DE69831366T2

DE69831366T2 - Zylindrische Ultraschallwandler zur Ausstrahlung von nach innen gerichteten Schallwellen

Info

Publication number: DE69831366T2
Application number: DE69831366T
Authority: DE
Inventors: Ching Madison Chu; Neil D. Deerfield Roiland
Original assignee: Datex Ohmeda Inc
Current assignee: Datex Ohmeda Inc
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2018-03-19
Also published as: US5900552A; EP0867717A1; DE69831366D1; EP0867717B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Ultraschallwandler und insbesondere auf einen zylindrischen bzw. kreisrunden Ultraschallwandler, der zum emittieren von Ultraschallwellen radial nach innen und zum Erfassen von einem Druckmittelpunkt in der oder in der Nähe der Mitte des Ultraschallwandlers reflektierter Ultraschallwellen konstruiert ist. Eine bestimmte Anwendung für den Wandler der vorliegenden Erfindung ist in einer Gasanalysevorrichtung, die insbesondere auf dem medizinischen Gebiet nützlich sein würde. Ein Verfahren zum Analysieren von Gas und ein Verfahren zur Herstellung des Ultraschallwandlers werden ebenfalls offenbart.
Eine akustische Überwachung von Gas kann Ultraschall mit einer Frequenz zwischen wenigen kHz bis 10 MHz verwenden. Akustische Verfahren wurden bisher schon ausführlich zur Gas-Strom-Überwachung verwendet. In der letzten Zeit haben sich die Anstrengungen darauf gerichtet, akustische Zellen und Prozesse zu entwickeln, welche die Konzentration einer Komponente einer binären Gasmischung bestimmen können. Allgemein wird die akustische Konzentrationsanalyse einer Gasmischung durch Messen der Geschwindigkeit durchgeführt, mit der sich Schallwellen durch eine Gasmischung ausbreiten. Weil die Geschwindigkeit, mit der sich die Schallwellen durch ein Gas fortbewegen, mit dem Molekülgewicht zusammenhängt, kann die Konzentration einer Komponente einer Gasmischung genau bestimmt werden.
Ultraschallwandler, die Ultraschallwellen aussenden und empfangen, sind im Stand der Technik üblich und wurden in Gasanalysevorrichtungen und Gas-Strom-Messeinrichtungen eingesetzt. Typischerweise werden entweder zwei Wandler in einem Rohr oder einem zylindrischen Gehäuse, einer an jedem Ende, angebracht, oder es wird ein einziger Wandler an einem Ende und ein akustischer Reflektor am anderen Ende angebracht. Um nur ein paar wenige Beispiele zu nennen, seien die US-Patente 5,452,621, 5,285,677, 4,938,066, 4,280,183 und 2,874,564 genannt, die alle entweder mehrere Wandler, einen als einen Sender und einen als einen Empfänger, oder einen einzigen Wandler und mindestens einen davon getrennten Reflektor verwenden. Diese Grundanordnung hat meistens ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis (d.h. ein starkes Rauschen), eine unerwünscht hohe Diffraktion emittierter Wellen sowie einen hohen strukturellen Nachhall zur Folge. Ein großer Teil des zitierten Standes der Technik stellt den Versuch dar, diese physikalischen Mängel der Wandler und der Wandleranordnungen durch die Verwendung hochentwickelter Steuerungen und Prozessoren zu beheben.
Es wäre daher wünschenswert, diese physikalischen Probleme gleich an der Quelle und nicht am hinteren Ende mit Fehlerkorrektursteuerungen auszuschließen.
Andere Typen von Verfahren und Vorrichtungen wurden ebenfalls zum Bestimmen der Konzentration eines Gases innerhalb einer bestimmten Probe verwendet, wie zum Beispiel die Konzentration von Sauerstoff, wie sie in medizinischen Anwendungen eingesetzt wird. Zum Beispiel wurde die Konzentration von Sauerstoff dadurch bestimmt, dass Gas an einem Brennstoffzellenanschluss vorbeigeleitet wird, der das zu messende Gas dadurch analysiert, dass ein Signal als ein Ergebnis dessen erzeugt wird, dass das Gas zum Zellenanschluss gebracht wird. Ein weiteres Verfahren testet den Verbrauch von Sauerstoff in einer Testprobe und extrapoliert diesen Prozentsatz auf die gesamte Gasprobe. Bei einem weiteren Verfahren werden nicht wieder verwendbare chemische Zellen verwendet. Und es gibt noch viele weitere Verfahren, doch sind sie allgemein inakzeptabel, weil sie den Strom des zu analysierenden Gases stören, aufgrund des Zellverbrauchs ein begrenztes Leben haben, eine konstante Kalibrierung erfordern oder inakzeptabel hohe Kosten verursachen.
Deshalb wäre es ebenfalls wünschenswert, einen Ultraschallwandler-Gasanalysator mit nach innen gerichtetem Wellentyp und ein entsprechendes Einsatzverfahren und Herstellungsverfahren vorzusehen, welche alle oben genannten Probleme lösen und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis liefern würden, eine breite Emissionsoberfläche und eine niedrige Diffraktion bieten könnten und relativ billig herzustellen wären.
Das US-Patent Nr. 4,156,824 offenbart einen zylindrischen Wandler für die Niederfrequenzkommunikation.
H.P.Schwarz offenbart in "A 100-ELEMENT ULTRASONIC CIRCULAR ARRAY FOR ENDOSCOPIC APPLICATION IN MEDICINE AND NDT" ("Eine aus 100 Elementen bestehende kreisförmige Ultraschallanordnung für die endoskopische Anwendung in der Medizin und NDT") ACOUSTICAL IMAGING, BOCHUM, 3.–5. April, 1991, Nr. SYMP 19, 3. April 1999 (3.4.1991), Seiten 193 – 199, eine kreisförmige Anordnung, bei der piezoelektrische Elemente physikalisch und elektrisch getrennt sind, so dass sie einzeln angeregt werden können, so dass der Schallstrahl um 360° um die Anordnungsachse, wie bei einer Phasenanordnungs-Radarantenne, gelenkt werden kann.
