DE3013482C2

DE3013482C2 - Ultraschallkopf

Info

Publication number: DE3013482C2
Application number: DE19803013482
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. 4100 Duisburg Bregman; Beate Dr. König
Original assignee: Koenig Beate Dr 8000 Muenchen
Current assignee: KOENIG, BEATE, DR., 8000 MUENCHEN, DE
Priority date: 1980-04-08
Filing date: 1980-04-08
Publication date: 1985-12-12
Also published as: DE3013482A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallkopf gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für die Durchflußmessung von Flüssigkeiten sind Ultraschallköpfe bekannt, die zylindrisch oder als sogenannte Winkelköpfe ausgebildet sind. Bei den zylindrischen Normalköpfen findet die Schallabstrahlung in axialer Richtung statt Hingegen ist der Schwinger bei den Winkelköpfen auf einem keilförmigen Körper aus Kunststoff oder Metall angebracht, und die Richtung der Schallabstrahlung ergibt sich aus der Anordnung des Schwingers und aus den Materialdaten bzw. dem Brechungsgesetz. Wenn keine Verbundschwingeranordnung gewählt wird, sind die Resonanzfrequenzen je nach Fertigungstoleranzen der Schwinger von Ultraschallkopf zu Ultraschallkopf verschieden. Dies ist nachteilig für die Verarbeitung der Meßwerte und die Elektronik. Nachteilig wirken sich auch Änderungen der Schallgeschwindigkeit und Temperaturschwankungen des Meßmediums aus. Zur Kompensation sind zusätzliche Messungen, Kalibrierungen etc. erforderlich.

In der DE-AS 10 26 998 ist ein Ultraschallkopf der eingangs genannten Art beschrieben. Die akustisch durchlässige Schicht dient als Korrosionsschutz und soll zur Vermeidung akustischer Verluste impedanzmäßig angepaßt sein, d. h. die akustische Impedanz des Materials dieser Schicht soll zwischen der Impedanz der vor dem piezokeramischen Schwinger angeordneten Metallplatte und der des Meßmediums liegen. Eine hohe akustische Impedanz wird nur zugelassen, wenn die akustisch durchlässige Schicht extrem dünn ist oder ein ganzes Vielfaches der halben Wellenlänge ist, jedoch weniger als die Länge eines Wellenpakets beträgt.

In der US-PS 39 25 692 ist ein Ultraschallkopf beschrieben, bei dem vor dem Schwinger eine akustisch durchlässige Schicht angeordnet ist deren Außenfläche zur Abstrahlfläche des Schwingers geneigt ist und die ä aus einem Material mit einem niedrigen Temperaturkoefffcienten der Schallgeschwindigkeit besteht Bei dem bekannten Ultraschallkopf soll die mechanische Güte Q des Schwingersystems, bestehend aus dem piezoelektrischen Schwinger und der akustisch durchlässigen

ίο Schicht, herabgesetzt werden, insbesondere der Empfang störender elektrischer Signale vermieden werden. Zu diesem Zweck ist die Außenfläche der akustisch durchlässigen Schicht sich verjüngend oder konisch ausgebildet Die Neigung ist dabei so gering, daß die Hauptabstrahlrichtung immer noch senkrecht zur Fläche des Ultraschallschwingers erfolgt und lediglich die störenden reflektierten Signale diesen nicht mehr erreichen. Die akustisch durchlässige Schicht dient des weiteren zur Verhinderung von Korrosion.

Aus der US-PS 4Ί 95 517 ist ein Ultraschallschwinger bekannt, bei dem vor dem Gehäuse eine akustisch durchlässige Schicht angeordnet ist, deren Außenfläche zur Abstrahlfläche des Schwingers geneigt ist und die als Zwischenschicht für die Übertragung der akustisehen Signale ins Meßfluid dient Zur Ausschaltung störender Temperatureffekte wird eine zusätzliche dritte Messung vorgeschlagen, bei der die Laufzei* der Signale in der Zwischenschicht gemessen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von diesem Stand der Technik einen Ultraschallkopf zu schaffen, bei dem der Einfluß von Temperaturänderungen im Meßmedium herabgesetzt ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Ultraschallkopf mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.

Durch die Ausbildung der akustisch durchlässigen Schicht als Vorlaufstrecke ist ein Teil des Nahfeldes des Verbundschwingers im Ultraschallkopf enthalten. Dies ist für Messungen nahe dem Ultraschallkopf sehr günstig.

Durch die Neigung der äußeren Endfläche der Vorlaufstrecke zur Abstrahlfläche des Verbundschwingers wird erreicht, daß der Einfluß der Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Meßmedium insbesondere bei Durchflußmessungen nach dem Dopplerprinzip eliminiert wird. Der Ultraschallkopf ist dabei nahezu frequenzunabhängig. Ein weiterer Vorteil der

so Neigung der äußeren Endfläche der Vorlaufstrecke besteht darin, daß bei der Durchflußmessung nach dem Dopplerverfahren das Meßvolumen außerhalb der Achse des Ultraschallkopfs liegen kann. Dies ist bei großen Nennweiten oder stärker dämpfenden Meßmedien vorteilhaft

Es kann auch mit einem Senderkopf und mehreren Empfängerköpfen gearbeitet werden. Beispielsweise kann das Meßvolumen an verschiedenen Stellen des Senderschallstrahls gewählt werden oder es können gleichzeitig um 90° versetzte Empfängerköpfc verwendet werden, um den Einfluß von Drallströmungen zu reduzieren.

