WO1991009279A1 - Schallisolierte halterung eines ultraschallwandlers - Google Patents

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Hermann Schmidt
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    • 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
    • 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

  • the present invention relates to a holder for an ultrasound transducer for emitting or for receiving ultrasound radiation in or from a gaseous medium.
  • the radiation of ultrasound from an oscillating solid surface of a transducer into the medium gas leads to only a small one owing to the very large difference in the acoustic wave resistance of the material of the solid surface and the medium, this difference being of the order of magnitude of 4 powers of ten Power transmission ratio from the solid to the gaseous medium and vice versa.
  • Ultrasonic transducers are used in ultrasonic measuring devices for, in particular, flowing gases, e.g. to determine the one
  • Gas flowing through the pipe is as a gas meter, e.g. as a household gas meter.
  • the ultrasonic transducers which determine the measuring section within a tube, are still at a relatively short distance of e.g. Arranged 240 mm.
  • these transducers are inserted into the pipe wall and radiate the ultrasound obliquely to the pipe axis through the flowing medium gas.
  • One converter is the transmitter converter, the other converter the receiver converter.
  • measurement takes place alternately upstream and downstream and with the formation of the difference in the resulting signals.
  • Such ultrasonic flow meters are described in German patent application P 39 41 546.5; P 39 41 545.7; P 39 41 544.9 is described in detail, for which the present invention is an advantageous further development.
  • the evaluation of the received signal can be decisively impaired by sound intensity, which is transmitted from the pipe wall, for example, from sound sources that are even relatively distant.
  • the transducers used ie especially the receiving transducer, must be mounted in the device or in the tube wall in such a way that the body of the transducer and the tube wall are largely insulated from one another with regard to acoustic sound transmission.
  • a further contribution can be made to the at least partial use of material having a sound-absorbing property on the transducer.
  • FIG. 1 shows a basic diagram of a relevant ultrasound measuring device in tube form, on the flow medium of which
  • ultrasonic transducers 3 are attached. As can be seen, these ultrasonic transducers 3 are in diagonally inserted nozzles 1. In particular in the case of measuring devices which are intended for the measurement of such gases which must not be allowed to escape to the outside, appropriate seals must be provided at those points where the device , e.g. to insert or replace the transducer 3, is to be opened.
  • FIG. 2 shows a detailed illustration of such a lateral pipe socket 51 shown in FIG. 1 in longitudinal section.
  • This nozzle 1 is the actual holder for the transducer 11.
  • the obliquely cut, tubular nozzle 51 has a step 52.
  • the outer tube end of the connecting piece 51 is closed with a cover 58, a sealing ring 57 in a groove 56
  • the cover 58 has a clamping ring 55 as seen in the figure as an approach.
  • This clamping ring 55 is dimensioned to match the diameter of the step 52 of the nozzle 51.
  • This O-ring 54 not only serves as a further seal, but it holds the transducer 53 in the socket 51.
  • the step 2 together with the clamping ring 55, ensures precise positioning of the O-ring 54 in the socket 51 and the annular groove 59 in the transducer 11 for its exact positioning in relation to the O-ring 54.
  • the electrical connections of the converter 11 are omitted. There can be leads through the cover 58 or passages provided laterally in the wall of the connecting piece 51. These connections are to be designed in such a way that they in turn cannot cause any significant structure-borne noise transmission, which is ensured, for example, by the use of connecting strands.
  • an optimum of a sound-insulated holder with a linear pressure of the O-ring 54 is achieved, the pressure going back to the provided cylindrical clamping ring 55.
  • the actual gas-tight seal is formed by the additional sealing ring 57, which is pressed into the groove 57 when the cover 58 is screwed on and ensures a permanently reliable seal.
  • level 52 and ring 55 for the socket and the groove 56 for the transducer body can also be interchanged, but the former arrangement per se is preferred.
  • a further development of the invention consists in providing a second O-ring 154 made of permanently elastic material, namely in an area near the sound-radiating front surfaces of the transducer 3.
  • This ring 154 is preferably used to close the gap 60 between the outer wall of the transducer 11 and the annular inner surface of the pipe socket 51 is inevitably present. It has been shown that dust, small particles and the like which settle in the gas flowing through the measuring tube 4 preferentially settle in this gap. This is prevented by the ring 154, which is inserted into the groove 156 of the transducer 11 and the groove 155 of the inner surface of the nozzle 51.

Abstract

Für die schallisolierte, exakt positionierende Halterung eines Ultraschallwandlers (3) in einem Durchflußmesser (Figur 1) ist ein O-Ring (4) verwendet, der sich zwischen nach dem Prinzip der 3-Punkt-Halterung verteilt angeordneten linienhaften Berührungen (2, 5, 6) befindet, von denen eine (Nut 6) den Wandler (3) haltert.

