EP2223056A1 - Ultraschallwandler zur bestimmung und/oder überwachung eines durchflusses eines messmediums durch ein messrohr - Google Patents

Ultraschallwandler zur bestimmung und/oder überwachung eines durchflusses eines messmediums durch ein messrohr

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Publication number
EP2223056A1
EP2223056A1 EP08862073A EP08862073A EP2223056A1 EP 2223056 A1 EP2223056 A1 EP 2223056A1 EP 08862073 A EP08862073 A EP 08862073A EP 08862073 A EP08862073 A EP 08862073A EP 2223056 A1 EP2223056 A1 EP 2223056A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
matching layer
thickness
piezoelectric element
ultrasonic transducer
coupling element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08862073A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Berger
Achim Wiest
Frank Wandeler
Michal Bezdek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP2223056A1 publication Critical patent/EP2223056A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details

Definitions

  • Ultrasonic transducer for determining and / or monitoring a flow of a measuring medium through a measuring tube
  • the present invention relates to an ultrasonic transducer for determining and / or monitoring a flow of a measuring medium through a measuring tube having at least one piezoelectric element, at least one coupling element and at least one matching layer between the piezoelectric element and the coupling element.
  • Ultrasonic flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple way to determine the volume flow in a pipeline without contact,
  • the known ultrasonic flowmeters often work after the Doppler or after the transit time difference principle.
  • ultrasonic impulses are sent both in and against the flow.
  • the runtime difference can be used to determine the flow velocity and, with a known diameter of the pipe section, the volume flow rate.
  • the Uitraschallwandler normally consist of a piezoelectric element, also called piezo for short, and a coupling element, Koppeikeil or more rarely
  • the adaptation layer assumes the function of the transmission of the ultrasonic signal and at the same time the reduction of a reflection caused by different acoustic impedances at boundary layers between two materials.
  • DE2537788A1 and DE3832947A1 describe an adaptation layer made of a plastic which is filled with hollow glass spheres.
  • this matching layer has an impedance which lies between the impedance of the piezoelectric element and the impedance of the measuring medium.
  • the adaptation layer has a Thickness of a quarter of the characteristic wavelength ⁇ of the ultrasonic signal, which is emitted from the piezoelectric element.
  • Coupling element For common impedances of about 30 MRayl for the piezo and about 3 MRayl for the coupling element results in an impedance for the matching layer of 9 to 10 MRayl. Materials used today, such as glass with 11 to 14 MRayl or aluminum with about 17 MRayl are relatively close to the calculated optimum.
  • DE4028315A1 discloses a stack of several
  • Adaptation layers proposed one above the other.
  • the individual layers can have thicknesses smaller than the wall-own wavelength ⁇ w and different
  • Damping body attached also called backing, which dampens the vibration on the back of the piezos.
  • vibration energy is withdrawn, which thus can not be fed to the measurement.
  • the composite of Radiaischwinger and matching layers performs a thickness vibration whose natural resonance is said transducer own wavelength.
  • the object of the invention is to propose an ultrasonic transducer for determining and / or monitoring a flow of a measuring medium through a measuring tube with high sensitivity and improved bandwidth.
  • an ultrasonic wall sensor for determining and / or monitoring a flow of a measuring medium through a measuring tube which has at least one piezoelectric element, at least one coupling element and at least one matching layer between piezoeiektharim element and coupling element, wherein the matching layer has a thickness less than a quarter of an odd integer has multiples of a wavelength of an ultrasound signal used.
  • the thickness of the matching layer is less than one quarter of a wavelength ⁇ of an ultrasonic signal used.
  • a damping body on the back of the piezoelectric element is thus not absolutely necessary.
  • Both the thicknesses of the individual adaptation layers ⁇ are smaller -, as well as the sum of the thicknesses of the individual layers, so the
  • the adhesive layers are conventionally not used for adaptation or regarded as not relevant. According to the invention, adhesive layers also serve as adaptation layers. This happens both in the commonly used materials, e.g. Epoxy resin, as well as specially developed for this purpose potting compounds.
  • Epoxy resin e.g. Epoxy resin
  • the optimum for the thickness of an adaptation layer surrounded by adhesive shifts due to the presence of the surrounding layers. The effective strength of the adjustment layer is influenced by this.
  • the layers are relatively small in wavelength.
  • the wavefront emerging from the piezo is assumed to be approximately perpendicular to the matching layers.
  • the reflections of the ultrasound and the associated phase jumps no longer take place sharply at the boundaries of the individual layers. Also, by the bonding material properties in the edge regions of the individual layers can be changed.
  • the adaptation layer consists of a material which is suitable for casting.
  • the material is additionally suitable for frictionally connecting surfaces, ie for gluing them together.
