WO1996018181A1 - Vorrichtung zur aufnahme eines schallwandlers und ultraschall-durchflussmesser mit derselben - Google Patents

Vorrichtung zur aufnahme eines schallwandlers und ultraschall-durchflussmesser mit derselben Download PDF

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WO1996018181A1
WO1996018181A1 PCT/DE1995/001719 DE9501719W WO9618181A1 WO 1996018181 A1 WO1996018181 A1 WO 1996018181A1 DE 9501719 W DE9501719 W DE 9501719W WO 9618181 A1 WO9618181 A1 WO 9618181A1
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wall
transducer
ceramic material
ceramic
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PCT/DE1995/001719
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Inventor
Ulrich Bast
Dieter Cramer
Thomas Himmelsbach
Winfried Russwurm
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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 invention relates to a device for accommodating a sound transducer which can be attached to an opening of a wall delimiting the measuring medium for the acoustic coupling of the sound transducer to a measuring medium, and to an ultrasonic flow meter which is provided with at least one such device.
  • An ultrasonic flow meter which is based on the ultrasonic transit time difference measuring principle, is known for example from EP-PS 0 521 855. It has two ultrasound sources, which alternately send mutually alternating sound pulses through a measuring medium flowing through a measuring tube. The measured quantities are the sound propagation times upstream and downstream. The difference in transit times is a measure of the flow velocity. The volume flow is calculated by taking into account the geometry of the measuring tube, and the volume that has flowed through integration over time. No details are given in the above-mentioned document about the receiving devices for the ultrasonic transducers, which are attached to the measuring tube as ultrasonic transmitters or receivers. Appropriate configurations of the sound path through the measuring medium, however, are described in detail.
  • the structure-borne noise signal can reach the reception transducer with only a slightly reduced amplitude even at the time of the useful signal. Therefore, even with short transmit pulses, the useful signal component can only be separated from the structure-borne noise component with great difficulty.
  • the invention has for its object to provide a device for receiving a sound transducer, which can be attached to a wall delimiting the measuring medium, ensures a low-noise connection of the sound transducer to the wall and is largely resistant to chemicals.
  • an ultrasonic flow meter is to be equipped with such a device.
  • the new device has the features of claim 1.
  • Advantageous developments of the invention are specified in claims 2 to 9.
  • An ultrasound flow meter according to the invention is described in claim 10.
  • Ceramics whose modulus of elasticity is less than 50 GPa, are particularly suitable for damping structure-borne noise.
  • Plasma-sprayed ceramics are characterized by a relatively loose tooth structure of ceramic particles deformed in the shape of a pancake. This means that the modulus of elasticity is significantly lower than that of conventional sintered ceramics or metal. In this way, for example, a large mismatching of the sound impedance can be achieved compared to metal.
  • the loose tooth structure due to the change in the crystallite arrangement compared to sintered ceramics hinders the propagation of sound due to the reflections caused thereby and at the same time causes a strong absorption of the sound.
  • all ceramic materials that are stable in the melting phase can be processed by plasma spraying. These are advantageously Al2O3 (corundum), mullite or ZrO2 (zirconium dioxide) in pure form or with additives, for example spinel; others are also suitable.
  • the ceramic substance Al2 iÜ5 (aluminum titanate) can advantageously be produced in the sintering process.
  • the aluminum titanate crystallites have very different coefficients of thermal expansion in the three main axes. This leads to microcracks in the structure due to microscopic stresses. These microcracks are responsible, among other things, for a low modulus of elasticity. In addition, these cracks hinder the propagation of sound in the ceramic and therefore ensure good sound absorption.
  • the elastic modulus of steel is about 200 GPa, tungsten about 390 GPa, conventional sintered ceramics about 200 to 400 GPa, plasma-sprayed ceramics about 3 to 16 GPa and aluminum titanate about 15 to 30 GPa. This means that jumps in impedance by a factor of 5 to 25 are easily possible.
  • An extinction by interference can be achieved if the thickness of the special ceramic in the case of multiple reflections meets the extinction condition at its two interfaces. This is the case, for example, if the thickness is a quarter of the wavelength of a sound wave in the special ceramic. For plasma-sprayed ceramics, this is the case for example depending on the material with a thickness of 0.6 to 1.6 mm, for aluminum titanate for 1.5 to 2 mm if the ultrasound frequency is 1.5 MHz.