Description

Schallisolierte Halterung eines Ultraschallwandlers
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halterung eines Ultraschallwandlers für das Aussenden bzw. für den Empfang von Ultraschallstrahlung in bzw. aus einem gasförmigen Medium.
Die Abstrahlung von Ultraschall von einer schwingenden Festkör¬ perfläche eines Wandlers in das Medium Gas führt in Folge des sehr großen Unterschiedes des akustischen Wellenwiderstandes des Materials der Festkörperfläche und des Mediums, dieser Unterschied liegt in der Größenordnung von 4 Zehner-Potenzen, zu einem nur geringen Leistungs-Übertragunsverhältnis vom Fest¬ körper in das gasförmige Medium und umgekehrt.
Man verwendet Ultraschallwandler in Ultraschall-Meßgeräten für insbesondere strömende Gase, so z.B. zur Bestimmung des ein
Rohr durchströmenden Gasvolumens. Eine Anwendung eines solchen Gerätes ist die als Gaszähler, z.B. als Haushalts-Gaszähler.
In solchen Geräten sind die die Meßstrecke innerhalb eines Rohres bestimmenden Ultraschallwandler, bezogen auf die Rohr¬ achse, in einem noch relativ geringen Abstand von z.B. 240 mm angeordnet. Im allgemeinen sind diese Wandler in die Rohrwand eingesetzt und strahlen den Ultraschall schräggerichtet zur Rohrachse durch das strömende Medium Gas hindurch. Ein Wandler ist dabei der Sendewandler, der andere Wandler der Empfangs- waπdler. Im allgemeinen erfolgt Messung abwechselnd stromauf und stromab und mit Differenzbildung der sich ergebenden Signale. Solche Ultraschall-Durchflußmesser sind in der deut¬ schen Patentanmeldung P 39 41 546.5; P 39 41 545.7; P 39 41 544.9 ausführlich beschrieben, zu denen die vorliegen¬ de Erfindung eine vorteilhafte Weiterbildung ist.
Bei wie angegebenen geringen Wandlerabstaπd ergeben sich an- sich noch keine gravierenden Probleme in Folge auftretender Strömungsgeräusche. Die Auswertung des Empfangssignals kann jedoch entscheidend durch Schallintensität beeinträchtigt werden, die von der Rohrwand von z.B. sogar relativ weit entfernten Schallquellen herrührend übertragen wird. Um diese Körperschallübertragung zu minimieren, müssen die verwendeten Wandler, d.h. speziell der Empfangswandler, in dem Gerät bzw. in der Rohrwand so montiert sein, daß der Körper des Wandlers und die Rohrwand hinsichtlich akustischer Schallübertragung weitgehend voneinander isoliert sind. Einen weiteren Beitrag kann die wenigstens teilweise Verwendung von schalldämpfende Eigenschaft aufweisendem Material am Wandler erzielt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere für Massenprodukte geeignet, eine schallisolierte Halterung eines Festkörper-Wandlers in einem wie einschlägigen Gerät anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs gelöst.
Die Figur 1 zeigt ein Prinzipbild eines einschlägigen Ultra¬ schallmeßgerätes in Rohrform, an dessen das strömende Medium
- führendem Rohr zwei Ultraschallwandler 3 angebracht sind. Wie ersichtlich, befinden sich diese Ultraschallwandler 3 in schräg gerichtet in die Rohrwaπd eingesetzten Stutzen 1. Insbesondere bei Meßgeräten, die für die Messung solcher Gase vorgesehen sind, die nicht nach außen treten dürfen, sind entsprechende Abdichtungen an solchen Stellen vorzusehen, an denen das Gerät, z.B. zum Einsetzen oder Auswechseln der Wandler 3, zu öffnen ist.
Fig. 2 zeigt in einer Detaildarstellung einen solchen in Fig. 1 gezeigten, seitlichen Rohransatz-Stutzen 51 im Längsschnitt. Dieser Stutzen 1 ist der eigentliche Halter für den Wandler- 11. Der schräg abgeschnittene, rohrförmige Stutzen 51 weist eine Stufe 52 auf. Das äußere Rohrende des Stutzen 51 ist mit einem Deckel 58 verschlossen, wobei ein Dichtring 57 in einer Nut 56
- vorgesehen ist. Der Deckel 58 hat einen wie aus der Figur ersichtlichen Klemmring 55 als Ansatz. Dieser Klemmring 55 ist auf den Durchmesser der Stufe 52 des Stutzen 51 abgestimmt bemessen. Es ist ein O-Ring 54 aus Gummi oder einem vergleich¬ bar dauerelastischem Material vorgesehen, der wie aus 'der Fig. 2 ersichtlich plaziert ist. Dieser O-Ring 54 dient nicht nur einer weiteren Abdichtung, sondern er haltert den Wandler 53 im Stutzen 51. Die Stufe 2 bewirkt zusammen mit dem Klemmring 55 präzise Positionierung des O-Ringes 54 im Stutzen 5 1 und die Ringnut 59 im Wandler 11 sorgt für dessen exakte Positionierung gegenüber dem O-Ring 54.
