass jeweilige mittlere Richtungen, die durch die Streustrukturen definiert sind, in gegenüberliegende Richtungen innerhalb eines vorbestimmten Winkels, wie beispielsweise 10°, 20° oder 45°, zeigen. Beispielsweise können zwei Säulen-Typ-Streustrukturen derart angeordnet sein, dass die Säulen der ersten Streustruktur in Richtung der Säulen der zweiten Streustruktur innerhalb eines vorbestimmten Winkels, wie beispielsweise 10°, 20° oder 45°, zeigen. Insbesondere können die Schalldiffusoren derart angeordnet sein, dass jeweilige Grundflächen der Schalldiffusoren parallel zueinander ausgerichtet sind.
Die jeweiligen Ausrichtungen und der Abstand der Streustrukturen voneinander können derart gewählt werden, dass ein Hauptteil des von einem der Diffusoren ausgesendeten Schalls durch den anderen Diffusor empfangen wird. Dadurch wird eine effektive Kopplung zwischen den Diffusoren bereitgestellt. Beispielsweise kann ein Abstand zwischen zwei Säulen-Typ-Streustrukturen derart sein, dass ein minimaler Abstand zwischen den Streustrukturen nicht mehr als 10%, 20% oder 50% einer maximalen Höhendifferenz zwischen den Säulen beträgt.
Eine Grundfläche des Diffusors kann die Sendeoberfläche oder die Erregeroberfläche im Wesentlichen vollständig bedecken. In ähnlicher Weise kann die entsprechende Streustruktur die Sendeoberfläche oder die Erregeroberfläche im Wesentlichen vollständig bedecken. Insbesondere kann sich „im Wesentlichen vollständig“ auf 90% oder mehr, 95% oder 99% oder mehr der Sendeoberfläche oder der Erregeroberfläche beziehen.
Insbesondere kann die Streustruktur durch Vorsprünge oder durch einen Aufbau auf einer Grundfläche des entsprechenden Schalldiffusors, wie beispielsweise Wände oder Säulen, die orthogonal zu der Grundfläche oder in einem Winkel zu der Grundfläche ausgerichtet sind, gebildet werden.
Der zweite Schalldiffusor ist an der Erregeroberfläche derart bereitgestellt oder befestigt, dass eine Streustruktur des zweiten Schalldiffusors in Richtung des Hohlraums zeigt. Der zweite Diffusor kann vom gleichen Typ sein wie der erste Diffusor oder er kann von einem anderen Typ sein. Beispielsweise können die Diffusoren an der jeweiligen Oberfläche oder an dem Gehäuse durch Schweißen, Kleben, Schrauben, Bolzen, Formschluss oder Presspassung befestigt sein.
Beispielsweise kann die Erregeroberfläche oder die Sendeoberfläche durch einen Bereich des Gehäuses oder durch einen Bereich des Gehäuses und weitere Elemente, die an dem Gehäuse befestigt sind, bereitgestellt sein. Weiterhin können die entsprechenden Schalldiffusoren an einem inneren Bereich der entsprechenden Erregeroberfläche oder an einem inneren Bereich des Gehäuses bereitgestellt sein.
Das Gehäuse kann Öffnungen zum Austauschen der Flüssigkeit oder des Gels und für Entgasungszwecke aufweisen. Zudem kann das Gehäuse auf einer Seite einen Deckel zum Einbringen oder Austauschen des Schalldiffusors aufweisen. In einer Ausführungsform ist der Deckel an das Gehäuse geklebt oder geschweißt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Deckel durch Schrauben befestigt. In letzterem Fall kann eine Abdichtung oder eine Dichtung bereitgestellt sein, wie beispielsweise ein Abdichtungsring oder Ähnliches.
Insbesondere kann die Streustruktur des Schalldiffusors oder können die Streustrukturen der Schalldiffusoren eine Säulen-Typ-Streustruktur aufweisen. Speziell kann die Streustruktur oder können die Streustrukturen aus einer Säulen-Typ-Streustruktur bestehen oder durch diese bereitgestellt sein. Die Säulen-Typ-Diffusorstruktur ist auch als Terrain-Struktur bekannt, wobei Säulen des Säulen-Typ-Diffusors eine statistisch verteilte Höhe besitzen. In diesem Fall wird auf den Diffusor auch als Säulen-Typ-Diffusor Bezug genommen.
Die statistisch verteilte Höhe kann durch einen vorbestimmten Algorithmus definiert sein und die Wahrscheinlichkeit einer vorgegebenen Höhe kann von dem Ort auf der Grundfläche, der durch rechtwinklige Koordinaten x und y angegeben werden kann, abhängen. Die Wahrscheinlichkeit einer vorgegebenen Höhe kann auch von einer Entfernung von einem Ort auf der Grundfläche der Streustruktur oder des Schalldiffusors abhängen.
Im Allgemeinen hängen die Größe der Grundfläche, die Höhe der Säulen und andere Abmessungen von der Ultraschall-Wellenlänge ab. Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Größe einer Grundfläche der Säulen eines Säulen-Typ-Schalldiffusors zwischen 0,5 mm² und 1,6 mm². Insbesondere kann ein Säulenquerschnitt rechteckig oder quadratförmig sein und die Größe des Querschnitts kann zwischen 0,75 mm × 0,75 mm und 1,25 mm × 1,25 mm sein. Zudem kann der Säulenquerschnitt von der Grundfläche bis zu der Spitze der Säulen gleich sein, wobei die Größe der Grundfläche der Größe des Querschnitts entspricht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Größe einer Grundfläche der Säulen eines Säulen-Typ-Schalldiffusors zwischen 3 mm² und 5 mm². Insbesondere kann ein Säulenquerschnitt rechteckig oder quadratförmig sein und die Größe des Querschnitts kann zwischen 1,75 mm × 1,75 mm und 2,25 mm × 2,25 mm sein.
Der Höhenbereich der Säulen hängt von der angewendeten Ultraschall-Wellenlänge ab. In einem speziellen Beispiel kann ein Höhenbereich zwischen der kleinsten und der größten Säule des Schalldiffusors zwischen 1 mm und 10 mm ausgewählt sein. Für einen guten Streueffekt kann die Höhenstruktur des zweiten Diffusors anders als die Höhenstruktur des ersten Diffusors gewählt sein, beispielsweise können die Säulenhöhen eines Diffusors von den Säulenhöhen des entsprechenden anderen Diffusors statistisch unabhängig sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Streustruktur des Schalldiffusors oder weisen die Streustrukturen der Schalldiffusoren eine kammerartige Streustruktur auf, wie beispielsweise einen Quadratic Residue oder Schroederdiffusor oder einen Cubic Residue Diffusor.
Im Fall von zwei Schalldiffusoren kann sich „der Diffusor oder die Diffusoren“ auf einen der Diffusoren oder auf beide Diffusoren beziehen. Im Fall von mehr als zwei Schalldiffusoren kann es sich auf einen von diesen, einige dieser oder sämtliche der Diffusoren beziehen. Das gleiche gilt für den Ausdruck „die Streustruktur oder die Streustrukturen“. Weiterhin kann sich das Material oder das Verfahren zur Herstellung des Diffusors auch nur auf das Material oder das Verfahren zur Herstellung der Streustruktur beziehen.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Schalldiffusor oder sind die Schalldiffusoren aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. Ein metallischer Werkstoff kann langlebig sein und stellt eine gute akustische Kopplung bereit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Schalldiffusor oder sind die Schalldiffusoren aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Insbesondere kann der Diffusor oder können die Diffusoren aus einem Kunststoffmaterial in einem Formgebungsprozess hergestellt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Schalldiffusor oder sind die Schalldiffusoren durch ein 3-D-Druckverfahren hergestellt. Das 3-D-Druckverfahren ist insbesondere in Verbindung mit einem Säulen-Typ-Diffusor geeignet. Das 3-D-Druckverfahren kann ein 3-D-Metalldruckverfahren oder ein 3-D-Druckverfahren unter Verwendung eines anderen Materialtyps sein. Die Materialwahl hängt von dem Anwendungszweck und der Schallimpedanz des Fluids, wie beispielsweise Gas, Öl, Wasser, etc., ab.