Die vorliegende Erfindung löst die genannten Probleme durch das Vorsehen eines Ultraschallwandlers, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Der Wandler kann eine Ultraschallwelle vom Wandler radial nach innen abstrahlen und löst die oben genannten Probleme. Der Wandler wird in einer Gasanalysevorrichtung zum Durchleiten eines Gases und Analysieren seiner Bestandteile angewendet.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Ultraschallwandlervorrichtung mit nach innen gerichteter Welle mit einem Streifen piezoelektrischen Materials konstruiert, der in eine im Wesentlichen zylindrische Form gebracht ist und ein Paar elektrisch leitfähiger Metallschichten aufweist, die auf die Innenseite und die Außenseite des piezoelektrischen Materials aufgebracht sind. Die Metallschichten sind voneinander beabstandet, damit sie gegeneinander elektrisch isoliert sind. Ein Paar Endkappen sind an jeder Kante des zylindrisch geformten Wandlers befestigt, damit die Konstruktion steif ist und ihre Form behält. Der Wandler ist zum Schaffen und Beibehalten eines hohlen Innenraums und zum Emittieren einer im Wesentlichen zylindrischen Ultraschallwelle radial nach innen konstruiert.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der zuvor beschriebene Ultraschallwandler mit einer Vielzahl von Wellungen ausgebildet, die parallel zur Mittelache eines zylindrisch geformten Wandlers verlaufen. Die Wellungen verlaufen im Wesentlichen sinusförmig um einen Umfang des Wandlers herum. Der Radius der sinusförmigen Wellungen definiert eine Betriebsfrequenz des Wandlers. Der Wandler kann so konstruiert werden, dass er eine Frequenz der Wahl emittiert, indem der Radius der Sinuswelle, welche die gewünschte Frequenz verwendet, und die bekannten Eigenschaften des piezoelektrischen Materials berechnet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Ultraschallwandler offenbart, bei dem auf jeder Seite eines Streifens piezoelektrischen Materials eine elektrisch leitfähige Metallschicht aufgebracht ist. Die Kombination wird durch eine Reihe senkrechter Elemente und Öffnungen in einem nicht leitfähigen Maschenkäfig eingewoben, um die zuvor beschriebenen sinusförmigen Wellungen herzustellen. Dieser Wandler, der einen Streifen piezoelektrischen Materials aufweist, der in den nicht leitfähigen Maschenkäfig eingewoben ist, ist auch zum Schaffen und Halten eines hohlen Innenraums konstruiert, so dass er die Ultraschallwelle radial nach innen abstrahlen kann.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallwandler mit den oben beschriebenen Fähigkeiten aus einem Streifen eines piezoelektrischen Materials konstruiert, auf dessen beiden Oberflächen eine elektrisch leitfähige Metallschicht aufgebracht ist, so dass sie jeweils elektrisch voneinander isoliert sind. Der Streifen ist auf einem im Wesentlichen zylindrischen hohlen Gehäuse befestigt oder aufgeklebt, wodurch ein hohler Innenraum erhalten und eine Ultraschallwelle radial nach innen abgestrahlt wird. Der Streifen piezoelektrischen Materials kann mit den zuvor beschriebenen sinusförmigen Wellungen ausgebildet sein, um Ultraschallwellen mit einer gewünschten Frequenz zu emittieren. Der Wandler kann an jeder Sinusspitze, die mit dem Gehäuse in Kontakt ist, am Gehäuse befestigt werden. Der Wand ler kann an der Innenoberfläche oder auf der Außenoberfläche des Gehäuses angebracht werden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Ultraschallwandlers offenbart, das die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen des Elastizitätsmoduls und der Dichte des ausgewählten piezoelektrischen Materials, Bestimmen einer gewünschten Betriebsfrequenz des Ultraschallwandlers und Berechnen eines optimalen Radius einer sinusförmigen Wellung auf der Grundlage des Elastizitätsmoduls und der Dichte des piezoelektrischen Materials zusammen mit der gewünschten Betriebsfrequenz. Das piezoelektrische Material wird dann in eine Form gebracht, um eine durchgehende vollständige Sinuswelle auszubilden, wobei jede der Halbwellen der Sinuswelle einen Radius aufweist, die im Wesentlichen gleich dem berechneten optimalen Radius ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Anwendung eines beliebigen der oben erwähnten Wandler in einer Gasanalysevorrichtung auf. Die Gasanalysevorrichtung hat ein Gehäuse mit einem Gaseinlass, einem Gasauslass sowie einer Innenkammer in Kommunikation mit dem Gaseinlass und dem Gasauslass. Ein Ultraschallwandler ist gemäß der vorliegenden Erfindung in der Innenkammer des Gehäuses angeordnet, damit ein Gas durch ihn hindurch strömen kann. Im Betrieb konvergiert eine Ultraschallemission vom Ultraschallwandler radial nach innen zu einem Druckmittelpunkt in der Innenkammer und wird, nachdem sie einmal konvergiert ist, zum Ultraschallwandler zurückreflektiert, der seinerseits die zurückgegebene, reflektierte Ultraschallwelle erfasst.
Demgemäß ist auch ein Verfahren zum Analysieren von Gas offenbart. Erfindungsgemäß weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: Durchleiten eines zu analysierenden Gases durch eine Innenoberfläche eines im Wesentlichen zylindrisch geformten Ultraschallwandlers, Versorgen des Ultraschallwandlers mit Energie und Ausstrahlen einer zylindrischen Ultraschallwelle in das durchgeleitete Gas und zu einem Mittelpunkt des zylindrisch geformten Wandlers. Die zylindrische Ultraschallwelle erfasst Charakteristiken des zu analysierenden Gases, und der Wandler erfasst die reflektierte zylindrische Ultraschallwel le, die akustische Charakteristiken enthält, welche die erfassten Charakteristiken des Gases anzeigen, mit demselben zylindrisch geformten Ultraschallwandler, der die ursprüngliche Welle emittiert hat.
