DE3136797A1 - Wandlervorrichtung fuer einen ultraschallstroemungsmesser - Google Patents

Wandlervorrichtung fuer einen ultraschallstroemungsmesser

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DE3136797A1
DE3136797A1 DE19813136797 DE3136797A DE3136797A1 DE 3136797 A1 DE3136797 A1 DE 3136797A1 DE 19813136797 DE19813136797 DE 19813136797 DE 3136797 A DE3136797 A DE 3136797A DE 3136797 A1 DE3136797 A1 DE 3136797A1
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DE19813136797
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James G. 19002 Ambler Pa. Connery
Louis D. 18915 Colmar Pa. DiNapoli
Dominick D. 19119 Philadelphia Pa. Diascro
Anthony J. 19438 Harleysville Pa. Matour
Giancarlo 18914 Chalfont Pa. Punis
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Leeds and Northrup Co
Original Assignee
Leeds and Northrup Co
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    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/241—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by using reflection of acoustical waves, i.e. Doppler-effect
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Description

SCHIFF v.FÜNER STREHL' SCHÜBEL-HOPF * EBBINGH AUS FINCK
MARIAHILFPLATZ 2 & 3. MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 Ο1ΘΟ, D-8OOO MÖNCHEN 95
auso professional representatives bkfore-the european pathntofficei
• karl luowiq schiff (1βθ4-1978)
dipl. cmem. dr. alexander v. füner
dipl. inq. peter strehl
dipl. chem. dr. ursula schübel-hopf
dipl. ino. dieter ebbinqhaus
dr. ino. dieter finck
telefon (os9) 49 2ob4 telex b-q3sb5 auro d
auromarcpat München
DEA/G-20686 Wandlervorrichtung für einen Ultraschallströmungsmesser
• Die Erfindung betrifft eine Wandlervorrichtung für einen Ultraschallströmungsmesser und insbesondere eine spritzgeformte Wandlergehäuseanordnung sowie einen Wandlerkopf dafür.
Es sind bereits Ultraschallwandlerköpfe bekannt, die auf der Außenseite eines Rohres befestigt werden, um den Fluidmengenstrom zu bestimmen, wobei die Wandler vollständig in Epoxyharz eingebettet sind und die Oberfläche des Wandlerkopfes eine flache Oberfläche aufweist (US-PS 4 208 908), Beim Anbringen des Wandlerkopfes an der Außenwand des Rohres ergibt sich ein Linienkontakt zwischen dem Kopf und dem Rohr. Der Raum zwischen der Außenwand des Rohres und der flachen bzw. ebenen Oberfläche des Wandlerkopfes ist im allgemeinen mit einem akustischen Koppelungsmedium oder einem geeigneten Klebstoff ausgefüllt, beispielsweise einem Epoxyharz.
Mit einer solchen Wandlerkopfgestalt ist es schwierig, den Wandlerkopf richtig an der Außenwand des Rohres anzubringen, da die ebene Oberfläche des Wandlerkopfes zu einem Verschwenken auf der runden Oberfläche der Außenwand des Rohres neigt. Außerdem ist das Einbetten zur Erzielung einer genauen Winkelausrichtung der Wandler in ihren Hai-
O O I Ό Ι
terungen zur genauen Einstellung des Winkels des Wandlers bezüglich der Rohrachse schwierig. Außerdem wird durch das Einbetten des Ultraschallwandlers in einem Epoxyharz der Wandler mechanischen Spannungen ausgesetzt, die zu einer verringerten'Empfindlichkeit führen. Schließlich ist es nicht möglich, eine Eichung oder Betriebsüberprüfungen am Wandlerkopf vorzunehmen, bevor die Wandler selbst völlig in dem Kopf eingekapselt werden. Nach dem Einkapseln ist es nicht mehr möglich, Änderungen zur Korrektur eventuell auftretender Probleme vorzunehmen, die den Wandlerkopf arbeitsunfähig machen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Wandlervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die vorstehenden Nachteile ausgeschlossen sind.
Diese Aufgabe wird mit der Wandlervorrichtung der eingangs ■genannten Art dadurch gelöst, daß bei Wandlerkopf en, insbesondere für Ultraschalldopplerströmungsmeßgeräte, ein vorgeformtes Wandlergehäuse verwendet wird, das in einfacher ' Weise durch Spritzgießen herstellbar ist. Das Gehäuse hat ein Basiselement mit einer halbzylindrischen konkaven Oberfläche für den Eingriff mit der Außenwand eines Rohres.