Der Hohlraum, in welchem der Diffusor oder die Diffusoren bereitgestellt sind, kann insbesondere ein rechteckiger Hohlraum oder ein quaderförmiger Hohlraum sein. Dadurch kann der Hohlraum beispielsweise durch den Innenraum eines rechteckigen oder quaderförmigen Gehäuses bereitgestellt werden.
Weiterhin kann der Wandler ein Wandlerelement aufweisen, das in Kontakt mit der Sendeoberfläche ist und welches zum Aufnehmen eines Signals von der Sendeoberfläche bereitgestellt ist. Beispielsweise kann dieses Wandlerelement durch einen Nadelwandler bereitgestellt werden, der in Kontakt mit der Sendeoberfläche ist, oder durch einen Plattenwandler, der auf oder an der Sendeoberfläche bereitgestellt ist.
In einer Ausführungsform weist der Wandler einen Nadelwandler auf, der sich durch den Hohlraum und bis auf die Sendeoberfläche erstreckt. Insbesondere kann sich der Nadelwandler durch die Erregeroberfläche, den Hohlraum, den Diffusor oder die Diffusoren und bis auf die Sendeoberfläche erstrecken. Dazu können geeignete Öffnungen in der Erregeroberfläche und den Diffusoren bereitgestellt sein.
Der Kontakt des Nadelwandlers mit der Sendeoberfläche führt zu einer guten Kopplung einer Schallwelle, die an der Sendeoberfläche empfangen wird. In dieser Ausführungsform muss die empfangene Schallwelle nicht durch das Medium zu der Erregeroberfläche laufen, um detektiert zu werden. Dadurch gibt es weniger Dämpfung und Verzögerung des Signals.
Insbesondere kann der Nadelwandler dazu verwendet werden, ein Schallsignal von einem Fluid oder einer anderen Art von Medium, das durch den Weitwinkel-Wandler untersucht wird, aufzunehmen. Der Nadelwandler kann auch dazu verwendet werden, ein Schallsignal zu erzeugen, obwohl das Schallsignal vorzugsweise an der Erregeroberfläche derart erzeugt wird, dass es durch die Sendeoberfläche reflektiert wird, zwischen der Erregeroberfläche und der Sendeoberfläche hin und her läuft und durch den Diffusor oder durch die Diffusoren gestreut wird. Zu diesem Zweck kann ein zweites Wandlerelement an der Erregeroberfläche bereitgestellt sein.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Nadelwandler kann ein Plattenwandler an der Sendeoberfläche zum Aufnehmen des Schallsignals bereitgestellt sein. In diesem Fall können geeignete leitfähige Streifen, Bereiche oder Kabel auf oder an dem Gehäuse bereitgestellt sein, die es ermöglichen, den Plattenwandler mit einer Signalverarbeitungseinheit zu verbinden.
Das Wandlerelement oder die Wandlerelemente können insbesondere ein piezoelektrisches Element aufweisen. Insbesondere können einige oder sämtliche der Wandlerelemente durch piezoelektrische Elemente bereitgestellt sein. Die piezoelektrischen Elemente können eine effektive Spannungs-zu-Schall-Kopplung bereitstellen. Zudem können piezoelektrische Elemente leicht auf dem Markt verfügbar sein, zumindest wenn sie in gewissen Standardformen bereitgestellt werden, wie beispielsweise platten- oder säulenförmig.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Wandler nicht nur ein Wandlerelement auf, sondern drei. Daher weist der Wandler ein erstes Wandlerelement, ein zweites Wandlerelement und ein drittes Wandlerelement auf. Das erste Wandlerelement ist zum Aufnehmen eines Schallsignals bereitgestellt, während das zweite Wandlerelement und das dritte Wandlerelement zum Erzeugen eines Schallsignals bereitgestellt sind. Dazu sind das zweite und das dritte Wandlerelement an der Erregeroberfläche bereitgestellt, während das erste Wandlerelement in Kontakt mit der Sendeoberfläche ist.
In einer Ausführungsform ist das erste Wandlerelement in einer zentralen Position der Sendeoberfläche angeordnet. Falls sich das erste Wandlerelement bis zu der Erregeroberfläche erstreckt, kann es zudem in einer zentralen Position der Erregeroberfläche bereitgestellt sein. Das zweite und dritte Wandlerelement können als flache Wandler bereitgestellt sein, beispielsweise als münzenförmige Wandler, die auf einer äußeren Oberfläche oder einem äußeren Bereich der Erregeroberfläche angeordnet sind.
Speziell kann das erste Wandlerelement durch einen Nadelwandler bereitgestellt sein, der sich durch den Hohlraum und bis auf die Sendeoberfläche erstreckt. Wie oben erwähnt kann sich der Nadelwandler zudem durch die Erregeroberfläche und die Diffusoren erstrecken. Alternativ kann das erste Wandlerelement als ein Plattenwandler an der Sendeoberfläche bereitgestellt sein.
Gemäß einer Ausführungsform sind das zweite Wandlerelement und das dritte Wandlerelement symmetrisch zu dem ersten Wandlerelement angeordnet. Diese Anordnung kann wohldefinierte Bedingungen bereitstellen und kann den verfügbaren Raum auf der Erregeroberfläche gut ausnützen. Insbesondere können sie symmetrisch in einer Ebene der Erregeroberfläche bereitgestellt sein.
Zudem können das erste Wandlerelement, das zweite Wandlerelement und das dritte Wandlerelement entlang einer Diagonalen der Erregeroberfläche angeordnet sein. Falls die Wandlerelemente mit einem Standardquerschnitt bereitgestellt sind, wie beispielsweise einem runden oder einem rechteckigen Querschnitt, kann der Querschnitt der Wandlerelemente groß gemacht werden, wenn die Wandler entlang der längsten Erstreckung der Erregeroberfläche in einer Reihe aufgestellt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Wandler zwei Wandlerelemente auf, einen Nadelwandler wie oben beschrieben und einen flachen Wandler, der auf einer äußeren Oberfläche der Erregeroberfläche bereitgestellt ist.
In einem weiteren Aspekt offenbart die vorliegende Beschreibung ein Messsystem, das eine Recheneinheit mit einem Funktionsgenerator und den oben genannten Weitwinkel-Wandler aufweist. Die Recheneinheit ist ausgebildet zum Senden eines Messsignals von dem Weitwinkel-Wandler, zum Empfangen eines Antwortsignals von einem zweiten Wandler und zum Herleiten eines Messergebnisses aus dem Antwortsignal. Speziell erzeugen die Recheneinheit und der Funktionsgenerator ein geeignet geformtes elektrisches Signal, das durch elektrisches Kabel zu einem Wandlerelement des Weitwinkel-Wandlers und von dort zu der Erregeroberfläche übertragen wird.
Das Antwortsignal des weiteren Wandlers kann insbesondere durch ein Wandlerelement aufgenommen werden, das mechanisch mit der Sendeoberfläche gekoppelt ist, wie beispielsweise dem oben genannten Nadelwandler. Das Wandlerelement konvertiert das Antwortsignal in ein elektrisches Signal, das an die Recheneinheit durch elektrische Kabel übertragen wird. Die Recheneinheit wertet das elektrische Signal aus, um das Messergebnis zu erhalten.
Gemäß einer weiteren Messart empfängt die Recheneinheit zudem ein zweites Antwortsignal von dem weiteren Wandler und wertet dieses aus. Dieses zweite Antwortsignal entspricht einem Schallsignal, das von dem Weitwinkel-Wandler an den weiteren Wandler in der entgegengesetzten Richtung zu dem Schallsignal, das dem ersten Antwortsignal entspricht, gesendet wird.
In einem weiteren Aspekt offenbart die vorliegende Anmeldung ein computerimplementiertes Verfahren zum Erhalten eines Messergebnisses, das sich auf eine Flüssigkeit oder ein Fluid in einem Kanal bezieht, mittels des oben genannten Weitwinkel-Wandlers, wobei der Kanal ein offener Kanal oder ein geschlossener Kanal sein kann.
Die zu messende Flüssigkeit oder das zu messende Fluid werden mit einer Bewegung bezüglich des Wandlers bereitgestellt. Ein Messsignal wird an einem oder mehreren Wandlerelementen des Wandlers angelegt. Insbesondere wird das Messsignal für die oben genannte Drei-Wandler-Anordnung an den zweiten Wandler und an den dritten Wandler angelegt.
