EP1493302B1 - Schall- oder ultraschallsensor - Google Patents

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EP1493302B1
EP1493302B1 EP03724986A EP03724986A EP1493302B1 EP 1493302 B1 EP1493302 B1 EP 1493302B1 EP 03724986 A EP03724986 A EP 03724986A EP 03724986 A EP03724986 A EP 03724986A EP 1493302 B1 EP1493302 B1 EP 1493302B1
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EP
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sound
matching layer
ultrasound
piezoelectric element
floor
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Rolf Deserno
Helmut Pfeiffer
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Endress and Hauser SE and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the invention relates to a sound or ultrasonic sensor for transmitting and / or receiving sound or ultrasound.
  • Ultrasonic sensors are used e.g. used as transmitter and / or receiver for distance measurement according to the echosounding principle, in particular for measuring a filling level, e.g. in a container, or to measure a level, e.g. in a channel or on a conveyor belt.
  • An emitted by the sonic or ultrasonic sensor pulse is reflected at the surface of the filling.
  • the duration of the pulse from the sensor to the surface and back is determined and used to determine the fill level or fill level.
  • Such sonic or ultrasonic sensors are used in many industries, e.g. used in the food industry, the water and wastewater sector and in chemistry.
  • the sensors In almost all applications, it is necessary that the sensors have a radiation characteristic with a small opening angle of a main sound lobe and simultaneously low side lobes.
  • the opening angle of the sensor is essentially determined by the diameter of the front surface and the frequency.
  • the sine of the opening angle of the radiated sound lobe behaves as the quotient of the wavelength of the radiated sound or ultrasonic wave and the diameter of the front surface of the radiating element. In order to obtain a sound beam with a small opening angle, therefore, a large diameter is used.
  • the ring and the piezoelectric element thereby form a uniformly vibrating vibration structure.
  • the opening angle of the sound lobe is therefore here the larger outer diameter of the ring and not the diameter of the piezoelectric element.
  • sound and ultrasound pulses can be transmitted and received by the housing wall when the housing wall resonates with it. This can lead to false echoes.
  • the sound or ultrasound can also be transmitted as structure-borne noise to the housing and, moreover, to a holder of the sensor and possibly even to other components at the place of use. This can also lead to significant interference signals.
  • the matching layer has an annular peripheral groove on its outer edge on its side facing away from the bottom.
  • the groove has a depth at which a coupling to the housing is low.
  • a damping material is provided in the housing.
  • Advantages of the invention are that there is practically no transmission of sound or ultrasound to the housing. Corresponding interference signals therefore practically no longer occur.
  • an effective diameter of the radiating surface which is relevant for determining the aperture angle of the radiation characteristic is almost equal to the diameter of the matching layer.
  • a bottom side of the matching layer has a waveform that corresponds to a Gaussian line over almost the entire diameter. Accordingly, the opening angle is small.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section through a sound or ultrasonic sensor according to the invention for transmitting and / or receiving sound or ultrasound.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section through the piezoelectric element and the matching layer of Fig. 1 ,
  • the sonic or ultrasonic sensor has a cup-shaped housing 1, which is closed off by a bottom 3.
  • the housing 1 is made of a plastic, e.g. made of polypropylene.
  • a piezoelectric element 5 is arranged, which serves for the generation and / or recording of sound or ultrasound through the bottom 3 therethrough.
  • a matching layer 7 is arranged in front of the piezoelectric element 5 of a plastic having a mean acoustic impedance.
  • plastic e.g. an epoxy resin suitable.
  • the piezoelectric element 5 is disk-shaped.
  • the matching layer 7 is likewise disc-shaped and is located between the piezoelectric element 5 and the bottom 3 of the housing 1.
  • the matching layer 7 preferably has a thickness which corresponds to one quarter of the wavelength of the generated sound or ultrasound waves.
  • the matching layer 7 is surrounded by a metallic ring 9, which surrounds the matching layer 7 in a form-fitting manner.
  • the ring 9 consists e.g. made of brass. It stabilizes the matching layer 7 at its outer edge and causes vibrations of the matching layer 7 are virtually no longer transferred to the housing 1.
  • the fixed clamping of the matching layer 7 at its edge by the ring 9 prevents the matching layer 7 in an outer edge region from deforming.