  • the chemical and temperature resistance of the special ceramics is just as good as that of the corresponding conventional ceramics. They are therefore ideally suited for measurements in process technology. This is a major advantage compared to elastomer materials that are used in process technology sensors because of their poor temperature resistance and resistance to chemicals, e.g. B. solvents or acids, are often not usable.
  • very good chemical-resistant and temperature-resistant seals made of PTFE or related materials because of their pronounced creeping properties, only seal permanently if they are completely enclosed. However, this enclosure made of firmer, less sound-absorbing material would open up a path for the undesired structure-borne noise.
  • the sound-damping effect of the device according to the invention is also better than coating or cladding the measuring tube of a flow meter with a suitable vibration-damping plastic, in which the structure-borne noise is only damped by a factor of 2 to 4. This damping is not sufficient for a sufficiently low falsification of the measured values.
  • the use of plastics generally limits the maximum permissible temperature.
  • the use of plastics as a solid material for the measuring tube would indeed provide adequate structure-borne noise damping, however, with a few exceptions, this measure is opposed by the low temperature and chemical resistance of the plastics. Since the acoustic sound impedance of liquids roughly corresponds to that of plastics, ultrasound measuring methods that work with sound reflections, e.g. B. the well-known W-arrangement, after repeated reflections even on highly filled plastic tubes, no longer with a sufficient reception signal.
  • the device according to the invention offers the possibility of installing ultrasound transducers in a measuring tube in a pressure-resistant, temperature-resistant, chemical-resistant, leak-proof, structure-borne noise-damping and, if appropriate, joint-free manner.
  • the chemical resistance of these special ceramics is just as good as that of the corresponding conventional ones.
  • these ceramics are very temperature-resistant in the field of process technology and are also very resistant to temperature shocks. Compressive strength and freedom from joints depend on the type of installation chosen.
  • FIGS. 2 to 6 devices for receiving an ultrasonic transducer with a lateral flange
  • FIG. 7 shows a device with an ultrasonic transducer with an external thread
  • FIG. 8 shows a device with a converter with a conical seat
  • Figures 11 and 12 devices with structure-borne sound absorbing transducers.
  • FIG. 1 shows a device with an ultrasonic transducer, which consists of a piezoactive element 1 in a cup-shaped pot 2.
  • the outside of the pot 2 is provided with plasma ceramics 3 by plasma spraying and then processed in such a way that a predetermined outside diameter is very precisely maintained.
  • the inner diameter of an essentially cylindrical extension 4 of the measuring tube wall 5 is also adhered to with a tight tolerance, so that a fit is obtained which allows the coated, cold ultrasonic transducer to be inserted into the extension 4 of a heated measuring tube. After the measuring tube has cooled, the transducer is shrunk in firmly. The good temperature shock resistance of most plasma-sprayed ceramics prevents the ceramic from being destroyed in this procedure.
  • Another advantage is the joint-free connection between transducer pot 2 and plasma ceramic 3 and further to extension 4 of measuring tube wall 5.
  • the temperature required for shrinking depends on the thermal expansion coefficient of the tube material, the strength of plasma ceramic 3, the thickness of the extension 4, the coefficient of friction of the plasma ceramic 3 and the
  • Extension 4 the maximum pressure of the medium flowing through the measuring tube, the diameter of the transducer cup 2 and the maximum medium temperature.
  • the piezoactive element 6 of an ultrasound transducer is accommodated in a pot 7, which has a circumferential flange 8.
  • a present as a separate part its top and bottom face-ground ring 9 serves as a seal and for structure-borne noise insulation.
  • This ring 9 can be made from plasma ceramic, but also from the sintered ceramic Al2TiO5.
  • the device also has a cap 10, which is not visible in the drawing
  • Screws is attached to a measuring tube 11.
  • a second ring 12 is provided which insulates the cap 10 and flange 8 of the pot 7 from one another.
  • This second ring 12 can also consist of plasma ceramic or a suitable sintered ceramic, but also of any other structure-borne sound-absorbing material that meets the mechanical requirements. Since the second ring 12 is outside the measuring medium and has no contact with it, no special demands are placed on its chemical resistance. Radially, cap 10 and flange 8 are separated from one another by an air gap 13. However, this can also be filled with any sound-absorbing material.
  • there are further releasable types of fastening but also non-releasable ones such as, for example, B. welding with the measuring tube 11 possible.
  • the transducer pot 14 of an ultrasound transducer with a piezoactive element 15 in FIG. 3 also has one
  • Flange which, according to the invention, is supported by a ring 16 made of special ceramic to absorb structure-borne noise against a measuring tube 17.