Durch jeweilige mechanische Kopplung oder Kontakt zwischen dem Wandlerelement, der Erregeroberfläche und dem Schalldiffusor wird das Messsignal an den Schalldiffusor an der Erregeroberfläche des Wandlers übertragen. In einer Ausführungsform ohne Diffusor an der Erregeroberfläche wird das Messsignal an die Erregeroberfläche und in das Übertragungsmedium des Hohlraums, welches eine Flüssigkeit oder ein Gel ist, übertragen.
Das Messsignal wird in das Übertragungsmedium und auf den zweiten Schalldiffusor, der an der Sendeoberfläche des Wandlers befestigt ist, übertragen. Dadurch werden die Schallwellen zwischen dem ersten Diffusor und dem zweiten Diffusor hin und her reflektiert und ein Teil der Schallwellen wird an der Sendeoberfläche in die zu messende Flüssigkeit oder das zu messende Fluid ausgesendet.
Ein Antwortsignal wird an einem zweiten Wandler empfangen. Der zweite Wandler kann mit einem Versatz relativ zu dem Weitwinkel-Wandler und zu einer Längsrichtung zu dem Kanal angeordnet sein. Insbesondere kann der zweite Wandler durch einen Weitwinkel-Wandler bereitgestellt sein. Ein Messergebnis, das sich auf die Flüssigkeit bezieht, wird aus dem ersten Antwortsignal mittels einer Recheneinheit hergeleitet.
In der Messanordnung ist der zweite Wandler an dem Kanal an einer ersten Position befestigt und der zweite Wandler ist an dem Kanal mit einem Versatz relativ zu der ersten Position bezüglich einer Längsrichtung des Kanals befestigt.
In einer weiteren Messart weist das Verfahren die weiteren Schritte eines Sendens eines zweiten Messsignals, das die gleiche Signalform wie das erste Messsignal besitzen kann, von dem zweiten Wandler zu dem oben genannten Weit-Wandler auf.
Das zweite Antwortsignal auf das zweite Messsignal wird durch ein Wandlerelement des Weitwinkel-Wandlers empfangen und die Recheneinheit leitet ein Messergebnis, das sich auf das Fluid bezieht, aus dem ersten Antwortsignal und dem zweiten Antwortsignal her.
In einem weiteren Aspekt offenbart die vorliegende Anmeldung ein Verfahren zum Herstellen eines Wandlers. Ein Gehäuse wird bereitgestellt, das aus einem Kunststoffmaterial oder einem metallischen Werkstoff hergestellt ist. Ein erster Wandler wird durch ein 3-D-Metalldruckverfahren hergestellt. Der erste Wandler wird an einer Sendeoberfläche des Gehäuses bereitgestellt.
Zudem kann ein zweiter Wandler durch das 3-D-Druckverfahren hergestellt und an einer Erregeroberfläche des Gehäuses bereitgestellt werden, wobei die Erregeroberfläche der Sendeoberfläche gegenüberliegend ist. Insbesondere kann der erste Wandler und/oder der zweite Wandler auf der entsprechenden Oberfläche durch Kleben, Schweißen, Löten, Schrauben, Vernieten oder durch Herstellung in einem Stück mit dem Gehäuse bereitgestellt werden.
Ein Wandlerelement wird an der Erregeroberfläche des Gehäuses bereitgestellt. Beispielsweise kann das Wandlerelement oder können die Wandlerelemente durch Kleben, Schweißen, Löten und/oder eine mechanische Passung, wie beispielsweise eine Presspassung oder einen Formschluss, bereitgestellt werden. Zudem kann ein zweiter Wandler in Kontakt mit der Sendeoberfläche oder an der Sendeoberfläche zum Aufnehmen eines Schallsignals bereitgestellt werden.
Zudem offenbart die vorliegende Beschreibung eine Wandleranordnung aus zumindest zwei Weitwinkel-Wandlern zum Durchführen einer Strömungsgeschwindigkeitsmessung. Insbesondere offenbart die vorliegende Beschreibung eine Wandleranordnung aus zumindest zwei Weitwinkel-Wandlern zum Durchführen einer Strömungsgeschwindigkeitsmessung unter Verwendung eines zeitumgekehrten Signals.
Speziell wird eine Wandleranordnung offenbart, die einen ersten Weitwinkel-Wandler gemäß einer der Ausführungsformen und einen zweiten Weitwinkel-Wandler gemäß einer der Ausführungsformen, eine Signalerzeugungseinheit und eine Signalverarbeitungseinheit aufweist. Die Signalverarbeitungseinheit und die Signalerzeugungseinheit sind durch elektronische Komponenten, wie beispielsweise Schaltkreise und integrierte Schaltkreise, realisiert.
Die Signalerzeugungseinheit ist mit dem ersten Wandler und mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden und die Signalverarbeitungseinheit ist mit dem zweiten Wandler verbunden.
Der erste Wandler, der zweite Wandler, die Signalerzeugungseinheit und die Signalverarbeitungseinheit sind ausgebildet zum Anlegen eines vorbestimmten ersten Signals an den ersten Wandler, wie beispielsweise ein zeitfokussiertes Impulssignal, zum Empfangen eines Antwortsignals des vorbestimmten ersten Signals an dem zweiten Wandler, zum Herleiten eines Messsignals aus dem Antwortsignal, wobei das Herleiten des Messsignals ein Auswählen eines Signalbereichs des Antwortsignals oder eines daraus hergeleiteten Signals und eine Zeitumkehr des Signalbereichs beinhaltet, zum Speichern des Messsignals für eine spätere Verwendung in einer elektronischen Speicherkomponente, zum Anlegen des Messsignals an den ersten Wandler, zum Empfangen eines Antwortsignals auf das Messsignal an dem zweiten Wandler und zum Herleiten einer Strömungsgeschwindigkeit aus dem empfangenen Antwortsignal auf das Messsignal.
In einer weiteren Ausführungsform, die eine Zweiwege-Strömungsgeschwindigkeitsmessung verwendet, die eingesetzt werden kann, um eine Temperaturabhängigkeit zu eliminieren, ist die Signalerzeugungseinheit zudem mit dem zweiten Wandler verbunden und die Signalverarbeitungseinheit ist zudem mit dem zweiten Wandler verbunden.
Der erste Wandler, der zweite Wandler, die Signalerzeugungseinheit und die Signalverarbeitungseinheit sind ausgebildet zum Anlegen des Messsignals an den zweiten Wandler, zum Empfangen eines zweiten Antwortsignals auf das Messsignal an dem ersten Wandler, zum Herleiten einer Strömungsgeschwindigkeit aus dem empfangenen Antwortsignal auf das Messsignal an dem zweiten Wandler und aus dem empfangenen zweiten Antwortsignal auf das Messsignal an dem ersten Wandler.
Der Gegenstand der vorliegenden Anwendung wird nun näher erläutert mit Bezug auf die folgenden Figuren, in welchen
1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Weitwinkel-Schallwandlers mit zwei plattenförmigen Sendeelementen und einem säulenförmigen Empfängerelement zeigt,
2 eine perspektivische Ansicht eines Schalldiffusors für einen Schallwandler zeigt,
3 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Weitwinkel-Schallwandlers mit einem einzigen Wandlerelement und zwei Diffusoren zeigt,
4 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Weitwinkel-Wandlers mit drei Wandlerelementen und zwei Diffusoren zeigt,
5 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Weitwinkel-Schallwandlers mit einem Plattenwandlerelement, einem Nadelwandler und zwei Diffusoren zeigt,
6 einen experimentellen Aufbau für eine Druckverteilungsmessung eines Schallwandlers zeigt,
7 eine Druckverteilung eines Schallwandlers mit einem rechteckigen Hohlraum zeigt,
8 eine Referenz-Druckverteilung eines Schallwandlers zeigt, der einen Hohlraum besitzt mit einem Diffusor, der eine geringe Säulengröße besitzt,
9 eine Druckverteilung eines Schallwandlers zeigt, der einen Hohlraum besitzt mit einem Diffusor, der eine größere Säulengröße besitzt,
10 eine Referenz-Druckverteilung eines Schallwandlers mit einem rechteckigen Hohlraum zeigt,
11 eine Druckverteilung eines Schallwandlers zeigt mit zwei Diffusoren, die in Richtung zueinander zeigen,
12 eine Anordnung von Klemmwandlern zur Verwendung mit den Ausführungsformen der 1 bis 11 zeigt,
13 eine weitere Anordnung von Klemmwandlern zur Verwendung mit den Ausführungsformen der 1 bis 11 in einer V-Konfigurationsmessung zeigt,
14 die Anordnung von 13 in einer W-Konfigurationsmessung zeigt,
15 eine weitere Anordnung von Klemmwandlern zur Verwendung mit den Ausführungsformen der 1 bis 11 zeigt,
16 ein empfangenes Signal in der Anordnung von 12 zeigt, und
17 eine Anordnung von Nasswandlern zur Verwendung mit den Ausführungsformen von 1 bis 11 zeigt.
