DE3120541A1 - Improving a flow meter which uses ultrasound - Google Patents
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Abstract
Description
Verbesserung eines Durchfluß-Strömungsmessers mit Ultra-Improvement of a flow meter with ultra-
schall (Zusatz zum Patent . ... (P 30 20 282.5) Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung bzw. spezielle weitere Ausgestaltung eines Durchfluß-Strömungsmessers, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist und der Gegenstand des Hauptpatentes ist.schall (addition to the patent. ... (P 30 20 282.5) The present invention relates to an improvement or special further configuration of a flow meter, as indicated in the preamble of claim 1 and the subject matter of Main patent is.
Der Durchfluß-Strömungsmesser nach dem Hauptpatent -wie er im übrigen nachfolgend noch ins einzelne gehend beschrieben ist- hat eine periodische Struktur, die auf einer Interdigitalstruktur eine Elektrode und/ oder auf räumlich periodisch wechselnder permanenter Polarisation des Wandlerkörpers beruht. Ein solcher Ultraschallwandler sendet in einem Durchfluß-Strömungsmesser nach dem Hauptpatent seine zur Durchflußmessung verwendete Ultraschallstrahlung in einem Winkel « zur Oberfläche des Wandlerkörpers aus. Damit läßt sich der Wandlerkörper eines solchen Ultraschallwandlers nach dem Hauptpatent in der Fläche der Rohrwand derart einbauen, daß der Wandlerkörper keinen zusätzlichen Strömungswiderstand für die in der Rohrleitung strömende Flüssigkeit bildet. Dies gilt gleichermaßen für Sendewandler und Empfangswandler nach dem Hauptpatent. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen Durchfluß-Strömungsmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, d.h. nach dem Hauptpatent, eine solche weitere Ausgestaltung anzugeben, die einen höheren Wirkungsgrad für den Betrieb des Wandlers bzw. Vereinfachungen für die zur elektrischen Anregung des Ultra- schallwandlers notwendige Elektronikschaltung mit sich bringt.The flow-flow meter according to the main patent -as he otherwise is described in detail below - has a periodic structure, an electrode on an interdigital structure and / or spatially periodic changing permanent polarization of the transducer body is based. Such an ultrasonic transducer sends in a flow meter according to the main patent his for flow measurement used ultrasonic radiation at an angle "to the surface of the transducer body the end. This allows the transducer body of such an ultrasonic transducer after Install the main patent in the area of the pipe wall in such a way that the transducer body does not have a additional flow resistance for the liquid flowing in the pipeline forms. This applies equally to the transmitting transducer and receiving transducer according to the main patent. It is an object of the present invention for a flow meter according to the preamble of claim 1, i.e. according to the main patent, such specify further refinement that provides a higher degree of efficiency for operation of the converter or simplifications for the electrical excitation of the ultra- sound converter necessary electronic circuit brings with it.
Diese Aufgabe wird für einen Durchfluß-Strömungsmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens dieses Patentanspruches 1 gelöst.This task is for a flow meter according to the preamble of claim 1 according to the invention with the features of the characterizing part of this Claim 1 solved.
Die dem Hauptpatent zugrundeliegende Erfindung geht von der Überlegung aus, die bei der Verwendung von bekannten Strömungsmessern auftretenden Probleme der Bildung von Strömungshindernissen und/oder von Ablagerungsräumen und/oder Minderungen der Meßempfindlichkeit dem Prinzip nach dadurch zu lösen, daß man die notwendigerweise schräg, vorzugsweise in einem Winkel W " 450 zur Achse der Rohrleitung auszusendende und zu empfangende Ultraschall-Strahlung direkt von der Oberfläche der Rohrinnenwand bzw. einer mit dieser Fläche wenigstens im wesentlichen gleichen Fläche aussendet und empfängt.The invention on which the main patent is based is based on the consideration from the problems encountered when using known flow meters the formation of flow obstacles and / or deposits and / or reductions to solve the measuring sensitivity according to the principle by the fact that one necessarily to be sent obliquely, preferably at an angle W ″ 450 to the axis of the pipeline and ultrasonic radiation to be received directly from the surface of the pipe inner wall or emits an area that is at least essentially the same as this area and receives.
Die diesem Prinzip des Hauptpatents zugehörige grundsätzliche Lösung besteht darin, in die Rohrwandung je einen solchen Ultraschall-Wandler einzubauen, dessen Sende- bzw. Empfangsfläche die Fläche der Rohrinnenwandung wenigstens im wesentlichen fortsetzt, vorzugsweise sogar wie die Rohrinnenwandung gekrümmt ist, und dennoch eine Aussendung bzw. eine Empfangsrichtung fuffir die Ultraschall-Strahlung aufweist, die den Winkel 0 der vorgesehenen Durchstrahlungsrichtung des Rohrinnenraumes hat. Bei diesem erfindungsgemäßen Wandler treten keine Brechungseffekte auf. Statt einer Krummung des ganzen Wandlerkörpers genügt auch eine Krümmung allein der Innenfläche. Zusätzliche Möglichkeit der störungsfreien Fortsetzung der Rohrinnenwand besteht in dem Aufsetzen eines Anpassungsstückes aus Kunststoffmaterial auf dem Wandler, das zum Wandler hin plan und zum Rohrinnern hin zylindrisch konkav (wie die Rohrinnenwand) gekrümmt ist.The basic solution associated with this principle of the main patent consists of installing such an ultrasonic transducer in the pipe wall, whose transmitting or receiving surface the surface of the pipe inner wall at least in essentially continues, preferably even as the inner wall of the pipe is curved, and yet a transmission or a reception direction for the ultrasonic radiation which has the angle 0 of the intended direction of irradiation of the pipe interior Has. With this transducer according to the invention, no refraction effects occur. Instead of For a curvature of the entire transducer body, a curvature of the inner surface alone is sufficient. There is an additional possibility of the trouble-free continuation of the inner wall of the pipe in the placement of an adapter made of plastic material on the transducer, that is flat towards the transducer and cylindrically concave towards the inside of the pipe (like the inside wall of the pipe) is curved.
Im Gegensatz zu den dem Stand der Technik entsprechenden, oben erwähnten Ubertragungskörpern für in Normalenrichtung strahlende Wandler spielen hierbei refraktäre Einflüsse und deren Änderung bei Medien mit unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit praktisch keine Rolle. Für die Komponenten der Schallstrahlung, die in zur Rohrachse parallelen Ebenen liegen, wirkt das erfindungsgemäße Anpassungsstück wie eine planparallele Platte.In contrast to the prior art mentioned above Transmission bodies for transducers radiating in the normal direction play refractory here Influences and their change in media with different speeds of sound practically no role. For the components of the sound radiation that go in to the pipe axis lie parallel planes, the adapter according to the invention acts like a plane-parallel one Plate.