  • a single adaptation layer of castable material has, in addition to the manufacturing advantages and the above-mentioned process advantages, above all mechanical advantages.
  • Residual stresses during production are low and due to adjustable heat transfer and thermal expansion coefficients are stresses due to temperature-induced expansions.
  • the special potting material preferably has an acoustic impedance of less than 15 MRayi, in particular less than 12 MRayl, in particular less than 10 MRayl.
  • the acoustic impedance is at least 2 MRay !, in particular at least 5 MRayl, in particular at least 7 MRayl.
  • the impedances always depend on the selected piezoelectric element, preferably with 25-35 MRayi, and the coupling element with an impedance of 1-10 MRayl, in particular 2-5 MRayl.
  • the matching layer consists of a castable material.
  • a further advantageous embodiment of the ultrasonic transducer according to the invention provides that spacers are arranged between the coupling element and the piezoelectric element, which produce a distance of the coupling element to the piezoelectric element, which corresponds to the thickness of the matching layer of the castable material.
  • the Uitraschailsensor has three matching layers, wherein the thickness of the first matching layer is smaller than one-fifth of an odd integer multiple of a wavelength of the Uitraschalisignals used, the thickness of the second Matching layer is smaller than a sixth of an odd integer multiple of a wavelength of the ultrasonic signal used and wherein the thickness of the third matching layer is smaller than one fifth of an odd integer multiple of a wavelength of the ultrasonic signal used, wherein the first matching layer consists of a moldable material and the piezoelectric element connects with the second matching layer and wherein the third matching layer is made of a castable material and connects the coupling element with the second matching layer.
  • the ultrasonic sensor has three matching layers, the thickness of the first matching layer being less than one fifth of a wavelength of the ultrasound signal used, the thickness of the second matching layer being less than one sixth of a wavelength of the ultrasound signal used and wherein the thickness of the third matching layer is less than one fifth of a wavelength of the ultrasound signal used, wherein the first matching layer is made of a castable material and connects the piezoelectric element to the second matching layer and wherein the third matching layer is made of a castable material and the coupling element with the second adaptation layer connects.
  • the thickness of the first and third matching layers is less than one fifth of a wavelength of the ultrasound signal used, in particular less than or approximately equal to one sixth.
  • An inventive minimum of the ⁇ first and the third matching layer is - in particular, it is
  • the speed of sound in the material used of the two layers is approximately equal and is between 1800 m / s and 2800 m / s, in particular it is about 2300 m / s. At 5 MHz, for example, optimum layer thicknesses of 0.05 to 0.08 mm result.
  • the thickness of the second matching layer is less than one sixth of a wavelength of the ultrasound signal used, in particular less than one seventh, preferably it is approximately one-eighth. At least she is - fat, in particular
  • a further advantageous development of the ultrasonic wall converter according to the invention consists in that spacers are arranged between the piezoelectric element and the second adaptation layer, which produce a distance between the piezoelectric element and the second adaptation layer, the distance corresponding to the thickness of the first adaptation layer made of the castable material.
  • a further advantageous development of the Uitraschallwandlers invention is the fact that between the coupling element and the second adjustment layer spacers are arranged which establish a distance of the coupling element to the second matching layer, wherein the distance of the thickness of the third matching layer of the castable material corresponds.
  • the ultrasonic transducer is a thickness oscillator.
  • the operating frequency is usually the thickness resonance frequency of the piezoceramic disk, which is determined inter alia by the dimensions of the piezoceramic disk.
  • a piezoelectric element referred to as a rocker, thus varies in thickness during transmission.
  • the vibratory system which consists inter alia of piezoelectric element and / or matching layer and / or coupling element as Thick vibrator called.
  • an ultrasonic transducer works with a piezoceramic, which is excited to radial vibrations, usually in the amount of the radial resonance frequency of the piezo, in the so-called radial mode or in radial mode.
  • the piezoelectric element oscillates for at least two oscillation periods.
  • the piezoelectric element In contrast to pulsed operation, where a pulse is generated only by a voltage peak discharge, which rapidly fades away, the piezoelectric element emits at least two full waves, i. it is excited to at least two oscillations each of a period or at least one oscillation with two periods. This is preferably done by applying a voltage over a corresponding time to the electrodes of the piezo. This voltage transforms the piezo to equal frequency, i. with the frequency of the applied AC voltage periodic, oscillations. Such successive vibration packets may include several oscillations according to the invention.
  • the ultrasonic transducer operates according to the transit time method.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of an inventive
  • Ultrasonic transducer with several adaptation layers shows a schematic sectional view of an inventive
  • Ultrasonic transducer with an adapter shaft made of castable material.