In der folgenden Beschreibung werden Details bereitgestellt, um die Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung darzustellen. Jedoch ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass die Ausführungsformen ohne derartige Details umgesetzt werden können.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Weitwinkel-Wandlers 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Weitwinkel-Wandler 10 weist ein Gehäuse 11 auf, das einen Hohlraum 12 umschließt. Ein erstes plattenförmiges Wandlerelement 13 und ein zweites plattenförmiges Wandlerelement 14 sind auf einer Erregeroberfläche 15 des Gehäuses 11 bereitgestellt. Die Wandlerelemente besitzen Anschlüsse zum Verbinden der Wandlerelemente mit einer elektrischen Energiequelle, die in 1, 3, 4 und 5 nicht gezeigt sind.
Die Wandlerelemente dieser Ausführungsform und der folgenden Ausführungsformen können insbesondere durch piezoelektrische Keramiken bereitgestellt sein. Gemäß der spezifischen Ausführungsform, die verwendet wurde, um die Druckkurven zu erhalten, sind eine oder mehrere 1 MHz piezoelektrische Scheiben mit einem Durchmesser von 2 cm mit einer dünnen Schicht von Epoxidharz auf die flache Rückseite des Schalldiffusors geklebt. Silikongel ist auf die andere Seite der piezoelektrischen Scheibe für eine elektrische Isolation aufgebracht.
Ein Schalldiffusor 16 ist auf der Innenseite einer Sendeoberfläche 17 des Gehäuses 11, die der Erregeroberfläche 15 gegenüberliegend ist, bereitgestellt. Der Diffusor 16 ist derart geformt, dass er eine diffuse Reflexion einer von den Wandlerelementen 13 und 14 ausgesendeten Schallwelle bereitstellt. Zudem ist der Diffusor 16 derart geformt, dass die Schallmoden des Hohlraums 12, die andernfalls zu stehenden Wellen innerhalb des Hohlraums 12 führen würden, unterdrückt sind. In dem Beispiel von 1 ist der Diffusor 16 ein kammerartiger Diffusor, wie beispielsweise ein Schroederdiffusor.
Beispiele derartiger Diffusoren beinhalten unter anderem einen Schroederdiffusor oder Quadratic Residue Diffusor (QRD), einen Cubic Residue Diffusor (CRD), einen Primary Root Diffusor (PRD) und einen Säulen-Typ-Diffusor mit statistisch verteilten Höhen. In einer Ausführungsform, die besonders geeignet zum 3-D-Drucken ist, ist der Diffusor ein Säulen-Typ-Diffusor mit rechteckigen Säulen, die statistisch verteilte Höhen besitzen.
In dem Beispiel von 1 besitzt der Hohlraum 11 die Form eines rechteckigen Blocks, der durch Seitenwände 15, 17, 18 des Gehäuses 11 begrenzt ist. Die Seitenwände 15, 17, 18 des Gehäuses 11 beinhalten die Erregeroberfläche 15, die Sendeoberfläche 17, eine erste laterale Oberfläche 18, eine zweite laterale Oberfläche 19 und dritte und vierte laterale Oberflächen, die in 1 nicht dargestellt sind.
Ein Nadelwandler 20 des Weitwinkel-Wandlers 10 ist mit der Sendeoberfläche 17 gekoppelt und erstreckt sich durch den Hohlraum 17 und die Erregeroberfläche 17 und ragt von der Erregeroberfläche 15 in Richtung der Außenseite des Gehäuses 11 heraus. In dem Beispiel von 1 ist der Nadelwandler 20 in einer zentralen Position der Sendeoberfläche 17 bereitgestellt und der Nadelwandler 20 erstreckt sich durch die Sendeoberfläche 17.
In anderen Ausführungsformen kann der Nadelwandler 20 mit der Sendeoberfläche 17 in anderer Weise gekoppelt sein. Beispielsweise kann der Nadelwandler an eine innere Oberfläche der Sendeoberfläche 17 geschweißt oder geklebt sein. Alternativ kann die Sendeoberfläche 17 einen Aufnahmebereich mit einer geeigneten Form zum Aufnehmen des Nadelwandlers 20 aufweisen.
Der Hohlraum 12 ist mit einem amorphen schallübertragenden Medium 21 wie beispielsweise einer Flüssigkeit oder einem Gel oder Epoxidharz oder einem anderen passenden Material gefüllt. Vorzugsweise ist die Schallgeschwindigkeit in dem Übertragungsmedium größer als die Schallgeschwindigkeit in Luft und kleiner als die Schallgeschwindigkeit in dem Gehäuse 11. Weiterhin sind die Schallschwächung und die Kompressibilität des schallübertragenden Mediums wesentlich geringer als die Schallschwächung und die Kompressibilität von Luft.
In vielen Materialien hängt die Schallschwächung von der dynamischen Viskosität, der Volumenviskosität des Materials und der Schallfrequenz ab, wohingegen die Schallgeschwindigkeit von der Kompressibilität des Materials abhängt. Jedoch kann die Schallschwächung des schallübertragenden Materials wie beispielsweise des schallübertragenden Mediums 21 auch durch die Kompressibilität des Materials gekennzeichnet sein. Um eine Korrosion des Innenraums des Weitwinkel-Wandlers zu vermeiden kann das übertragende Medium durch ein korrosionsbeständiges Fluid wie beispielsweise Öl bereitgestellt sein.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Schalldiffusors 16'. Der Schalldiffusor ist durch eine Anordnung von Säulen 25, die statistisch verteilte Höhen bezüglich eines Grundflächenbereichs 26 besitzen, bereitgestellt. Jeder Pfeiler oder jede Säule 25 besitzt einen quadratischen Querschnitt und ist mit dem Grundflächenbereich 26, der eine rechteckige Form besitzt, verbunden. Die Anordnung der Säulen ist auch als „Manhattan-“, „Terrain-“ oder „Skyline-“Struktur bekannt. Beispielsweise kann die statistische Höhenverteilung durch einen Zufallsfolgen-Generator erzeugt werden. Der Bereich der Zufallszahlen ist zwischen einer minimalen und einer maximalen Höhe, die ausreichend sind zum Bereitstellen einer diffusen Reflexion, eingeschränkt.
Der Schalldiffusor 16' von 2 ist ein 3-D-gedruckter Schalldiffusor, der mit einer Vielzahl von Pfeilern unterschiedlicher Länge hergestellt ist. Der Schalldiffusor weist dicht gepackte Metallpfeiler mit einer zufälligen Höhe auf. Jeder Pfeiler besitzt einen quadratischen Querschnitt und ist mit einer Standfläche von rechteckiger Form verbunden.
Die Zufallsfolge, die die Höhenverteilung bestimmt, kann eine von einem Algorithmus erzeugte Pseudo-Zufallsfolge sein oder sie kann eine echte Zufallsfolge sein, die durch einen Hardware-Zufallszahlengenerator unter Verwendung einer quantenmechanischen Messung wie beispielsweise Schrotrauschen oder einem anderen physikalischen Zufallsprozess wie beispielsweise thermischem Rauschen erzeugt ist. Beispielsweise könnten die zufälligen Höhen gemäß einer Gleichverteilung, einer Gaußverteilung, einer Poissonverteilung oder einer anderen Form von statistischer Verteilung ausgewählt sein.