Daher ist es ganz klar ersichtlich, dass im ganz allgemeinen Sinn eine Ultraschallvorrichtung zum Erzeugen einer radial nach innen gerichteten Ultraschallwelle offenbart ist, die von einem Druckmittelpunkt in der Nähe des inneren Mittelpunkts der Vorrichtung reflektiert wird. Der Druckmittelpunkt reflektiert dann die Ultraschallwelle zur Ultraschallvorrichtung zurück, die dann die zurückgegebene Welle erfassen kann. Die Vorrichtung enthält ein Mittel zum Emittieren einer Ultraschallwelle einer gewünschten Frequenz, wobei das Mittel auch zum Erfassen einer zurückgegebenen Ultraschallwelle dient. Die emittierte Ultraschallwelle wird vom Mittel zum Erzeugen radial nach innen gerichtet, und die zurückgegebene Ultraschallwelle wird von einem Druckmittelpunkt reflektiert, der durch die nach innen gerichtete Ultraschallwelle gebildet wird. Dasselbe Mittel emittiert die Ultraschallwelle und erfasst die zurück gegebene Ultraschallwelle. Durch das Ausbilden des Mittels zum Emittieren und zum Erfassen mit einer Vielzahl von Wellungsmitteln kann die emittierte Frequenz im Voraus bestimmt und gesteuert werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich als Beispiel anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
2 eine Draufsicht auf einen Teil der Vorrichtung von 1;
3 einen seitlichen Schnitt des Teils von 2 entlang der Linie 3-3 von 2;
4 eine Seitenansicht, welche das Herstellungsverfahren der Vorrichtung von 1 demonstriert;
5 eine Draufsicht auf den Teil von 2, die das in 4 gezeigte Verfahren enthält;
6 eine Teildraufsicht auf 1;
7 einen seitlichen Schnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
8 einen Schnitt durch einen Teil von 7 entlang der Linie 8-8 von 7;
9 eine Teilschnittdarstellung von 8 entlang der Linie 9-9 von 8;
10 eine seitliche Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
11 einen Schnitt durch einen Teil von 10 entlang der Linie 11-11 von 10;
12 einen Schnitt ähnlich 11 einer weiteren Ausführungsform;
13 einen seitlichen Schnitt einer die vorliegende Erfindung enthaltenden Gasanalysevorrichtung;
14 einen Schnitt eines Teils von 13 entlang der Linie 14-14 von 13;
15 eine Teilschnittansicht von 13 entlang der Linie 15-15 von 13;
16 eine Teilschnittansicht von 13 entlang der Linie 16-16 von 13;
17(a) eine Teilschnittansicht von 13 entlang der Linie 17a-17a von 13;
17(b) eine Teilschnittansicht von 13 entlang der Linie 17b-17b von 13;
18 ein Blockdiagramm, das die Vorrichtung von 13 in einem erfindungsgemäßen System enthält; und
19 eine detaillierte Schnittansicht eines Teils von 13, die eine Vielzahl von Ultraschallablenkvorrichtungen enthält.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Ultraschallwandler 10, der in perspektivischer Darstellung gezeigt ist, gemäß der vorliegenden Erfindung so konstruiert, dass er eine Ultraschallwelle radial nach innen emittiert, wie durch die Pfeile 12 angezeigt. Die Welle wird von einem Innenumfang 14 abgestrahlt. Der Ultraschallwandler der vorliegenden Erfindung wird allgemein als ein Ultraschallwandler mit nach innen gerichtetem Wellentyp bezeichnet, und der Ultraschallwandler 10 von 1 wird insbesondere als ein zylindrischer Ultraschallwandler mit nach innen gerichtetem Wellentyp bezeichnet, da die resultierende Ultraschallwelle eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist.
Der Ultraschallwandler 10 ist mit einem piezoelektrischen Material 16 unterlegt, das durch Lücken 18 und 20 zu sehen ist, die durch ein Paar elektrisch leitfähiger Metallschichten 22 und 24 gebildet werden, die das piezoelektrische Material 16 bedecken. Der Streifen piezoelektrischen Materials 16 hat eine Innenoberfläche 26 und eine Außenoberfläche 28 und ist in eine im Wesentlichen zylindrische Form gebracht. Das Paar elektrisch leitfähiger Metallschichten 22 und 24 ist vorzugsweise auf die Innenoberfläche 26 bzw. die Außenoberfläche 28 des piezoelektrischen Materials 16 aufgebracht und zur Ausbildung der Lücken 18 und 20 auf der jeweiligen Oberfläche zwischen den elektrisch leitfähigen Metallschichten 22 und 24 aufgebracht. Die Lücken 18 und 20 verlaufen parallel zueinander entlang eines Umkreises des zylindrisch geformten Streifens piezoelektrischen Materials 16.
Wie in 1 gezeigt und am besten in 3 zu sehen, ist ein Paar Endkappen 30 und 32 über jede Kantenoberfläche 34 und 36 des zylindrisch geformten Ultraschallwandlers 10 gestülpt und dort befestigt. Wie in 1 deutlich wird, ist der Wandler 10 zum Schaffen und Halten eines hohlen Innenraums 38 konstruiert, so dass der Ultraschallwandler 10 der vorliegenden Erfindung eine im Wesentlichen zylindrische Ultraschallwelle radial nach innen abstrahlen bzw. emittieren kann, wie durch die Pfeile 12 angezeigt ist.