  • the fitting layer 7 therefore preferably has an annular peripheral groove 11 at its outer edge on its side facing away from the ground.
  • An outer lateral boundary of the groove 11 can, as in Fig. 1 shown to be part of the matching layer 7.
  • the ring 9 may form the outer lateral boundary of the groove 11.
  • the groove 11 therefore preferably has a maximum depth at which a coupling to the housing 1 is low.
  • the matching layer 7 for example, a diameter of about 50 mm and the groove 11 has a width of for example about 5 mm.
  • An optimal depth of the groove 11 is approximately 5 mm in this embodiment.
  • a damping material 13 is therefore preferably provided in the housing 1.
  • the damping material 13 is e.g. a potting, for example, a silicone gel, which fills the housing 1.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schall- oder Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schall- oder Ultraschall. Ultraschallsensoren werden z.B. als Sender und/oder Empfänger zur Entfernungsmessung nach dem Echolotprinzip verwendet, insb. zur Messung eines Füllstands, z.B. in einem Behälter, oder zur Messung einer Füllhöhe, z.B. in einem Gerinne oder auf einem Förderband.
  • Ein vom Schall- oder Ultraschallsensor ausgesendeter Impuls wird an der Oberfläche des Füllgutes reflektiert. Die Laufzeit des Impulses vom Sensor zur Oberfläche und zurück wird ermittelt und daraus der Füllstand bzw. die Füllhöhe bestimmt.
  • Derartige Schall- oder Ultraschallsensoren werden in vielen Industriezweigen, z.B. in der Lebensmittelindustrie, der Wasser- und Abwasserbranche und in der Chemie, eingesetzt.
  • In fast allen Anwendungsbereichen ist es erforderlich, daß die Sensoren eine Abstrahlcharakteristik mit einem geringen Öffnungswinkel einer Hauptschallkeule und gleichzeitig geringen Nebenschallkeulen aufweisen.
  • Der Öffnungswinkel des Sensor ist im wesentlichen durch den Durchmesser der Frontfläche und die Frequenz bestimmt. Dabei verhält sich der Sinus des Öffnungswinkels der abgestrahlten Schallkeule wie der Quotient aus der Wellenlänge der abgestrahlten Schall- oder Ultraschallwelle und dem Durchmesser der Frontfläche des Abstrahlelements. Um eine Schallkeule mit kleinem Öffnungswinkel zu erhalten, ist daher ein großer Durchmesser zu verwenden.
  • Andererseits erreicht man eine gute Abstrahlcharakteristik mit geringen Nebenkeulen durch eine Biegeform eines abstrahlenden Elements, deren Amplitudenverteilung nahezu einer Gaußfunktion entspricht und bei der außerdem die Phase der Schwingung über die gesamte Fläche gleich ist. Je größer die Halbwertsbreite dieser Gaußkurve ist, umso schmaler wird die Haupkeule sein. Es gilt also eine Schwingungsform zu erzeugen, bei der die zur Verfügung stehenden abstrahlende Fläche optimal genutzt wird.
  • In der DE-(4311963 ist ein Schall- oder Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schall- oder Ultraschall beschrieben mit
    • einem piezoelektrischen Element zur Erzeugung und/oder Aufnahme von Schall oder Ultraschall durch den Boden hindurch,
    • einer Anpaßschicht zwischen dem piezoeelektrischen Element und dem Boden, und
    • einem metallischen Ring der das piezoelektrische Element kraft- und formschlüssig umgreift.
  • Der Ring und das piezoelektrische Element bilden dabei ein einheitlich schwingendes Schwingungsgebilde. Bei der Berechnung des Öffnungswinkels der Schallkeule geht daher hier der größere Außendurchmesser des Rings und nicht der Durchmesser des piezoelektrischen Elements ein.
  • Desweiteren ist in der DE-C 43 23 134 ein Ultraschallschwinger beschrieben, bei dem ein metallischer Ring konzentrisch zum piezoeelektrischen Element auf einer Anpaßungsschicht berührungsfrei angeordnet ist, um die Abstrahlung eines Schallstrahles mit enger Sendekeule zu erreichen.