In einem Terrain-Design eines Schalldiffusors sind die oberen und unteren Frequenzgrenzen durch die Breite bzw. Höhe der quadratischen Säulen bestimmt. Die Höhe der Säulen bestimmt die untere Frequenzgrenze, während die obere Frequenzgrenze durch die Breite der Säule bestimmt ist. In speziellen Beispielen kann der Höhenbereich der Säulen oder Pfeiler zwischen 1 mm und 10 mm ausgewählt sein, die Abmessungen der Grundfläche oder „Basisfläche“ können als 3,8 cm × 3,8 cm gewählt sein und die Säulenbreite kann als 1 mm oder 2 mm gewählt sein. Dadurch besitzt der Diffusor eine Anordnung von 38 × 38 = 1444 Säulen bzw. von 19 × 19 = 361 Säulen.
Der Schalldiffusor 16, 16' ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, der eine gute Kopplung mit der Sendeoberfläche bereitstellt. Insbesondere kann der Diffusor 16, 16' durch einen 3-D-Metalldruck hergestellt sein. Geeignete Verfahren für 3-D-Metalldruck beinhalten unter anderem Metallsintern oder -schmelzen und insbesondere selektives Lasersintern (SLS), direktes Metall-Lasersintern (DMLS), selektives Laserschmelzen (SLM), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Powder Bed And Inkjet Head 3-D-Drucken bzw. Binder Jetting (3DP), Fused Deposition Modelling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF), Robocasting oder Direct Ink Writing (DIW) und Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3).
Die gegenwärtige 3-D-Drucktechnologie ist in der Lage, Strukturen im Bereich von einigen Zehn Mikrometern in einer Größe, die für akustische Hochfrequenz-Zeitumkehr-Anwendungen geeignet ist, zu drucken. Sie ist geeignet zum Herstellen komplexer Oberflächenstrukturen. Für eine Massenfertigung könnten Gussformen verwendet werden und die Struktur könnte heißgepresst oder geformt werden. Der Weitwinkel-Diffusor, der für die Experimente verwendet wurde, kann wie folgt hergestellt werden.
Zunächst wird ein volumetrisches Modell des Schalldiffusors mit einer Computergeometrie-Programmiersprache wie beispielsweise OpenSCAD erzeugt. Beispielsweise besitzt der Weitwinkel-Wandler der Druckmessungen eine Auflagefläche von 3,8 cm × 3,8 cm, die mit vertikalen Pfeilern quadratischen Querschnitts, der 1 mm auf 1 mm und 2 mm auf 2 mm breit ist, dekoriert ist. Die Höhe der Säulen wird zufällig erzeugt. Für den Diffusor der Druckmessungen wurde eine Gleichverteilung mit Werten im Bereich zwischen 1 mm und 10 mm verwendet. Zum Drucken kann die Geometrie in ein Standard-Dateiformat, wie beispielsweise STL, exportiert werden und wird in eine druckbare Datei konvertiert, die geeignet ist zum Drucken mit einem 3-D-Metalldrucker.
Beispielsweise verwendet der 3-D-Metalldrucker zum Erzeugen des Diffusors, der in den Druckmessungen verwendet wurde, einen 100 W Infrarot-Faserlaser mit einem Fokusdurchmesser von 40 μm, um austenitisches Edelstahlpulver von 50 μm zu sintern.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Weitwinkel-Wandlers 10'. Der Weitwinkel-Wandler 10' weist zwei zueinander gerichtete Schalldiffusoren 16', 36 auf. Die Schalldiffusoren 16 und 36 sind Säulen-Typ-Diffusoren wie in der vorherigen 2 gezeigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigen 3 und 4 nur einen Bereich des zweiten Diffusors 36. Der zweite Diffusor 36 kann am besten in der Querschnitts-Ansicht der Ausführungsform von 5 gesehen werden. Aus Gründen der Kürze werden einige Erklärungen von Merkmalen, die den Ausführungsformen gemeinsam sind, nicht nochmal in der Beschreibung der 3, 4 und 5 wiederholt.
Der erste Schalldiffusor 16' ist an der Sendeoberfläche 17 des Weitwinkel-Wandlers 10' bereitgestellt. Der zweite Schalldiffusor 36 ist an der Erregeroberfläche 36, die der Sendeoberfläche 17 gegenüberliegend ist, bereitgestellt. Im Unterschied zu der Ausführungsform von 1 weist der Weitwinkel-Wandler 10' nur einen einzigen Plattenwandler 20' auf, der sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Schallwellen verwendet wird.
In einem Sendemodus wird der Plattenwandler 20' mit einem elektrischen Signal gespeist und wandelt das elektrische Signal in ein Schallsignal um, das an die Erregeroberfläche 15 und an den zweiten Diffusor 36 übertragen wird. Von dort wird das Signal in das Medium 21 und an den ersten Diffusor 16' übertragen. Ein Teil des Signals wird an der Sendeoberfläche 17 ausgesendet und ein weiterer Teil wird zurück in das Medium 21 reflektiert.
Das reflektierte Schallsignal wird zwischen dem ersten Diffusor 16' und dem zweiten Diffusor 36 hin und her reflektiert, bis es zerstreut ist. Jedes Mal, wenn der erste Diffusor 16 ein Schallsignal empfängt, sendet er einen Teil davon an der Sendeoberfläche 17 aus. Die Sendeoberfläche 17 ist entweder in direktem Kontakt mit einem Fluid oder ist mit diesem gekoppelt und sendet die Schallwelle in das Medium aus. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung kann ein Fluid eine Flüssigkeit wie Öl, Wasser, Mischungen davon oder auch ein Gas wie Erdölgas, Erdgas oder eine Mischung davon sein. Allgemein gesprochen wird ein undichter Hohlraum geformt, der von einem oder mehreren Wandlerelementen getrieben wird, wie beispielsweise piezoelektrische Keramiken, die an der flachen Rückseite eines der beiden Diffusoren 16, 36 befestigt sind.
In einem Empfangsmodus empfängt der Plattenwandler 20' ein Schallsignal, das von der Sendeoberfläche 17 an den Diffusor 16 und in das Medium 21 übertragen wird. Zudem empfängt der Plattenwandler 20' Signalbestandteile, die zwischen dem Diffusor 16, den Wänden des Gehäuses 11 und dem zweiten Diffusor 36 hin und her reflektiert wurden.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Weitwinkel-Wandlers 10'', in welcher drei Plattenwandler 13, 14, 20' in einer Reihe entlang einer Diagonalen der Erregeroberfläche 15 bereitgestellt sind. Einer der Wandler 20', der als ein Sender verwendet wird, ist zentral auf der Erregeroberfläche 15 bereitgestellt. Die zwei anderen Wandler 13, 14 sind auf beiden Seiten des Wandlers 20' bereitgestellt.
5 zeigt eine Querschnitts-Ansicht eines Weitwinkel-Wandlers 10, der dahingehend ähnlich zu dem Wandler 10 von 1 ist, dass das zentral angeordnete Wandlerelement 20 als ein Nadelwandler 20 bereitgestellt ist. In 5 sind der Nadelwandler 20, der Diffusor 16 und das Gehäuse 11 im Querschnitt gezeigt.
In ähnlicher Weise zu den Ausführungsformen von 3 und 4 und im Unterschied zu der Ausführungsform von 1 sind zwei Säulen-Typ-Diffusoren 16, 36 an gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums bereitgestellt. In ähnlicher Weise zu der Ausführungsform von 1 und 4 und im Unterschied zu den Ausführungsformen von 3 gibt es drei Wandlerelemente 13, 14, 20, die entlang einer Diagonalen der Erregeroberfläche 15 angeordnet sind. Das erste Wandlerelement ist in der Ansicht von 5 nicht gezeigt. Im Prinzip könnten die Wandlerelemente 13, 14, 20' in anderen Mustern angeordnet sein, aber das Muster von 4 ermöglicht es, eine große Oberfläche von kreisförmigen Wandlerelementen und eine effektive Kopplung zu der Erregeroberfläche 15 zu erreichen.
6 zeigt eine schematische Konfiguration eines experimentellen Aufbaus, der zum Ermitteln der Druckverteilung eines Weitwinkel-Wandlers 30 gemäß den 7 bis 11 verwendet wird. Der Weitwinkel-Wandler 30 bezieht sich jeweils auf einen der Weitwinkel-Wandler 31, 32, 33, 34, die in den Inset-Bildern der 7, 8, 9, 10 bzw. 11 gezeigt sind. Der Schalldiffusor 30 ist in einer aufrechten Position in Wasser 37 eingetaucht.