Mit Bezug auf 3 haben die elektrisch leitfähigen Metallschichten 22 und 24 einen relativ schmalen Teil bzw. eine relativ schmale Schicht 22a und 24a, die einen kleineren Teil einer Seite des piezoelektrischen Materials 16 bedeckt, und eine relativ breitere Schicht 22b und 24b, die einen größeren Teil der gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Materials 16 bedecken. Jede der elektrisch leitfähigen Metallschichten 22 und 24 dient als eine Elektrode für den Wandler 10. Die Endkappen sind steif und geben dem Wandler Stabilität, damit er seine gewünschte Form beibehält. Zum Beispiel wird die in 1 gezeigte zylindrische Form mit den steifen Endkappen gehalten. Die Endkappen 30 und 32 können aus Metall und elektrisch leitfähig sein, um die elektrisch leitfähigen Metallschichten 22 und 24 und das piezoelektrische Material 16 elektrisch leitfähig mit einer externen Energiequelle zu verbinden, die noch anhand von 18 zu beschreiben sein wird.
Vorzugsweise ist das piezoelektrische Material ein Polyvinylidenfluorid (PVDF) und ist in Streifen mit den elektrisch leitfähigen Metallschichten 22 und 24 auflaminiert im Handel erhältlich. Das piezoelektrische Material 16 ist in 2 von einem Ende zum anderen ausgelegt gezeigt, wobei die elektrisch leitfähige Metallschicht 22 und die Lücke 18 nach oben zeigen und der größere Teil der elektrisch leitfähigen Metallschicht 24 nach unten zeigt, wobei ein schmaler Teil über das obere Ende des piezoelektrischen Materials 16 gefaltet ist. Die Endkappe 30 ist über der oberen Kante angebracht. Die Lücke 20 ist als Schatten von der Unterseite gezeigt, und die Endkappe 32 ist über die untere Kante der laminierten Schicht 22 und des piezoelektrischen Materials 16 gestülpt. Bei der bevorzugten Ausführungsform von 1 ist der Streifen piezoelektrischen Materials von 2 mit einer Vielzahl von Wellungen 48, 1, ausgebildet, die parallel zu einer Mittelachse 50 des zylindrisch geformten Wandlers 10 ausgerichtet sind. Die Wellungen 48 verlaufen durchgehend entlang des Umfangs des Wandlers 10 und sind im Wesentlichen sinusförmig. Es hat sich herausgestellt, dass ein Radius der Sinusform die Betriebsfrequenz des Ultraschall wandlers 10 definiert. Auf diese Weise kann der Wandler so konstruiert werden, dass er eine gewünschte Frequenz emittiert, indem das piezoelektrische Material mit dem richtigen Radius ausgebildet wird. Es können jedoch auch andere Formen anstatt der Sinusform verwendet werden, die hier gezeigt und beschrieben ist. Als ein Beispiel kann der Wandler auch mit dreiecksförmigen Wellungen mit ähnlichem Ergebnis konstruiert werden. Die Sinusform wird bevorzugt, weil sie einfach herzustellen und zu konstruieren ist.
Es wird in Betracht gezogen, dass es wünschenswert ist, Frequenzen in einer spezifischen Bandbreite zu emittieren. Das Hinzufügen der oben genannten Wellungen zum Ultraschallwandler kann dieses Ergebnis erzielen. Demgemäß enthält die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallwandlers, der eine Ultraschallwelle radial nach innen abstrahlen kann. Das Verfahren wird zuerst durch Bestimmen eines Elastizitätsmoduls und einer Dichte zu verwendenden piezoelektrischen Materials in die Praxis umgesetzt. Der nächste Schritt bei der Herstellung eines Ultraschallwandlers gemäß diesem Verfahren besteht in dem Berechnen eines optimalen Radius (r) einer Sinuswellung 48 auf der Grundlage des Elastizitätsmoduls (Y) und der Dichte (P) des piezoelektrischen Materials 16 zusammen mit einer gewünschten Betriebsfrequenz (f_r). Dann muss das piezoelektrische Material 16 zur Ausbildung einer durchgehenden vollständigen Sinuswelle in eine Form gebracht werden, bei der jede der Halbwellen der Sinusform einen Radius aufweist, der im Wesentlichen gleich dem berechneten optimalen Radius (r) ist.
Für ein Beispiel kann in einer bevorzugten Ausführungsform unter der Verwendung von PVDF mit einer Dichte (P) von 1,770 × 10³ kg/m³ und einem Elastizitätsmodul (Y) von 4,5 × 10⁹ N/m² eine gewünschte Betriebsfrequenz des Ultraschallwandlers bestimmt werden. Als ein Bespiel muss für eine Resonanzfrequenz (f_r) von 126,88 kHz der resultierende Radius der Sinuswellung 2 mm sein. Dieses Ergebnis erhält man unter der Verwendung der folgenden Gleichung:
Ein Verfahren zur Herstellung der sinusförmigen Ausformung ist anhand von 4 gezeigt. Ein Paar Zahnwalzen 52 und 54 werden ausgewählt, die eine Reihe von Zähnen 56 mit einem Zahnabstand und einem Durchmesser aufweisen, der auf dem berechneten optimalen Radius (r) basiert, und so angeordnet, dass die Zähne der einen Zahnwalze 52 mit den Zähnen der zweiten Zahnwalze 54 in enger Beziehung und in einem kontrollierten Abstand gemäß der Dicke 58 des gemäß den 2 und 3 zusammengesetzten Streifens in Eingriff laufen. Der zuvor beschriebene Schritt der Formung des piezoelektrischen Materials zur Ausbildung einer vollwelligen Sinusform wird weiter definiert als ein Durchführen des zusammengesetzten planaren Streifens 39 durch das in Eingriff laufende Paar der Zahnräder 52 und 54, wie das in 4 durch den Pfeil 60 gezeigt ist, um die Vielzahl von Wellungen 48 auszubilden, die die durchgehende vollwellige Sinusform bilden.