Für Komponenten, die in zur Rohrachse senkrechten Ebenen liegen, sind die Brechungswinkel sehr klein da der Krümmungsradius des Rohres gegenüber den Wandlerabmessungen groß ist.For components that are in planes perpendicular to the pipe axis are the angle of refraction is very small because the radius of curvature of the pipe compared to the dimensions of the transducer is great.
Die nach dem Hauptpatent verwendeten einzelnen Wandler haben eine periodische Struktur die gemäß der Gleichung d = d . cosot mit > = Wellenlänge im Medium des Rohrinnenraumes und d = Abstand zwischen zwei benachbarten Fingern jeweils eines Kammes der periodischen Interdigitalstruktur, wobei in diesen Abstand jeweils noch ein Finger des gegenüberliegenden Kammes eingreiftzu einer mit dem Winkel95 zur Oberfläche des Wandlers schräg gerichteten Abstrahlung von der Oberfläche des Wandlerkörpers führt. Diese periodische Struktur kann eine über die (zur Rohrachse parallele) Länge des Wandlerkörpers alternierende Polarität im Material des Wandlerkörpers sein, wobei die zur Dicke des Wandlerkörpers parallele Polarisation desselben mit dieser Periode alternierend antiparallel gerichtet ist. Eine andere Ausführungsform des Prinzips sieht a,uf der dem Rohrinnenraum abgewandten Oberfläche des Wandlerkörpers eine Interdigitalstruktur als Elektrodenanordnung vor, wobei diese Elektroden-Interdigitalstruktur aus zwei ineinandergreifenden Kammstrukturen mit jeweils Fingern und Sammelschiene besteht. Solche Interdigitalstrukturen sind im übrigen von piezokeramischen Laufzeitanordnungen her zu anderem Zwecke bekannt.The individual transducers used according to the main patent have one periodic structure according to the equation d = d. cosot with> = wavelength in the medium of the pipe interior and d = distance between two adjacent fingers each of a crest of the periodic interdigital structure, in this distance one finger of the opposite comb engages with the Winkel95 to the surface of the transducer obliquely directed radiation from the surface of the transducer body leads. This periodic structure can be one over the (to the pipe axis parallel) length of the transducer body, alternating polarity in the material of the transducer body be, with the polarization parallel to the thickness of the transducer body this period is directed alternately antiparallel. Another embodiment of the principle can be seen on the surface of the transducer body facing away from the interior of the pipe an interdigital structure as an electrode arrangement, this electrode interdigital structure of two interlocking comb structures, each with fingers and a busbar consists. Such interdigital structures are otherwise from piezoceramic Run-time arrangements known for other purposes.
Eine besonders fortschrittliche Lösung gemäß dem Prinzip des Hauptpatents stellt ein Wandler dar, der sowohl periodisch alternierende Polarisation als auch entsprechend periodisch ausgebildete Interdigitalstruktur auf der dem Rohrinnenraum abgewandten Oberfläche des Wandlerkörpers hat. Diese zweifach alternierend ausgebildete Ausführungsform hat bei Anregung mit zwei 900 gegeneinander phasenverschobenen Wechselspannungen eine Sende- und Empfangsrichtung im Winkel zur Oberfläche, jedoch nur noch in einer einzigen Richtung. Die Periodizität d gemäß obiger Gleichung gilt dort für den Abstand jeweils solcher nächstbenachbarter Finger, zu denen auch sich wiederholende Polarisation gehört.A particularly advanced solution based on the principle of the main patent represents a transducer that has both periodically alternating polarization and corresponding interdigital structure formed periodically on the inside of the pipe has facing away from the surface of the transducer body. This trained twice in alternation Embodiment has when excited with two 900 phase-shifted alternating voltages one sending and receiving direction at an angle to the surface, but only in one direction single direction. The periodicity d according to the above equation applies there to the distance in each case such nearest neighboring finger, to which also repetitive polarization heard.
Eine weitere, besonders fortschrittliche Lösung nach dem Hauptpatent hat einen Wandler mit einer doppelten Interdigitalstruktur auf der einen Seite der Wandlerkörpers und einheitliche Polarisation des Wandlerkörpers. Die Anregung erfolgt mit vier jeweils 900 phasenversetzten Wechselspannungen, von denen je eine zwischen einer der vier Kammstrukturen der doppelten Interdigitalstruktur und der gemeinsamen Gegenelektrode der Rückseite angelegt ist. rauch dieser Wandler strahlt ebenfalls nur noch in einer Richtung im Winkel o( ab.Another, particularly advanced solution based on the main patent has a transducer with a double interdigital structure on one side of the Transducer body and uniform polarization of the transducer body. The excitation takes place with four 900 phase-shifted AC voltages, one of which is between one of the four comb structures of the double interdigital structure and the common one Counter electrode is applied to the back. smoke this converter also emits only in one direction at an angle o (ab.
Gibt man dem Wandlerkörper eine Dicke t, die gleich der halben Wellenlänge der akustischen Welle im Material des Wandlerkörpers ist, die dort durch elektrische Anregung mit der Wechselspannung der Frequenz f erzeugt wird, so wird eine Dickenresonanzschwingung des Wandlerkörpers erzeugt.The transducer body is given a thickness t which is equal to half the wavelength the acoustic wave in the material of the transducer body is carried there by electrical Excitation with the alternating voltage of the frequency f is generated, it becomes a thickness resonance oscillation generated by the transducer body.
Zu dem Frequenzwert f dieser Resonanzschwingung ist zu bemerken, daß dieser Wert bei einem Wandlerkörper mit IrtrdigLtäistnctr der Polarisation und/oder der Elektroden für eine gegebene Dicke t des Wandlerkörpers niedriger ist als die Dickenresonanzfrequenz eines üblichen plattenförmigen Wandlerkörpers gleicher Dicke t ohne Interdigitalstruutur. Beziehungsweise ist bei einem solchen Wandlerkörper mit Interdigitalstruktur bei vorgegebener Frequenz f der Wert der Dicke t, bei der dieser Körper in Dickenresonanz schwingt, größer als derjenige für Resonanz einer üblichen Platte ohne eine solcheStruktur.Regarding the frequency value f of this resonance oscillation, it should be noted that this value in the case of a transducer body with an earth element of polarization and / or of the electrodes for a given thickness t of the transducer body is lower than that Thickness resonance frequency of a conventional plate-shaped transducer body of the same thickness t without interdigital structure. Or is with such a transducer body with interdigital structure at a given frequency f is the value of the thickness t at which this body vibrates in thickness resonance, larger than that for resonance one usual plate without such a structure.