Das Wasser 37 ist zwischen den Begrenzungen eines Behälters oder eines Rohres, die durch die Begrenzungslinien 28 und 29 angedeutet sind, enthalten. Für die Zwecke dieser Messung ist das Wasser ruhend und fließt nicht relativ zu den Begrenzungslinien 28, 29.
Eine piezoelektrische Keramik 20' ist an dem Weitwinkel-Wandler 30 befestigt, wobei sich an der Rückseite Luft 38 befindet, um eine effektive Kopplung des Signals in das Wasser 37 zu besitzen. Ein Nadelhydrophon 39, das an der Begrenzung 29 in aufrechter Position und dem Weitwinkel-Wandler 37 gegenüberliegend angeordnet ist, wird zum Messen des Schalldrucks verwendet. Die Koordinaten werden an der Wasseroberfläche gewählt, wobei der Ursprung in der Mitte der piezoelektrischen Keramik angeordnet ist. Die X- und Y-Achsen sind lateral zu der Oberfläche des Wandlers und die Z-Achse steigt mit Normalabstand von dem Wandler 30 an. Für die Zwecke der Druckdiagramme der 7 bis 11 wird lediglich die X-Koordinate, die parallel zu der Begrenzung 29 ist, verwendet.
Das Nadelhydrophon 39 wird schrittweise entlang der X-Koordinate bewegt, um das Schallsignal von dem Weitwinkel-Wandler 30 aufzunehmen. In 6 ist das Nadelhydrophon 39 in einer der Mitte des Weitwinkel-Wandlers 30 gegenüberliegenden Position gezeigt. Wie weiter unten erläutert, beträgt ein Abstand zwischen dem Hydrophon und der Vorderseite einer Platte, die als eine Sendeoberfläche dient, 150 mm.
Die Schalldiffusoren sind innerhalb eines Kunststoffgehäuses befestigt, das es ermöglicht, einen oder zweier dieser einzusetzen. Beispielsweise ist dies in den 3, 4 und 5 gezeigt. Das Gehäuse ist wiederum mit einer Edelstahlstange verbunden und an der freien Oberfläche eines mit Wasser gefüllten Beckens, das aus transparentem Acryl hergestellt ist, fixiert, siehe 6.
In einer technischen Anwendung wird die Begrenzung 28 gewöhnlich durch eine Wand, wie beispielsweise eine Kanalwand, bereitgestellt. In einer Offener-Kanal-Konfiguration wird der Wandler an einer freien Oberfläche bereitgestellt. Für den Zweck der Messung lediglich einer Richtung des Schallsignals und für eine einfache Anordnung des Weitwinkel-Wandlers ist es ausreichend, in einer Offener-Kanal-Konfiguration zu messen.
Durch das Anordnen des Wandlers an der Wasseroberfläche wird das Piezoelement 20' an der Rückseite von Luft umgeben, wodurch die in das Wasser übertragene Druckamplitude erhöht wird. Das Signal wird mit einem Arbiträr-Funktionsgenerator erzeugt, gespeist an einen 55dB RF-Verstärker (350 MHz Bandbreite, ENI) und direkt mit dem piezoelektrischen Element 20' verbunden.
Für Messungen der räumlichen Druckverteilung wird ein einziger Durchlauf bei 1 MHz mit einer Spitzenspannung von 80 V an das Piezoelement 20' angelegt. Die Schallsignale werden mit einem kleinen Hydrophon 39 mit einem kreisförmigen Polyvinylidenfluorid-(PVDF)Sensor gemessen. Während der Sender/Empfänger an einem festen Ort ist, wird die Position des Hydrophons 39 mit einem programmierbaren Linearversteller verschoben. Während des Abtastens des Schallfelds wird das Hydrophon in Schritten von 0,5 mm verstellt, wobei y = 0, x zwischen –100 mm und 100 mm variiert wird und z = 150 mm.
Die Messung ist automatisiert. Nach der Positionierung des Hydrophons 39 wird das elektrische Signal von einem Steuerrechner erzeugt, an den Arbiträr-Funktionsgenerator hochgeladen, ausgelöst und anschließend mit einem 14-Bit Abtastoszilloskop erfasst. Die Signale werden dann an den Rechner übermittelt und gespeichert.
Um den Einfluss der Dekoration der Platte auf die räumliche Streuung zu erforschen, wurde die räumliche Druckverteilung von zwei unterschiedlichen Terrain-Strukturen untersucht. Eine flache Platte von 6 mm Dicke diente als Vergleich.
Die 7, 8 und 9 zeigen die räumlichen Verteilungen des in einem Abstand von 150 mm von der Vorderseite der Platte gemessenen maximalen positiven Drucks für drei unterschiedliche Konfigurationen: eine flache Platte in 7, einen Diffusor mit einer Terrain-Struktur mit 1 mm Pfeilergröße in 8 und einen Diffusor mit einer Terrain-Struktur mit 2 mm Pfeilergröße in 9.
7 zeigt eine Referenz-Druckverteilung, die durch einen Weitwinkel-Wandler, der lediglich einen Hohlraum und keinen Diffusor besitzt, erzeugt wurde. Wie in 7 ersichtlich ist, stellt die flache Platte einen symmetrischen und engen Strahl mit einer einzigen ausgeprägten Spitze mit einer Halbwertsbreite (full width at half maximum, FWHM) von 26 mm bereit.
8 zeigt eine Druckverteilung, die durch einen Weitwinkel-Wandler mit einem einzigen Säulen-Typ-Diffusor mit einer kleineren Säulen-Grundfläche von 1 mm auf 1 mm erzeugt wurde. In der Anordnung von 8 gibt es im Vergleich zu 7 einen großen Unterschied in der räumlichen Druckverteilung bei Verwendung der Terrain-Struktur mit 1 mm Pfeilergröße. Mehrere Nebenkeulen sind deutlich erkennbar. Die FWHM der Hauptspitze von 25 mm hat sich jedoch nicht signifikant geändert.
9 zeigt eine Druckverteilung, die durch einen Weitwinkel-Wandler mit einem einzigen Säulen-Typ-Diffusor mit einer größeren Säulen-Grundfläche von 2 mm auf 2 mm erzeugt wurde. Die Druckverteilung von 9, die mit einem Diffusor erhalten wurde, der ein Terrain mit 2 mm Pfeilergröße besitzt, ist deutlich unterschiedlich. Insbesondere ist die Verteilung in dem Mittenbereich unterschiedlich, sie scheint aus drei Spitzen von ungefähr gleicher Amplitude, die sich um 80 mm bei FWHM erstrecken, zu bestehen. Diese Messung deutet darauf hin, dass der Terrain-Diffusor mit der größeren Pfeilergröße innerhalb des undichten Hohlraums eine bessere Leistung zeigen wird.
Für die Druckmessungen der 10, 11 und 12 wurde ein Hallhohlraum errichtet. Dadurch kann der Schalldiffusor auch als ein Empfänger verwendet werden.
Um ein kompaktes Design zu erhalten sind zwei parallele Diffusorplatten in dem Hohlraum mit ihren einander zugewandten Terrain-Oberflächen eingebettet. Ein aus ABS gemachter Kunststoffhalter fixiert und richtet die Platten derart aus, dass eine Lücke zwischen den höchsten Pfeilern verbleibt. Diese Lücke ist mit Wasser gefüllt. Jedoch kann der Hohlraum in anderen Ausführungsformen mit jeglichem anderen akustisch transparentem Material gefüllt sein, wie beispielsweise einem Gel, etc.
Es wird darauf geachtet, dass keine Gasblasen eingeschlossen werden, was zu ungünstigen Effekten führen könnte, wie beispielsweise Kavitation. Daher werden die Diffusoren vor dem Einbau in Wasser unter geringem Druck innerhalb einer Vakuumkammer gehalten und das Wasser wird entgast. Die Diffusoren werden in den Hohlraum eingebaut, während sie untergetaucht bleiben. Die endgültige Struktur des Wandlers, nämlich der Pfeiler-Hohlraum, besitzt Abmessungen von 4 cm × 4 cm × 2,5 cm. Zu Referenzzwecken wird das Leistungsverhalten mit einem durch zwei undekorierte Platten von jeweils 6 mm Dicke gebildeten Hohlraum, der auch als „flacher Hohlraum“ bezeichnet wird, durchgeführt.