  • Zusätzlich gilt es aber auch, Schall- oder Ultraschallschwingungen von seitlichen Gehäuseteilen fern zu halten. Zum einen können bei einem Mitschwingen der Gehäusewand von dieser selbst Schall- oder Ultraschallimpulse ausgesendet und empfangen werden. Dies kann zu Störechos führen. Zum anderen kann der Schall- oder Ultraschall auch als Körperschall auf das Gehäuse und darüber auf eine Halterung des Sensors und gegebenenfalls sogar auf weitere Bauteile am Einsatzort übertragen werden. Dies kann ebenfalls zu erheblichen Störsignalen führen.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Schall- oder Ultraschallsensor anzugeben, der eine Abstrahl-charakteristik mit einem vorzugsweise geringen Öffnungswinkel aufweist und möglichst wenig Störsignale erzeugt.
  • Hierzu besteht die Erfindung in einem Schall- oder Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schall- oder Ultraschall
    • mit einem von einem Boden topfförmig abgeschlossenen Gehäuse,
    • einem piezoelektrischen Element zur Erzeugung und/oder Aufnahme von Schall oder Ultraschall durch den Boden hindurch,
    • einer Anpaßschicht zwischen dem piezoeelektrischen Element und dem Boden, und
    • einem metallischen Ring der die Anpaßschicht
    formschlüssig umgreift.
  • Gemäß einer Weiterbildung weist die Anpaßschicht an deren äußerem Rand auf deren bodenabgewandten Seite eine ringförmig umlaufende Nut auf.
  • Gemäß einer Weiterbildung weist die Nut eine Tiefe auf, bei der eine Ankopplung an das Gehäuse gering ist.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist in dem Gehäuse ein Dämpfungsmaterial vorgesehen.
  • Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß praktische keine Übertragung von Schall bzw. Ultraschall auf das Gehäuse erfolgt. Entsprechende Störsignale treten daher praktisch nicht mehr auf.
  • Gleichzeitig ist durch die Nut sichergestellt, daß ein effektiver für die Bestimmung des Öffnungswinkel der Abstrahlcharaktristik relevanter Durchmesser der abstrahlenden Fläche nahezu gleich dem Durchmesser der Anpaßschicht ist. Eine Bodenseite der Anpaßschicht besitzt eine Schwingungsform, die einer Gaußlinie über nahezu den gesamten Durchmesser entspricht. Entsprechend ist der Öffnungswinkel gering. Es findet eine gut gebündelte gerichtete Abstrahlung statt. Die Gefahr von Streusignalen und Reflektionen, z.B. an Wänden von Behältern, in denen der Sensor eingebaut ist, ist daher gering.
  • Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
    • Fig. 1
    zeigt einen Längsschnitt durch einen Schall- oder Ultraschallsensor;
    und
    Fig. 2
    zeigt einen Längsschnitt durch das piezoelektrische Element und die Anpaßschicht von Fig. 1.
  • Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Schall- oder Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schall oder Ultraschall. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch das piezoelektrische Element und die Anpaßschicht von Fig. 1.
  • Der Schall- oder Ultraschallsensor weist ein topfförmiges Gehäuse 1 auf, das von einem Boden 3 abgeschlossenen ist.
  • Das Gehäuse 1 besteht aus einem Kunststoff, z.B. aus Polypropylen. In dem Gehäuse 1 ist ein piezoelektrisches Element 5 angeordnet, das zur Erzeugung und/oder Aufnahme von Schall oder Ultraschall durch den Boden 3 hindurch dient.
  • Da sich die akustische Impedanz des Mediums, in das der Schall oder Ultraschall auszusenden ist, z.B. Luft, und die des piezoelektrischen Elements 5 sehr stark unterscheiden, ist vor dem piezoelektrischen Element 5 eine Anpaßschicht 7 aus einem Kunststoff mit mittlerer akustischer Impedanz angeordnet. Als Kunststoff ist z.B. ein Epoxidharz geeignet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das piezoelektrische Element 5 scheibenförmig. Die Anpaßschicht 7 ist ebenfalls scheibenförmig und befindet sich zwischen dem piezoelektrischen Elment 5 und dem Boden 3 des Gehäuses 1.
  • Um eine möglichst gute Anpassung und damit einen möglichst hohen Schalldruck zu erzielen weist die Anpaßschicht 7 vorzugsweise eine Dicke auf, die einem viertel der Wellenlänge der erzeugten Schall- oder Ultraschalwellen entspricht.