Der Grund hierfür ist, daß im Betrieb dieser Wandlerkörper mit Interdigitalstruktur als ein aus in Richtung parallel zu den Fingerelektroden bzw. parallel zu den Streifen der Polarisation dieses Wandlerkörpers benachbarten Streifen bzw. benachbarten Teilvolumina zusammengesetzt gedacht werden kann.die der alternierenden elek-Anregung trischen oder der räumlich alternierenden permanenten Polarisation des Wandlerkörpers entsprechend ausgedehnt sind. Jeweils benachbarte Teilvolumina des Wandlerkörpers mit Interdigitalstruktur schwingen phasenentgegengesetzt, d.h. ein sich in Dickenrichtung augenblicklich kontrahierendes Teilvolumen befindet sich zwischen zwei angrenzenden Teilvolumina, die in diesem Augenblick gerade eine Dilatation, und zwar im wesentlichen in Richtung auf das sich gerade kontrahierende benachbarte Teilvolumen ausdehnen. Die Dilatation findet also hier einen wesentlich geringeren materialinternen, dieser Ausdehnung entgegengerichteten Widerstand der jeweiligen Nachbarteilvolumina vor, was einer Verringerung der an sich materialgegebenen Steifigkeit entspricht. Bei einem Wandlerkörper mit Interdigitalstruktur nach dem Hauptpatent kann sich somit die Poisson'sche Querkontraktion weitgehend auswirken.The reason for this is that, during operation, this transducer body with an interdigital structure as an off in the direction parallel to the finger electrodes or parallel to the strips the polarization of this transducer body adjacent strips or adjacent partial volumes can be thought of as composed of alternating electrical excitation or according to the spatially alternating permanent polarization of the transducer body are extended. Adjacent partial volumes of the transducer body with interdigital structure oscillate in opposite phases, i.e. instantaneously in the direction of the thickness contracting partial volume is located between two adjacent partial volumes, which at this moment is just a dilation, and essentially in the direction of expand to the neighboring partial volume that is just contracting. The dilation So there is a much smaller material-internal expansion here opposing resistance of the respective neighboring part volumes, what a Corresponds to a reduction in the inherent rigidity of the material. With a transducer body With an interdigital structure according to the main patent, Poisson's transverse contraction can thus occur largely affect.
Die vorliegende Weiterbildung der Erfindung nach dem Hauptpatent sieht auch vor, im Wandlerkörper alternativ eine Resonanzschwingung eines solchen Schwingungsmode zu erzeugen, bei dem die die mechanische Resonanzfrequenz bestimmende Größe gleich dem Wert d/2 ist. Dieser Wert d/2 entspricht der Breite eines einzelnen Streifens mit in sich gleichgerichteter permanenter Polarisation bzw. mit in sich jeweils gleichphasiger elektrischer Anregung. Ein solcher Streifen der Breite d/2 kann hier weitgehend als einzelner Resonanzkörper betrachtet werden.The present development of the invention according to the main patent provides also before, alternatively, a resonance oscillation of such an oscillation mode in the transducer body in which the variable determining the mechanical resonance frequency is the same is the value d / 2. This value d / 2 corresponds to the width of a single stripe with permanent polarization in the same direction or with in each case in-phase electrical excitation. Such a strip of width d / 2 can be used here can largely be viewed as a single resonance body.
Die vorliegende Weiterbildung der Erfindung nach dem Hauptpatent sieht somit die alternative Verwendung zweier verschiedener Resonanzschwingungsmoden - bezogen auf die Dicke t oder bezogen auf die Abmessung d/2 des Wandlerkörpers - vor. Die Ausnutzung einer dieser Resonanzen des Wandlerkörpers ist insoweit vorteilhaft, als in Resonanz mit schon geringerer elektrischer Anregung vergleichsweise große Amplituden der im Winkel > abgestrahlten Ultraschall-Strahlung erzeugt wird.The present development of the invention according to the main patent provides thus the alternative use of two different resonance oscillation modes - based on the thickness t or based on the dimension d / 2 of the transducer body - before. The utilization of one of these resonances of the transducer body is advantageous to the extent that comparatively large than in resonance with even less electrical excitation Amplitudes of the ultrasonic radiation emitted at an angle> is generated.
Die für Resonanz vorzusehende Dicke t einer piezokeramischen Platte läßt sich mathematisch als Funktion der Frequenz f angeben. Viel einfacher ist es jedoch, für den praktischen Anwendungsfall den Wert der Dicke t oder der Periode d für vorgegebene Frequenz f durch einfachen Versuch zu ermitteln. Ein an einem Einzelstück ermittelter Wert gilt dann für die ganze Projektionsserie.The thickness t of a piezoceramic plate to be provided for resonance can be given mathematically as a function of the frequency f. It is much easier however, for practical use the value of the thickness t or the period d for a given frequency f can be determined by a simple experiment. One at one The value determined individually then applies to the entire projection series.
Sollte im Einzelfall die Dicke t oder die Abmessung d vorgegeben sein, so ist entsprechend de.r'Frequenzwert f bis zum Auftreten der einen oder der anderen Resonanz zu variieren, für die sich dann ein entsprechender Winkel X ergibt ( der dann auch für die Anordnung des zweiten (Empfangs- )Wandlers gilt.Should the thickness t or the dimension d be specified in individual cases, accordingly de.r'Frequency value is f until one or the other occurs To vary the resonance, for which a corresponding angle X results (the then also applies to the arrangement of the second (receiving) transducer.
Mit einer Resonanz ist zwangsläufig auch eine Phasendrehung um 180° verbunden. Dies ist nachteilig, wenn sich die Anregungsfrequenz und die material- und konstruktionsbedingte Resonanzfrequenz gegenseitig einander verschieben bzw. zwangsläufig verschoben werden müssen. Zum Beispiel wird eine Verschiebung der Frequenz f der elektrischen Anregungsspannung dann notwendig, wenn - um konstanten Winkel d einzuhalten - das in der Rohrleitung zu messende strömende Medium ausgewechselt wird, z.B. Benzin gegen Öl und/oder eine Temperaturänderung des strömenden Mediums eintritt. Dies ist aber für die Resonanzschwingung nach der vorliegenden Erfindung unproblematisch, wenn der Durchflußmesser für ein bestimmtes Medium, z.B. allein für Wasser, bestimmt ist, wobei vorteilhafterweise die Tatsache begünstigen ins Gewicht fällt, daß die Schallgeschwindigkeit in Wasser relativ wenig temperaturabhängig ist.With a resonance there is inevitably also a phase rotation by 180 ° tied together. This is disadvantageous if the excitation frequency and the material and design-related resonance frequency mutually shift or inevitably have to be postponed. For example, there will be a shift in frequency f the electrical excitation voltage is necessary when - at a constant angle d must be observed - the flowing medium to be measured in the pipeline changed e.g. gasoline versus oil and / or a change in temperature of the flowing medium entry. But this is for the resonance oscillation according to the present invention no problem if the flow meter is used for a specific medium, e.g. alone is intended for water, advantageously favoring the fact ins It is important to note that the speed of sound in water is relatively little temperature dependent is.
Ein solcher wie nach der vorliegenden Erfindung weiter ausgestalteter Strömungsmesser kann also nicht nur vorteilhaft allein für kaltes oder warmes Wasser verwendet werden, sondern er ist auch mit ausreichender Meßgenauigkeit für die Strömungsmessung von wechselnd warmem und kaltem Wasser verwendbar.Such as further developed according to the present invention So flow meters can not only be beneficial for cold or warm water alone can be used, but it is also with sufficient measurement accuracy for flow measurement usable with alternating warm and cold water.