  • a cap 18 is itself made from structure-borne noise-damping material, for example from special ceramic or plastic.
  • a welding of the cap 18 to the measuring tube 17 is generally not possible in this embodiment due to various materials.
  • FIG. 4 shows a piezoactive element 19 with a pot 20, the shape of which is similar to that in FIG. 2. He is in the pre direction again between two sound-absorbing rings 21 and 22 stored.
  • a cap 23 is not attached directly to a measuring tube in FIG. 4, but instead has an external thread, through which it is attached to a cylindrical extension 24 of a measuring tube 25, which is provided with a corresponding internal thread Establishes screw connection.
  • a cap 26 again consists of structure-borne noise-damping material, so that, in comparison to the embodiment according to FIG. 4, there is no need for a second structure-borne noise-damping ring between cap 26 and cup 27 with piezoactive element 28.
  • a ring 29 made of a special ceramic is also used here for sound-absorbing mounting of the transducer cup 27 against a measuring tube 30.
  • FIG. 6 corresponds to that shown in FIG. 5; the same parts are provided with the same reference numerals.
  • a ring 31 made of a special ceramic has a groove for a further sealing ring 32, which is enclosed on all sides in this device and therefore cannot crawl.
  • This seal can be made of PTFE, for example, and improves the sealing properties of the ring 31.
  • a layer 35 made of ceramic is applied to a pot 33 with a piezoactive element 34 by plasma spraying.
  • This layer 35 is provided with an external thread with which the ultrasound transducer is screwed into an internal thread of an extension 36 of a measuring tube 37 corresponding to it.
  • This screw connection creates a tight connection between the plasma-coated transducer 34 and the extension 36 of the measuring tube 37.
  • a sealing ring 38 which is enclosed on all sides, is provided, which can be omitted if the plasma ceramic 35 has a sufficient sealing effect.
  • a pot 39 with a piezoactive element 40 is also stored in a special ceramic 41 according to the invention.
  • the ceramic 41 is conically shaped and pressed into a corresponding conical seat of an essentially cylindrical extension 42 of a measuring tube 43.
  • the extension 42 is closed by a cap 44 made of structure-borne noise-damping material, which is fastened, for example, by screws which are not visible in FIG. 8.
  • the device according to FIG. 9 is similar to that in FIG. 5, so that the same reference numbers are used again for the same parts.
  • a ring 45 made of a special ceramic is not designed here as a separate part, but is firmly connected to the measuring tube 30.
  • the measuring tube 30 is provided with plasma ceramics at the points at which the transducer is later seated.
  • a sealing surface to the flange of the cup 27 is produced by surface grinding. The flange rests on this surface and the cap 26 closes the installation location of the converter.
  • the device shown in FIG. 11 in contrast to the device according to FIG. 9, it is not the measuring tube 30 but the flange of the pot 27 that is coated according to the invention with a special ceramic 47. After grinding the sealing surface, the transducer is placed on the measuring tube 30 together with the ceramic ring 47 for damping structure-borne noise, so that in this exemplary embodiment the ultra sound transducer is only to be mounted as part of the measuring tube 30.
  • FIGS. 1 and 11 can be combined particularly advantageously to form the device shown in FIG. 12, in which, in addition to the flange of the transducer pot 27, also the part of the lateral surface of the transducer pot 27 facing the measuring tube 30 according to the invention with a layer of a special ceramic 48 is provided.
  • the transducer pot 27 coated with ceramic 48 is shrunk without joints into an opening provided in the measuring tube 30.
  • a lower temperature and less mechanical effort for shrinking in are required here, since the compressive strength is achieved by the cap 26.
  • the converter must also be assembled in one piece.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers (28), die zur akustischen Kopplung des Schallwandlers (28) mit einem Meßmedium an einer Öffnung einer das Meßmedium begrenzenden Wandung (30) anbringbar ist und in welcher der Schallwandler (28) zur akustischen Entkopplung von der Wandung (30) in einem keramischen Material (47) gelagert ist, dessen Elastizitätsmodul weniger als 50 GPa beträgt. Dadurch wird eine gute Dämpfung des unerwünschten Körperschalls und eine gute Beständigkeit gegenüber Chemikalien erreicht. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in Ultraschall-Durchflußmessern verwendbar. Die Erfindung wird angewandt bei Ultraschall-Durchflußmessern.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers und Ultra¬ schall-Durchflußmesser mit derselben
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers, die zur akustischen Kopplung des Schallwand¬ lers mit einem Meßmedium an einer Öffnung einer das Meßmedium begrenzenden Wandung anbringbar ist, sowie einen Ultraschall- Durchflußmesser, der mit zumindest einer derartigen Vorrich¬ tung versehen ist.
