EP1293960A2 - Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung mit einem Ultraschallwandler und einem Ultraschallwellenleiter - Google Patents

Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung mit einem Ultraschallwandler und einem Ultraschallwellenleiter Download PDF

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EP1293960A2
EP1293960A2 EP02017112A EP02017112A EP1293960A2 EP 1293960 A2 EP1293960 A2 EP 1293960A2 EP 02017112 A EP02017112 A EP 02017112A EP 02017112 A EP02017112 A EP 02017112A EP 1293960 A2 EP1293960 A2 EP 1293960A2
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EP
European Patent Office
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ultrasonic
ultrasonic wave
jacket
receiving device
transducer
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Withdrawn
Application number
EP02017112A
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English (en)
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EP1293960A3 (de
Inventor
Jeroen Martin Dipl.-Ing. Van Klooster
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Krohne AG
Original Assignee
Krohne AG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic wave transmitter or receiver, with an ultrasonic transducer, an ultrasonic waveguide and a Sheath, the ultrasound waveguide being arranged within the sheath the ultrasonic transducer is arranged at one end of the ultrasonic waveguide and from the ultrasonic transducer at this end of the ultrasonic waveguide Ultrasound waves can be transmitted to or received by the latter are.
  • Such ultrasonic wave transmitters or receivers are e.g. B. in Ultrasonic flow meters and in vortex frequency flow meters used. Piezo crystals are typically used as ultrasonic transducers used with which ultrasonic waves can be generated or detected.
  • an ultrasonic wave transmitter or receiver it would be possible to use only an ultrasonic transducer with which Ultrasonic waves can be generated or detected.
  • ultrasonic transducers can be arranged directly where the ultrasonic waves to be coupled in or detected.
  • this is problematic in that than that piezocrystals, as stated previously, typically used for ultrasonic transducers, above a certain temperature, the so-called Curie temperature, can no longer be used.
  • e.g. B the prerequisite for piezoelectric properties of the crystal.
  • the flow measured with the ultrasonic flow meter should be very hot, so that its temperature is above the Curie temperature of the piezo crystal, there is a certain requirement for reliable operation thermal insulation of the ultrasonic transducer from the hot medium required. For this reason, ultrasonic wave transmission or Receiving devices used ultrasonic waveguide, the one hand heat insulation of the ultrasound transducer as good as possible from the hot medium and on the other hand a lossless and undisturbed transmission of the ultrasonic signal should ensure.
  • an ultrasonic waveguide can then generate ultrasonic waves generated by an ultrasonic transducer be coupled into the flowing medium or by the ultrasonic transducer ultrasonic waves are extracted from the hot medium, while the ultrasound transducer is physically distant from the hot medium and is at least to some extent thermally insulated from it.
  • Such an ultrasonic waveguide is known from EP 1 098 295, which consists of a rolled-up foil, which fits into a metallic Tube is inserted. It is provided that for the transmission of ultrasonic waves the layer thickness in the frequency range from 15 kHz to 20 MHz the film is less than 0.1 mm. The material used for this film is typically used a metal.
  • the ultrasonic wave transmitting / receiving devices with those previously described Ultrasonic waveguides have in common that at one end of the ultrasonic waveguide the ultrasonic transducer is arranged such that the Ultrasonic transducer can be coupled into the ultrasonic waveguide or can be received by it. This is typically the case proceeded that the ultrasound transducer directly, i.e. with physical contact, is placed on one end of the ultrasonic waveguide.
  • the previous one described ultrasound waveguide is made of a rolled-up film generally provided that the ends of the ultrasonic waveguide are welded and are face to face. The ultrasonic transducer is then on this welded and face-turned surface of the ultrasonic waveguide.
  • the problem with the ultrasonic wave transmission devices described above is that ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer not only coupled into the ultrasonic waveguide but also into the jacket surrounding the ultrasonic waveguide.
  • the ultrasound transducer is provided for the detection of ultrasound waves when there is an ultrasonic wave receiving device. Then get there namely ultrasound waves not only through the ultrasound waveguide but also over the jacket to the ultrasonic transducer. So it comes in Case that on the one hand an ultrasonic wave transmitter and on the other hand an ultrasonic wave receiving device is provided for that not only ultrasonic waves emitted or detected via the ultrasonic waveguide but also sent or received via the respective coat Ultrasonic waves are detected.
  • the ultrasonic wave transmission or receiving device via its jacket z.
  • T 4 (e.g. 1 / z 2 ) / (1 + z 1 / z 2 ) 2 ,
  • z 1 and z 2 represent the characteristic impedances of the first and second medium, between which the transition of the ultrasonic waves takes place.