  • an inventive ultrasonic transducer 1 is shown. It comprises a piezoelectric element 2 and a coupling element 3. Between the piezoelectric element 2 and the coupling element 3, three adaptation layers 4 ', 4 ", 4'" are arranged.
  • Ultrasonic radiation which corresponds for example to a thickness of about 0.08 mm.
  • the middle matching layer 4 "has a thickness of approximately -, for example 0.12 mm.
  • the average sound velocity in the matching layer 4 " which consists of a glass or aluminum, is approximately 5600 m / s, whereas in the matching layers 4 'and 4'", for example made of an epoxy resin, average sound velocities of approximately 2300 m / s prevail.
  • the adaptation layers 4 'and 4' in addition to the known functions of the adjustment of the ultrasonic signal and the mechanical adjustment additionally take on the task of non-positive connection of piezo 2, Voriauf stresses 3 and fixed matching layer 4".
  • FIG. 2 shows an ultrasonic transducer 1 according to the invention with only one matching layer 4 between the piezoelectric element 2 and the coupling element 3.
  • the thickness of the matching layer is less ais -, in accordance with the invention
  • Matching layer 4 of about 3100 m / s are about 0.12 mm.
  • the material of the matching layer 4 is a material that is suitable for casting. In addition, the material is suitable, the opposite surfaces of Piezo 2 and coupling element 3 with each other.
  • the potting or the adaptation layer 4 is not made of pure epoxy resin, but it is an adhesive that has embedded particles or particles in which the scarf! can spread very quickly. Hence the speed of sound, compared to the epoxy resin.
  • the amazing thing about this arrangement is that despite the theoretically good matching of the impedances by the potted matching layer, which has an acoustic ⁇ impedance of about 8-9 MRayl, its thickness is smaller than - and yet
  • the piezo 2 has in this case an acoustic impedance of about 31 MRayi and the coupling element 3 of about 3 MRayl.
  • a single matching layer 4 of castable material with a thermal expansion coefficient of about 30 * 10 "6 1 / K, also very well suited to produce a low-tension connection between the piezoelectric element 2 and coupling element 3, which coefficients of expansion of having about 4 * 10 -6 1 / K and 60 * 10 -6 1 / K.
  • an adaptation layer of Gia example would have a coefficients of thermal expansion of about ⁇ * 10 "6 1 / K, wherein the adhesive commonly used, such as epoxy resin , Thermal expansion coefficient of about 80 * 10 ⁇ 6 1 / K has.
  • the thickness of the matching layer can be determined very accurately by means of the spacers 5. These are, for example, as shown here, attached to the coupling element 3 or are an integral part of the coupling element 3. They have a defined height, which corresponds approximately to the desired thickness of the matching layer. The pourable mass is applied and the piezoelectric element 2 is placed. By a statistically clever distribution of the spacers 5 on the piezo-2 facing surface of the coupling element 3, their influence on the acoustic transmission is low.

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Abstract

Ultraschallwandier zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, der mindestens ein piezoelektrisches Element, mindestens ein Koppelelement und mindestens eine Anpassungsschicht zwischen piezoelektrischem Element und Koppelelement aufweist, wobei die Anpassungsschicht eine Dicke kleiner a!s ein Viertel eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge eines verwendeten Uitraschallsignais aufweist.

Description

Ultraschallwandler zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschaflwandler zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, der mindestens ein piezoelektrisches Eiement, mindestens ein Koppelelement und mindestens eine Anpassungsschicht zwischen piezoelektrischem Element und Koppelelement aufweist.
Ultraschali-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisäerungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss in einer Rohrleitung berührungslos zu bestimmen,
Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Doppleroder nach dem Laufzeitdifferenz-Prinzip.
Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallimpulsen relativ zur Strömungsrichtung der Fiüssigkeit ausgewertet.
Hierzu werden Ultraschallimpuise sowohl in wie auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
Beim Doppler-Prinzip werden Uitraschallwellen mit einer bestimmten Frequenz in die Flüssigkeit eingekoppelt und die von der Fiüssigkeit reflektierten Ultraschaliwelien ausgewertet. Aus der Frequenzverschiebung zwischen den eängekoppelten und reflektierten Wellen lässt sich ebenfalls die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmen.
Reflexionen in der Flüssigkeit treten jedoch nur auf, wenn Luftbläschen oder Verunreinigungen in dieser vorhanden sind, so dass dieses Prinzip hauptsächlich bei verunreinigten Flüssigkeiten Verwendung findet. Die Ultraschaüwellen werden mit Hilfe so genannter Uitraschailwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Uitraschalfwandler an der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Seit neuerem sind auch Clamp-on- Uitraschall-Durchflussmesssysteme erhäitüch. Bei diesen Systemen werden die UltraschallwandSer nur noch mit einem Spannverschluss an die Rohrwandung gepresst. Derartige Systeme sind z. B. aus der EP-B-686 255, US-A 44 84 478 oder US-A 45 98 593 bekannt.
