DE3832948A1

DE3832948A1 - Ultraschall-messanordnung mit paarweise angeordneten ultraschall-wandler

Info

Publication number: DE3832948A1
Application number: DE3832948A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl Ing Ellmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-09-28
Filing date: 1988-09-28
Publication date: 1990-03-29

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall-Meßan ordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer Ultraschall-Meßanordnung, die nach dem Wirbelfre quenz-Prinzip arbeitet, werden bildende Wirbel mit Ultraschall abgetastet. In einer Meßanordnung der eingangs genannten Art stehen sich Ultraschallwandler in einer parallelen Anordnung, beispielsweise in einem Meßrohr gegenüber. Es bilden sich dadurch stehende Wellen aus, die eine frequenzabhängige Resonanzüberhöhung der Übertragung auf der Meßstrecke bewirken. Durch Störung der stehenden Wellen - bedingt durch Fluktua tionen im nichtströmenden Medium oder Wirbelablösung bei Strömung - entstehen starke, unerwünschte Empfangssignal schwankungen.

Bisher wurde versucht, die Resonanzen durch Nichtparallelstellen der Ultraschallwandler oder Einbringen eines schalldämmenden Materials zu unterdrücken. Beide Verfahren haben den Nachteil, das Übertragungsmaß abzusenken.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Ultraschall-Meßanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem und damit kostengünstigem Auf bau ein breitbandiges Dämpfen stehender Wellen in der Meßstrecke bewirkt, ohne dabei das informationstragende Übertragungssignal wesentlich abzusenken.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Ultraschall-Meßanordnung der eingangs genannten Art und gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, die durch das im kennzeich nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmal charakterisiert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren, die bevorzugte Ausführungsbeispiele betreffen, im einzelnen be schrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht längs eines Meß rohres mit zwei sich darin gegenüberstehenden Ultraschall- Wandlern gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, je doch ein zweites Ausführungsbeispiel betreffend.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, je doch ein drittes Ausführungsbeispiel betreffend.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind in einem Meßrohr M zwei an den Enden einer Meßstrecke angeordnete Ultraschall-Wandler W 1 (US-Sender S) und W 2 (US-Empfänger E) vorgesehen, die jeweils mittels eines Einspannungsrings R in Preßsitz in das Meßrohr M eingesetzt sind. Die Oberfläche einer Anpaßschicht A weist eine Unebenheit auf. Die Form der Unebenheit ist so gestaltet, daß Resonanzen durch Zerstreuung bzw. gegenphasige Wellenaddition abgedämpft werden.

Als maximale Vertiefung in der Oberfläche ist als Maß ^λ/₂ vorge sehen. Dadurch wird eine große Resonanzdämpfung erreicht, ohne die akustische Impedanz des Wandlers und damit die abgestrahlte akustische Leistung wesentlich zu verändern. Der Schwingkörper des Wandlers W 1 bzw. W 2 besteht dabei aus einem herkömmlichen Piezokeramik-Element P.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen jeweils der Anordnung gemäß Fig. 1 entsprechende Anordnungen, wobei statt der unregelmäßigen Ober flächenstruktur der Anpaßschichten A eine kegelförmige Ein senkung (Fig. 2) bzw. eine kegelförmige Erhebung (Fig. 3) vor gesehen ist.

Auf die Piezokeramik P ist eine g/4-Anpaßschicht A mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt so aufgeklebt, daß eine auftretende mechanische Schwingung ausgekoppelt wird. Die Anpaßschicht A ist am keramikseitigen Ende dünnwandig und rohrförmig verlängert und wird am äußeren Ende eingespannt. Dadurch wird die Dämpfung - verursacht durch Einspannung - verringert. Eine minimale Rückwirkung wird z. B. bei einer Rohrlänge erreicht, die bei 77 kHz mit 7 mm etwa ein Viertel des Wertes der Schallwellenlänge im verwendeten Material beträgt. In einer außenseitig angebrachten Ringnut N liegt der Einspannungsring, vorzugsweise ein Gummiring R, der den an dieser Stelle noch auftretenden Restkörperschall absorbiert und nur sehr schlecht überträgt. Der Wandler ist mit dem aufge spannten Gummiring R in eine Innennut der Wandung des Meßrohres M eingepreßt. Eine mechanisch starre Befestigung ergibt sich aus Einpreßdruck und entsprechender Form der Ringnuten. Durch diese Konstruktion wird neben geringer Dämpfung der Wandler aktivität bei gleichzeitiger Absenkung des Körperschalls (großer Störabstand) noch eine leichte Auswechselbarkeit der Wandler gewährleistet.