  • the aforementioned transmission coefficient T is approximately 0.004%. This corresponds to the fact that a substantial part of the acoustic energy, namely 99.996%, is lost. A significant part of this lost energy is found in the unwanted cross coupling.
  • the cross coupling thus essentially determines the signal-to-noise ratio of a measuring device working with ultrasonic wave transmitting and / or receiving devices.
  • the object of the invention is an ultrasonic wave transmission Specify or receive device with the unwanted cross-coupling are largely avoidable.
  • the impedance jump provided according to the invention thus makes a Achieved area of the shell of the ultrasonic wave transmission device in which Ultrasound waves unwanted in the jacket by the ultrasound transducer are severely weakened.
  • an inventive Ultrasonic wave receiving device achieved a range in which Coat of the ultrasonic wave receiving device detected to the ultrasonic transducer guided ultrasonic waves are greatly weakened.
  • the ultrasound waves that travel over the jacket must Pass impedance jump, once coming from the ultrasonic transducer and once to the ultrasonic transducer, depending on the Size of the impedance jump a weakening of the intensity of the ultrasonic waves essentially according to the formula given above for the Transmission coefficient takes place.
  • Such an impedance jump according to the invention in the cladding of the ultrasonic wave transmission or receiving device can be realized in different ways become.
  • for. B. provided that the jacket is spaced from the ultrasonic transducer is. In this way, the ultrasonic transducer is directly facing At the end of the mantle an air gap is realized, which, as referenced above executed on the transmission coefficient, to very considerable Damping leads.
  • it is according to a preferred one Development of the invention provides that the distance range with a different from the material of the jacket and from the material of the ultrasonic transducer Material is filled. This is particularly advantageous if a geometrically uniform transition from the ultrasonic transducer to the Jacket of the ultrasonic wave transmission or reception device required a recess is not permitted.
  • the Impedance jump provided in the jacket itself is e.g. B. thereby realizable, that the impedance jump is formed by a recess in the jacket becomes.
  • the recess may, for. B. one or more holes Holes must be formed. These can only be blind holes also be through holes that extend over the entire thickness of the Stretch coat.
  • the recess can also be of one, preferably circumferential, groove be formed. With regard to this groove, it is also possible that it extends over the entire thickness of the jacket, but the groove can extend extend only over part of the thickness of the jacket. In particular in this context it is possible that the groove along its circumference is different depth.
  • the ultrasonic wave transmission used or receiving device in a measuring device which contains or contains a medium such as a gas or a liquid has a leading container.
  • a medium containing or leading Containers come in particular into a tank or a pipe. So z. B. as a medium-leading container a tube for an ultrasonic flow meter conceivable.
  • a measuring device is now in accordance the preferred development of the invention provides that a previously described Ultrasonic wave transmission device and / or a previously described Ultrasonic wave receiving device above that of the ultrasonic transducer area of the jacket facing away from the wall of the container is.
  • the ultrasound wave transmission device and / or the ultrasonic wave receiving device directly in the wall of the container to fix.
  • a flange is provided for the ultrasonic wave receiving device
  • an additional attenuation of the cross coupling can be achieved that between the flange and the jacket of the ultrasonic wave transmitter or the ultrasonic wave receiving device, a damping ring is provided.
  • the material for the damping ring should turn care should be taken to ensure that the greatest possible jump in impedance occurs. Since the jacket of the ultrasonic wave transmitting or receiving device is typically made of a metal and the wall of the container typically also made of metal, come for the damping ring typically plastic or rubber materials.
  • Fig. 1 is an ultrasonic wave transmission or reception device according to a first preferred embodiment of the invention in comparison with a conventional ultrasonic wave transmitter or receiver seen.
  • the ultrasonic wave transmitting or receiving device shown on the right in FIG. 1 according to the first preferred embodiment of the invention has an ultrasound transducer 1, an ultrasound waveguide 2 and a jacket 3 that surrounds the ultrasonic waveguide 2.
  • the ultrasonic waveguide 2 consists of a thin rolled-up metal foil, whose thickness is about 0.1 mm and the ends 4 turned and are welded.
  • a flange 5 is welded to the jacket 3.
  • this Flange 5 can be the ultrasonic wave transmitting or receiving device according to the first preferred embodiment of the invention, as in Fig. 1 not shown, for. B. attached to a measuring tube Fix the connection flange.
  • the jacket 3 like the ultrasound waveguide 2, from a metal.
  • a recess 6 provided in the jacket 3 is above the flange 5, that is in one region of the jacket 3 facing the ultrasonic transducer 1, a recess 6 provided.
  • This recess 6 is designed as a circumferential groove 3 and extends over the entire thickness of the jacket 3.