Wenn diese Basis mit der konkaven Außenfläche in Kontakt mit einer Rohrwand gebracht wird, die einen Radius hat, der etwas größer ist, als der Radius der halbzylindrischen Oberfläche des Wandlerkopfes, verbleibt ein kleiner Raum zwischen der Gehäuseanordnung und der Rohrwand, der in Linienkontakten zwischen dem Rand der Basis und der Rohrwand endet. Dieser kleine Raum wird vorzugsweise mit einem akustischen Koppelungsmittel ausgefüllt, um die Koppelung der ■ Ultraschallvibrationen vom Wandlerkopf der Rohrwand zu verbessern. Für eine Anpassung an Rohre mit stark verschie-.
denen Radien wird zur Beibehaltung eines kleinen Spaltes zwischen dem Rohr und der Wandlergehäuseanordnung ein Sattel vorgesehen, der eine konvexe Oberfläche mit geeig-
neter Größe und einer Form, die der unteren konkaven Fläche des Wandlerkopfs entspricht und eine untere konkave Oberfläche mit einem Radius hat, der sich von der konkaven Oberfläche des Wandlerkopfs unterscheidet und die Bildung eines kleinen Hohlraums zwischen dem Rohr und' dem Kopf ermöglicht, wenn er auf einem Rohr angeordnet wird. Es ist somit möglich, einen einzigen Wandlerkopf in Anpassung an eine breite Vielfalt von Rohrabmessungen zu verwenden.
Zur Wandlerkopfanordnung gehören als Bestandteil ein Paar von einstückig an der Basis ausgeformten Sockeln. Jeder Sockel ist mit einer ebenen Fläche versehen, die bezüglich der Basis einen Winkel bildet und auf der ein geeigneter Ultrasehallwandler, beispielsweise ein piezoelektrisches Element angebracht ist. Aufgrund der einstückigen Ausbildung von Basis und Sockel ist der Winkel des Wandlers bezüglich des Rohres genauer einstellbar als dies bisher mit bekannten Wandlergehäusen möglich ist. Zusätzlich sind die beiden Sockel in dem Wandlergehäuse durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Sie bilden außerdem die Seitenwände der Gehäuseanordnung, wodurch eine unerwünschte Koppelung zwischen den Wandlern auf ein Minimum reduziert wird. Jedes dieser Merkmale trägt zu einer verbesserten Empfindlichkeit bekannter Wandlerköpfe bei.
' Zur verbesserten Empfindlichkeit trägt außerdem die Luftunterlegung der Wandler bei. Erfindungsgemäß sind die Wandler durch eine Vorspannkraft an der ebenen Oberfläche der Sockel derart festgelegt, daß der Hauptteil der freiliegenden Seite des Wandlers in Kontakt mit Luft steht. Bei den bekannten eingekapselten Wandlern ist es erforderlich, akustisches Dämpfungsmaterial an der vom Rohr abgelegenen Fläche des Wandlers vorzusehen. Schließlich ermöglicht das Verfahren zur Anbringung der Wandler eine gefettete Zwischenfläche zwischen Wandler und Sockeloberfläche. Dadurch werden Spannungen vermieden, die erzeugt werden, wenn der Wandler durch Klebstoff im Kopf befestigt wird. Solche
\ \J
Spannungen reduzieren die Empfindlichkeit der Vorrichtung.
Um die Lehre nach der US-PS 4 208 908 nutzen zu können, wird in dem Wandlergehäuse ein Schacht für das Anbringen eines temperaturempfindlichen Elements vorgesehen, um ein auf die Temperatur ansprechendes Signal für die Kompensation von Temperaturänderungen des Wandlerkopfs zu erzeugen. Eine abgedichtete Zutrittskammer und ein abdichtender Deckel auf der Oberseite des Gehäuses sorgen für eine vollständig äbgeschlossene abgedichtete Umgebung der Wandler in der Wandlerkopf anordnung . Die Abdichtung der Kopfanordnung wird ausgeführt, nachdem eine vollständige überprüfung des Kopfes abgeschlossen worden ist, anhand derer festgestellt wird, daß der Wandlerkopf arbeitsfähig ist.
' Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise
; näher erläutert. Es zeigen:
in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht eine an einer Rohrwand befestigte Wandlerkopfanordnung,
teilweise geschnitten in einer'Stirnansicht . den an einer Rohrwand befestigten Wandlerkopf,
Pig. 3 isometrisch ein vorgeformtes Wandlergehäuse,
Fig. 4 eine Stirnansicht eines Sattels zur Verwendung
zusammen mit der Wandlerkopfanordnung, .
Fig. 5 eine Seitenansicht des Sattels und
Fig.· 6 eine Draufsieht auf.eine vollständige Wandlerkopfanordnung bei entferntem Deckel.
.
Der in Fig. 1 gezeigte Ultraschall-Dopplerströmungsmess kopf 10 ist auf der Außenwand eines Rohres 12 mittels eines
Fig. 1
20
Fig. 2
25
Haltebandes 14 angeordnet. Der Befestigungsmechanxsmus des Bandes 14 in Form einer herkömmlichen Schlauchklemme ist im einzelnen aus Fig. 2 ersichtlich. Es können jedoch auch andere Halteeinrichtungen zur Befestigung des Wandlerkopfs Λ 0 an der Außenwand des Rohres 12 verwendet werden. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, besteht der Wandlerkopf 10 aus einem Wandlergehäuse 18, welches ein Basiselement 20 mit einem Paar hochstehender Seitenwände 22, einer ersten Stirnwand 24 und einer zweiten Stirnwand 26 aufweist, durch welche ein elektrisches Kabel 28 hindurchgeht. Der Wandlerkopf 10 ist vollständig durch einen Deckel 30 abgeschlossen, der mit den freiliegenden Rändern der Seitenwände 22 und der Stirnwände 24 und 26 in Eingriff steht. Der Deckel 30 ist mit einer Einkerbung 32 versehen, in welcher das Halteband 14 angeordnet ist, so daß es am Wandlerkopf 10 nicht abrutschen kann, wenn der Spannmechanismus 16 zum Befestigen des Wandlerkopfs 10 an der Außenwand des Rohres 12 betätigt wird.
Wie insbesondere aus Fig. 2 zu ersehen ist, hat das Basiselement 20 des Wandlergehäuses 18 eine halbzylindrische konkave Außenfläche. Der Radius dieser halbzylindrischen Fläche ist vorzugsweise etwas kleiner als der Radius der Außenwand des Rohres 12, an dem der Wandlerkopf 10 festgeklemmt wird. Bei dieser Anordnung wird der Wandlerkopf vollständig an der Außenwand des Rohres 12 längs zweier paralleler Linien am Außenrand der Basis 20 abgestützt. Zwischen diesen Stützlinien befindet sich ein kleiner Raum, dessen Querschnittsfläche in Fig. 2 gezeigt ist» Dieser Raum wird mit einem akustischen Koppelungsmittel 34 herkömmlicher Art gefüllt, wenn der Wandlerkopf 10 an der Außenwand des Rohres 12 angebracht wird. Man sieht, daß das Koppelungsmaterial 34 aus dem kleinen Raum nur an den offenen Enden entweichen kann. Aufgrund dieses begrenzten Austritts entweicht das Koppelungsmaterial 34 nicht aus dem kleinen Raum, so daß die in dem Wandlerkopf 10 erzeugten Ultraschallwellen leicht ohne merklichen Verlust mit der
Wand des Rohres 12.gekoppelt sind. Zusätzlich zu dem Vorteil, daß der Verlust an Koppelungsmaterial verhindert wird, neigt der Wandlerkopf 10 nicht dazu, an der Außenfläche des Rohres 12 zu verrutschen, wenn der Spannmecha-.nismus 16 betätigt wird, um den Wandlerkopf 10 am Rohr -12 festzulegen.. Da der Kopf 10 von den Rändern der Basis 20 abgestützt ist, ist er zwangsweise parallel zum Rohr 12 gehalten.