Während der Druckmessungen führt die große Diskrepanz in der Schallimpedanz zwischen Stahl und Wasser zu einem hohen Q-Wert des Hohlraums, was erforderlich ist für die gewünschten langen Nachhallzeiten. Mit anderen Worten führt ein hoher Dichteunterschied zu einer hohen Reflexionsrate.
In 10 und 11 wird die Druckverteilung der jeweiligen Hohlräume gemessen, um eine weite räumliche Emission zu bestätigen. Wie zuvor in den Messungen der 7, 8 und 9 wird ein 1 MHz Signal in einem einzigen Durchlauf verwendet, aber der Abtastbereich ist auf –125 mm ≤ x ≤ 125 mm und z = 150 mm des Hydrophons erhöht. Die gemessene Verteilung des von den Hohlräumen ausgesendeten maximalen Drucks ist in 10 und 11 dargestellt.
10 zeigt eine Referenz-Druckverteilung, die durch einen Weitwinkel-Wandler erzeugt wurde, der einen Hohlraum besitzt, der durch zwei flache oder undekorierte Platten 40, 41 begrenzt ist. Die FWHM des flachen Hohlraums von 10 beträgt ungefähr 33 mm.
11 zeigt eine Druckverteilung, die durch einen Weitwinkel-Wandler erzeugt wurde, der ähnlich zu dem in 3 gezeigten ist und der Diffusorplatten 16', 36 besitzt, die einander zugewandt sind. Verglichen mit der FWHM der Druckverteilung von 10 zeigt der Terrain-Hohlraum von 11 eine fast fünffach erhöhte FWHM von 145 mm. Daher ist die FWHM-Erstreckung viel größer als die Breite der Diffusor-Grundfläche, die 3,8 cm = 38 mm beträgt. Insgesamt erhöht der Hohlraum-Wandler mit den Terrain-Oberflächen die räumliche Ausbreitung deutlich, während eine kompakte Form beibehalten wird.
Ein Öffnungswinkel α des Trapezes, das zwischen der Druck-FWHM als erste Grundlinie und der Plattenoberfläche als zweite Grundlinie gebildet wird, kann definiert sein durch α = sin^–1( 145mm – 38mm / 2· 1 / 150mm) ≈ 20.9°
Im Allgemeinen wird die Zeitauflösung durch die Dämpfungszeit des Hohlraums begrenzt sein.
12 zeigt eine Anordnung von zwei Klemmwandlern 10. Die Anordnung von 12 und die Anordnungen der folgenden 13, 14, 15, 17 können mit den Weitwinkel-Wandlern 10, 10', 10'', 10''' der 1 bis 11 verwendet werden.
Eine Flussrichtung ist durch einen horizontalen Pfeil dargestellt und Laufwege von Schallsignalen sind durch zwei diagonale Pfeile dargestellt.
13 zeigt eine weitere Anordnung von Klemmwandlern 110 zur Verwendung mit den Ausführungsformen der 1 bis 11 in einer V-Konfigurationsmessung. Die Weitwinkel-Wandler 10–10''' können in einen Klemmwandler 110 in unterschiedlichen Arten integriert sein. Beispielsweise können die Weitwinkel-Wandler 10–10''' derart angeordnet sein, dass eine Erregeroberfläche 15 mit einer äußeren Oberfläche des Klemmwandlers 110 zusammenfällt und die gegenüberliegende Sendeoberfläche 17 benachbart zu einem keilförmigen Teil des Klemmwandlers 110 ist.
14 zeigt die Anordnung von 13 in einer W-Konfigurationsmessung, in welcher ein dominantes Schallsignal zweimal an den Grenzen eines Kanals reflektiert wird, bevor es einen zweiten Wandler erreicht.
15 zeigt eine weitere Anordnung von Klemmwandlern zur Verwendung mit den Ausführungsformen der 1 bis 11. In dem Beispiel von 15 sind die Weitwinkel-Wandler 10 in die Klemmwandler eingepasst, die an einem Kanal mittels Kabeln befestigt sind. In der Anordnung von 15 ist ein Set von vier Wandlern, ein Zwischenset von zwei Wandlern und ein weiteres Set von vier Wandlern. Sichtlinien zwischen den Weitwinkel-Wandlern 10 sind durch unterbrochene Linien dargestellt.
16 zeigt ein empfangenes Signal in der Anordnung von 12. Das Signal 15 zeigt die Fokussiereigenschaften eines Weitwinkel-Wandlers in der Zeitdomäne. Eine Fokussierung in der Zeitdomäne kann durch Anwenden eines Zeitinvertierten Signals an dem sendenden Weitwinkel-Wandler 10 erreicht werden.
Ein Messsignal gemäß der vorliegenden Beschreibung kann durch einen angepassten Filter modelliert werden. Falls ein Impuls mit scharf ausgebildetem Maximum als Sonden- oder Testsignal verwendet wird, ist das empfangene Signal an dem Wandler die Impulsantwort des Kanals. Die Weitwinkel-Wandler der vorliegenden Beschreibung können mit oder ohne Zeit-invertierte Signale verwendet werden. Wenn ein Zeit-invertiertes Signal verwendet wird, wird eine invertierte Version eines empfangenen Signals durch den gleichen Kanal wie ein Messsignal zurückgesandt, entweder in der umgekehrten Richtung einer Strömung in einem Kanal oder in der gleichen Richtung wie die Strömung.
Dies führt zu einem Signal mit einer Spitze an dem Ursprung, an dem die ursprüngliche Quelle war, bzw. zu einem Signal mit einer Spitze an dem ursprünglichen Empfänger. Das Signal ist bezüglich Raum und Zeit geformt. Die Zeit-Fokussierungseigenschaft ist in 16 dargestellt, während die räumliche Formgebung in 8, 9 und 11 dargestellt ist.
Ein Ultraschall-Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung kann eine Fokussierungseigenschaft durch Verwendung des oben genannten invertierten Signals oder eines ähnlich geformten Signals bereitstellen, damit ein Ultraschall-Durchflussmesser ein Antwortsignal, das sowohl in Raum als auch Zeit konzentriert ist, formt. Dies wiederum führt zu einer höheren Amplitude an einem empfangenden piezoelektrischen Element und einem besseren Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
Mit einem Ultraschall-Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung können Fokussierungs- und Strahlformungs-Eigenschaften unter sehr allgemeinen Bedingungen erhalten werden. Beispielsweise wird eine Fokussierungseigenschaft erhalten, selbst wenn lediglich ein Ultraschallsender erregt wird und selbst wenn das invertierte Signal auf ein Signal reduziert ist, das lediglich grob in dem Amplitudenbereich digitalisiert ist, falls die Zeitauflösung des invertierten Signals ausreichend ist. Weiterhin kann ein Durchflussmesser gemäß der vorliegenden Beschreibung mit Klemmwandlern, die einfach auf einem Rohr anzuordnen sind und keine Änderungen des Rohres erfordern, verwendet werden.
17 zeigt eine Anordnung von Nasswandlern 111 zur Verwendung mit den Ausführungsformen der 1 bis 11. Die Nasswandler 111, die sich in den Kanal erstrecken, weisen Weitwinkel-Wandler 10 auf. In dem Beispiel von 17 gibt es insgesamt fünf Schichten aus vier Wandlern. Diagonale Sichtlinien innerhalb der gleichen Schicht wurden mit unterbrochenen Linien dargestellt. Diese Anordnung ist besonders dienlich zum separaten Messen der Strömungsgeschwindigkeit in den unterschiedlichen Schichten.
Die Anordnung kann am besten in Kombination mit Weitwinkel-Wandlern gemäß der vorliegenden Beschreibung und Strahlformverfahren verwendet werden. Die Strahlformverfahren sind durch elektronische Komponenten wie beispielsweise eine Signalerzeugungseinheit und eine Signalauswerteeinheit, die auch als Signalverarbeitungseinheit bekannt ist, implementiert. Insbesondere kann das Strahlformen die Anwendung eines Zeitinvertierten Signals an einen Weitwinkel-Wandler beinhalten.
Weiterhin offenbart die vorliegende Beschreibung ein Verfahren zum Herstellen eines Weitwinkel-Wandlers gemäß der folgenden Punkteliste. Die Merkmale der Punkteliste können auch mit anderen Merkmalen der vorliegenden Beschreibung kombiniert werden.