  • conventional ultrasonic wave transmitters can or receiving device coupled into the jacket 3 Ultrasonic waves directly over the flange 5 in the not shown Wall of the measuring tube into which the ultrasonic wave transmitting or receiving device is installed, transmitted.
  • this direct route via the jacket adjacent to the ultrasonic transducer 1 3 in the ultrasonic wave receiving device according to the first preferred embodiment of the invention due to the recess 6 essentially denied in the jacket 3.
  • Ultrasonic waves can only over the flange 5 into the wall of the measuring tube, not shown arrive by completely passing through the ultrasonic waveguide 2 and at its end 4 facing away from the ultrasound transducer 1 into the jacket 3 couple, then after running back in the jacket 3 towards the Finally, couple the ultrasonic transducer 1 into the flange 5.
  • the intensity is coupled into the measuring tube via the flange 5 Ultrasonic waves are much lower, however, on the other hand also the path of the ultrasonic waves causing the cross coupling in this way much longer, so that the originating from the cross coupling Interference signal is expected to be significantly after the actual measurement signal can be directly from the ultrasonic wave transmitter to the Ultrasonic wave receiving device is running. This is discrimination of the measurement signal against interference much easier.
  • FIG. 2 is now an ultrasonic wave transmitting or receiving device according to a second preferred embodiment of the invention.
  • the structure of this corresponds essentially to that shown in FIG. 1
  • Ultrasonic wave transmitting or receiving device according to the first preferred embodiment of the invention except for the fact that the recess 6 is filled with a material 7 that of the material of the jacket 3 and the material of the ultrasonic transducer 1 different is.
  • a plastic material is selected for filling the recess 6 Service.
  • the recess 6 can namely in shape of bores, in the form of an oblique groove over a partial circumference of the jacket 3 or in the form of an oblique groove be provided, which extends over the entire peripheral region of the jacket 3.
  • Fig. 6 it can be seen how ultrasonic wave or receiving devices according to the first preferred embodiment described above the invention in a measuring tube 8 of an ultrasonic wave flow meter are installed, namely in each case via a connecting flange 9.
  • Fig. 6 it is shown that the path of the cross coupling ultrasonic waves of the one ultrasonic transducer 1 via the flange 5 of the Ultrasonic wave transmission device, the one connecting flange 9, the wall 10 of the measuring tube 8, the other connecting flange 9, the flange 5 of the Ultrasonic wave receiving device to the other ultrasonic transducer 1 is significantly longer than the direct route via the respective ultrasonic transducers 1 opposite ends 4 of the ultrasonic waveguide 2 of the ultrasonic wave transmission device or the ultrasonic wave receiving device. For this reason, the ultrasonic waves corresponding to the cross coupling hit time clearly after the actual measurement signal, so that the measurement signal discriminates relatively easily compared to the cross coupling can be selected if a pulse mode is selected.
  • FIG. 7 shows how an ultrasonic wave transmitting or receiving device according to the first preferred embodiment described above the invention via a damping ring 11 in the wall 12 of a container is installed.
  • the damping ring 11 is in the present case a rubber material, so that additional damping of the Cross coupling constituting ultrasonic waves takes place.

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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung, mit einem Ultraschallwandler (1), einem Ultraschallwellenleiter (2) und einem Mantel (3), wobei der Ultraschallwellenleiter (2) innerhalb des Mantels (3) angeordnet ist, der Ultraschallwandler (1) an einem Ende des Ultraschallwellenleiters (2) angeordnet ist und von dem Ultraschallwandler (1) an diesem Ende des Ultraschallwellenleiters (2) Ultraschallwellen auf diesen übertragbar bzw. von diesem empfangbar sind. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Ultraschallwandler (1) und dem dem Ultraschallwandler (1) abgewandten Bereich des Mantels (3) ein Impedanzsprung vorgesehen. Auf diese Weise lassen sich beim Einbau der erfindungsgemäßen Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung z. B. in das Meßrohr eines Meßgeräts unerwünschte Kreuzkopplungen stark reduzieren. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung, mit einem Ultraschallwandler, einem Ultraschallwellenleiter und einem Mantel, wobei der Ultraschallwellenleiter innerhalb des Mantels angeordnet ist, der Ultraschallwandler an einem Ende des Ultraschallwellenleiters angeordnet ist und von dem Ultraschallwandler an diesem Ende des Ultraschallwellenleiters Ultraschallwellen auf diesen übertragbar bzw. von diesem empfangbar sind.
Solche Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtungen werden z. B. in Ultraschalldurchflußmeßgeräten und in Wirbelfrequenzdurchflußmeßgeräten eingesetzt. Als Ultraschallwandler werden dabei typischerweise Piezokristalle verwendet, mit denen Ultraschallwellen erzeugt bzw. detektiert werden können.