Weitere Erläuterungen des Wandlers nach dem Hauptpatent und der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zu den Figuren hervor.Further explanations of the converter according to the main patent and the invention emerge from the following description of the figures.
Figo 1 und la zeigen eine erste Ausführungsform eines der Erfindung gemäßen Wandlers für einen Durchfluß-Strömungsmesser, wobei dieser Wandler eine Interdigitalstruktur hat.Figo 1 and la show a first embodiment of one of the invention according to the converter for a flow meter, this converter being a Has interdigital structure.
Fig.2 zeigt eine zweite Ausführungsform mit Periodizität der Polarisation.2 shows a second embodiment with periodicity of the polarization.
Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform mit auf beiden Seiten vorhandener Interdigitalstruktur.Fig.3 shows another embodiment with on both pages existing interdigital structure.
Fig.4 zeigt eine weitere Ausführungsform mit doppelter Interdigitalstruktur.4 shows a further embodiment with a double interdigital structure.
Fig.5 zeigt eine Ausführungsform mit sowohl Interdigitalstruktur als auch Periodizität der Polarisation.FIG. 5 shows an embodiment with both an interdigital structure also periodicity of polarization.
Fig.6 zeigt ein Anpassungsstück.Fig. 6 shows an adapter.
Fig.7 zeigt ein Diagramm der Amplitudenhöhe und der Phase.7 shows a diagram of the amplitude level and the phase.
Fig.8 weist auf den Einfluß der Querkontraktion hin.Fig. 8 indicates the influence of transverse contraction.
In Fig.1 ist mit 1 im Schnitt die Rohrleitung bezeichnet, in der das hier nicht dargestellte zu messende Medium strömt und durch dessen Innenraum hindurch Ultraschall in an sich bekannter Weise mit dem Winkel o( von einem Wandler 2 zu einem Wandler 3 und zur Differenzbildung von Wandler 3 zum Wandler 2 ausgesendet wird.In Fig. 1, 1 denotes in section the pipeline in which the The medium to be measured, not shown here, flows through its interior Ultrasound in a manner known per se with the angle o (from a transducer 2 to a transducer 3 and sent out from transducer 3 to transducer 2 to form the difference will.
Der Wandler 2 mit einem plattenförmigen Körper aus piezo- elektrischer keramik ist in die Wandung des Rohres 1 derart eingebaut, daß die Rohrinnenwandung möglichst kleine Unterbrechung ihrer Form hat. Insbesondere kann die Innenseite 4 des Körpers K des Wandlers 2 der Rohrinnenwandung entsprechende Krünmkung" haben.The transducer 2 with a plate-shaped body made of piezo electrical Ceramic is built into the wall of the tube 1 in such a way that the inner wall of the tube has the smallest possible interruption in its shape. In particular, the inside 4 of the body K of the converter 2 of the inner wall of the pipe have a corresponding curvature ".
Der Wandler 2 hat auf der Innenseite 4 eine wie für piezokeramische Bauelemente übliche Elektrodenbeschichtung 5, die dem jeweiligen strömenden Medium entsprechend ausreichend resistent ist bzw. durch einen akustisch nicht störenden Überzug geschützt ist. Diese Elektrodenbeschichtung 5 ist vorzugsweise mit dem Rohr als eine Anschlußleitung elektrisch leitend verbunden.The transducer 2 has on the inside 4 a like for piezoceramic Components customary electrode coating 5, which corresponds to the respective flowing medium is accordingly sufficiently resistant or by an acoustically non-disturbing one Cover is protected. This electrode coating 5 is preferably with the tube electrically conductively connected as a connecting line.
Auf der Außenoberfläche 6 des Wandlers 2 ist eine an sich bekannte Interdigitalstruktur bestehend aus zwei mit ihren Fingern ineinandergreifenden Kammstrukturen, wobei die Finger einer jeden Kammstruktur mit je einer Sammelschiene verbunden sind. Die in der Darstellung der Fig.1 geschnitten wiedergegebenen Finger 7 gehören zu der einen Kammstruktur und die Finger 8 gehören zu der anderen Kammstruktur.On the outer surface 6 of the transducer 2 is a known one Interdigital structure consisting of two comb structures that interlock with their fingers, wherein the fingers of each comb structure are each connected to a busbar. The fingers 7 shown in section in the illustration of FIG. 1 belong to one comb structure and the fingers 8 belong to the other comb structure.
Fig.1a zeigt zurabesseren Erläuterung das Schema einer solchen Interdigitalstruktur 9 mit den ingern 7 und 8 einer jeweiligen Kammstruktur. Mit 10 und 10' sind die jeweiligen Finger 7 oder 8 miteinander verbindende Sammelschienen bezeichnet.For a better explanation, FIG. 1a shows the scheme of such an interdigital structure 9 with the fingers 7 and 8 of a respective comb structure. With 10 and 10 'they are respective fingers 7 or 8 designated busbars connecting one another.
Mit den Pfeilen 11 ist die permanente Polarisation des piezoelektrischen Keramikmaterials des Wandlers 2 bezeichnet Diese Polarisationsrichtung kann auch den Pfeilen 11 entgegengerichtet sein, ohne daß sich etwas an der Funktionsweise dieser Ausführungsform nach Fig01 ändert. Der Wandler 3 kann genau die gleiche Ausführungsform wie der Wandler 2 haben.With the arrows 11 is the permanent polarization of the piezoelectric Ceramic material of the transducer 2 denotes This direction of polarization can also the arrows 11 be directed in the opposite direction without affecting the functionality this embodiment according to Fig01 changes. The converter 3 can be exactly the same Embodiment like the converter 2 have.
Die Abmessung d gibt die Periodizität dieser Interdigitalstruktur an. Es ist deutlich zu erkennen, daß zwischen den jeweils beiden benachbarten Fingern der einen Eammstruk-turt7, 103Jeweils ein Finger 8 der anderen Eammstruktur 08, 10'5 liegt.The dimension d gives the periodicity of this interdigital structure at. It can be clearly seen that between the two adjacent fingers of one frame structure 7, 103 One finger 8 of each of the other frame structure 08, 10'5 lies.
Wie der Ubersichtldchkeit halber nur in der Fig.1a angegeben, wird zwischen dem Anschluß der Eammstruktur der Finger 7 und der Gegenelektrode 5 der Innenseite eine Wechselspannung U1 und zwischen dem Anschluß 18 der anderen gammstruktur der Finger 8 und der Gegenelektrode 5 eine zweite Wechselspannung U2 angelegt.As for the sake of clarity, only indicated in Fig.1a between the connection of the Eammstruktur the fingers 7 and the counter electrode 5 of the Inside an alternating voltage U1 and between the terminal 18 of the other gamma structure a second alternating voltage U2 is applied to the finger 8 and the counter electrode 5.