1. Verfahren zum Herstellen eines Wandlers, aufweisend Bereitstellen eines Gehäuses, wobei das Gehäuse einen Hohlraum definiert, Herstellen eines Säulen-Typ-Schalldiffusors durch ein 3-D-Druckverfahren, Bereitstellen des Säulen-Typ-Schalldiffusors auf einer Sendeoberfläche des Gehäuses derart, dass die Säulen des Säulen-Typ-Schalldiffusors in Richtung des Hohlraums zeigen, Bereitstellen zumindest eines Wandlerelements an einer Erregeroberfläche des Gehäuses, wobei die Erregeroberfläche der Sendeoberfläche gegenüberliegend angeordnet ist.
2. Verfahren gemäß Punkt 1, aufweisend Herstellen eines zweiten Säulen-Typ-Schalldiffusors durch ein 3-D-Druckverfahren, Bereitstellen des zweiten Säulen-Typ-Schalldiffusors an der Erregeroberfläche des Gehäuses derart, dass die Säulen des Säulen-Typ-Schalldiffusors in Richtung des Hohlraums zeigen.

Obwohl die vorhergehende Beschreibung viele Details beinhaltet sollte dies nicht als eine Beschränkung des Geltungsbereichs der Ausführungsformen ausgelegt werden, sondern lediglich als Bereitstellen von Erläuterungen der vorhersehbaren Ausführungsformen. Speziell sollten die oben genannten Vorteile der Ausführungsformen nicht als eine Beschränkung des Geltungsbereichs der Ausführungsformen ausgelegt werden, sondern lediglich zum Erläutern möglicher Ergebnisse, falls die beschriebenen Ausführungsformen umgesetzt werden. Daher sollte der Geltungsbereich der Ausführungsformen durch die Ansprüche und ihre Äquivalente bestimmt werden statt durch die gegebenen Beispiele.
Bezugszeichenliste

10: Weitwinkel-Wandler
11: Gehäuse
12: Hohlraum
13: Wandlerelement
14: Wandlerelement
15: Erregeroberfläche
16, 16': Schalldiffusor
17: Sendeoberfläche
18: erste laterale Oberfläche
19: zweite laterale Oberfläche
20: Wandlerelement
20': Nadelwandler
21: Übertragungsmedium
25: Säulen
26: Grundfläche
28: Begrenzungslinie
29: Begrenzungslinie
30: Weitwinkel-Wandler
31: Referenzwandler
32: Weitwinkel-Wandler, geringe Säulengröße
33: Weitwinkel-Wandler, große Säulengröße
34: Referenzwandler
35: Weitwinkel-Wandler, doppelseitig
36: Schalldiffusor
37: Wasser
38: Luft
39: Nadelhydrophon
40: flache Platte
41: flache Platte
110: Klemmwandler
111: Nasswandler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4156863 [0002]

Claims

Ein Wandler zum Senden und Empfangen von Schallwellen, wobei der Wandler ein Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse einen Hohlraum bildet, das Gehäuse aufweisend – eine Erregeroberfläche und eine Sendeoberfläche, die der Erregeroberfläche gegenüberliegend angeordnet ist, – ein Wandlerelement, wobei das Wandlerelement an der Erregeroberfläche bereitgestellt ist, – einen Schalldiffusor, wobei der Schalldiffusor an der Sendeoberfläche des Gehäuses bereitgestellt ist, wobei eine Streustruktur des Schalldiffusors in Richtung des Hohlraums zeigt.
Der Wandler gemäß Anspruch 1, wobei der Wandler einen zweiten Schalldiffusor aufweist, wobei der zweite Schalldiffusor an der Erregeroberfläche bereitgestellt ist, wobei eine Streustruktur des zweiten Schalldiffusors in Richtung des Hohlraums zeigt.
Der Wandler gemäß Anspruch 2, wobei die Streustruktur des zweiten Schalldiffusors in Richtung der Streustruktur des ersten Schalldiffusors zeigt.
Der Wandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Streustruktur des Schalldiffusors oder die Streustrukturen der Schalldiffusoren eine Säulen-Typ-Streustruktur aufweist bzw. aufweisen.
Der Wandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Streustruktur des Schalldiffusors oder die Streustrukturen der Schalldiffusoren eine kammerartige Streustruktur aufweist bzw. aufweisen.
Der Wandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schalldiffusor oder die Schalldiffusoren aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist bzw. hergestellt sind.
Der Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schalldiffusor oder die Schalldiffusoren aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist bzw. hergestellt sind.
Der Wandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schalldiffusor oder die Schalldiffusoren durch ein 3-D-Druckverfahren hergestellt ist bzw. hergestellt sind.
Der Wandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum ein rechteckiger Hohlraum ist.
Der Wandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wandler einen Nadelwandler aufweist, wobei sich der Nadelwandler durch den Hohlraum und bis auf die Sendeoberfläche erstreckt.
Der Wandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wandler einen Plattenwandler aufweist, der an der Sendeoberfläche bereitgestellt ist.
Der Wandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wandler ein erstes Wandlerelement, ein zweites Wandlerelement und ein drittes Wandlerelement aufweist, wobei das zweite Wandlerelement und das dritte Wandlerelement an der Erregeroberfläche bereitgestellt sind und das erste Wandlerelement in Kontakt mit der Sendeoberfläche ist.
Der Wandler gemäß Anspruch 12, wobei das erste Wandlerelement ein Plattenwandler ist, wobei der Plattenwandler an der Sendeoberfläche bereitgestellt ist.
Der Wandler gemäß Anspruch 12, wobei das erste Wandlerelement in einer zentralen Position der Sendeoberfläche angeordnet ist.
Der Wandler gemäß Anspruch 12 oder Anspruch 14, wobei das erste Wandlerelement ein Nadelwandler ist, wobei sich der Nadelwandler durch den Hohlraum und bis auf die Sendeoberfläche erstreckt.
Der Wandler gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das zweite Wandlerelement und das dritte Wandlerelement symmetrisch zu dem ersten Wandlerelement angeordnet sind.
Der Wandler gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das erste Wandlerelement, das zweite Wandlerelement und das dritte Wandlerelement entlang einer Diagonalen der Erregeroberfläche angeordnet sind.
Der Wandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wandlerelement oder die Wandlerelemente ein piezoelektrisches Element aufweist bzw. aufweisen.
Eine Wandleranordnung, wobei die Wandleranordnung einen ersten Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 und einen zweiten Wandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, eine Signalerzeugungseinheit und eine Signalverarbeitungseinheit aufweist, wobei die Signalerzeugungseinheit mit dem ersten Wandler und mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden ist und die Signalverarbeitungseinheit mit dem zweiten Wandler verbunden ist, wobei der erste Wandler, der zweite Wandler, die Signalerzeugungseinheit und die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet sind zum – Anlegen eines vorbestimmten ersten Signals an den ersten Wandler, – Empfangen eines Antwortsignals des vorbestimmten ersten Signals an dem zweiten Wandler, – Herleiten eines Messsignals aus dem Antwortsignal, wobei das Herleiten des Messsignals ein Auswählen eines Signalbereichs des Antwortsignals oder eines daraus hergeleiteten Signals und eine Zeitumkehr des Signalbereichs beinhaltet, – Speichern des Messsignals für eine spätere Verwendung, – Anlegen des Messsignals an den ersten Wandler, – Empfangen eines Antwortsignals auf das Messsignal an dem zweiten Wandler, – Herleiten einer Strömungsgeschwindigkeit aus dem empfangenen Antwortsignal auf das Messsignal.
Die Wandleranordnung gemäß Anspruch 19, wobei die Signalerzeugungseinheit zudem mit dem zweiten Wandler verbunden ist und die Signalverarbeitungseinheit zudem mit dem zweiten Wandler verbunden ist, und wobei der erste Wandler, der zweite Wandler, die Signalerzeugungseinheit und die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet sind zum – Anlegen des Messsignals an den zweiten Wandler, – Empfangen eines zweiten Antwortsignals auf das Messsignal an dem ersten Wandler, – Herleiten einer Strömungsgeschwindigkeit aus dem empfangenen Antwortsignal auf das Messsignal an dem zweiten Wandler und aus dem empfangenen zweiten Antwortsignal auf das Messsignal an dem ersten Wandler.