Infolge des niedrigen Temperaturkoeffizicnlen der Schallgeschwindigkeit in der akustisch durchlässigen Schicht sind die Meßergebnisse nahezu unabhängig von Temperaturänderungen im zu untersuchenden Meßmedium, insbesondere bei Ultraschalldurchflußmessungen nach dem Doppler-Verfahren. Wenn die akustisch

durchlässige Schicht ζ. B. Remanit (1.4571) ist so ergibt sich, bezogen auf eine Messung bei 20⁰Q aufgrund des niedrigen Temperaturkoeffizienten von Remanit (-O,18%o/°C) ein Fehler von nur etwa 2,4% bei 150⁰C bei Durchflußmessungen nach dem Doppler-Verfahren, so daß eine Nachkalibrierung nicht mehr erforderlich ist Diese Temperaturunabhängigkeit wirkt sich auch vorteilhaft bei Werkstoffprüfungen aus, wenn Werkstoffe bei verschiedenen Temperaturen untersucht werden sollen, da nicht mehr verschiedene Ultraschallköpfe für verschiedene Temperaturen verwendet werden müssen.

Zweckmäßig besteht die akustisch durchlässige Schicht aus Edelstahl. Dieser Werkstoff ist sehr temperaturfest und korrosionsbeständig, so daß der Ultra- schallkopf direkt ins Meßmedium eingetaucht werden kann.

Die Platte, die mit dem Schwinger einen Verbundschwinger bildet besteht bevorzugt aus Metall. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute akustische Kopp- lung zwischen dem piezokeramischen Schwinger und der Platte, die präzise und kostengünstig herstellbar ist

Bevorzugt ist eine Ultraschallkopfanordnung zur Durchflußmessung vorgesehen. Die Anordnung ist für Messungen nach dem Dopplerprinzip und nach dem Laufzeitverfahren geeignet

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert

Der Ultraschallkopf besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 1, in dem ein Verbundschwinger angeord- net ist der aus der Verbindung eines piezokeramiEshen Schwingers 2 mit einem /ί/2-Plättchen 3 besteht An dem Schwinger 2 ist ein Kabel 6 angeschlossen.

Das /ί/2-Plättchen besteht aus Metall, welches die Resonanzfrequenz des Kopfes überwiegend bestimmt Auf der Rückseite des Verbundschwingers ist ein aus SiIikongummi oder dergleichen 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 /ϊ/2-Plättchen ist eine Vorlaufstrecke 7 angeordnet, deren Material derart ausgewählt ist daß der Temperaturkoeffizient der Schallgeschwindigkeit äußerst niedrig, nahezu Null ist. Zweckmäßig wird ein hierfür geeignetes Metall, beispielsweise Edelstahl oder dergleichen verwendet

Die Zeichnung läßt erkennen, daß die Endfläche 8 der Vorlaufstrecke schräg zur Hauptrichtung des Verbundschwingers liegt.

Ein solcher Ultraschallkopf kann in ein Meßrohr ein· gesetzt werden, so daß die Endfläche 8 auch schräg zur Durchflußrichtung des Meßmediums, beispielsweise Wasser, liegt. Dabei ist der Ultraschallkopf so in das Leitungsrohr eingesetzt daß die Endfläche 8 unmittelbar mit dem Meßmedium in Berührung kommt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallkopf, mit einem Gehäuse, mit einem in diesem Gehäuse angeordneten piezokeramischen Schwinger, der zusammen mit einer PJatte, deren Dicke gleich einem ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge ist, als Verbundschwinger ausgebildet ist, mit einem auf der Rückseite des Schwingers im Gehäuse angeordneten Dämpfungskörper und mit einer vor dem Verbundschwinger angeordneten akustisch durchlässigen Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die akustisch durchlässige Schicht (7) als Vorlaufstrecke ausgebildet ist, daß ihre äußere Endfläche (8) zur Abstrahlfläche des Verbundschwingers (2,3) geneigt ist und daß sie aus einem Material mit einem niedrigen TemperaturkoeffizienteR der Schallgeschwindigkeit besteht

2. Ultraschallkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (3) aus Metall besteht

3. Uhraschallkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die akustisch durchlässige Schicht (8) aus Edelstahl besteht

4. Anordnung eines Ultraschallkopfes nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Durchflußmessung, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Endfläche (8) der akustisch durchlässigen Schicht (7) in direktem Kontakt mit dem Meßfluid steht

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Endfläche (8) der akustisch durchlässigen Schicht (7) schräg zur Durchflußrichtung des Meßfluids liegt