Grundsätzlich wäre es möglich, in einer Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung lediglich einen Ultraschallwandler vorzusehen, mit dem Ultraschallwellen erzeugt bzw. detektiert werden können. Dazu müßte der Ultraschallwandler jedoch direkt dort angeordnet sein, wo die Ultraschallwellen eingekoppelt bzw. detektiert werden sollen. Dies ist jedoch insofern problematisch, als daß Piezokristalle, die, wie zuvor ausgeführt, typischerweise für Ultraschallwandler eingesetzt werden, oberhalb einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Curie-Temperatur, nicht mehr verwendet werden können. Oberhalb der Curie-Temperatur existiert nämlich keine ferroelektrische bzw. ferromagnetische Phase des Kristalls mehr, die Voraussetzung für die piezoelektrischen Eigenschaften des Kristalls ist. Ist jedoch z. B. das strömende Medium, dessen Durchfluß mit dem Ultraschalldurchflußmeßgerät gemessen werden soll, sehr heiß, so daß dessen Temperatur über der Curie-Temperatur des Piezokristalls liegt, so ist für einen verläßlichen Betrieb eine gewisse thermische Isolierung des Ultraschallwandlers von dem heißen Medium erforderlich. Aus diesem Grund werden in Ultraschallwellensende- bzw. - empfangsvorrichtungen Ultraschallwellenleiter verwendet, die einerseits eine möglichst gute Wärmeisolation des Ultraschallwandlers von dem heißen Medium und andererseits eine möglichst verlustfreie und ungestörte Übertragung des Ultraschallsignals gewährleisten sollen. Mit einem solchen Ultraschallwellenleiter können dann von einem Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallwellen in das strömende Medium eingekoppelt werden bzw. von dem Ultraschallwandler aus dem heißen Medium Ultraschallwellen ausgekoppelt werden, während der Ultraschallwandler von dem heißen Medium räumlich entfernt und zumindest in gewissen Maße von diesem thermisch isoliert ist.
In herkömmlichen Ultraschallwellensende- bzw. Empfangsvorrichtungen werden z. B. Ultraschallwellenleiter verwendet, wie in der WO 96/41157 beschrieben. Dabei wird als Ultraschallwellenleiter eine Mehrzahl von zueinander parallelen, sehr dünnen Stäben verwendet, wobei die einzelnen Stabdurchmesser jeweils wesentlich geringer als die Wellenlänge des zu führenden Ultraschallsignals sind. Typischerweise werden dabei die Stäbe eng aneinander anliegend in eine Röhre eingepaßt, die den Stäben seitlich Halt bietet und somit einen Mantel für den Ultraschallwellenleiter darstellt. Auf diese Weise wird ein kompakter Ultraschallwellenleiter realisiert. Aus der WO 96/41157 ist für einen Ultraschallwellenleiter ferner eine solche Konstruktion bekannt, bei der im wesentlichen kreisförmig gebogene Bleche ineinander mit Abstand zueinander angeordnet sind. Diese befinden sich ebenfalls in einer Röhre, die damit einen äußeren Mantel für den Ultraschallwellenleiter darstellt. Schließlich ist aus der EP 1 098 295 ein solcher Ultraschallwellenleiter bekannt, der aus einer zusammengerollten Folie besteht, die mit Paßsitz in eine metallische Röhre eingesteckt ist. Dabei ist vorgesehen, daß zur Übertragung von Ultraschallwellen im Frequenzbereich von 15 kHz bis 20 MHz die Schichtdicke der Folie weniger als 0,1 mm beträgt. Als Material für diese Folie wird typischerweise ein Metall verwendet.
Den Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtungen mit den zuvor beschriebenen Ultraschallwellenleitern ist gemein, daß an einem Ende des Ultraschallwellenleiters der Ultraschallwandler derart angeordnet ist, daß von dem Ultraschallwandler Ultraschallwellen in den Ultraschallwellenleiter einkoppelbar bzw. von diesem empfangbar sind. Dabei wird typischerweise derart vorgegangen, daß der Ultraschallwandler direkt, also mit körperlichem Kontakt, auf ein Ende des Ultraschallwellenleiters aufgesetzt wird. Bei dem zuvor beschriebenen Ultraschallwellenleiter aus einer zusammengerollten Folie ist im allgemeinen vorgesehen, daß die Enden des Ultraschallwellenleiters verschweißt und plangedreht sind. Der Ultraschallwandler befindet sich dann auf dieser verschweißten und plangedrehten Fläche des Ultraschallwellenleiters.