Die beiden Wechselspannungen U1 und U2 haben die gleiche Ulz.aschall-Sendefrequenz f und -Empfangsfrequenz der Wandler 2 und 3, haben gleiche- Amplitude, sind aber gegeneinander 18"0 phasenverschoben. Diese Bedingung und die oben angegebene Winkelbeziehung mit der Periodizität d liefert eine mit dem Winkels vom Körper K mit vorgegebener Dicke wie dargestellt abgestrahlte Ultraschall-Strahlung 12 mit zu dem dargestellten Pfeil normaler (bis auf die Randbereiche) ebener Wellenfront.The two alternating voltages U1 and U2 have the same Ulz.aschall transmission frequency f and reception frequency of transducers 2 and 3 have the same amplitude, but are out of phase with respect to one another 18 "0. This condition and the angular relationship given above with the periodicity d yields one with the angle from the body K with a given Thick ultrasonic radiation 12 emitted as shown with that shown Arrow of normal (except for the edge areas) flat wavefront.
Die gleiche scharfe Richtcharakteristik gilt auch für das Empfangsverhalten der Wandler 2 und 3.The same sharp directional characteristic also applies to the reception behavior the converter 2 and 3.
Prinzipiell kann die Interdigitalstruktur 9 auch auf der Rohrinnenseite auf dem Körper des Wandlers 2 bzw. 3 angebracht werden (und die Gegenelektrode 5 auf der Außenseite). Schon aus Grunden der Dauerhaftigkeit der Wandler 2 und 3 ist jedoch die wie dargestellte Wahl der Seiten für Interdigitalstruktur und Gegenelektrode vorzuziehen.In principle, the interdigital structure 9 can also be on the inside of the pipe on the body of the transducer 2 or 3 (and the counter electrode 5 on the outside). For reasons of durability the converter 2 and 3 is however, the choice of the sides for the interdigital structure and counter electrode as shown preferable.
Lediglich der Vollständigkeit halber sei darauf hinge- wiesen, daß die in Fig.1 dargestellte Ausführungsform auch noch in der mit 12? angegebenen Richtung eine Ultraschall-Welle aussendet, die sich jedoch in dem Rohrinnern totläuft und für die erfindungsgemäße Strömungsmessung keine nutzbringende Bedeutung hat.Only for the sake of completeness is this grasslands, that the embodiment shown in Figure 1 is also in the 12? specified Direction emits an ultrasonic wave, which, however, dies in the inside of the pipe and has no useful significance for the flow measurement according to the invention.
Fig.2 zeigt in vergrößerter Darstellung nur noch den Wandler 22 in seiner speziellen Ausfüurungsform für einen erfindungsgemäßen Strömungsmesser, wie er anstelle eines Wandlers 2 und 3 in die Rohrwandung einzubauen ist Figv2 zeigt die Ausführungsform mit alternierender Po larisation im Körper K des Wandlers 22; mit 111 und 112 sind die jeweils entgegengesetzten Polarisationsrichzungen der Gesamtpolsrisation des piezokeramischen Eöro pers E des Wandlers 22 bezeichnet Eine solche periodische Struktur mit dem Periodizitätsabstand d (zur Erfüllung der obigen Gleichung für die Abstrahlung im Winkel α) wird durch vorherige Polarisation mit einer entsprechenden rasterförmigen Elektrode aus geführt.2 shows only the converter 22 in an enlarged representation its special Ausfüurungsform for a flow meter according to the invention, such as it is to be installed in the pipe wall instead of a transducer 2 and 3, Figv2 shows the embodiment with alternating polarization in the body K of the transducer 22; with 111 and 112 are the opposite polarization directions of the total polarization of the piezoceramic Eöro pers E of the transducer 22 denotes such a periodic Structure with periodicity distance d (to satisfy the above equation for the radiation at angle α) is achieved by previous polarization with a corresponding grid-shaped electrode out.
Mit 5 und 5 e sind ganzflächige Elektrodenbeschichtungen der Oberflächen 4 und 6 des Wandlerkörpers K bezeichnet, wobei bereits oben Einzelheiten zu einer solchen Elektrodenbeschichtung 5 angegeben worden sind. Zwischen diese beiden Elektroden, d.h. an die Anschlüsse 71 und 81 wird die zueine einzige Anregungs-Wechselspannung U~mit der vorgegebenen Frequenz f angelegt. Die Periodizität der Polarisation 111, 112 sorgt für die geforderte Ultra schall-Abstrahlung im Winkel α. Entsprechenden Winkel α hat die Empfangscharakteristik eines solchen Wandlers 22 nach Fig.2.With 5 and 5 e are all-over electrode coatings of the surfaces 4 and 6 of the transducer body K designated, with details of a such electrode coating 5 have been specified. Between these two electrodes, i.e., across terminals 71 and 81, it becomes a single excitation AC voltage U ~ is applied with the specified frequency f. The periodicity of polarization 111, 112 ensures the required ultrasonic radiation at angle α. Corresponding Angle α has the reception characteristics of such a transducer 22 according to FIG.
Fig.3 zeigt wieder in vergrößerter Darstellung die spezielle Ausführungsform eines für die Erfindung zu verwendenden Wandlers 32, der ebenso wie, die Wandler 2 und 3 in die Rohrleitungswandung 1 einzubauen ist.3 shows the special embodiment again in an enlarged representation one for the invention too using converter 32, which also how to install the transducers 2 and 3 in the pipe wall 1.
Mit 11 ist wiederum die Polarisation des Körpers K dieses Wandlers 32 bezeichnet. Dieser Wandler 32 hat auf seinen beiden Oberflächen seines Keramikkörpers je eine Interdigitalstruktur9 ,wie sie in Fig. ja dargestellt ist, d.h. also auch auf der Rohrinnenseite ist eine solche Interdigitalstruktur vorhanden. Mit 7 und 8 sind wieder die Finger der jeweiligen Kammstruktur mit der einen in der Schnittdarstellung sichtbaren Sammelschiene 10 bezeichnet. Mit d ist wieder die Periodizität gemäß obiger Gleichung angegeben. Wie auch in der Darstellung der Fig.3 berücksichtigt, sind die Finger 7 der Interdigitalstruktur der einen Oberfläche 4 des Wandlerkörpers mit den gleich bezeichneten Fingern 7 der Interdigitalstruktur der gegenüberliegenden Oberfläche 6 elektrisch verbunden. Es sind somit die unmittelbar gegenüberliegenden Finger 7, 8 mit dem jeweils entgegengesetzten Anschluß 71 bzw. 81 für die Anregungswechselspannung Upliteinander verbunden. Aufgrund dieses um d/2 versetzten Anschlusses der gegenüberliegenden Finger bzw. Kammstrukturen 7 und 8 der Interdigitalstrukturen genügt hier der Anschluß einer einzigen Wechselspannung der vorgesehenen Anregungsfrequenz f, um die Abstrahlung 12 (und 12') im Winkel 6i zur Oberfläche 4, 4' zu erreichen.11 is again the polarization of the body K of this transducer 32 designated. This transducer 32 has its ceramic body on both of its surfaces One interdigital structure9 each, as shown in Fig. Yes, i.e. also Such an interdigital structure is present on the inside of the pipe. With 7 and 8 are again the fingers of the respective comb structure with one in the sectional view visible busbar 10 designated. With d the periodicity is again according to given above equation. As also taken into account in the representation of Fig. 3, are the fingers 7 of the interdigital structure of one surface 4 of the transducer body with the identically designated fingers 7 of the interdigital structure of the opposite Surface 6 electrically connected. They are therefore the ones directly opposite Fingers 7, 8 with the opposite connection 71 and 81 for the alternating excitation voltage Uplit connected. Because of this connection of the opposite one, which is offset by d / 2 The connection is sufficient here for fingers or comb structures 7 and 8 of the interdigital structures a single alternating voltage of the intended excitation frequency f to reduce the radiation 12 (and 12 ') at an angle 6i to the surface 4, 4'.