Der in Fig. 1 gezeigte Wandlerkopf 10 zeigt im teilweise geschnittenen Abschnitt die Anbringung des ultraschallwandlers 36 im Inneren des Wandlerkopfs 10 . Die Basis 20 des Wandlergehäuses 10 ist mit einem Sockel 40 versehen,, der an der Basis 20 einstückig angeformt ist.. Der Sockel 40 hat eine - geneigte ebene Fläche 44, die einen Winkel mit der Basis 20 und somit mit der Achse des Rohrs 12 bildet. Auf der geneigten ebenen Fläche 44 ist der Ultraschallwandler 36 angeordnet. Um die akustische Koppelung vom Wandler 36 aus zu verbessern, kann auf die geneigte ebene Fläche 44 eine Beschichtung aus einem akustischen Koppelungsfett" aufgebracht werden, ehe der Ultraschallwandler 3.6 positioniert wird. Wie gezeigt, wird der Ultraschallwandler 36 an Ort und Stelle an der geneigten ebenen Fläche 44 mittels einer Vorspannkraft gehalten, die auf die freie Fläche des Ultraschallwandlers 36 durch einen Tragarm 48 aufge- · • bracht wird, der an dem Sockel 40 mittels einer Schraube 52 befestigt ist. Am freien Ende des Tragarms 48 ist ein O-Ring 56 angeordnet, der zwischen der freien Fläche des Ultraschallwandlers 36 und der Oberfläche des.Tragarms" 48 zusammengedrückt wird, um die erforderliche Vorspannung zum Halten des Ultraschallwandlers in Position auf der geneigten ebenen Fläche 44 zu halten. Damit ein Rutschen des Ultraschallwandlers 36 längs der Oberfläche der geneigten ebenen Fläche 44 verhindert wird, sind an der geneigten ebenen Fläche 44 ein Paar von VorSprüngen 60 angeordnet, die mechanische Anschläge für den Wandler 36 bilden.
Einzelheiten· des Wandlergehäuses 18 sind in Fig. 3 näher gezeigt.. Das Wandlergehäuse 18 kann aus .einem geeigneten Material hergestellt werden, welches gute akustische Übertragungseigenschaften hat. Als besonders günstiges Material hat sich Polyamidimid (Torion 4203L, Amoco Chemicals Corp,) erwiesen, das durch Spritzgießen leicht in die Form des
Wandlergehäuses gebracht werden kann.
Fig. 3 zeigt nicht nur das Basiselement 20 mit dem Sockel 40 und der geneigten ebenen Fläche 44, sondern auch einen zweiten Sockel 42 mit einer entsprechend geneigten ebenen Fläche 46 zum Anbringen eines zweiten Wandlers. Die Sockel 40 und 42 sind seitlich voneinander durch einen Luftspalt 64 und in ähnlicher Weise von den Seitenwänden 22 durch ..
Spalte getrennt. In Ultraschall-DopplerStrömungsmessern," welche eine Amplitudenmodulätionsmessung des Dopplersignals, verwenden, ist eine Koppelung des übertragenen Signals
direkt von Sender zum Empfänger erforderlich. Da sich diese ' Koppelung des gesendeten Signals oft aus der akustischen Koppelung zwischen dem sendenden Wandler und dem empfangenden Wandler ergibt, wird ein zuverlässigeres Ergebnis dann erreicht, wenn eine solche Koppelung mittels einer gesteuerten elektrischen Koppelung anstelle einer unvermeidbaren Koppelung über das Material des Wandlerkopfs erreicht wird. Der Luftspalt 64 zwischen den beiden Sockeln 40 und 42 ist besonders erwünscht, um die Empfindlichkeit des Ultraschallwandlerkopfs 10 dadurch zu verbessern, daß die
unvermeidbare Koppelung reduziert und durch eine gesteuerte elektrische Koppelung ersetzt wird.
Bei dem Ultraschall-Dopplerströmungsmesser führen Änderungen des Winkels, unter dem der Wandler angebracht ist, zu Änderungen der übertragungsfunktion und der Empfindlichkeit und somit zur Leistung des Wandlerkopfes. Da bei der gezeigten Anordnung die ebenen Flächen 44 und 46 genau ausgerichtet sind, besteht wenig Wahrscheinlichkeit für unrichtigen Ausrichtungen der Wandler, wenn sie auf den ge-
neigten ebenen Flächen 44 und 46 in der beschriebenen Weise angebracht werden.