Problematisch ist nun bei den zuvor beschriebenen Ultraschallwellensendevorrichtungen, daß von dem Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallwellen nicht nur in den Ultraschallwellenleiter sondern auch in den Mantel eingekoppelt werden, der den Ultraschallwellenleiter umgibt. Entsprechendes gilt, wenn der Ultraschallwandler zur Detektion von Ultraschallwellen vorgesehen ist, wenn also eine Ultraschallwellenempfangsvorrichtung vorliegt. Dann gelangen nämlich Ultraschallwellen nicht nur über den Ultraschallwellenleiter sondern auch über den Mantel zum Ultraschallwandler. Somit kommt es im Fall, daß einerseits eine Ultraschallwellensendevorrichtung und andererseits eine Ultraschallwellenempfangsvorrichtung vorgesehen ist, dazu, daß nicht nur über die Ultraschallwellenleiter ausgesandte bzw. detektierte Ultraschallwellen sondern auch über den jeweiligen Mantel ausgesandte bzw. empfangene Ultraschallwellen detektiert werden. Ist nun darüberhinaus die Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung über ihren Mantel z. B. in die Wandung eines Rohres eingebaut, in der ein fließendes Medium geführt wird, dessen Durchfluß bestimmt werden soll, so kommt es dazu, daß nicht nur durch das Medium hindurchtretende Ultraschallwellen erfaßt werden, sondern auch solche, die sich über die Wandung des Rohres hinweg von der Ultraschallwellensendevorrichtung zur Ultraschallwellenempfangsvorrichtung bewegen. Dieses Phänomen wird Kreuzkopplung bzw. Nebensprechen genannt und führt gegebenenfalls zu einer Überlagerung oder vollständigen Störung des eigentlich interessierenden Meßsignals.
Die damit verbundene Problematik wird insbesondere dann deutlich, wenn man sich vergegenwärtigt, daß bei dem Übergang von Ultraschallwellen zwischen zwei voneinander verschiedenen Medien für den Transmissionskoeffizienten unter Außerachtlassung von geometrischen Effekten gilt: T = 4 (z1 / z2)/(1 + z1 / z2)2.
Dabei stellen z1 und z2 die charakteristischen Impedanzen des ersten bzw. zweiten Mediums, zwischen denen der Übergang der Ultraschallwellen erfolgt, dar. Beim Übergang von Stahl in Luft liegt der zuvor genannte Transmissionskoeffizient T bei ca. 0,004 %. Dem entspricht, daß ein wesentlicher Teil der akustischen Energie, nämlich 99,996 %, verlorengeht. Ein maßgeblicher Teil dieser verlorengehenden Energie findet sich in der unerwünschten Kreuzkopplung wieder. Die Kreuzkopplung bestimmt somit in wesentlichem Maße das Signal-zu-Rausch-Verhältnis eines mit Ultraschallwellensendeund/oder -empfangsvorrichtungen arbeitenden Meßgeräts.
Dementsprechend ist die Aufgabe der Erfindung, eine Ultraschallwellsende- bzw. -empfangsvorrichtung anzugeben, mit der unerwünschte Kreuzkopplungen weitestgehend vermeidbar sind.
Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Ultraschallwandler und dem dem Ultraschallwandler abgewandten Bereich des Mantels ein Impedanzsprung vorgesehen ist.
Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Impedanzsprung wird somit ein Bereich des Mantels der Ultraschallwellensendevorrichtung erzielt, in dem von dem Ultraschallwandler ungewollt in den Mantel gelangte Ultraschallwellen stark abgeschwächt sind. Entsprechend wird bei einer erfindungsgemäßen Ultraschallwellenempfangsvorrichtung ein Bereich erzielt, in dem von dem Mantel der Ultraschallwellenempfangsvorrichtung erfaßte, zu dem Ultraschallwandler geleitete Ultraschallwellen stark abgeschwächt sind. In beiden Fällen müssen nämlich die Ultraschallwellen, die über den Mantel laufen, den Impedanzsprung passieren, einmal vom Ultraschallwandler herkommend und einmal zum Ultraschallwandler hinlaufend, wobei jeweils abhängig von der Größe des Impedanzsprungs eine Schwächung der Intensität der Ultraschallwellen im wesentlichen gemäß der oben angegebenen Formel für den Transmissionskoeffizienten erfolgt.
Ein solcher erfindungsgemäßer Impedanzsprung im Mantel des Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung kann auf verschiedene Weisen realisiert werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist z. B. vorgesehen, daß der Mantel im Abstand vom Ultraschallwandler angeordnet ist. Auf diese Weise wird direkt an dem dem Ultraschallwandler zugewandten Ende des Mantels ein Luftspalt realisiert, was, wie weiter oben unter Bezugnahme auf den Transmissionskoeffizienten ausgeführt, zu ganz erheblichen Dämpfungen führt. In diesem Zusammenhang ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Abstandsbereich mit einem von dem Material des Mantels und vom Material des Ultraschallwandlers verschiedenen Material gefüllt ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein geometrisch gleichmäßiger Übergang vom Ultraschallwandler auf den Mantel der Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung erforderlich ist, eine Ausnehmung also nicht zulässig ist.