Fig.4 zeigt eine Ausführungsform eines Wandlers für einen erfindungsgemäßen Strömungsmasser, bei der dieser Wandler 42 auf seiner einen Oberfläche eine wie schematisch dargestellte doppelte Interdigitalstruktur mit der Periodizität d hat. Für die Rückseite des Wandlers 42 genügt als Gegenelektrode eine ganzflächige Metallisierung (wie bei den Beispielen der Fig.1 und 3).FIG. 4 shows an embodiment of a converter for one according to the invention Flow mass, in which this converter 42 has a like on its one surface has the double interdigital structure shown schematically with the periodicity d. For the rear side of the transducer 42, a full-area metallization is sufficient as a counter electrode (as in the examples of the Fig. 1 and 3).
Wie dargestellt, besteht die doppelte Interdigitalstruuur 91 aus insgesamt vier Eammstrukturen mit je einer Sammelschiene 10, 10', 10", 10. Die beiden Sammelschienen 10 und 10" befinden sich auf der einen Randseite der doppelten Interdigftalstruut'ur Die Sammelschiene 10 hat die dargestellten Finger 7 und zur Sammelschiene 10" gehören die dargestellten Finger 7'. Die Finger 7 und 7' der beiden Eammstrukturen wechseln, wie aus der Fig.4 ersichtlich, miteinander ab. Interdigital dazu, d.h.As shown, the double interdigital structure 91 consists of a total of four embankment structures each with a busbar 10, 10 ', 10 ", 10. The two busbars 10 and 10 "are located on one edge of the double interdigit structure The busbar 10 has the illustrated fingers 7 and belong to the busbar 10 ″ the illustrated fingers 7 '. The fingers 7 and 7 'of the two embankment structures change, as can be seen from FIG. 4, from one another. Interdigital in addition, i.e.
in die Kammstrukturen mit den Fingern 7 und 7, greifen die Kammstrukturen mit den Fingern 8 und 8' ein, wobei -wie dargestellt - die Finger 8 mit der Sammelschiene 10' und die Finger 8' mit der Sammelschiene 10m verbunden sind. Die Anschlüsse der einzelnen Kammstrukturen bzw.into the comb structures with the fingers 7 and 7, the comb structures grip with the fingers 8 and 8 ', whereby - as shown - the fingers 8 with the busbar 10 'and the fingers 8' are connected to the busbar 10m. The connections of the individual comb structures or
der Sammelschienen 10 bis 10"' sind mit 43, 44, 45 und 46 beeichnet. Zwischen dem Anschluß 43 und der (nicht dargestellten) ganzflächigen Gegenelektrode der RUckseite des Wandlers 42 ist eine erste Wechselspannung U43 mit der vorgesehenen Ultraschall-Frequenz f anzulegen.the busbars 10 to 10 "'are labeled 43, 44, 45 and 46. Between the connection 43 and the (not shown) full-surface counter-electrode the rear of the converter 42 is a first alternating voltage U43 with the intended Apply ultrasonic frequency f.
Zwischen dem Anschluß 44 und der erwähnten Gegenelek trode ist eine zweite Wechselspannung U44 anzulegen, die gegenüber der Spannung U43 +900 Phasenverschiebung hat. Zwischen dem Anschluß 45 und der Gegenelektrode ist eine Wechselspannung U45 mit gegenüber U43 +180 Phasenverschiebung und zwischen dem Anschluß 46 und der Gegenelektrode ist eine Wechselspannung U46 mit gegenüber U43 +270Q Phasenverschiebung anzuschließen. Diese vier Wechselspannungen U43 bis U46rhaben gleiche Frequenz und gleiche Amplitude. Die permanente Polarisation des Körpers des Wandlers 42 ist in Dickenrichtung desselben im ganzen Körper gleich groß und gleichgerichtext, d.h einheitlich.Between the terminal 44 and the mentioned Gegenelek electrode is a Apply a second alternating voltage U44 that has a phase shift of +900 compared to the voltage U43 Has. There is an alternating voltage U45 between terminal 45 and the counter electrode with a phase shift of +180 compared to U43 and between terminal 46 and the counter electrode an AC voltage U46 with a phase shift of U43 + 270Q must be connected. These four alternating voltages U43 to U46r have the same frequency and the same amplitude. The permanent polarization of the body of the transducer 42 is in the thickness direction thereof in the whole body of the same size and of the same course text, i.e. uniform.
Der Wandler 42 nach Fig.4 hat zum Vorteil gegenüber den Wandlern nach den Fig.1 bis 3 nur eine Abstrahlrichtung 12 mit dem Winkel y gemäß der obigen Gleichung.The converter 42 according to FIG. 4 has the advantage over the converter according to FIG FIGS. 1 to 3 show only one emission direction 12 with the angle y according to the above equation.
Bei einer Ausführungsform eines Wandlers 42 nach Fig.4 entfällt die gestrichelt dargestellte, mit 12' bezeichnete weitere Abstrahlrichtung. Bei einer Ausftiiirungsform nach Fig.4 ist nicht mit Störungen durch in einer Richtung 12' abgestrahlter Ultraschall-Leistung zu rechnen, nämlich mit solchen Rückreflexionen, die von Erümmern, Verschraubungen u. s.w. der Rohrleitung herruhren könnten. Entsprechend hat dieser Wandler nach Fig.4 auch eine nur einseitige Empfangsempfindlichkeit in allein der Richtung 12. Dieser Wandler ist somit auch unempfindlich gegen Storungen durch mehrfach reflektierten Schall, der in der Rohrleitung stets aus der Richtung 12' einfallen würde.In one embodiment of a converter 42 according to FIG Further emission direction, shown in dashed lines and denoted by 12 '. At a The embodiment according to FIG. 4 is not affected by interference in one direction 12 ' radiated ultrasonic power to be expected, namely with such back reflections, those of miseries, screw connections, etc. the pipeline. Corresponding this converter according to FIG. 4 also has only one-sided reception sensitivity in only direction 12. This converter is therefore also insensitive to disturbances due to multiple reflected sound, which is always out of the direction in the pipeline 12 'would occur.