Ein weiteres Ultraschail-Durchflussmessgerät, das nach dem Laufzeitdifferenz- Prinzip arbeitet, ist aus der US-A 50 52 230 bekannt. Die Laufzeit wird hier mitteis Bursts, das sind kurze sinusförmige Ultraschallimpulse, ermittelt
Die Uitraschallwandler bestehen normalerweise aus einem Piezoelement, auch kurz Piezo genannt, und einem Koppelelement, auch Koppeikeil oder seltener
Voriaufkörper genannt, aus Kunststoff. Im Piezoelement werden die Ultraschallwellen erzeugt und über das Koppelelement zur Rohrwandung geführt und von dort in die Flüssigkeit geleitet. Da die Schallgeschwindigkeiten in Flüssigkeiten und Kunststoffen unterschiedlich sind, werden die Uitraschallweüen beim Übergang von einem zum anderen Medium gebrochen. Der Brechungswinkel bestimmt sich in erster Näherung nach dem Sneli 'sehen Gesetz. Der Brechungswinkel ist somit abhängig von dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den beiden Medien.
Zwischen dem piezoelektrischen Eäement und dem Koppefefement ist eine Anpassungsschicht angeordnet. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflektion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.
Die DE2537788A1 und die DE3832947A1 beschreiben eine Anpassungsschicht aus einem Kunststoff, der mit Hohlglaskugeln gefüllt ist. Diese Anpassungsschicht besitzt dabei eine Impedanz, die zwischen der Impedanz des piezoelektrischen Elements und der Impedanz des Messmediums liegt. Die Anpassungsschicht besitzt eine Dicke von einem Viertel der charakteristischen Wellenlänge λ des Ultraschallsignals, welches vom piezoelektrischen Element abgestrahlt wird.
Der theoretische Bestwert der Dicke einer Anpassungsschicht für die maximale λ λ Transmission liegt bei —+ «*— , mit « = 1,2,3... , also dem ungeradzahligem
Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge λ des Ultraschalfsignals. Für die optimale
Anpassung der Impedanz gut ZA = ^Z p * Zκ , mit der Impedanz der Anpassungsschicht ZΛ , der Impedanz des Piezos Zp und Zκ der Impedanz des
Koppelelements. Für gängige Impedanzen von ca. 30 MRayl für das Piezo und ca. 3 MRayl für das Koppelelement ergibt sich eine Impedanz für die Anpassungsschicht von 9 bis 10 MRayl. Heute eingesetzte Materialen wie Glas mit 11 bis 14 MRayl oder Aluminium mit ca. 17 MRayl liegen relativ nahe bei dem errechneten Optimum.
Um bezüglich der Materialauswahl und der Dicke der Anpassungsschicht weniger eingeschränkt zu sein, wird in der DE4028315A1 ein Stapel von mehreren
Anpassungsschichten übereinander vorgeschlagen. Die einzelnen Schichten können dabei Dicken kleiner - der wandiereigenen Wellenlänge λw und unterschiedliche
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Impedanzen aufweisen. Dabei wird jedoch keine Resonanzanpassung vorgenommen. Auf der Rückseite des Piezos, also auf der den Anpassungsschichten abgewandten Seite des piezoelektrischen Radiaischwingers, ist zusätzlich ein
Dämpfungskörper angebracht, auch Backing genannt, der die Schwingung auf der Rückseite des Piezos dämpft. Dabei wird jedoch Schwingungsenergie entzogen, die damit nicht der Messung zugeführt werden kann. Der Verbund aus Radiaischwinger und Anpassungsschichten führt eine Dickenschwingung aus, deren Eigenresonanz die genannte wandlereigene Wellenlänge ist. Die nicht resonante Anpassung der
Impedanz mit den Anpassungsschichten kleiner - der wandlereigenen Wellenlänge
4 hat einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Messung der ersten drei Halbwellen des im Burst- Betrieb betriebenen Ultraschallwandlers. In der US5251490 ist ebenfalls ein Stapel von bis zu zwölf Anpassungsschichten λ gezeigt, weicher jedoch in Summe die Dicke von — erreicht. Mit diesem Stapel kann
4 wiederum eine Resonanzanpassung und somit eine Messung mit einem Paket von mehreren Schwingungen hintereinander erfolgen.