5 zeigt den resultierenden zusammengesetzten gewellten Streifen 62, an dem eine Vielzahl von Wellungen 48 durch das anhand von 4 beschriebene Verfahren ausgebildet wurde. Wie aus einem Vergleich der 2 und 5 hervorgeht, erscheint nach einem Durchlaufen des Prozesses von 4 der resultierende gewählte Streifen 62 kürzer als der ursprüngliche planare Streifen 39, weil in ihm die Vielzahl von Wellungen ausgebildet wurden. Um den Prozess zu vervollständigen werden die Enden 64 und 66 des gewellten Streifens zueinander gebracht und wie in 6 gezeigt überlagert und miteinander verbunden, um den zylindrischen Ultraschallwandler von 1 auszubilden. Die Verbindung wird in einer beliebigen herkömmlichen Art und Weise, wie zum Beispiel durch Schweißen, Löten oder Crimpen bewerkstelligt. 6 zeigt auch, was hier als eine vollwellige Sinusform 68 definiert ist, die nämlich definitionsgemäß zwei Spitzen 70 und 72 aufweist.
7 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei der ein zylindrischer Ultraschallwandler 74 in einem Gehäuse 76 angeordnet ist und so konstruiert ist, dass er einen hohlen Innenraum 78 schafft und beibehält, wodurch er dazu befähigt wird, radial nach innen zu einer Mitte des Gehäuses 76 und des Ultraschallwandlers 74 eine Ultraschallwelle abzustrahlen bzw. zu emittieren.
8 zeigt eine Detailansicht des Ultraschallwandlers 74 von 7 entlang der Linie 8-8. Der Ultraschallwandler 74 weist einen Streifen piezoelektrischen Materials 16 auf, auf den ein Paar elektrisch leitfähiger Metallschichten 80 und 82 auf einer Innenoberfläche 84 bzw. einer Außenoberfläche 86 aufgebracht sind, so dass sie jeweils elektrisch gegeneinander isoliert sind. Hier besteht keine Notwendigkeit zur Ausbildung von Lücken auf den Seitenoberflächen. Lücken werden an den Kantenoberflächen ausgebildet, um jede Metallschicht auf ihrem eigenen Potential zu halten. Ein nicht leitfähiger Maschenkäfig 88 ist zum Einweben des piezoelektrischen Materials 16 vorgesehen, wie in den 8 und 9 gezeigt. Der nicht leitfähige Maschenkäfig 88 hat eine Vielzahl senkrechter Elemente 90 und eine Vielzahl waagrechter Elemente 92. Der nicht leitfähige Maschenkäfig hat auch eine Vielzahl senkrechter Öffnungen 94 zwischen den senkrechten Elementen 90, um ein Durchweben des Streifens piezoelektrischen Materials 82 zwischen den senkrechten Elementen 90 zu erlauben. Die waagrechten Elemente 92 halten die senkechte Position des piezoelektrischen Materials 16 im Maschenkäfig 88.
Die Betriebsfrequenz bzw. die Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers 74 der 7 bis 9 wird genau so wie zuvor beschrieben bestimmt, wird jedoch durch eine räumliche Frequenz 96 der senkrechten Elemente 90 und der senkrechten Öffnungen 94 bewerkstelligt, welche den Radius der Sinusform definieren, wie aus 8 ersichtlich ist.
Gemäß 10 ist noch eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der ein zylindrischer Ultraschallwandler 98 an einem Gehäuse 100 befestigt ist. Bei dieser Ausführungsform wird die Form des Ultraschallwandlers durch eine formschlüssige Befestigung am Gehäuse 100 aufrechterhalten, während die Steifigkeit des Ultraschallwandlers 74 von 7 durch den Maschenkäfig vorgesehen war und die Steifigkeit des Ultraschallwandlers 10 von 1 durch die Endkappen 30 und 32 zum Aufrechterhalten der zylindrischen Form gewährleistet war. Wieder mit Bezug auf die 10 bis 12 hat der Ultraschallwandler 98, wie er zuvor anhand der 10 beschrieben wurde, einen Streifen piezoelektrischen Materials 16, auf den ein Paar elektrisch leitfähiger Metallschichten 80 und 82 auf einer Innenoberfläche 84 bzw. auf einer Außenoberfläche 86 laminiert sind, so dass sie jeweils elektrisch gegeneinander isoliert sind.
Ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 100 ist zum Befestigen des fertig gestellten Streifens auf ihm vorgesehen. Das Gehäuse hat einen hohlen Innenraum 102 und der Wandler 98 ist an dem Gehäuse befestigt, um einen hohlen Innenraum im Wandler zu schaffen und beizubehalten, so dass er die Ultraschallwelle radial nach innen abstrahlen bzw. emittieren kann, wie das in den 11, 12 durch Pfeile 104 gezeigt ist. Wie zuvor beschrieben, ist das laminierte piezoelektrische Material 16 so ausgebildet, dass es sinusförmige Wellungen 48 aufweist, um Ultraschallwellen mit einer gewünschten Frequenz abzustrahlen. Der zylindrisch geformte Ultraschallwandler 98 kann an einer Innenoberfläche 106 des Gehäuses 100, wie in 11 gezeigt, oder auf einer Außenoberfläche 108 des Gehäuses 100, wie in 12 gezeigt, befestigt sein. Allgemein ist, wo das laminierte piezoelektrische Material 16 auf der Außenoberfläche 108, 12, befestigt ist, die Dicke des Gehäuses 100 vorzugsweise minimal. Bei der Ausführungsform der 11 und 12 besteht die bevorzugte Art und Weise zum Kleben des laminierten piezoelektrischen Materials 16 an das Gehäuse 100 und zur Aufrechterhaltung seiner Form in der Verwendung eines Klebers an jeder in Kontakt mit dem Gehäuse 100 befindlichen Sinusspitze, wie das durch das Bezugszeichen 110 angegeben ist.