Ein Ultraschall-Durchflußmesser, der auf dem Ultraschall- Laufzeitdifferenz-Meßprinzip basiert, ist beispielsweise aus der EP-PS 0 521 855 bekannt. Er weist zwei Ultraschallquellen auf, die sich gegenseitig alternierend Schallpulse durch ein Meßmedium, das durch ein Meßrohr fließt, zuschicken. Die ge¬ messenen Größen sind die Schallaufzeiten stromaufwärts und stromabwärts. Die Differenz der Laufzeiten ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Durch Berücksichtigung der Geo¬ metrie des Meßrohrs wird der Volumenfluß berechnet, durch In¬ tegration über die Zeit das durchgeflossene Volumen. Über die Aufnahmevorrichtungen für die Ultraschallwandler, die als Ultraschallsender oder -empfänger an das Meßrohr angebracht sind, werden in dem obengenannten Dokument keine Angaben ge¬ macht. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Schallwegführung durch das Meßmedium sind dagegen ausführlich beschrieben.
Schall pflanzt sich nicht nur im Meßmedium, sondern aufgrund einer Anregung der Meßrohrwandungen durch die Aufnahme- vorrichtungen der Ultraschallwandler auch über die Meßrohr¬ wandungen selbst fort. Dieser Effekt wird Körperschall oder "akustischer Kurzschluß" genannt. Da sich am Empfangswandler die Signalanteile von Körperschall und Nutzschall überlagern, wird das Nutzsignal verfälscht und damit die Meßgenauigkeit drastisch verschlechtert. Schall breitet sich in typischen Meßrohrmaterial en wie Metallen und Sinterkeramiken wesent- lieh schneller aus (2500 m/s < c < 6000 m/s) als in Flüssig¬ keiten (800 m/s < c < 2000 m/s) . Mehrmalige Reflexion des Körperschalls und die gute Schalleitfähigkeit der Meßrohr¬ materialien bewirken, daß das KörperschallSignal den Emp- fangswandler auch zum Zeitpunkt des Nutzsignals mit nur ge¬ ringfügig reduzierter Amplitude erreicht. Deshalb kann auch bei kurzen Sendeimpulsen der Nutzsignalanteil zeitlich nur schwer vom Körperschallanteil separiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers zu schaffen, die an einer das Meßmedium begrenzenden Wandung anbringbar ist, eine körperschallarme Verbindung des Schallwandlers zur Wandung gewährleistet und weitgehend chemikalienbeständig ist. Zudem soll ein Ultraschall-Durchflußmesser mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattet werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Vorrichtung die Merkmale des Anspruchs 1 auf. In den Ansprüchen 2 bis 9 sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben. In An¬ spruch 10 ist ein erfindungsgemäßer Ultraschall-Durchflußmes¬ ser beschrieben.
Keramiken, deren Elastizitätsmodul weniger als 50 GPa be- trägt, eignen sich in besonderem Maße für die Dämpfung von Körperschall.
Plasmagespritzte Keramiken zeichnen sich durch eine relativ lockere Verzahnungsstruktur von fladenförmig deformierten Keramikteilchen aus. Das bedingt ein gegenüber konventionel¬ ler Sinterkeramik oder Metall wesentlich niedrigeres Elasti¬ zitätsmodul. Dadurch kann beispielsweise gegenüber Metall ei¬ ne große Fehlanpassung der Schallimpedanz erreicht werden. Die lockere VerzahnungsStruktur aufgrund der Änderung der Kristallitanordnung gegenüber Sinterkeramik behindert auf¬ grund der dadurch hervorgerufenen Reflexionen die Schall- ausbreitung und bewirkt gleichzeitig eine starke Absorption des Schalls. Durch Plasmaspritzen können prinzipiell alle ke¬ ramischen Materialien verarbeitet werden, die in der Schmelz- phase stabil sind. Vorteilhaft sind dies AI2O3 (Korund) , Mullit oder Zrθ2 (Zirkondioxid) in reiner Form oder mit Zu- Sätzen, beispielsweise Spinell; auch andere sind geeignet.