Der Übersichtlichkeit halber sind die elektrischen Anschlüsse des Wandlers 11 weggelassen. Es können durch den Deckel 58 hin¬ durchgeführte Leitungen oder auch seitlich in der Wand des Stutzen 51 vorgesehene Durchführungen sein. Diese Anschlüsse sind so auszubilden, daß sie ihrerseits keine nennenswerte Körperschallübertragung bewirken können, was z.B., durch die Verwendung von Anschlußlitzen gewährleistet ist.
Die erfindungsgemäße Halterung des Wandlers 11 ist derart, daß Vorteile gegenüber einer in einer älteren Patentanmeldung P 38 32 947 (= GR 88 P 1653) beschriebenen Halterung eines Ultraschallwandlers erzielt sind. Mit der Erfindung ist ein Optimum einer schallisolierten Halterung mit einer linienhaften Pressung des O-Ringes 54 erreicht, wobei die Pressung auf den vorgesehenen zylinderförmigen Klemmring 55 zurückgeht. Bei der Erfindung liegt in dem parasitären Schwallweg eine (zweifache) Kanteπauflage mit nur minimalem Flächenkontakt vor. Den eigentlichen gasdichten Abschluß bildet der zusätzliche Dichtring 57, der beim Anschrauben des Deckels 58 in die Nut 57 gepresst wird und für dauerhaft zuverlässige Abdichtung sorgt.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich ein Körperschall¬ pegel kleiner als -140 dB erreichen, der im Rauschen des Empfangssignals untergeht. Mit der Erfindung ist ein gasdichter Aufbau mit dennoch hoher akustischer Entkopplung und trotzαem exakt definierte Wandlerpositionierung erreicht.
Die anspruchsgemäße Zuordnung der Stufe 52 und des Ringes 55 zum Stutzen und der Nut 56 zum Wandlerkörper kann auch ver¬ tauscht sein, jedoch ist die erstere Anordnung an sich zu be¬ vorzugen.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, noch einen zweiten O-Ring 154 aus dauerelastischem Material vorzusehen, nämlich in einem Bereich nahe der schallabstrahlenden Frontflä¬ chen des Wandlers 3. Dieser Ring 154 dient vorzugsweise dazu, den Spalt 60 zu verschließen, der zwischen der Außenwand des Wandlers 11 und der ringförmigen Innenfläche des Rohrstutzens 51 zwangsläufig vorhanden ist. Es hat sich nämlich gezeigt, daß sich in diesem Spalt bevorzugt Staub, kleine Partikel und der¬ gleichen absetzen, die in dem durch das Meßrohr 4 hindurch- strömenden Gas mitgeführt werden. Dies wird durch den Ring 154 verhindert, der in die Nut 156 des Wandlers 11 und die Nut 155 der Innenfläche des Stutzens 51 eingesetzt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Exakt positionierende, schallisolierte Halterung eines Ultraschallwandlers (11) in einem Stutzen (51) eines Ultra¬ schall-Durchflußmessers (Fig. 1) g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
- einen am Ort der Halterung des Ultraschallwandlers (11) im Stutzen (51) vorgesehenen O-Ring (54) aus dauerlastischem Material,
- der positioniert ist zwischen:
- einer Stufe (52) im Innern des Stutzen (51),
- der Kante eines im Innern des Stutzen (51) und der Stufe (52) axial gegenüberliegend befindlichen Ringes (55) und - einer Nut (56), die sich in der Aussenwand des Wandlers (53) befindet,
- wobei die Stufe (52) und die Kante des Ringes (55) eine ring¬ förmig umlaufende, unter einem Anpressdruck stehende nur li- nienhafte Berührung mit dem O-Ring (54) haben und - die Nut (57) eine dritte ringförmige Anlage für den O-Ring (54) bildet
- und die linienhaften Berührungen und diese Anlage in der Nut (57) nach dem Prinzip einer 3-Puπkt-Halterung zueinander ver¬ teilt sind.
2. Halterung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen O-Ring (54) aus Gummi.
3. Halterung nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Ring, der ein Klemmring (55) ist.
4. Halterung nach Anspruch 1, 2 oder 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Ring (55) als Teil eines Deckels (58) des Stutzen (51).
5. Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h daß der Stutzen (51) mit einem Deckel (58) verschlossen ist.
6. Halterung nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h daß zur Abdeckung von Stutzen (51) und Deckel (58) ein Dicht¬ ring (57) vorgesehen ist.
7. Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h daß sich in Nuten (15&, 155) des Wandlers (11) und der Innen¬ fläche des Rohrstutzens (51) ein weiterer O-Ring Q54) aus dauerelastischem Material befindet.
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