Der Wegfall der Ausstrahlungsrichtung 12' 2 führt zu einer entsprechenden Verstärkung des Strahles 12 bei gleich großer aufgewendeter elektrischer Wechselspannungs-Leistung und außerdem zu entsprechend erhöhter Empfangsempfindlichkeit.The omission of the emission direction 12'2 leads to a corresponding one Amplification of the beam 12 with the same amount of electrical AC power applied and also to a correspondingly increased reception sensitivity.
Fig.5 zeigt eine weitere Ausfühuungsform zur Erfindung, wobei der Wandler 52 in seinem piezokeramischen Körper K eine Periodizität der Polarisation und auf einer Seite, wieder vorzugsweise der Außenseite 6 des in das Rohr eingebauten Wandlers 52, außerdem auch eine Interdigitalstruktur 9 nach Fig.1a hat. Die zu dieser Interdigi talstruktur 9 gehorige alternierende Polarisation ist mit 211 und 212 angegeben. Wichtig ist, zu erkennen, daß benachbarte Finger 7 oder benachbarte Finger 8 der einen bzw. der anderen Eammstruktur im Körper E des Wandlers jeweils einander entgegengesetzte Polarisationsrichtung 211 und 212 haben, und daß erst für den jeweils zweitenFinger 7 oder jeweils zweiten Finger 8 der einen bzw. der anderen Kammstruktur jeweils wieder gleiche Polarisationsrichtung 211 oder 212 vorliegt.Fig.5 shows a further Ausfühuungsform for the invention, wherein the Converter 52 in its piezoceramic body K has a periodicity of the polarization and on one side, again preferably the outside 6 of the built into the pipe Converter 52, also has an interdigital structure 9 according to Figure 1a. The to this Interdigital structure 9 corresponding alternating polarization is with 211 and 212 specified. It is important to recognize that neighboring fingers 7 or neighboring fingers 8 of the one or the other Eammstruktur in the body E of the transducer each other have opposite polarization directions 211 and 212, and that only for each second finger 7 or the second finger 8 of the one or the other comb structure, respectively the same polarization direction 211 or 212 is present again.
Im vorliegenden Fall der Fig.5 hat die Interdigital struktur 9 angepaßt an die alternierende Struktur der angegebenen Polarisation die wie in der Fig.5 angegebene Periodizität d.In the present case of FIG. 5, the interdigital structure 9 has been adapted to the alternating structure of the specified polarization as shown in FIG specified periodicity d.
Für die praktische Ausführungsform des Wandlers 52 nach Fig.5 wie auch für den Wandler 42 nach Fig.4 bedeutet dies, daß dort für sonst gleiche Verhältnisse bezüglich des Winkels α, der Dicke des Körpers des Wandlers, der Anregungsfrequenz u.s.w. doppelt so enge Abstande zwischen den benachbarten Fingern 7 und 8 (bzw. 7, 7' und 82 nach Fig.4) der ganzen Interdigitalstruktur bzw. zwei schen den Fingern 7, 7' oder zwischen den Fingern 8, 8s der jeweiligen Kammstruktur vorliegen. Die herzustellende Interdigitalstruktur der Wandler 42 und 52 nach Fig. 4 und 5 erfordert also doppelt so hohe Auflösung der Finger 7, 7t, 8 und 8t.For the practical embodiment of the converter 52 according to FIG this also means for the converter 42 according to FIG. 4 that there for otherwise identical conditions with respect to the angle α, the thickness of the body of the transducer, the excitation frequency etc. twice as narrow gaps between the neighboring fingers 7 and 8 (resp. 7, 7 'and 82 according to FIG. 4) of the entire interdigital structure or two fingers 7, 7 'or between the fingers 8, 8s of the respective comb structure. the Interdigital structure to be produced of the transducers 42 and 52 according to FIGS. 4 and 5 requires so twice the resolution of fingers 7, 7t, 8 and 8t.
ZDm Anschlug der Interdigitalstruktur 9 des Wandlers 52 sind die Finger 7 mit einem Anschluß und die Finger 8 mit einem zweiten gemeinsamen Anschluß 54 verbunden, und es sind zur Anregung des Wandlers 52 die beiden frequenz- und amplitudengleichen Wechselspannungen U11 und U12, wie dargestellt, anzulegen, wobei jedoch U11 und U12 (im Gegensatz zu Fig.1, la) nur 900 Phasenverschiebung gegeneinander zu haben brauchen. Die 900 Phasenverschiebung hat den Vorteil, daß eine solche Phasenverschiebung elektronisch in einfacher Weise mit einem Kondensator erzeugt werden kann.The fingers are attached to the interdigital structure 9 of the transducer 52 7 with one connection and the fingers 8 with a second common connection 54 connected, and for the excitation of the transducer 52, the two have the same frequency and amplitude Apply alternating voltages U11 and U12 as shown, but with U11 and U12 (in contrast to Fig. 1, la) to have only 900 phase shifts from one another to need. The 900 phase shift has the advantage that such a phase shift can be generated electronically in a simple manner with a capacitor.
Auch der Wandler 52 nach Fig.5 hat nur eine Abstrahl richtung 12 mit dem Winkel α gemäß der obigen Gleichung, so daß hier wieder das zu Fig.4 gesagte gilt.The converter 52 according to FIG. 5 also has only one emission direction 12 the angle α according to the above equation, so here again what was said about FIG. 4 applies.
Fig.6 zeigt eine Ausschnitts-Ansicht eines wie bereits oben erwähnten Anpassungsstückes 61, wie es für den Wandler 2 (wie dargestellt) auch für alle übrigen Wandler 3, 22, 32, 42 und 52 bei ebenem Wandlerkörper mit gleichem Vorteil zu verwenden ist. Das Bezugszeichen 1 weist auf das Rohr hin.6 shows a detail view of one as already mentioned above Adaptation piece 61, as it is for the converter 2 (as shown) also for all others To use transducers 3, 22, 32, 42 and 52 with a flat transducer body with the same advantage is. The reference number 1 indicates the pipe.
Aus der obigen Bedingung d »/cos ergibt sich c α= arccos f.d mit c = Schallgeschwindigkeit und f = Frequenz der anregenden Spannung Lt Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Wandler ist, daß durch bloße Frequenzänderung der Anregungs-Wechselspannung(en) der Abstrahlwinkel, d.h. der Winkel o( der Richtung 12, elektrisch nachjustiert bzw. gesteuert werden kann. Dies ist nicht nur für ungenauen ursprünglichen Einbau, sondern auch für beispielsweise temperaturbedingte Änderung des Brechungsindes des strömenden Mediums wichtig. Es kann bei der Erfindung z.B.The above condition d »/ cos results in c α = arccos f.d with c = speed of sound and f = frequency of the exciting voltage Lt Another The advantage of the converter according to the invention is that by simply changing the frequency Excitation AC voltage (s) the radiation angle, i.e. the angle o (of the direction 12, can be readjusted or controlled electrically. This isn't just for inaccurate original installation, but also for temperature-related changes, for example the refraction of the flowing medium is important. In the invention it can e.g.
eine einfache automatische Nachstimmung auf die Optima von Aussenden und Empfangen vorgesehen werden. Im Optimum gilt die Beziehung c = d.f.cosα mit konstruktiv vorgegebenem d und α. D.h.; daß der Wert der Schallgeschwindigkeit c-f ist und aus dem Wert f ermittelt werden kann.a simple automatic retuning to the optima of sending and receiving. In the optimum the relationship c = d.f.cosα applies with constructively given d and α. I.e. that the value of the speed of sound c-f and can be determined from the value f.