Die in Fig. 3 gezeigte Wandlergehäuseanordnung hat weiterhin einen Verbindungsblock 66, an dem Verbindungen zwischen den Eingangsleitungen und Wandlerleitungen festgelegt sind, um die Möglichkeit einer Bewegung der Leitungen durch mechanische Stöße während des Gebrauchs zu beseitigen. Dabei . bildet eine Querwand 68 mit der Stirnwand 26 eine umschlos-1G sene Eintrittskammer, die mit einer geeigneten Dichtungs-■ masse gefüllte werden kann, um das eintretende Kabel 28 (Fig. 1) beim Eintritt in den Wandlerkopf 10 abzudichten. Zwischen der Seitenwand 22 und der .Querwand 68 ist eine Wand 70"angeordnet, welche einen Schacht 72 bildet, in wel-.15 chem ein temperaturempfindliches elektrisches Element zum Kompensieren des Ultraschall-Dopplerströmungsmessers ent-• sprechend der Lehre der US-PS 4 208 908 befestigt werden kann.
Aus der Draufsicht auf den Wandlerkopf 10 von Fig. 6 sind die am Kopf 10 sitzenden elektrischen Bauelemente ersichtlich. Die ültraschallwandler 36 und 38 sitzen auf den geneigten ebenen Flächen 44 und 46. Sie sind an den geneigten ebenen Flächen 44 und 46 durch die Tragarme 48 und 50 und ihre zugeordneten O-Ringe 56 bzw. 58 befestigt. Mit den gegenüberliegenden Flächen der Ultraschallwandler 36 sind elektrische Leitungen 74 bzw. 76 verbunden. Mit den gegenüberliegenden Flächen des Ultraschallwandlers 38 sind elektrische Leitungen 78 bzw. 80 verbunden. Wie gezeigt, ist die elektrische Leitung 74 mit einer Abschirmung 82 eines abgeschirmten Drahts 84 verbunden, der mit der elektrischen Leitung 76 verbunden ist. In gleicher Weise ist die Abschirmung 86 eines abgeschirmten Drahtes 88 mit der Wandlerleitung 80 verbunden, wobei der Draht 88 mit der elektrischen Leitung 78 verbunden ist. In dem Schacht 72 ist eine elektrische, auf Temperatur ansprechende Einrichtung 90 angeordnet, bei der es sich um einen Thermistor oder ein Widerstandsthermometer handeln kann. Mit der elektri-
31367§7
<■ ff * -no
•Β Jl *■ * 4
■ * * a
sehen, auf Temperatur ansprechenden Einrichtung 90 sind • elektrische Leitungen 91 und 92 verbunden. Die abgeschirmten Leitungen 84 und 88 werden zusammen mit den Leitungen 91 und 92 in dem elektrischen Kabel 28 geführt, welches durch eine öffnung 68a in der Querwand 68 und durch eine öffnung 26a in der Stirnwand 26 hindurchgeht. Um die mechanische Festlegung des Kabels zu gewährleisten, kann ein Bund 93 an der Außenhülle des Kabels 28 für den Eingriff mit der Innenfläche des Lochs 26a vorgesehen werden. Zusätzlich kann die zwischen der Querwand 68 und der Stirnwand 26 gebildete Eintrittskammer mit einer Dichtungsmasse gefüllt werden, um den umschlossenen Raum im Wandlergehäuse 18 gegen schädliche atmosphärische Einflüsse zu schützen,
Die Basis 20 des Wandlergehäuses 18 ist mit einer konkaven halbzylindrischen Fläche für den Eingriff an der Außenfläche der Wand des Rohres 12 versehen,, auf dem das Wandlergehäuse befestigt werden soll. In solchen Fällen, in denen der Krümmungsradius der Basis 20 größer als der Krümmungsradius des Rohres 12 ist, würde das Wandlergehäuse 18 die Außenfläche der Wand des Rohres längs einer Einzellinie kontaktieren, was die Arbeitsweise des Ultraschalldopplerströmungs messer in der bereits für einen Wandlerkopf beschriebenen Weise nachteilig beeinflußt, der eine ebene Fläche hat und an einen runden Rohr festgelegt werden soll. Um diesen Nachteil zu beseitigen und um die Herstellung von.Wandlerkopf en mit unterschiedlichen Radien zu vermeiden, kann ein Sattel 94 in Verbindung mit dem Wandlerkopf 10 verwendet werden. Ein solcher Sattel ist in den Figuren .4 und 5 gezeigt. Er besteht aus einem soliden Block eines Materials, vorzugsweise der gleichen Zusammensetzung wie sie für das Wandlergehäuse 18 verwendet wird. Der Sattel 94 hat eine konvexe halbzylindrische Oberfläche mit einem Radius, der gleich dem Radius der konkaven Oberfläche der Basis 20 des Wandlergehäuses 18 ist. Der Sattel 94 hat außerdem eine gegenüberliegende konkave halbzylindrische Fläche mit einem Radius, der kleiner ist als der Radius