Alternativ dazu ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung der Impedanzsprung in dem Mantel selbst vorgesehen. Dies ist z. B. dadurch realisierbar, daß der Impedanzsprung von einer Ausnehmung in dem Mantel gebildet wird. Dabei kann die Ausnehmung z. B. von einer Bohrung oder mehreren Bohrungen gebildet sein. Diese können lediglich Sackbohrungen aber auch durchgehende Bohrungen sein, die sich über die gesamte Dicke des Mantels erstrecken. Die Ausnehmung kann auch von einer, vorzugsweise umlaufenden, Nut gebildet sein. Auch bezüglich dieser Nut ist es möglich, daß sie sich über die gesamte Dicke des Mantels erstreckt, die Nut kann sich jedoch auch nur über einen Teil der Dicke des Mantels erstrecken. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang möglich, daß die Nut längs ihres Umfangs verschieden tief ist.
Grundsätzlich gilt auch bei der Ausbildung des Impedanzsprungs im Mantel selbst, nämlich durch eine in dem Mantel gebildete Ausnehmung, daß diese wenigstens teilweise mit einem von dem Material des Mantels und von dem Material des Ultraschallwandlers verschiedenen Material gefüllt sein kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung in einem Meßgerät verwendet, das ein ein Medium, wie ein Gas oder eine Flüssigkeit, enthaltendes bzw. führendes Behältnis aufweist. Als ein ein Medium enthaltendes bzw. führendes Behältnis kommen insbesondere ein Tank bzw. ein Rohr in Betracht. So ist z. B. als ein ein Medium führendes Behältnis ein Rohr für ein Ultraschalldurchflußmeßgerät denkbar. Bei einem solchen Meßgerät ist nun gemäß der bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß eine zuvor beschriebene Ultraschallwellensendevorrichtung oder/und eine zuvor beschriebene Ultraschallwellenempfangseinrichtung über dem dem Ultraschallwandler abgewandten Bereich des Mantels in der Wandung des Behältnisses befestigt ist. Im Falle einer Ultraschallwellensendevorrichtung steht somit nur der Teil des Mantels mit der Wandung in Kontakt, in dem die Ultraschallwellen schon wesentlich abgeschwächt sind. Die unerwünschte, über die Wandung des Behältnisses erfolgende Kreuzkopplung ist somit stark verringert. Andererseits mag im Falle einer Ultraschallwellenempfangsvorrichtung über die Wandung des Behältnisses eine Einkopplung von Ultraschallwellen über Kreuzkopplung in den Bereich des Mantels erfolgen, über den die Ultraschallwellenempfangsvorrichtung in der Wandung des Behältnisses befestigt ist. Aufgrund des Impedanzsprungs jedoch, der diesen Bereich von dem Bereich trennt, der zum Ultraschallwandler hin führt, wird von diesem nur ein wesentlich verringerter Kreuzkopplungsanteil detektiert werden.
Grundsätzlich ist es möglich, die Ultraschallwellensendevorrichtung oder/und die Ultraschallwellenempfangsvorrichtung direkt in der Wandung des Behältnisses zu befestigen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist jedoch vorgesehen, daß zur Befestigung der Ultraschallwellensendevorrichtung oder/und der Ultraschallwellenempfangsvorrichtung ein Flansch vorgesehen ist, wobei eine zusätzliche Dämpfung der Kreuzkopplung dadurch erreichbar ist, daß zwischen dem Flansch und dem Mantel der Ultraschallwellensendevorrichtung bzw. der Ultraschallwellenempfangsvorrichtung ein Dämpfungsring vorgesehen ist. Bei der Wahl des Materials für den Dämpfungsring sollte wiederum darauf geachtet werden, daß ein möglichst großer Impedanzsprung auftritt. Da der Mantel der Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung typischerweise aus einem Metall hergestellt ist und die Wandung des Behältnisses typischerweise ebenfalls aus Metall ist, kommen für den Dämpfungsring typischerweise Kunststoff- oder Gummimaterialien in Betracht.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt
Fig.1
eine Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich mit einer herkömmlichen Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung,
Fig. 2
eine Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3
Modifikationen der Ausnehmung in dem Mantel der Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß dem ersten bzw. dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 4
eine Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 5
eine Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 6
den Einbau von Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtungen gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in ein Meßrohr eines Ultraschallwellendurchflußmeßgeräts und
Fig. 7
die Anordnung der Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Wandung eines Behältnisses über einen Dämpfungsring.