13 zeigt eine Gasanalysevorrichtung 112, bei der es sich um eine Anwendung der zuvor genannten Ultraschallwandler handelt. Es versteht sich hier gleich zu Anfang, dass das gezeigte Gehäuse lediglich der Veranschaulichung dient und die Erfindung nicht auf die gezeigte Ausführungsform eingeschränkt ist. Die Gasanalysevorrichtung 112 hat ein Gehäuse 114 mit einem Gaseinlass 116 und einem Gasauslass 118, die jeweils einen mit einem Gewinde versehenen Durchlass 120 bzw. 122 zur Aufnahme eines Gasrohrs aufweisen. Die Gasanalysevorrichtung 112 hat eine Innenkammer 124 in Gaskommunikation mit dem Gaseinlass 116 und dem Gasauslass 118. Das Gehäuse 114 besteht aus einem länglichen Zylinder 126 und Endkappen 128 und 130, in denen sich der Gaseinlass 116 bzw. der Gasauslass 118 befinden. Eine Gasstromablenkungseinrichtung 132 ist in der Endkappe 128 befestigt, um den Gasstrom durch eine Reihe von Öffnungen 134 nach außen abzulenken. Ein Paar Schalldämpfer 136 und 138 sind an den beiden Enden der Innenkammer 124 angebracht und sorgen für eine akustische Schwingungsabsorption. Der Ultra schallwandler 140 der vorliegenden Erfindung ist in der Innenkammer 124 des Gehäuses 114 angeordnet.
Im Betrieb kommt das Gas beim Gaseinlass 116 herein, wird durch die Gasstromablenkeinrichtung 132 durch die Reihe von Öffnungen 134 gerichtet und fließt dann über den Ultraschallwandler 140 zur Innenkammer 124. Eine Ultraschallemission vom Ultraschallwandler 140 konvergiert radial nach innen in der Innenkammer 124, wie durch die Pfeile 142 gezeigt, zu einer Mitte der Innenkammer 124. Das Gas verlässt die Kammer 124 durch den Schalldämpfer 138 und den Gasauslass 118.
Dementsprechend beinhaltet die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Analysieren von Gas, das die folgenden Schritte aufweist: Leiten des zu analysierenden Gases durch eine Innenoberfläche eines zylindrisch geformten Ultraschallwandlers 140, Versorgen des Wandlers mit Energie und Abstrahlen einer zylindrischen Ultraschallwelle in das hindurchgelangende Gas zu einer Mitte des zylindrisch geformten Wandlers. Die Ultraschallwelle wird deformiert und erfasst dadurch Charakteristiken des Gases und wird, nachdem sie einmal einen Druckmittelpunkt innerhalb der Innenkammer 124 erreicht hat, nach außen reflektiert. Das Verfahren weist auch das Erfassen einer reflektierten zylindrischen Ultraschallwelle auf, das akustische Charakteristiken enthält, welche die erfassten Charakteristiken des Gases im zylindrisch geformten Ultraschallwandler 140 anzeigen, sowie das Erzeugen eines auf die akustische Charakteristik bezogenen Signals aus der erfassten Ultraschallwelle.
14 zeigt einen Schnitt durch die Gasanalysevorrichtung 112 entlang der Linie 14-14 von 13. Der längliche Zylinder 126 und die Endkappe 128 sind gezeigt, die das Gehäuse 114 bilden. Eine zusammengesetzte Schicht 144 ist zwischen dem Ultraschallwandler 140 und dem Zylinder 126 vorgesehen, der auch eine akustische Dämpfung vorsieht. Eine Vorderansicht des Schalldämpfers 136 ist ebenfalls in 14 gezeigt.
15 zeigt eine Detailschnittansicht entlang der Linie 15-15 in 13, die den Ultraschallwandler 140 zeigt, der im Zylinder 126 mit der zusammenge setzten Schicht 144 zwischen ihnen angebracht zeigt. Ein Abstandhalter 146 hält die Position des Ultraschallwandlers 140.
16 zeigt eine Detailschnittansicht entlang der Linie 16-16 von 13, bei der die Endkappe 130 gezeigt ist, die auf das Zylindergehäuse 126 aufgesetzt ist. Die zusammengesetzte Schicht 144 erstreckt sich entlang der Länge des Zylinders 126, und ein Dichtungsring 148 im Durchgang 150 dichtet die Struktur zwischen der Endkappe 130 und dem Abstandhalter 146 ab.
Die 17(a) und (b) zeigen Details entlang der Linien 17a-17a und 17b-17b von 13. Der Ultraschallwandler 10 ist hier in einer Konstruktion gezeigt, die anhand der 1 bis 6 beschrieben wurde und ein piezoelektrisches Material 60 und elektrisch leitfähige Metallschichten 22 und 24, die Lücken 18 und 20 ausbilden, aufweist. Endkappen 30 und 32 sind über den äußeren Kanten angebracht. Bei dieser Ausführungsform sind die Endkappen 30 und 32 elektrisch leitfähig, und ein elektrischer Leitungsdraht 152 ist daher direkt auf die Endkappen aufgelötet und verlässt den länglichen Zylinder 126 durch die Öffnungen 158. Isolatoren 154 sind in den Öffnungen 158 vorgesehen, und der Leitungsdraht 152 ist mit dem isolierten Draht 156 verbunden.