Im Sinterverfahren kann vorteilhaft die keramische Substanz Al2 iÜ5 (Aluminiumtitanat) hergestellt werden. Die Aluminium- titanatkristallite weisen in den drei Hauptachsen stark un- terschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dies führt aufgrund mikroskopischer Spannungen zu Mikrorissen im Gefüge. Diese Mikrorisse sind unter anderem für ein niedriges Elasti¬ zitätsmodul verantwortlich. Zusätzlich behindern diese Risse die Schallausbreitung in der Keramik und sorgen daher für ei- ne gute Schalldämpfung.
Aufgrund der Eigenschaften der obengenannten Keramiken, im folgenden zur Unterscheidung gegenüber den konventionellen, gesinterten auch besondere Keramiken genannt, können die fol- genden Mechanismen zur Körperschalldämpfung angewendet wer¬ den:
a) Eine Reflexion durch Fehlanpassung der Schallimpedanz an den Materialübergängen Wandlertopf/Keramik/Wandung des Meßrohrs wegen des im Vergleich zu konventionellen Sinter¬ keramiken und Metallen niedrigen Elastizitätsmoduls der besonderen Keramiken. Fehlanpassung bedeutet, daß Mate¬ rialien stark unterschiedlicher Schallimpedanz aneinander¬ stoßen. Durch die Fehlanpassung wird an der Grenzfläche ein entsprechender Schallanteil reflektiert. Bei mehr¬ fachem Übergang treten Mehrfachreflexionen auf. Das Ela¬ stizitätsmodul geht in die Berechnung der Schallimpedanz mit seiner Wurzel ein. Daher kann es zur Unterscheidung der Schallimpedanz bei vergleichbarer Dichte verschiedener Materialien herangezogen werden. Beispielsweise beträgt das Elastizitätsmodul von Stahl etwa 200 GPa, Wolfram etwa 390 GPa, konventionellen Sinterkeramiken etwa 200 bis 400 GPa, plasmagespritzten Keramiken etwa 3 bis 16 GPa und von Aluminiumtitanat etwa 15 bis 30 GPa. Damit sind Impe¬ danzsprünge um den Faktor 5 bis 25 ohne weiteres möglich.
b) Eine Auslöschung durch Interferenz kann erreicht werden, wenn die Dicke der besonderen Keramik bei Mehrfach¬ reflexion an ihren beiden Grenzflächen die Auslöschungs- bedingung erfüllt. Das ist beispielsweise der Fall, wenn die Dicke ein Viertel der Wellenlänge einer Schallwelle in der besonderen Keramik beträgt. Für plasmagespritzte Kera¬ mik ist dies beispielhaft je nach Material bei einer Dicke von 0,6 bis 1,6 mm, für Aluminiumtitanat bei 1,5 bis 2 mm der Fall, wenn die Ultraschallfrequenz 1,5 MHz beträgt.
c) Die Schalldämpfung oder Absorption beim Schalldurchgang ist bei den genannten besonderen Keramiken durch das stark gestörte Kristallitgefüge sehr gut. Dabei eignen sich un¬ geglühte Plasmakeramiken besser als geglühte, da letztere in ihren Eigenschaften wieder nahe an konventionelle Kera- miken rücken.
Die Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit der besonderen Keramiken ist ebensogut wie die der entsprechenden konventio¬ nellen Keramiken. Sie sind also für Messungen der Prozeß- technik hervorragend geeignet. Hierin ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber Elastomer-Materialien zu sehen, die bei Meßaufnehmern in der Prozeßtechnik wegen ihrer schlechten Temperaturbeständigkeit und Unbeständigkeit gegen Chemika¬ lien, z. B. Lösungsmitteln oder Säuren, häufig nicht verwend- bar sind. Sehr gut chemikalienbeständige und gut temperatur¬ beständige Dichtungen aus PTFE oder verwandten Materialien dichten aber wegen ihrer ausgeprägten Kriecheigenschaft nur bei vollständiger konstruktiver Umschließung dauerhaft ab. Diese Umschließung aus festerem, somit weniger gut schall- dämpfendem Material würde aber wieder einen Pfad für den un¬ erwünschten Kδrperschall eröffnen. Die schalldämpfende Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch besser als eine Beschichtung oder Verkleidung des Meßrohrs eines Durchflußmessers mit einem geeigneten schwin- gungsdämpfenden Kunststoff, bei welcher der Körperschall le- diglich etwa um den Faktor 2 bis 4 gedämpft wird. Für eine ausreichend geringe Meßwertverfälschung reicht diese Dämpfung nicht aus. Zudem begrenzt der Einsatz von Kunststoffen im allgemeinen die zulässige Höchsttemperatur. Eine Verwendung von Kunststoffen als Vollmaterial für das Meßrohr würde zwar eine ausreichende Körperschalldämpfung bewirken, jedoch steht dieser Maßnahme bis auf wenige Ausnahmen die geringe Tempera¬ tur- und Chemikalienfestigkeit der Kunststoffe entgegen. Da die akustische Schallimpedanz von Flüssigkeiten etwa der von Kunststoffen entspricht, verfügen mit Schallreflexionen ar- beitende Ultraschall-Meßverfahren, z. B. die bekannte W-An- ordnung, nach mehrmaligen Reflexionen auch an höchstgefüllten Kunststoffröhren nicht mehr über ein ausreichendes Empfangs- Signal.