Der Wert c der Schallgeschwindigkeit wird in der endgültigen (für Ultraschall-Strömungsmesser bekannten) zahlenmäßigen Auswertung benötigt und ergibt sich hier in einfacher Weise.The value c of the speed of sound is used in the final (for Ultrasonic flow meter known) numerical evaluation is required and results yourself here in a simple way.
Da Diagramm der Fig.7 enthält auf der Abszisse die Frequenz mit dem Wert f0 für die Resonanzfrequenz. Der Wert £0 der Resonanzfrequenz entspricht der erfindungsgemäß gewählten Dicke t oder der Abmessung d/2 des Wandlerkörpers. Sie ist dann gleich der durch den vorgegebenen Winkels bedingten Frequenz der anregenden, an den Wandler anliegenden Wechselspannung. Auf der in der Fig.7 linken Ordinate ist die Amplitude A in beliebigen Einheiten und auf der rechten Ordinate ist die Phase tp aufgetragen. Die frequenzabhängige Amplitude der Ultraschall-Schwingung des Wandlerkörpers E gibt die Kurve A des Diagramms wieder und die zugehörige Phase zeigt die Kurve kp.The diagram in FIG. 7 contains the frequency with the abscissa Value f0 for the resonance frequency. The value £ 0 of the resonance frequency corresponds to according to the invention selected thickness t or the dimension d / 2 of the transducer body. she is then equal to the frequency of the exciting, AC voltage applied to the converter. On the left ordinate in FIG is the amplitude A in arbitrary units and on the right ordinate is the Phase tp applied. The frequency-dependent amplitude of the ultrasonic oscillation of the transducer body E is the curve A of the diagram and the associated phase shows the curve kp.
Aus der Fig.7 ist ersichtlich, welcher Gewinn an Wirkungsgrad bezüglich der Erzeugung abzustrahlender Ultraschall-Energie erreichbar ist. Sie zeigt darüber hinaus auch, in welchen möglichen Grenzen und mit welcher Aus-Wirkung eine Verschiebung der Frequenz der anregenden elektrischen Wechselspannung im Bereich einer Resonanz des Wandlerkörpers K zu beachten ist.From Fig.7 it can be seen what gain in efficiency with respect to the generation of ultrasonic energy to be emitted can be achieved. She shows about it In addition, in what possible limits and with what off-effect a shift the frequency of the exciting electrical alternating voltage in the range of a resonance of the converter body K must be observed.
Erläuternd zur QaikoSkSktion zeigt Fig.8 - jedoch perspektivisch und nur als Ausschnitt - einen Wandlerkörper K wie in Fig.2, hier jedoch ohne die Elektroden 5 und 5'. Mit 111 ist wie in Fig.2 auf die Polarisation hingewiesen. Es ist zu erkennen, daß einander benachbart streifen- bzw. balkenförmige Teilvolumina a, b, c vorliegen, innerhalb derer einheitliche Polarisation 111 vorliegt, wohingegen z.B. das Teilvolumen b dem Teilvolumen a (und dem Teilvolumen c) entgegengesetzte Richtung der permanenten Polarisation 111 hat. Bei elektrischer Anregung durch Anlegen der Wechselspannung an die nur in Fig.2 dargestellten Elektroden 5 und 5' ergibt sich z.B. in der einen Halbwelle der anliegenden Wechselspannung für das Teilvolumen a eine Dilatation in Richtung des Doppelpfeils 81, auf die auch durch die gestrichelten Abgrenzungen hingewiesen ist. In der gleichen Halbwelle ergibt sich wegen entgegengesetzt gerichteter Polarisation 111 für das Teilvolumen b eine Dilatation in Richtung des Doppelpfeils 82, d.h. parallel zum Doppelpfeil 81 ergibt sich eine Kontraktion. Die senkrechten punktierten Linien weisen auf die Grenzen d/2 zwischen den Teilvolumina a, b und c bei Null-Durchgang der Wechselspannung und im betriebslosen Zustand hin.Explanatory to the QaikoSkSktion Fig.8 shows - but in perspective and only as a detail - a transducer body K as in Figure 2, but here without the electrodes 5 and 5 '. As in FIG. 2, the polarization is indicated by 111. It is recognizable, that strip-shaped or bar-shaped partial volumes a, b, c are present adjacent to one another, within which there is uniform polarization 111, whereas, for example, the partial volume b the partial volume a (and the partial volume c) opposite direction of the permanent Has polarization 111. With electrical excitation by applying the alternating voltage at the electrodes 5 and 5 'shown only in Fig. 2, for example, results in one Half-wave of the adjacent AC voltage for the partial volume a a dilation in the direction of the double arrow 81, which is also indicated by the dashed line Delimitations is pointed out. In the same half-wave there arises because of the opposite directed polarization 111 for the partial volume b a dilation in the direction of the Double arrow 82, i.e. parallel to double arrow 81, there is a contraction. The vertical dotted lines point to the boundaries d / 2 between the partial volumes a, b and c at zero crossing of the alternating voltage and in the inoperative state.
Aus Fig.8 ist zu erkennen, wie sich in dem schraffiert wiedergegebenen Bereich die Dilatation des Teilvolumens b sich in die kontrahierenden Teilvolumina a und c ausdehnt. In der folgenden Halbwelle der Wechselspannung sind die Verhältnisse des Teilvelumens b einerseits und der Teilvolumina a und c andererseits gegeneinander vertauscht.From Figure 8 it can be seen how it is shown in the hatched Area the dilation of the partial volume b into the contracting partial volumes a and c expands. The conditions are in the following half-wave of the alternating voltage of the partial volume b on the one hand and the partial volumes a and c on the other hand against each other reversed.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE3542704A1 (en) * | 1985-11-12 | 1986-07-03 | LGZ Landis & Gyr Zug AG, Zug | Method and device for temperature-independent measurement of a mean flow rate of a fluid |
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| US3964308A (en) * | 1973-09-04 | 1976-06-22 | Scarpa Laboratories, Inc. | Ultrasonic flowmeter |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US3964308A (en) * | 1973-09-04 | 1976-06-22 | Scarpa Laboratories, Inc. | Ultrasonic flowmeter |
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| JP-Abstract 54-157662 * |
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