seiner konvexen Oberfläche. Mit dieser Sattelanordnung läßt sich der Wandlerkopf 10 an der konvexen Oberfläche des Sattels 94 in vollkommener Anpassung daran befestigen. Die konkave Fläche des Sattels 94 ermöglicht dann die Verwendung der Wandlerkopfanordnung 10 bei Rohren mit kleineren Durchmessern, wobei jedoch der erwähnte Einlinienkontakt vermieden ist und die gleichen Vorteile erhalten werden, wie wenn der Kopf 10 mit Rohren eines größeren Durchmessers verwendet und an dem Rohr durch■Zweilinienkontakt abgestützt ist. Um die Befestigung des Wandlerkopfs am Sattel 94 zu erleichtern, ist der Sattel 94 mit einer Vielzahl von hochstehenden VorSprüngen 95 längs der Ränder und am einen Ende der konvexen Oberfläche des Sattels 94 versehen. Die Vorsprünge 95 längs der Ränder des Sattels 94 sind vorzugsweise um einen Abstand entfernt, der gleich der Breite des Wanlergehäuses18 ist. - -
Unter dem verwendeten Ausdruck "festklemmen" bezüglich des Wandlerkopfs 10- ist allgemein zu verstehen, daß der Kopf 10 auf der Außenfläche der Wand des Rohres 12 gehalten ·' werden soll. Der Kopf 10 kann an .der Außenfläche durch beliebige Einrichtungen festgelegt werden,.zu denen mechanische Klemmeinrichtungen sowie. Klebemittel zählen. Der Ausdruck "anklemmen" wird nur verwendet, um eine Unterscheidung gegenüber solchen Anwendungen zu treffen, bei denen der Ultraschallwandlerkopf in das Rohr zur Ausführung seiner Meßfunktion eindringt. ·
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Wandlerkopf durch Spritzgießen von Polyamidimid hergestellt,.die Er- · findung ist jedoch nicht auf diese Art der Herstellung und■ nicht auf dieses Material beschränkt. Es können auch an- ■ dere Materialien, wie Glas, benutzt werden. Es kann auch das Material des Rohres, in welchem das Fluid strömt, be-. nutzt werden. Der Wandlerkopf kann auch durch Gießen oder Preßformen hergestellt, werden.
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Claims (1)

  1. SCHIFF v. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK
    MÄRIAHILFPLATZ 2*3, MÜNCHEN 90 . POSTADRESSE: POSTFACH 95Ο16Ο, D-8OOO MÜNCHEN 95
    ALSO PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE
    KARL LUDWIQ SCHIFF (196*-197B)
    DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER
    DIPL. INO. PETER STREHL
    DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF
    DIPL. INQ. DIETER EBBINGHAUS
    DR. INO. DIETER FINCK
    TELEFON (OSB) 48
    TELEX B-Q3B6S AURO D
    TELEGRAMMS AUROMARCPAT MÜNCHEN
    DEA/G-20686 Fi/Rf
    Patentansprüche
    .;■ Wandler vor richtung für einen Ultraschall strömungsmesser, gekennzeichnet durch ein vorgeformtes Wandlergehäuse (18) zum Befestigen auf der Außenfläche' · eines zylindrischen Rohrs (12), wobei das Gehäuse (18) ein Basiselement (20) mit einer halbzylindrischen kon-• kaven Oberfläche für den Eingriff mit der Oberfläche des Rohrs (12), Seitenwände (22) und Stirnwände (24 f 26), die von dem Bäsiselement (20) getragen sind und von der halbzylindrischen Oberfläche zur Bildung einer Umschliessung nach oben stehen, einen Sockel. (40, 42), der einstückig mit dem Basiselement (20) ausgebildet und in der Umschließung angeordnet ist, sowie eine ebene Fläche (44, 46) hat, deren Ebene mit der Achse der halbzylindrischen Oberfläche einen spitzen Winkel bildet, und eine Abdeckung (30) aufweist, die an den freien Rändern der hochstehenden Wände (22, 24, 26) angreift und mit der Basis (20) und den hochstehenden Wänden (22, 24, 26) einen vollständig umschlossenen Raum bildet.