Mehrere Anpassungsschichten übereinander gestapelt, sind auch in der EP0305519A1 offenbart. Die Anpassungsschichten aus Kunststoff, wie z.B. Polyester, und aus Metail, wie z.B. Kupfer, sind über eine übliche Klebeverbindung miteinander verbunden. Die Dicken der einzelnen Schichten verändern sich stufenweise vom Piezo zum Messobjekt. Ein so aufgebauter Uitraschallwandler wird mit einer Anpassungsschicht direkt auf dem zu durchschallenden Gegenstand aufgesetzt. Die Anpassung an ein Koppelelement oder gar an eine Rohrleitung ist nicht vorgesehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ultraschallwandler zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit hoher Empfindlichkeit und verbesserter Bandbreite vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein UltraschaliwandSer zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr vorgeschlagen wird, der mindestens ein piezoelektrisches Element, mindestens ein Koppelelement und mindestens eine Anpassungsschicht zwischen piezoeiektrischem Element und Koppelelement aufweist, wobei die Anpassungsschicht eine Dicke kleiner als ein Viertel eines ungeraden ganzzahügen Vielfachen einer Wellenlänge eines verwendeten Ultraschailsignals aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist die Dicke der Anpassungsschicht kleiner als ein Viertel einer Wellenlänge λ eines verwendeten Ultraschallsignals aufweist.
Ein Dämpfungskörper auf der Rückseite des piezoelektrischen Elements ist somit nicht zwingend erforderlich. Sowohl die Dicken der einzelnen Anpassungsschichten λ sind kleiner — , als auch die Summe der Dicken der einzelnen Schichten, also die
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Gesamtdicke des Stapels der Anpassungsschichten, kleiner als ein Viertel eines ungeraden ganzzahiigen Vielfachen einer Wellenlänge eines verwendeten UltraschaÜsignals. Dies ist sehr überraschend, da der theoretische Bestwert von λ λ
^~ + n*~ als Dicke der Anpassungsschicht erfindungsgemäß unterschritten wird.
Die Klebeschichten werden herkömmlicherweise nicht zur Anpassung genutzt bzw. als nicht relevant angesehen. Erfindungsgemäß dienen Klebeschichten auch als Anpassungsschichten. Dies geschieht sowohl bei den übiichweise verwendeten Materialen, wie z.B. Epoxidharz, als auch bei speziell zu diesem Zweck entwickelten Vergussmassen. Das Optimum für die Dicke einer mit Kleber umgebenen Anpassungsschicht verschiebt sich durch die Anwesenheit der umgebenden Schichten. Die effektive Stärke der Anpassungsschicht wird dadurch beeinflusst.
Mehrere dünne, übereinander liegende Schichten werden als schwingendes
Gesamtsystem betrachtet. Die Schichten sind relativ klein zur Wellenlänge. Die aus dem Piezo austretende Wellenfront wird als näherungsweise senkrecht zu den Anpassungsschichten angenommen. Die Reflektionen des Ultraschalls und die damit einhergehenden Phasensprünge finden nun nicht mehr scharf an den Grenzen der einzelnen Schichten statt. Auch können durch die Klebung Materialeigenschaften in den Randbereichen der einzelnen Schichten verändert werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschailwandlers schlägt vor, dass der Ultraschallsensor genau eine Anpassungsschicht aufweist.
Hier besteht die Anpassungsschicht aus einem Material, welches sich zum Vergießen eignet. Das Material ist zusätzlich geeignet, Flächen miteinander kraftschlüssig zu verbinden, also zu verkleben. Eine einzelne Anpassungsschicht aus vergießbarem Materiai hat neben den herstellungstechnischen Vorteilen und den genannten Prozesstechnischen Vorteilen vor allem mechanische Vorteile.
Eigenspannungen bei der Fertigung sind gering und durch anpassbare WärmeSeit- und Wärmeausdehnungskoeffizienten sind Spannungen durch temperaturbedingte Ausdehnungen reduziert.
Das spezielle Vergussmaterial besitzt bevorzugt eine akustische Impedanz von weniger als 15 MRayi, insbesondere weniger als 12 MRayl, insbesondere weniger als 10 MRayl. Gleichzeitig beträgt die akustische Impedanz mindestens 2 MRay!, insbesondere mindestens 5 MRayl, insbesondere wenigstens 7 MRayl. Die Impedanzen hängen immer von dem gewählten piezoelektrischen Element, mit vorzugsweise 25-35 MRayi, und dem Koppeleiement mit einer Impedanz von 1-10 MRayl, insbesondere 2-5 MRayl, ab. Mit einer bevorzugten Schallgeschwindigkeit in der Anpassungsschicht von mindestens 2000 m/s, insbesondere wenigstens 2500 m/s, vorzugsweise mindestens 3000 m/s und einer maximalen Schallgeschwindigkeit von höchstens 4500 m/s, insbesondere von maximal 4000 m/s, vorzugsweise liegt die Schallgeschwindigkeit unter 3500 m/s, ergibt sich eine optimale Schichtdicke von λ höchstens — . Bevorzugt wird eine Dicke der einzigen Anpassungsschicht aus j -) vergießbarem Material von mindestens — , vorzugsweise näherungsweise — .
