DE3306529A1

DE3306529A1 - Ultraschallwandler zur waermemengenmessung

Info

Publication number: DE3306529A1
Application number: DE19833306529
Authority: DE
Inventors: Reinhard . Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Stark; Burkhard Dipl.-Phys. Dr. 8520 Erlangen Stephan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-02-24
Filing date: 1983-02-24
Publication date: 1984-08-30
Also published as: DE3306529C2

Description

Ultraschallwandler zur WErmemenrenmessunr
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler zur Wärmemengenmessung mit mindestens zwei einen Wandlerkörper einschließenden Elektroden.
Aus der DE-OS 30 20 282 ist ein Ultraschsllwandler bekannt, bei dem auf einem piezokeramischen Wandlerkörper als Ultraschallschwinger zwei Elektroden angeordnet sind. Eine Elektrode weist eine sogenannte Interdigitalstruktur auf. Dabei greifen zwei fingerartige, mit Spannungen entgegengesetzter Polarität beaufschlagte Elektrodenteile kammartig ineinander. Die zweite Elektrode ist als Masseelektrode ausgeführt. Dabei wird Ultraschall nur in einer bestimmten Richtung abgestrahlt, wobei der Abstrahlwinkel vom Verhältnis des Abstandes zwischen den einzelnen Fingern der beiden Elektrodenteile zur Wellenlänge der Ultraschallschwingung abhängt.
Diese Abstrahlung in vorgegebener Richtung wird auch erreicht, wenn man eine alternierende Polarisation des piezokeramischen Wandlerkörpers vorsieht. In dieses Fall können vollilächige Elektroden eingesetzt werden. Zwei derartige Ultraschallwandler können zur Durchflußmessung an gegenüberliegenden Innenseiten einer Rohrwandung eingesetzt werden. Dabei wird jeweils einer der Ultraschallwandler als Sender und einer als Empfänger eingesetzt.
Aus der unterschiedlichen Laufzxlt des Ultraschallsignals in Strömungarichtung und gegen die Strömungsrichtung kann die Durchflußgeschwindigkeit und daraus wiederum die Durchflußmenge ermittelt werden.
Wenn nan in einem Heizungssystem die Durchflußmenge mit der Temperaturdifferenz von Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf multipliziert, so erhält man eine GröBe, die der abgegebenen Wärmemenge proportional ist. Dazu muß in die Rohrleitungen zusätzlich tu den Ultrasckallwandlern ein Temperatursensor eingefügt werden. Hierfür sind Tauchfühler üblich. Derartige Tauchfühler beeinflussen Jedoch das Strömungsprofil und können somit tu Fehlern in der Durchflußmessung führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallwandler so auszuführen, daß bei der Wärmemengenmessung eine Temperaturmessung ohne Störung des Strömungsprofils möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadwrch gelöst, daß bei einem Ultraschallwandler der eingangs genannten Art eine der Elektroden als Temperaturmeßwiderstand mit zwei Anschlüssen ausgeführt ist.
Damit kann also mit dem Ultraschallwandler gleichzeitig die Temperqtur des Mediums, dessen Durchflußgeschwindigkeit gemessen wird, erfaßt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung bringt meßtechnische Vorteile, da der Temperaturmeßwiderstand das Strömungsprofil nicht stört.
Darüber hinaus bietet die Erfindung auch Montagevorteile, da die Montage eines gesonderten Temperaturmeßfühlers entfällt. Durch den Wegfall des Temperatrmeßfühlers wird die Anordnung für die Wärmemengenmessung schließlich auch bedeutend kleiner und billiger.
Die als Teiperaturmeßwiderstand dienende Elektrode weist zweckmäßigerweise eine aäanderförmige Struktur auf. Damit können Widerstandswerte erzielt werden, die für die Temperaturmessung besonders günstig sind.
Der Widerstandswert der Elektrode kann mit einem Laser sehr genau abgeglichen werden.
Die als Temperaturmeßwiderstand dienende Elektrode wird zweckmäßigerweise als Platin-Schicht ausgebildet. Platin weist einen besonders stabilen Widerstandawert auf.
Platin kann z.B. aufgesputtert oder aufgedampft werden.
Die als Temperaturaeßwiderstand dienende Elektrode kann vorteilhafterweise mit einer isolierenden Schutzschicht überzogen sein und damit direkt dem Heizwasser ausgesetzt werden. Als Schutzschicht kann z.B. Glas oder Kunstharz verwendet werden.