    2» Wandlervorrichtung für einen Ultraschallströmungsmesser, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß sie aufklemmbar ist und einen sendenden Wandler (36) und einen empfangenden Wandler (38) aufweist, wobei ein Basiselement (20) eine konkave halb-
    -01-
    O I O D / Ö I
    zylindrische Fläche, hochstehende Seitenwände (22) und Stirnwände (24, 26) aufweist, die mit dem Basiselement eine Umschließung bilden, von dem Basiselement (20) ein erster und ein zweiter Sockel (40,- 42) getragen werden, von denen jeder eine geneigte ebene Fläche (44, 46) in Form einer ebenen Oberfläche hat, welche einen spitzen Winkel mit der Achse der halbzylindrischen Oberfläche bildet, Einrichtungen (64) zwischen den Sockeln (40, 42) vorgesehen sind, um eine akustische Übertragungsbarriere zwischen den Sockeln (40, 42) zu bilden, ein Deckel (30) für den Eingriff an den freiliegenden Rändern der hochstehenden Wände (22, 24, 26) vorgesehen ist, um einen vollständig umschlossenen Raum zu bilden, und Einrichtungen (26a, 28) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit den Wandlern (36, 38) in dem umschlossenen Raum vorgesehen sind.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zei.chnet, daß die Einrichtungen zur Bildung einer " akustischen Übertragungsbarriere aus einem-Luftraum (64) zwischen den Sockeln (40, 42) bestehen.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch ...gekennzeichnet, daß die Sockel (40, 42) von den Seitenwänden (22) durch einen Luftspalt isoliert sind.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η -
    ζ e i.c h η e t, daß die Sockel (40, 42) in einem Stück mit einer der Stirnwände (24) der Umschließung ausgebildet sind und daß die ebenen Flächen (44, 46) der Sockel (40, 42) in einer einzigen Ebene liegen.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Herstellung der elektrischen Verbindung eine öffnung (26a) in der anderen Stirnwand (26) aufweist.
    -02-
    7. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen in einem Stück mit dem Basiselement ausgebildeten Schacht (72) für die Aufnähme.eines Temperaturfühlelements (90) .
    8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine hochstehende Querwand (68) mit einer Öffnung (68a), die in der Nähe der anderen Stirnwand (26) angeordnet ist.
    ■ · ■
    9. Wandlervorrichtung für einen Ultraschallströmungsmesser, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen geformten Wandlerkopf mit einem Basiselement (20), welches eine · halbzylindrische konkave Fläche, einen ersten Sockel (40)" und einen zweiten Sockel (42), die in einem Stück mit dem Basiselement (20) ausgebildet sind, eine in jedem Sockel (40, 42) unter einem spitzen Winkel zur Achse der halbzylindrischen Fläche ausgebildete geneigte ebene ' Fläche (44, 46), ein auf jeder der'Flächen (44, 46) angeordnetes piezoelektrisches Element (36, 38) und elastische Einrichtungen (48, 56; 50, 58) zur Ausübung einer Kraft auf das piezoelektrische Element, um es auf der Fläche zu halten, aufweist.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η - · zeichnet, daß die elastischen Einrichtungen jeweils einen Tragarm (48, 50) aufweisen, der von den Sockeln (40, 42) getragen wird und von dem piezoelektrischen Element (36, 38) im Abstand angeordnet ist/ wobei zwischen dem Tragarm (48, 50) und dem piezoelektrischen Element (36, 38) Federvorspanneinrichtungen (56, 58) angeordnet sind.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Federvorspanneinrichtungen O-Ringe (56, 58) sind, welche den jeweiligen Tragarm
    -03-
    (48, 50) umgeben und zwischen dem Tragarm (48r 50) und dem piezoelektrischen Element (36, 38) zusammengedrückt sind.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkopf (10) aus Polyamidimid spritzgegossen ist.