  • Die Anpaßschicht 7 ist von einem metallischen Ring 9 umgeben, der die Anpaßschicht 7 formschlüssig umgreift. Der Ring 9 besteht z.B. aus Messing. Er stabilisiert die Anpaßschicht 7 an deren äußerem Rand und bewirkt, daß Schwingungen der Anpaßschicht 7 praktisch nicht mehr auf das Gehäuse 1 übertragen werden.
  • Störungen, die bei herkömmlichen Sensoren durch das Gehäuse vermittelt und/oder übertragen werden, treten hier praktisch nicht mehr auf.
  • Die feste Einspannung der Anpaßschicht 7 an deren Rand durch den Ring 9 hindert die Anpaßschicht 7 jedoch in einem äußeren Randbereich daran, sich zu verformen.
  • Um dennoch die angestrebte Gaußsche Biegelinie mit einer möglichst großen Halbwertsbreite zu erhalten, weist die Anpaßschicht 7 daher an deren äußerem Rand auf deren bodenabgewandten Seite vorzugsweise ein ringförmig umlaufende Nut 11 auf. Eine äußere seitliche Begrenzung der Nut 11 kann dabei, wie in Fig. 1 dargestellt, Bestandteil der Anpaßschicht 7 sein. Ebenso kann aber auch der Ring 9 die äußere seitliche Begrenzung der Nut 11 bilden.
  • Untersuchungen haben gezeigt, daß die Halbwertsbreite der Abstrahlfläche mit zunehmender Tiefe T der Nut ansteigt. Hinsichtlich einer Ankopplung an das Gehäuse 1 weist die Tiefe jedoch ein Optimum auf. Die Nut 11 weist daher vorzugsweise eine maximale Tiefe auf, bei der eine Ankopplung an das Gehäuse 1 gering ist.
  • Nachfolgend ist ein Beispiel für Abmessungen der Komponenten eines erfindungsgemäßen Schall- oder Ultraschallsensor angegeben. Bei einem piezoelektrischen Element 5 mit einem Durchmesser von ca. 40 mm weist die Anpaßschicht 7 beispielsweise einen Durchmesser von ca. 50 mm auf und die Nut 11 hat eine Breite von beispielsweise ca. 5 mm. Eine optimale Tiefe der Nut 11 beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel ca. 5 mm.
  • Bei einem Schall- oder Ultraschallsensor, der nicht nur als Sender, sondern auch als Empfänger genutzt wird, ist es wichtig, daß eine einmal angeregte Sendeschwingung schnell abklingt. Erst nach einem vollständigen Abklingen der Sendeschwingung ist der Schall- oder Ultraschallsensor empfangsbereit. Um ein schnelles Abklingen der Sendeschwingung zu erzielen ist in dem Gehäuse 1 daher vorzugsweise ein Dämpfungsmaterial 13 vorgesehen. Das Dämpfungsmaterial 13 ist z.B. ein Verguß, beispielsweise ein Silikongel, der das Gehäuse 1 ausfüllt.

Claims (4)

  1. Schall- oder Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schall oder Ultraschall
    - mit einem von einem Boden (3) topfförmig abgeschlossenen Gehäuse (1),
    - einem piezoelektrischen Element (5) zur Erzeugung und/oder Aufnahme von Schall oder Ultraschall durch den Boden (3) hindurch,
    - einer Anpaßschicht (7) zwischen dem piezoeelektrischen Element (5) und dem Boden (3), und
    - einem metallischen Ring (9), der die Anpaßschicht (7) formschlüssig umgreift.
  2. Schall oder Ultraschallsensor nach Anspruch 1, bei dem die Anpaßschicht (7) an deren außerem Rand auf deren bodenabgewandten Seite ein ringförmig umlaufende Nut (11) aufweist.
  3. Schall oder Ultraschallsensor nach Anspruch 2, bei dem die Nut (11) eine Tiefe (T) aufweist, bei der eine Ankopplung an das Gehäuse (1) gering ist.
  4. Schall oder Ultraschallsensor nach Anspruch 1, bei dem ein Dämpfungsmaterial (13) in dem Gehäuse (1) vorgesehen ist.
EP03724986A 2002-04-11 2003-04-09 Schall- oder ultraschallsensor Expired - Lifetime EP1493302B1 (de)

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DE10216037 2002-04-11
DE10216037A DE10216037A1 (de) 2002-04-11 2002-04-11 Schall-oder Ultraschallsensor
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