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Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschaliwandlers ist darin zu sehen, dass die Anpassungsschicht aus einem vergießbarem Material besteht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers sieht vor, dass zwischen dem Koppelelement und dem piezoelektrischen Element Abstandshalter angeordnet sind, welche einen Abstand des Koppelelements zu dem piezoelektrischen Element herstellen, welcher der Dicke der Anpassungsschicht aus dem vergießbarem Material entspricht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschailwandlers wird vorgeschlagen, dass der Uitraschailsensor drei Anpassungsschichten aufweist, wobei die Dicke der ersten Anpassungsschicht kleiner ist als ein Fünftel eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge des verwendeten Uitraschalisignals, wobei die Dicke der zweiten Anpassungsschicht kleiner ist als ein Sechstel eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge des verwendeten Ultraschallsignals und wobei die Dicke der dritten Anpassungsschicht kleiner ist als ein Fünftel eines ungeraden ganzzahlägen Vielfachen einer Wellenlänge des verwendeten Ultraschallsignals, wobei die erste Anpassungsschicht aus einem vergießbarem Material besteht und das piezoelektrische Element mit der zweiten Anpassungsschicht verbindet und wobei die dritte Anpassungsschicht aus einem vergießbarem Material besteht und das Koppelelement mit der zweiten Anpassungsschicht verbindet.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Ultraschaliwandlers wird vorgeschlagen, dass der Ultraschallsensor drei Anpassungsschichten aufweist, wobei die Dicke der ersten Anpassungsschicht kleiner ist als ein Fünftel einer Wellenlänge des verwendeten Ultraschallsignals, wobei die Dicke der zweiten Anpassungsschicht kleiner ist als ein Sechstel einer Wellenlänge des verwendeten Ultraschallsignals und wobei die Dicke der dritten Anpassungsschicht kleiner ist als ein Fünftel einer Wellenlänge des verwendeten Uftraschallsignals, wobei die erste Anpassungsschicht aus einem vergießbarem Material besteht und das piezoelektrische Element mit der zweiten Anpassungsschicht verbindet und wobei die dritte Anpassungsschicht aus einem vergießbarem Material besteht und das Koppelelement mit der zweiten Anpassungsschicht verbindet.
Die Dicke der ersten und der dritten Anpassungsschicht ist kleiner ist als ein Fünftel einer Wellenlänge des verwendeten Ultraschallsignals, insbesondere kleiner oder näherungsweise gleich einem Sechstel. Ein erfindungsgemäßes Mindestmaß der der λ ersten und der dritten Anpassungsschicht liegt bei — , insbesondere ist sie
16 λ /L A mindestens — dick, insbesondere minimal — , vorzugsweise wenigstens — .
Die Schallgeschwindigkeit im verwendeten Material der beiden Schichten ist näherungsweise gleich und beträgt zwischen 1800 m/s und 2800 m/s, insbesondere ist sie ungefähr 2300 m/s. Bei 5 MHz ergeben sich beispielsweise so optimale Schichtdicken von 0,05 bis 0,08 mm. Die Dicke der zweiten Anpassungsschicht kleiner ist als ein Sechstel einer Wellenlänge des verwendeten Ultraschallsignals, insbesondere kleiner als ein Siebtel, vorzugsweise beträgt sie ca. ein Achtel. Mindestens ist sie — dick, insbesondere
mindestens — . Mit einer Anpassungsschicht aus einem üblicherweise verwendeten
Glases nimmt überraschenderweise die Signalstärke des Ultraschalisignals, z.B. von 5 MHz, welches zur Messung herangezogen werden kann, bei einer Verkleinerung der Dicke der Anpassungsschicht von 0,15 mm bis zu 0,07 mm zu.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschailwandiers besteht darin, dass zwischen dem piezoelektrischen Element und der zweiten Anpassungsschicht Abstandshalter angeordnet sind, weiche einen Abstand des piezoelektrischen Elements zu der zweiten Anpassungsschicht herstellen, wobei der Abstand der Dicke der ersten Anpassungsschicht aus dem vergießbarem Material entspricht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Uitraschallwandlers ist darin zu sehen, dass zwischen dem Koppelelement und der zweiten Anpassungsschicht Abstandshalter angeordnet sind, welche einen Abstand des Koppelelements zu der zweiten Anpassungsschicht herstellen, wobei der Abstand der Dicke der dritten Anpassungsschicht aus dem vergießbarem Material entspricht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers handelt es sich bei dem Ultraschallwandier um einen Dickenschwinger.