    T3. Wandlervorrichtung für einen Ultraschallströmungsmesser, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch einen spritzgegos-.senen Hochtemperaturwandlerkopf (10) zum Aufklemmen auf ein Rohr (12) zum Messen des Mengenstroms darin nach dem Ultraschalldopplerverfahren mit einem Basiselement - (20), welches eine halbzylindrische konkave Oberfläche mit einem ersten Krümmungsradius hat, mit Seitenwänden (22) und Stirnwänden (24, 26), die in einem Stück von dem Basiselement (20) unter Bildung einer Umschließung hochstehen, mit einem ersten Sockel (40) und einem zweiten Sockel (42) innerhalb der Umschließung, die von dem Basiselement (20) ein Stück damit und mit der einen Stirnwand (24) bildend hochstehen, mit einer akustischen " Sperreinrichtung, welche einen Luftraum (64) zwischen den Sockeln (40, 42) und zwischen jedem Sockel (40, 42) und seiner benachbarten Seitenwand (22) aufweist, mit einer ebenen Fläche (44, 46) an jedem Sockel (40> 42), •wobei beide ebenen Flächen (44, 46) in einer einzigen Ebene liegen, die einen spitzen Winkel mit der Achse der halbzylindrischen konkaven Oberfläche bildet, mit einem ersten piezoelektrischen Element (36) und einem zweiten piezoelektrischen Element (38) , die jeweils auf den ebenen Flächen (44, 46) des ersten Sockels (40) bzw. des zweiten Sockels (42) angebracht sind und freiliegende Flächen aufweisen, mit einem akustischen Koppelungsmittel (34) zwischen.den piezoelektrischen Elementen (36, 38) und ihren zugehörigen ebenen Flächen
    -04-
    (44, 46), mit einem ersten Tragarm (48) und einem zweiten Tragarm (50), die an dem ersten Sockel (40) bzw. zweiten Sockel (42) befestigt sind und freie, zu den ebenen Flächen (44, 46) parallele Abschnitte aufweisen, mit einem ersten O-Ring (56) und einem zweiten O-Ring (58), die die freien Abschnitte der Tragarme (48, 50) umschließen und in Eingriff mit der freiliegenden Fläche des ersten piezoelektrischen Elements (36) bzw. des zweiten Elements (38) stehen, mit einer elektrischen, auf Temperatur ansprechenden Einrichtung (90) zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das sich mit der Temperatur des Wandlerkopfes (10) ändert, mit einem Schacht (72), der in einem Stück mit dem Basiselement (20) ausgebildet ist und zur Aufnahme der elektrischen, auf Temperatur ansprechenden Einrichtung (90) dient, mit elektrischen Leitungen (82, 84, 86, 88; 91, 92) für die piezoelektrischen Elemente (36, 38) und die elektrische, auf Temperatur ansprechende Einrichtung (90), mit einer Querwand (68), die ein Stück mit den Seitenwänden
    (22) und der Basis (20) bildet und im Abstand von der anderen Stirnwand (26) zur. Bildung einer Eintrittskammer angeordnet ist, mit einer ersten öffnung (26a) in der anderen Stirnwand (26) für den Durchgang der elektrischen Leitungen (28) durch die Stirnwand (26) , mit einer zweiten öffnung (68) durch die Querwand (68) für den Durchgang der elektrischen Leitung (28) durch die Querwand (68), mit einer Einrichtung (93) in der Eintrittskammer zum Festlegen der Leitungen (28) am Wandlerkopf (10) und zum Abdichten der öffnungen und mit einem Deckel (30), der an den freien Rändern der Stirnwände (24, 26) und der Seitenwände (22) angreift, wodurch ein vollständig umschlossener Raum gebildet wird, wobei der Deckel eine Außenfläche (32) für den Eingriff mit einer Klemmeinrichtung (14) hat.
    14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein massives Sattelelement (94) mit einer
    -05-
    der Länge und Breite des Basiselements (20) entsprechenden Länge bzw. Breite, mit einer halbzylindrischen konvexen Oberfläche mit einem ersten Krümmungsradius, die an der konkaven Fläche der Basis (20) befestigbar ist, und mit einer gegenüberliegenden halbzylindrischen konkaven Fläche mit einem zweiten Krümmungsradius, der kleiner als der erste Krümmungsradius ist.
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