Claims

1. Ultraschall-Meßanordnung mit zur Messung beispielsweise der Geschwindigkeit oder der Dichte eines strömenden Mediums oder der Schall-Laufzeit durch dieses, paarweise angeordneten Ultra schall-Wandlern, wobei sich die Wandler, die einen Ultra schallsender bzw. einen Ultraschallempfänger bilden, an den Enden einer Meßstrecke vorbestimmter Länge innerhalb der An ordnung mit ihrer Schall abstrahlenden bzw. Schall aufnehmenden Oberfläche parallel gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober flächen derart strukturiert sind, daß auftretende Resonanzen durch Zerstreuung und/oder gegenphasige Wellenadditionen abge dämpft werden.

2. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung ein offenes System bildet, bei dem sich die Ultraschall-Wandler in dem strömenden Medium ohne Einschluß desselben in ein Meßrohr oder dergl. befinden.

3. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung ein geschlossenes System bildet, bei dem die Ultraschall-Wandler in ein Meßrohr (M) eingesetzt sind.

4. Ultraschall-Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Ultra schall-Wandler ein aktiver Sender und der andere Ultraschall- Wandler ein aktiver Empfänger ist.

5. Ultraschall-Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Ultraschall-Wandler ein aktiver Sender/Empfänger und der andere Ultraschall-Wandler ein passiver Empfänger/ Sender ist.

6. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung aus einer Unebenheit besteht, wobei die maximale in der Oberfläche auftretende Vertiefung 2 beträgt (Fig. 1).

7. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung aus einer kegelförmigen, vorzugsweise koaxial mit dem Meßrohr (M) orientierten Einsenkung der Ober fläche besteht (Fig. 2).

8. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung aus einer kegelförmigen, vorzugsweise koaxial mit dem Meßrohr (M) orientierten Erhebung der Ober fläche besteht (Fig. 3).

9. Ultraschall-Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eine Anpaßschicht-Oberfläche ist, wobei die Anpaßschicht (A) eine /4-Schicht bildet, die einen Kunststoff enthält und eine akustische Impedanz hat, die zwischen der des Materials des Wandlerkörpers und dem des Ausbreitungsmediums liegt, wobei der Wandlerkörper aus Piezokeramik besteht und zur Aussendung in Luft als Ausbreitungsmedium die /4-Schicht aus Hohlkugeln aus Glas oder Siliziumdioxid besteht, die mittels eines organischen Harzes, wie Epoxydharz oder mittels Poly styrol zu einem Schaumstoff gebunden sind, der bei einer an Luft als Ausbreitungsmedium angepaßten akustischen Impedanz kleine Dichte und hohe Schwinggüte aufweist, daß die Anpaß schicht (A) einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist und auf die Piezokeramik (P) so aufgeklebt ist, daß die auftretende mechanische Schwingung ausgekoppelt wird, und daß die Anpaßschicht (A) am keramikseitigen Ende dünnwandig rohrförmig verlängert und an ihrem äußeren Ende in das Meßrohr (M) eingespannt ist.

10. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der rohrförmigen Verlängerung bei einer Schwingungsfrequenz von 77 kHz 7 mm beträgt, welche Länge im wesentlichen einem Viertel des Wertes der Schallwellenlänge in dem verwendeten Material entspricht.

11. Ultraschall-Meßanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Verlängerung mit einer ringförmigen Nut (N) nahe ihrem Ende ausgebildet ist, in die ein Einspannungsring (R), vorzugsweise ein Gummiring, eingesetzt ist, und daß in der Innenwandung des Meßrohres (M) eine Ringnut zur Aufnahme des Einspannrings (R) in Preßsitz vorgesehen ist.