Bei einem Schall- oder Ultraschallwandler mit einer zu Dickenschwingungen anregbaren Piezokeramikscheibe ist die Betriebsfrequenz üblicherweise die Dickenresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe, die unter anderem durch die Abmessungen der Piezokeramikscheibe bestimmt wird. Ein als Dtckenschwinger bezeichnetes piezoelektrisches Element variiert also seine Dicke im Sendebetrieb. Gelegentlich wird auch das Schwingungsfähige System, welches unter anderem aus Piezoelement und/oder Anpassungsschicht und/oder Koppelelement besteht, als Dickenschwinger bezeichnet. Im Unterschied dazu arbeitet ein Ultraschallwandler mit einer Piezokeramik, welche zu Radialschwingungen, üblicherweise in Höhe der Radialresonanzfrequenz des Piezos, angeregt wird, in der so genannten Radialmode oder im Radialmodus.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers schwingt das piezoelektrische Element mindestens zwei Schwingungsperioden lang.
Im Gegensatz zum Pulsbetrieb, wo lediglich durch eine Spannungsspitzenentladung ein Puls entsteht, welcher schnell wieder abklingt, sendet das piezoelektrische Element mindestens zwei volle Wellen aus, d.h. es wird zu mindestens zwei Schwingungen jeweils einer Periodendauer bzw. zu mindestens einer Schwingung mit zwei Perioden angeregt. Dies geschieht vorzugsweise, indem eine Spannung über eine entsprechende Zeit an den Elektroden des Piezos angelegt wird. Diese Spannung transformiert das Piezo zu frequenzgleichen, d.h. mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung periodischen, Schwingungen. Solche hintereinander liegende Schwingungspakete können erfindungsgemäß mehrere Schwingungen beinhalten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschailwandlers arbeitet der Ultraschallwandler nach dem Laufzeitverfahren.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
Ultraschailwandiers mit mehreren Anpassungsschichten. Fig.2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
Ultraschailwandlers mit einer Anpassungsschächt aus vergießbarem Material.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler 1 dargestellt. Er umfasst ein piezoelektrisches Element 2 und ein Koppelelement 3. Zwischen Piezo 2 und Koppeielement 3 sind drei Anpassungsschichten 4',4",4'" angeordnet. Die Anpassungsschichten 4' und 4" sind dabei aus vergießbarem Material und sind hier, der besseren Übersichtlichkeit wegen, nicht schraffiert dargestellt. Sie haben jeweils eine Dicke von ungefähr— , mit/l der Wellenlänge der vom Piezo 2 abgestrahlten
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Ultraschallstrahlung, was beispielsweise einer Dicke von ca. 0,08 mm entspricht. Die mittlere Anpassungsschicht 4" hat eine Dicke von näherungsweise — , z.B. 0,12 mm.
8
Die Dicken ergeben sich durch die unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten in den Materiaien. In diesem Ausführungsbeispiei beträgt die mittlere Schallgeschwindigkeit in der Anpassungsschicht 4", welche aus einem Glas oder Aluminium besteht, ungefähr 5600 m/s, wohingegen in den Anpassungsschichten 4' und 4'", beispielsweise aus einem Epoxidharz, mittiere Schallgeschwindigkeiten von ca. 2300 m/s vorherrschen. Die Anpassungsschichten 4' und 4'" übernehmen neben den bekannten Funktionen der Anpassung des Ultraschallsignais und der mechanischen Anpassung zusätzlich die Aufgabe des kraftschlüssigen Verbindens von Piezo 2, Voriaufkörper 3 und fester Anpassungsschicht 4".
Fig. 2 zeigt einen erfändungsgemäßen Ultraschallwandler 1 mit nur einer Anpassungsschicht 4 zwischen piezoelektrischem Element 2 und Koppeieiement 3.