Aus Fig. 1 ist eine Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich mit einer herkömmlichen Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung ersichtlich. Die in Fig. 1 rechts dargestellte Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen Ultraschallwandler 1, einen Ultraschallwellenleiter 2 und einen Mantel 3 auf, der den Ultraschallwellenleiter 2 umgibt. Der Ultraschallwellenleiter 2 besteht aus einer dünnen zusammengerollten Metallfolie, deren Dicke bei ca. 0,1 mm liegt und deren Enden 4 plangedreht und verschweißt sind. Zur Befestigung der Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an den Mantel 3 ein Flansch 5 angeschweißt. Über diesen Flansch 5 läßt sich die Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie in Fig. 1 nicht weiter dargestellt, z. B. an einem an einem Meßrohr befestigten Anschlußflansch fixieren. Der Mantel 3 ist, wie der Ultraschallwellenleiter 2, aus einem Metall. In dem Mantel 3 ist oberhalb des Flansches 5, also in einem dem Ultraschallwandler 1 zugewandten Bereich des Mantels 3, eine Ausnehmung 6 vorgesehen. Diese Ausnehmung 6 ist als umlaufende Nut 3 ausgeführt und erstreckt sich über die gesamte Dicke des Mantels 3.
Bei der in Fig. 1 links dargestellten herkömmlichen Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung ist keine solche Ausnehmung vorgesehen, wobei der Aufbau der herkömmlichen Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung ansonsten praktisch gleich ist. Aufgrund der bei der Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehenen Ausnehmung 6 wird jedoch ein vollständig anderes Verhalten der Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung bezüglich von dem Ultraschallwandler 1 in den Mantel 3 eingekoppelter Ultraschallwellen erzielt.
Wie nämlich mit Pfeilen angedeutet, können bei der herkömmlichen Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung in den Mantel 3 eingekoppelte Ultraschallwellen direkt über den Flansch 5 in die nicht weiter dargestellte Wandung des Meßrohrs, in das die Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung eingebaut ist, übertragen werden. Im Gegensatz dazu ist dieser direkte Weg über den an den Ultraschallwandler 1 angrenzenden Mantel 3 bei der Ultraschallwellen- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgrund der Ausnehmung 6 im Mantel 3 im wesentlichen verwehrt. Ultraschallwellen können somit nur über den Flansch 5 in die nicht weiter dargestellte Wandung des Meßrohres gelangen, indem sie den Ultraschallwellenleiter 2 vollständig durchlaufen und an seinem dem Ultraschallwandler 1 abgewandten Ende 4 in den Mantel 3 einkoppeln, um dann nach dem Zurücklaufen im Mantel 3 in Richtung auf den Ultraschallwandler 1 zu schließlich in den Flansch 5 einzukoppeln. Auf diese Weise ist einerseits die Intensität der über den Flansch 5 in das Meßrohr eingekoppelten Ultraschallwellen wesentlich geringer, andererseits ist jedoch auch die Laufstrecke der die Kreuzkopplung bewirkenden Ultraschallwellen auf diese Weise wesentlich länger, so daß das von der Kreuzkopplung herrührende Störsignal zeitlich wesentlich nach dem eigentlichen Meßsignal erwartet werden kann, das direkt von der Ultraschallwellensendevorrichtung zu der Ultraschallwellenempfangsvorrichtung läuft. Auf diese Weise ist die Diskriminierung des Meßsignals gegenüber Störungen wesentlich erleichtert.
Aus Fig. 2 ist nun eine Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Diese entspricht in ihrem Aufbau im wesentlichen der aus Fig. 1 ersichtlichen Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bis auf die Tatsache, daß die Ausnehmung 6 mit einem Material 7 gefüllt ist, daß von dem Material des Mantels 3 sowie von dem Material des Ultraschallwandlers 1 verschieden ist. Vorliegend ist zur Füllung der Ausnehmung 6 ein Kunststoffinaterial gewählt worden.
Aus Fig. 3 sind weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten für die Ausnehmungen 6 im Mantel 3 der Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtungen dargestellt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, kann die Ausnehmung 6 nämlich in Form von Bohrungen, in Form einer schräg verlaufenden Nut über einen Teilumfang des Mantels 3 oder aber auch in Form einer schräg verlaufenden Nut vorgesehen sein, die über den gesamten Umfangsbereich des Mantels 3 verläuft.