Bei einem Ultraschallwandler, bei dem eine Elektrode mit Interdigitalstruktur, die andere Elektrode als Masseelektrode ausgeführt ist, dient vorteilhafterweise die Masseelektrode als Temperaturmeßwiderstand. Die Masseelektrode muß nämlich bei symmetrischem Aufbau der Interdigital-Struktur nicht unbedingt mit der Spannungsquelle verbunden werden und kann praktisch eine beliebige Struktur, die nur annähernd vollflächig sein auß,aufweisen. Sie eignet sich daher besonders gut zur Verwendung als Temperaturmeßwiderstand.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Oberfläche einea Ultraschallwandlers.
Auf einem beispielsweise piezokeraeischen Wandlerkörper 1 ist eine Elektrode 2 aufgebracht, die eine in der DE-OS 30 20 282 erläuterte Interdigital-Struktur aufweist. Die Elektrode 2 besteht also aus zwei an gesonderte Anschlüsse geführten Elektrodenteilen 2a und 2b.
Die Elektrodenteile 2a und 2b weisen einzelne Finger auf, die kammartig ineinander greifen. Durch Beaufschlagung der Elektrodenteile 2a und 2b mit gegenphasigen Spannungen wird eine Abstrahlung des Ultraschalls in einer Richtung schräg zur WandlerobertlEche erreicht.
Dabei hängt der Abstrahlwinkel vom Verhältnis des Abstand zwischen den Fingern der Elektrodenteile 2a und 2b zur Wellenlänge des Ultraschalls ab.
Der Wandlerkörper 1 des Ultraschallwandlera kann auch eine periodisch wechselnde Polarisation aufweisen. In diesem Fall muß die Elektrode 2 nicht mit Interdigital-Struktur ausgeführt werden, sondern kann auch vollflächig sein.
Fig. 2 zeigt die rückwärtig. Fläche des Ultraschallwandlers. Diese ist bei bekannten Ultraschallwandlern als vollfächige Masseelektrode ausgeführt. Bei symmetrischer Interdigitalstruktur mit gegenphasiger Ansteuerung weist sie aufgrund der Kapazitätsverhältnisse selbsttätig die Spannung Null auf und muß daher nicht mit dem Masseanschluß der Anregungs-Spannungsquelle verbunden werden. Gemäß der Erfindung ist die Elektrode 3 als Temperaturmeßwiderstand mit zwei Anschlüssen, 3a, 3b, ausgeführt. Dazu weist sie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine mäanderförmige Struktur auf. Zur Herstellung dieser Struktur kann man auf den Wandlerkörper beispielsweise zunächst eine Platinschicht aufsputtern, aus der dann mittels fotolithographischer Verfahren eine mäanberiörmige Struktur herausgeätzt wird. Der gewünschte Widerstandswert kann mit einem Laser genau abgeglichen werden. In einem weiteren Arbeitsgang wird dann eine Schutzschicht, z.B. aus Glas, aufgesputtert. Der Ultraschaliwandler kann dann direkt dem Heizwasser ausgesetzt werden, dessen Leitfähigkeit auf den Widerstandswert des Temperaturmeßwiderstands keinen Einfluß hat.
An die Anschlüsse 3a und 3b wird ein Auswertegerät angeschlossen, das aus dem Widerstand der Elektrode 3 de ren Temperatur bestimmt. Auswertegeräte dieser Art, die beispielsweise mit einer Brückenschaltung, in der die Elektrode 3 einen Brückenzweig bildet, arbeiten, sind hinreichend bekannt und werden daher nicht näher dar- gestellt.
Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler ist also eine Temperaturmessung ohne zusätzliche Einbauten im Strömungsweg möglich. Damit bleibt also das Strömungsprofil erhalten, das Wärmenengenme ßge rät kann wesentlich kleiner aufgebaut werden und es entfällt der Montageaufwand für zusätzliche Elemente zur Temperaturmessung.
6 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentansprüche ½;. Ultraschallwandler zur Wärmemengeniessung iit mindestens zwei einen Wandlerkdrper einschließenden Elektroden, d a d u r c h g e k e n n z e l c h n e t , daß eine der Elektroden (3) als Temperaturmeßwiderstand mit zwei Anschlüssen (3a, 3b) ausgeführt ist.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die als Teaperaturmeßwiderstand dienende Elektrode (3) eine mäanderförmige Struktur aufweist.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wider-Jtxndswert der Elektrode (3) mit einem Laser abgeglichen wird.
4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprtlche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die als Temperaturmeßwiderstand dienende Elektrode (3) als Platin-Schicht ausgebildet ist.
5. Ultraschallwandler nach einem der Anspruche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die als Temperaturmeßwiderstand dienende Elektrode (3) mit einer isolierenden Schutzschicht überzogen ist.
6. Ultraschallwandler, bei dem eine Elektrode mit Interdigitalstruktur, die andere Elektrode als Ma*seelaktrode ausgefUhrt ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d o -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Masseelektrode (3) als Temperaturmeßwiderstand ausgeführt ist.