Die Dicke der Anpassungsschicht beträgt erfindungsgemäß weniger ais — , in
4 λ diesem Fall nur — , was bei einer mittleren Schallgeschwindigkeit in der
Anpassungsschicht 4 von ca. 3100 m/s ungefähr 0,12 mm sind. Es handelt sich bei dem Werkstoff der Anpassungsschicht 4 um ein Material, weiches sich zum Vergießen eignet. Zusätzlich ist das Material geeignet ist, die sich gegenüberstehenden Flächen von Piezo 2 und Koppelelement 3 miteinander zu verkieben. Der Verguss bzw. die Anpassungsschicht 4 besteht nicht aus reinem Epoxidharz, sondern es handelt sich um einen Kleber, der eingelagerte Teilchen oder Partikel aufweist, in welchen sich der Schal! sehr schneil ausbreiten kann. Daher die zum Vergleich zum Epoxidharz erhöhte Schallgeschwindigkeit. Das verblüffende an dieser Anordnung ist, dass trotz der theoretisch guten Anpassung der Impedanzen durch die vergossene Anpassungsschicht, welche eine akustische λ Impedanz von ca. 8-9 MRayl aufweist, ihre Dicke kleiner ist als - und dennoch
4 bessere akustische Eigenschaften aufweist. Das Piezo 2 hat in diesem Fall eine akustische Impedanz von ca. 31 MRayi und das Koppelelement 3 von ca. 3 MRayl. Neben den verbesserten akustischen Eigenschaften und den guten Klebeeigenschaften ist eine einzige Anpassungsschicht 4 aus vergießbarem Material, mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 30*10"6 1/K, auch sehr gut geeignet eine spannungsarme Verbindung zwischen Piezo 2 und Koppelelement 3 herzustellen, welche Ausdehnungskoeffizienten von ca. 4*10'6 1/K und 60*10'6 1/K aufweisen. Eine Anpassungsschicht aus Gias hätte beispielsweise einen Wäremausdehnungskoeffizienten von ca. δ*10"6 1/K, wobei der üblicherweise verwendete Kleber, wie z.B. Epoxidharz, Wäremausdehnungskoeffizienten von ca. 80*10~6 1 /K aufweist.
Die Dicke der Anpassungsschicht kann sehr genau mittels der Abstandshalter 5 festgelegt werden. Diese werden, beispielsweise wie hier gezeigt, an dem Koppelelement 3 angebracht oder sind integraler Bestandteil des Koppelelements 3. Sie haben eine definierte Höhe, welche näherungsweise der angestrebten Dicke der Anpassungsschicht entspricht. Die vergießbare Masse wird aufgetragen und das piezoelektrische Element 2 aufgesetzt. Durch eine statistisch geschickte Verteilung der Abstandhalter 5 auf der dem Piezo 2 zugewandten Fläche des Koppeleiements 3, ist ihr Einfluss auf die akustische Transmission gering.
Bezugszeichenliste
Ultraschailwandler Piezoelement Koppelelement Anpassungsschicht Abstandshalter

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschaliwandler zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr, der mindestens ein piezoelektrisches Element, mindestens ein Koppelelement und mindestens eine Anpassungsschicht zwischen piezoelektrischem Element und Koppelelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsschicht eine Dicke kleiner als ein Viertel eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge eines verwendeten Ultraschallsignals aufweist.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler genau eine Anpassungsschicht aufweist,
3. Ultraschailwandler nach Ansprüchen und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungsschicht aus einem vergießbarem Material besteht.
4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Koppelelement und dem piezoelektrischen Element Abstandshalter angeordnet sind, welche einen Abstand des Koppelelements zu dem piezoelektrischen Element herstellen, welcher der Dicke der Anpassungsschicht aus dem vergießbarem Material entspricht.
5. Ultraschailwandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschailwandler drei Anpassungsschichten aufweist, wobei die Dicke der ersten Anpassungsschicht kleiner ist als ein Fünftel eines ungeraden ganzzahlägen Vielfachen einer Wellenlänge des verwendeten Ultraschalisignals, wobei die Dicke der zweiten Anpassungsschicht kleiner ist als ein Sechstel eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge des verwendeten Ultraschallsignals und wobei die Dicke der dritten Anpassungsschicht kleiner ist als ein Fünftel eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge des verwendeten Uitraschallsignals, wobei die erste Anpassungsschicht aus einem vergießbarem Material besteht und das piezoelektrische Element mit der zweiten Anpassungsschicht verbindet und wobei die dritte Anpassungsschicht aus einem vergießbarem Material besteht und das Koppelelement mit der zweiten Anpassungsschicht verbindet.
6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem piezoelektrischen Element und der zweiten Anpassungsschicht Abstandshalter angeordnet sind, welche einen Abstand des piezoelektrischen Elements zu der zweiten Anpassungsschicht hersteilen, wobei der Abstand der Dicke der ersten Anpassungsschicht aus dem vergießbarem Material entspricht.
7. Ultraschallwandler nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Koppelelement und der zweiten Anpassungsschicht
Abstandshalter angeordnet sind, welche einen Abstand des Koppelelements zu der zweiten Anpassungsschicht herstellen, wobei der Abstand der Dicke der dritten Anpassungsschicht aus dem vergäeßbarem Material entspricht.
8. Ultraschaüwandler nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element ein Dickenschwinger ist.
9. Ultraschallwandler nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element mindestens zwei Schwingungsperioden schwingt.
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