Wie in Blockdiagrammform in 18 gezeigt, empfängt die Gasanalysevorrichtung 112 Gas durch den Gaseinlass 116 und entlässt Gas durch den Auslass 118. Die Analysevorrichtung 112 ist über die Verbindungen 156 mit einem Prozessor 160 verbunden. Der Prozessor 160 dient als eine Leistungsquelle zum Anregen des Ultraschallwandlers in der Gasanalysevorrichtung 112 und verarbeitet die vom Ultraschallwandler erfassten Rücksignale. Wenn ein elektrischer Anregungsimpuls, oder eine Gruppe von Impulsen an den Ultraschallwandler angelegt wird, erzeugt er eine akustische Welle, die radial nach innen gerichtet ist und eine zylindrische Wellenfront aufweist. Nachdem die Welle in der Mittelachse oder in der Nähe der Mittelachse der Innenkammer der Gasanalysevorrichtung 112 konvergiert ist, reflektiert ein Hochdruckmittelpunkt die Welle zum Wandler zurück. Die reflektierte akustische Welle erzeugt hierdurch ein elektrisches Signal im Wandler, das an den Prozessor 160 zurückgeleitet wird. Die Sende- und Empfangszeitabstimmung dieser Signale kann zum Bestimmen der Laufzeit des akustischen Wellenimpulses verwendet werden, die aus der Geschwindigkeit des Schalls und dem bekannten Durchmesser des Wandlers berechnet werden kann. Die Schallgeschwindigkeit in einer Mischung zweier bekannter gasförmiger Komponenten kann zum Berechnen der Zusammensetzung des Gases verwendet werden, wie wohlbekannt ist und über den Umfang der vorliegenden Erfindung hinausgeht.
Im allgemeinsten Sinn offenbart die vorliegende Erfindung eine Ultraschallvorrichtung zum Erzeugen einer radial nach innen gerichteten Ultraschallwelle mit einem Mittel zum Emittieren einer Ultraschallwelle einer gewünschten Frequenz und zum Erfassen einer zurückgegebenen Ultraschallwelle. Die emittierte Ultraschallwelle wird vom Mittel zum Erzeugen der Welle radial nach innen gerichtet. Die zurückgegebene Ultraschallwelle wird von einem in der Mitte der Ultraschallvorrichtung gebildeten Druckmittelpunkt reflektiert, der durch die ursprünglich nach innen gerichtete Ultraschallwelle erzeugt wurde. Die Vorrichtung beinhaltet ein Mittel zum Anregen des die Ultraschallwelle emittierenden Mittels und zum Verarbeiten der erfassten zurückgegebenen Ultraschallwelle zum Bestimmen von deren Charakteristiken. Das Mittel zum Emittieren einer Ultraschallwelle enthält eine Vielzahl von Wellungsmitteln in ihr zum Emittieren einer Ultraschallwelle einer gewünschten Frequenz.
19 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine Vielzahl von Ultraschallablenkeinrichtungen 162 entlang eines Umfangs des zylindrischen Ultraschallwandlers 98 angeordnet sind. Jede der Ultraschallablenkeinrichtungen 162 ist so angeordnet, dass sie Ultraschallstreuwellen auffangen und dämpfen, wie das durch die gestrichelte Linie 164 gezeigt ist. Dies ermöglicht eine sauberere zylindrische Welle, bzw. radiale Welle, der Ultraschallwelle zum Senden radial nach innen wie das durch die gestrichelten Linien 166 gezeigt ist. Die Vielzahl von Ultraschallablenkvorrichtungen 162 sind auf einer Rückebene 168 angeordnet, die eine Endkappe, wie zum Beispiel die in 13 gezeigte Endkappe 130 sein kann. Jede der Ultraschallablenkeinrichtungen 162 ist aus Kunststoff und mit einer Vielzahl von Löchern darin konstruiert. Diese Konstruktion absorbiert und dämpft bekanntermaßen die Ultraschallstreuwellen.

Claims

Wandlervorrichtung zum Erzeugen einer nach innen gerichteten Schallwelle, wobei die Vorrichtung ein zylindrisch geformtes Mittel (10) zum Emittieren einer Schallwelle einer gewünschten Frequenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrisch geformte Mittel (10) in sich eine Vielzahl von Wellungen (48) aufweist und dazu fähig ist, eine Ultraschallwelle einer gewünschten Frequenz zu emittieren und eine zurückgegebene Ultraschallwelle zu erfassen, und dadurch dass die Konfiguration des zylindrisch geformten Mittels (10) so ist, dass in der Verwendung die emittierte Ultraschallwelle von dem zylindrisch geformten Mittel (10) radial nach innen gerichtet ist und die zurückgegebene Ultraschallwelle durch einen Druckmittelpunkt reflektiert wird, der durch die nach innen gerichtete Ultraschallwelle gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter als eine Ultraschallwandlervorrichtung mit nach innen gerichteter Welle definiert ist und in der das zylindrisch geformte Mittel (10) umfasst: – einen Streifen aus piezoelektrischem Material (16) mit einer Innen- und einer Außenoberfläche (26, 28) und zwei Randoberflächen (34, 36); – ein Paar elektrisch leitfähiger Metallschichten (22, 24), wobei jede Metallschicht auf der Innenoberfläche und der Außenoberfläche liegt und zum Ausbilden einer Lücke (18, 20) auf jeder Oberfläche zwischen dem Paar elektrisch leitfähiger Metallschichten beabstandet ist, wobei die Lücken entlang einer umlaufenden Grenze des Streifens piezoelektrischen Materials parallel zueinander verlaufen; und – wobei das zylindrisch geformte Mittel eine hohle Mitte (38) bereitstellt.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, weiter mit einem Mittel (160) zum Anregen des zylindrisch geformten Mittels (10) und zum Verarbeiten der erfassten Ultraschallwelle zum Bestimmen von deren Eigenschaften.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, wobei jede elektrisch leitfähige Metallschicht (22, 24) so angeordnet ist, dass eine relativ schmale Schicht (22a, 24a) einen kleineren Teil einer Seite des piezoelektrischen Materials (16) bedeckt und eine relativ breite Schicht (22b, 22b) einen größeren Teil einer anderen Seite des piezoelektrischen Materials bedeckt.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 2, wobei ein einzelnes Paar elektrisch leitfähiger Metallschichten (22, 24) die Innen- und die Außenoberfläche des Streifens piezoelektrischen Materials (16) bedeckt, so dass eine erste elektrisch leitfähige Materialschicht einen kleineren Teil einer ersten Seite (22a) des piezoelektrischen Materials (16) und einen größeren Teil einer zweiten Seite (22b) des piezoelektrischen Materials bedeckt und eine zweite elektrisch leitfähige Metallschicht einen kleineren Teil (24a) der ersten Seite des piezoelektrischen Materials (16) und einen größeren Teil (24b) der zweiten Seite bedeckt und wobei jede elektrisch leitfähige Metallschicht eine Elektrode des Wandlers ist.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das zylindrisch geformte Mittel (10) eine Mittelachse (50) aufweist und die Vielzahl von Wellungen (48) parallel zur Mittelachse ausgerichtet sind.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das zylindrisch geformte Mittel (10) umfasst: – einen Streifen aus piezoelektrischem Material (16), der ein Paar elektrisch leitfähiger Metallschichten (84, 86) auf einer Innenoberfläche und einer Außenoberfläche aufweist, so dass sie jeweils elektrisch voneinander isoliert sind; – einen nicht leitfähigen Gitterkäfig (88), der in einer Ausrichtung eine Vielzahl von senkrechten Elementen (90), eine Vielzahl von waag rechten Elementen (92) und eine Vielzahl von senkrechten Öffnungen (94) zwischen der Vielzahl von senkrechten Elementen aufweist, wobei der Streifen piezoelektrischen Materials (16) zwischen ihnen eingeflochten ist; und – wobei das zylindrisch geformte Mittel (10) eine hohle Mitte (38) bereitstellt.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 7, wobei eine räumliche Frequenz der senkrechten Elemente (90) und der senkrechten Öffnungen (94) im nicht leitfähigen Gitter (88) eine Betriebsfrequenz des Wandlers definiert.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 7, wobei der eingeflochtene Streifen piezoelektrischen Materials (16) eine im Wesentlichen sinuskurvenartige Ausformung erzeugt, die eine Betriebsfrequenz des Wandlers definiert.
Wandlervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das zylindrisch geformte Mittel (10) umfasst: – einen Streifen piezoelektrischen Materials (16), der ein Paar elektrisch leitfähiger Metallschichten (80, 82) auf einer Innenoberfläche (84) und einer Außenoberfläche (86) aufweist, so dass sie jeweils elektrisch voneinander isoliert sind; – und wobei die Wandlervorrichtung weiter ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse (100) zum Anbringen des Streifens piezoelektrischen Materials (16) auf ihm aufweist, wobei das Gehäuse eine hohle Mitte (102) aufweist; und – wobei das zylindrisch geformte Mittel (10) am Gehäuse befestigt ist, um eine hohle Mitte (38) zu schaffen und bereitzustellen.
Verfahren zum Herstellen einer Ultraschall-Wandlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den folgenden Schritten: – Bestimmen des Elastizitätsmoduls und der Dichte eines piezoelektrischen Materials (16); – Bestimmen einer gewünschten Betriebsfrequenz des zylindrisch geformten Mittels; – Berechnen eines optimalen Radius einer sinuskurvenförmigen Wellung (48) auf der Grundlage des Elastizitätsmoduls und der Dichte des piezoelektrischen Materials (16) und der gewünschten Betriebsfrequenz; und – Formen des piezoelektrischen Materials (16) zur Ausbildung von Wellungen (48) in der Form einer kontinuierlichen Vollwellensinuskurve, wobei jede Halbwelle der Sinuskurve einen Radius hat, der im Wesentlichen gleich dem berechneten optimalen Radius ist.
Verfahren nach Anspruch 11, weiter mit den folgenden Schritten: – Anordnen eines Paars Zahnwalzen (52, 54) mit einem Zahnabstand und Durchmesser, der auf dem berechneten optimalen Radius basiert, so dass die Zähne der einen Zahnwalze mit den Zähnen der anderen Zahnwalze in enger Beziehung und in einem kontrollierten Abstand in Eingriff laufen; und – wobei der Schritt des Formens weiter als ein Hindurchführen des piezoelektrischen Materials (16) durch das in Eingriff laufende Paar Zahnwalzen zum Ausbilden der kontinuierlichen Vollwellensinuskurve definiert ist.
Verfahren zum Analysieren von Gas, mit den folgenden Schritten: – Hindurchführen eines zu analysierenden Gases durch eine Innenoberfläche (26) eines im Wesentlichen zylindrisch geformten Ultraschallwandlers (10), der periodische Wellungen (48) aufweist; – Einschalten des im Wesentlichen zylindrisch geformten Ultraschallwandlers (10); – Abstrahlen einer zylindrischen Ultraschallwelle vom im Wesentlichen zylindrisch geformten Ultraschallwandler in das hindurchgeführte Gas und zu einer Mitte des im Wesentlichen zylindrisch geformten Ultraschallwandlers, wobei die zylindrische Ultraschallwelle Eigenschaften des Gases detektiert; und – Erfassen einer reflektierten zylindrischen Ultraschallwelle, welche akustische Eigenschaften enthält, welche die detektierten Eigenschaften des Gases anzeigen, mit dem im Wesentlichen zylindrisch geformten Ultraschallwandler (10).
Verfahren nach Anspruch 13, weiter mit dem Schritt des Erzeugens eines Signals akustischer Eigenschaften aus der reflektierten zylindrischen Ultraschallwelle.
Gasanalysevorrichtung, mit einem Gehäuse (114), das einen Gaseinlass (116), einen Gasauslass (118) und eine Innenkammer (124) in Gaskommunikation mit dem Gaseinlass und dem Gasauslass aufweist; und einer Ultraschallwandlervorrichtung (140) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einer hohlen Mitte (38), wobei die Wandlervorrichtung in der Innenkammer des Gehäuses angeordnet ist, um einen Gasfluss durch sich hindurch zu ermöglichen, und wobei die Anordnung so ist, dass in der Verwendung eine von der Ultraschallwandlervorrichtung ausgehende Ultraschallemission zu einer Mitte der Innenkammer radial nach innen konvergiert.
Gasanalysevorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Ultraschallwandlervorrichtung so ist, wie sie in Anspruch 2 beansprucht ist.