DE3013482A1

DE3013482A1 - Ultraschallkopf mit elektroakustischem wandler fuer ultraschall-durchflussmessungen nach dem doppler-prinzip

Info

Publication number: DE3013482A1
Application number: DE19803013482
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. 4100 Duisburg Bregman; Beate Dr. König
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: KOENIG, BEATE, DR., 8000 MUENCHEN, DE
Priority date: 1980-04-08
Filing date: 1980-04-08
Publication date: 1981-10-22
Also published as: DE3013482C2

Description

Ultraschallkopf mit elektroakustischem Wandler für
U1 traschall-Durchflußmes sunen nach dem Dopplerprinzip Die Erfindung betrifft einen Ultrascliallkopf mit elektroakustischem Wandler für Ultraschall-Durchflußmessungen nach dem Dopplerprimzip, bei dem in einem Gehäuse vor einem Dämpfungskörper ein aus einem #/2 -Filterplättchen und einem piezokeramischen Schwinger bestehender Verbundschwinger angeordnet und eine Vorlaufstrecke vorgesehen ist.
Zum Messen der ein Leitungsrohr o. dgl. durchströmenden Flüssigkeitsmenge ist die Verwendung von Ultraschallköpfen bekannt, welche als sogenannte zylindrische Normalköpfe oder als Winkelköpfe ausgebildet sind, wobei sie auch gleichzeitig zum Senden und Empfangen dienen können. Bei den zylindrischen Normalköpfen findet eine Schallabstrahlung in axialer Richtung statt. Auf der Heckseite eines piezoelektrischen Ultraschallschwingers ist ein Dampfungskörper angeordnet, der hineinlaufende Schallwellen absorbiert bzw. bei Pulsanregung die Schwingung dämpft. Je nach Anwendungsfall kann vor dem Schwinger eine Schutzschicht angebracht sein, deren Dicke ein ganzes Vielfaches einer halben Wellenlänge A /2 beträgt (vgl. DE-PS 1 026 998). Diese Schutzschicht kann aus Metall, Kunststoff, Saphir o. dgl. bestehen. Bei den sogenannten Winkelköpfen ist der Schwinger auf einem keilförmigen Körper aus Kunststoff oder Metall angebracht, wobei sich die Richtung des Schall strahl es aus der Anordnung des Schwingers und den Materialdaten entsprechend dem Brechungsgesetz ergibt. Winkelköpfe dieser Art werden bei Durchflußmessungen außen am Meßrohr angebracht. Beide Ausführungen können auch als kombinierte Sender-Empfänger-Köpfe ausgebildet sein, wobei diese zwei Schwinger aufweisen, von denen der eine als Sender und der andere als Empfänger dient. Hierbei ist vor den Schwingern eine Vorlaufstrecke angeordnet.
Sofern die vorgenannten Ultraschallköpfe kein ß /2 -flättchen aufweisen, sind die Kopfresonanz-Frequenzen äe nach den Fertigungstoleranzen des Schwingers mehr oder weniger stark verschieden. Bei Durchflußmessungen nach dem Dopplerprinzip, bei dem das Empfangs signal mit der Eopfresonanz-Kurve gefaltet wird, bedeutet dies eine Abhängigkeit des Meßwertes von den jeweiligen Schwingerdaten. Ein Eopfaustausch würde ein Nachstellen der Senderelektronik erforderlich machen, wenn bei maximaler Empfindlichkeit gearbeitet werden soll. Dies gilt auch für Ultraschallköpfe mit einer Vorlaufstrecke, bei denen kein Ä /2 -flättchen vorhanden ist. Um die Durchflußmessung von der Schallgeschwindigkeit und damit auch von den Schallgeschwindigkeits- bzw. Temperaturschwankungen des Meßmediums unabhängig zu machen, ist beim Dopplerprinzip ein spezieller mechanischer Aufbau erforderlich. Hierfür wird in der Regel einWinkelkopf verwendet, wobei der Temperaturgradient der Schallgeschwindigkeit im Keil die Temperaturabhängung des Meßsystems aufgrund des Brechungsgesetzes bestimmt. Dieser Einfluß ist relativ groß, da in der Durchflußmeßtechnik mit Vorlaufstrecken aus Kunststoffen oder Gießharzen gearbeitet wird, wobei deren Temperaturgradient der Schallgeschwindigkeit etwa 10 5/°C beträgt.
Für genaue Ergebnisse ist daher eine Eichung bei der Arbeitstemperatur erforderlich.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallkopf der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß der Einfluß der Demperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Meßmedium entfällt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorlaufstrecke aus einem Material mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten der Schallgeschwindigkeit besteht und eine gegenüber der Hauptrichtung vom Verbundschwinger abgestrahlten Schallkeule geneigt liegende Endfläche besitzt.