Aus den Fig. 4 und 5 sind nun Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtungen gemäß einem dritten bzw. vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. In beiden Fällen ist vorgesehen, daß der Impedanzsprung nicht im Mantel 3 der Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung selbst, sondern zwischen dem Ultraschallwandler 1 und dem Mantel 3 vorgesehen ist. In beiden Fällen reicht der Mantel 3 nämlich nicht bis zum Ultraschallwandler 1, ist also vom Ultraschallwandler 1 im Abstand angeordnet. Dabei ist die aus Fig. 5 ersichtliche vierte bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung insofern vorteilhaft, als daß der weiter heraufgezogene Mantel 3 einen besseren Schutz des dem Ultraschallwandler 1 zugewandten Endes 4 des Ultraschallwellenleiters 2 sowie des Ultraschallwandlers 1 selbst bietet.
Aus Fig. 6 ist ersichtlich, wie Ultraschallwellen- bzw. -empfangsvorrichtungen gemäß dem weiter oben beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in ein Meßrohr 8 eines Ultraschallwellendurchflußmeßgeräts eingebaut sind, nämlich jeweils über einen Anschlußflansch 9. In Fig. 6 ist gezeigt, daß der Weg der die Kreuzkopplung ausmachenden Ultraschallwellen von dem einen Ultraschallwandler 1 über den Flansch 5 der Ultraschallwellensendevorrichtung, den einen Anschlußflansch 9, die Wandung 10 des Meßrohres 8, den anderen Anschlußflansch 9, den Flansch 5 der Ultraschallwellenempfangsvorrichtung bis zu dem anderen Ultraschallwandler 1 wesentlich länger ist, als der direkte Weg über die den jeweiligen Ultraschallwandlern 1 abgewandten Enden 4 der Ultraschallwellenleiter 2 der Ultraschallwellensendevorrichtung bzw. der Ultraschallwellenempfangsvorrichtung. Aus diesem Grund treffen die der Kreuzkopplung entsprechenden Ultraschallwellen zeitlich deutlich nach dem eigentlichen Meßsignal ein, so daß das Meßsignal verhältnismäßig leicht gegenüber der Kreuzkopplung diskriminiert werden kann, wenn ein Pulsbetrieb gewählt wird.
Aus Fig. 7 ist ersichtlich, wie eine Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung gemäß dem weiter oben beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung über einen Dämpfungsring 11 in die Wandung 12 eines Behältnisses eingebaut ist. Der Dämpfungsring 11 ist vorliegend aus einem Gummimaterial ausgebildet, so daß eine zusätzlich Dämpfung der die Kreuzkopplung ausmachenden Ultraschallwellen erfolgt.

Claims (9)

  1. Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung, mit einem Ultraschallwandler (1), einem Ultraschallwellenleiter (2) und einem Mantel (3), wobei der Ultraschallwellenleiter (2) innerhalb des Mantels (3) angeordnet ist, der Ultraschallwandler (1) an einem Ende (4) des Ultraschallwellenleiters (2) angeordnet ist und von dem Ultraschallwandler (1) an diesem Ende (4) des Ultraschallwellenleiters (2) Ultraschallwellen auf diesen übertragbar bzw. von diesem empfangbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ultraschallwandler (1) und dem dem Ultraschallwandler (1) abgewandten Bereich des Mantels (3) ein Impedanzsprung vorgesehen ist.
  2. Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (3) im Abstand vom Ultraschallwandler (1) angeordnet ist.
  3. Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsbereich mit einem vom Material des Mantels (3) und vom Material des Ultraschallwandlers (2) verschiedenen Material gefüllt ist.
  4. Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzsprung von einer Ausnehmung (6) in dem Mantel (3) gebildet ist.
  5. Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (6) von wenigstens einer Bohrung gebildet ist.
  6. Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (6) von einer, vorzugsweise umlaufenden, Nut gebildet ist.
  7. Ultraschallwellensende- bzw. -empfangsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (6) wenigstens teilweise mit einem von dem Material des Mantels (3) und vom Material des Ultraschallwandlers (1) verschiedenen Material (7) gefüllt ist.
  8. Meßgerät, mit einem ein Medium enthaltenden bzw. führenden Behältnis, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultaschallwellensendevorrichtung oder/und eine Ultraschallwellenempfangsvorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 7 über den dem Ultraschallwandler (1) abgewandten Bereich des Mantels (3) in der Wandung (8, 12) des Behältnisses befestigt ist.
  9. Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung der Ultraschallwellensendevorrichtung oder/und der Ultraschallwellenempfangsvorrichtung ein Flansch (9) vorgesehen ist und zwischen dem Flansch (9) und dem Mantel (3) der Ultraschallwellensendevorrichtung bzw. der Ultraschallwellenempfangsvorrichtung ein Dämpfungsring (11) vorgesehen ist.
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