Durch die vorgesehene Auswahl eines bestimmten Materials für die Vorlaufstrecke in Verbindung mit der geneigt liegenden Endfläche wird der wesentliche Vorteil erreicht, daß der Einfluß der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im MeBmedium -bei Durchflußmessungen nach dem Dopplerprinzip eliminiert wird. Der Ultraschallkopf ist dabei frequenzunabhängig. Innerhalb des ßrbeitstemperaturbereichs ist die Resonanz-Frequenz des Kopfes praktisch konstant. Von strömungsbedingten Anderimgen abgesehen, ist bei der Durchflußmessung nach dem Dopplerprinzipaufgrund des kleinen Temperaturkoeffizienten der Schallgeschwindigkeit in der Vorlaufstrecke z. B. - 0,180 /oo/°C bei 1,4571 mit einem Fehler von nur etwa 2,4 °% bei 150 OC, bezogen auf eine Messung bei 20 0C zu rechnen. Eine Nacheichung ist daher nicht mehr erforderlich. Dieser Ultraschallkopf steht mit dem zu messenden Medium in unmittelbarer Berührung, wenn eine Durchflußmessung nach dem Dopplerprinzip vorgesehen ist. Ebenso ist er aber auch für eine Durchflußmessung nach dem sogenannten Laufzeitverfshven zu verwenden.
Die Endfläche der Vorlaufstrecke ist so geneigt, daß sie einerseits zur Längsachse des Ultraschallkopfes und andererseits schräg zur Strömungsrichtung des Meßmedium liegt.
Bei der Durchflußmessung nach dem Dopplerprinzip kann hierdurch das Meßvolumen außerhalb der Achse des Ultraschallkopfes liegen. Das ist bei großen Nennweiten oder stärker dämpfenden Meßstoffen besonders vorteilhaft.
Es ist auch möglich, mit einem Senderkopf und mehreren Empfängerköpfen zu arbeiten. Beispielsweise kann das Meßvolumen an verschiedenen Stellen des Senderschallatrahles gewählt oder es können gleichzeitig um 90° versetzte Empfängerköpfe verwendet werden, um den Einfluß von Drallströmungen zu reduzieren.
Der Gegenstand der Erfindung ist als Ausfübrungsbeispiel in der Zeichnung schematisch dargestellt.
Der Ultraschallkopf besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 1, in dem ein Verbundschwinger angeordnet ist, der aus der Verbindung eines piezokeramischen Schwingers 2 mit einen /2-Filterplättchen besteht. An dem Schwinger 2 ist ein Kabel 6 angeschlossen. Das A /2-Plättchen besteht aus Metall, welches die Resonanz-Frequenz des Kopfes überwiegend bestimmt. Auf der Rückseite des Verbundschwingers ist ein aus Silikongummi o. dgl. gebildeter Dämpfungskörper 4 angeordnet, der durch ein nicht elastisches Gießharz 5 fixiert ist, welches gleichzeitig für einen wasserdichten Abschluß des Ultraschallkopfes Sorge trägt. Vor dem /2-lättchen ist erfindungsgeiäß eine Vorlauf strecke 7 angeordnet, dessen Material derart ausgewählt ist, daß dessen Temperaturkoeffizient der Schallgeschwindigkeit äußerst niedrig, nahezu Null ist. Hilfsweise kann hierfür ein geeignetes Metall, beispielsweise Edelstahl o. dgl.
Verwendung finden.
Die Zeichnung läßt erkennen, daß die Endfläche 8 der Vor- laufstrecke schräg zur Hauptrichtung des Verbundschwingers liegt.
Wird ein solcher Ultraschallkopf in ein Meßrohr eingesetzt, liegt die Endfläche 8 auch schräg zur Durchflußrichtung des Meßmediums, beispielsweise Wasser. Dabei ist der Ultraschallkopf so in das Leitungsrohr eingesetzt, daß die Endfläche 8 unmittelbar mit dem Meßmedium in Beruhrung kommt.

Claims

Patentanspruch Ultraschallkopf mit elektroakustischem Wandler für Ultraschall-Durchflußmessungen nach dem Dopplerprinzip, bei dem in einem Gehäuse vor einem Dämpfungskörper ein aus einem A /2 - Filterplättchen und einem piezokeramischen Schwinger bestehender Verbundkörper angeordnet und eine Vorlaufstrecke vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufstrecke (7) aus einem Material mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten der Schallgeschwindigkeit besteht und eine gegenüberder Hauptrichtung vom Verbundschwinger (2,3) abgestrahlten Schallkeule geneigt liegende Endfläche besitzt.