Dagegen bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Möglich¬ keit, Ultraschallwandler in ein Meßrohr druckfest, tempera¬ turfest, chemikalienbeständig, dicht, körperschalldämpfend und gegebenenfalls fugenfrei einzubauen. Die Chemikalien¬ beständigkeit dieser besonderen Keramiken ist ebensogut wie die der entsprechenden konventionellen. Zudem sind diese Ke¬ ramiken sehr gut temperaturfest im Bereich der Prozeßtechnik und dabei sehr temperaturschockbeständig. Druckfestigkeit und Fugenfreiheit richten sich nach der speziell gewählten Art des Einbaus.
Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Er¬ findung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Vorrichtung mit einem durch Einschrumpfen be¬ festigten Ultraschallwandler, Figuren 2 bis 6 Vorrichtungen zur Aufnahme eines Ultra¬ schallwandlers mit seitlichem Flansch,
Figur 7 eine Vorrichtung mit einem Ultraschallwandler mit Außengewinde,
Figur 8 eine Vorrichtung mit einem Wandler mit Konussitz,
Figuren 9 und 10 Vorrichtungen mit körperschalldämpfend vor¬ bereiteten Meßrohren und
Figuren 11 und 12 Vorrichtungen mit körperschalldämpfend vor¬ bereiteten Wandlern.
In Figur 1 ist eine Vorrichtung mit einem Ultraschallwandler dargestellt, der aus einem piezoaktiven Element 1 in einem becherförmigen Topf 2 besteht. Die Außenseite des Topfes 2 ist durch Plasmaspritzen mit Plasmakeramik 3 versehen und an- schließend so bearbeitet, daß ein vorgegebener Außendurchmes¬ ser sehr genau eingehalten wird. Auch der Innendurchmesser eines im wesentlichen zylinderfδrmigen Fortsatzes 4 der Me߬ rohrwandung 5 ist mit enger Toleranz eingehalten, so daß eine Passung entsteht, die es erlaubt, den beschichteten, kalten Ultraschallwandler in den Fortsatz 4 eines erwärmten Me߬ rohres einzusetzen. Nach Erkalten des Meßrohres ist der Wand¬ ler fest eingeschrumpft. Die gute Temperaturschockbeständig¬ keit der meisten plasmagespritzten Keramiken verhindert bei diesem Vorgehen eine Zerstörung der Keramik. Ein weiterer Vorteil ist die fugenfreie Verbindung zwischen Wandlertopf 2 und Plasmakeramik 3 und weiter zum Fortsatz 4 der Meßrohrwan¬ dung 5. Die zum Einschrumpfen notwendige Temperatur richtet sich nach dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Rohr¬ materials, der Festigkeit der Plasmakeramik 3, der Dicke des Fortsatzes 4, der Reibungszahl der Plasmakeramik 3 und des
Fortsatzes 4, dem maximalen Druck des durch das Meßrohr flie¬ ßenden Mediums, dem Durchmesser des Wandlertopfes 2 und der maximalen Mediumtemperatur.
In Figur 2 ist das piezoaktive Element 6 eines Ultraschall¬ wandlers in einem Topf 7 untergebracht, der einen umlaufenden Flansch 8 aufweist. Ein als separates Teil vorliegender, an seiner Ober- und Unterseite plangeschliffener Ring 9 dient als Dichtung und zur Körperschallisolierung. Dieser Ring 9 kann aus Plasmakeramik, aber auch aus der Sinterkeramik Al2Tiθ5 gefertigt sein. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Kappe 10 auf, die mit in der Zeichnung nicht sichtbaren
Schrauben an einem Meßrohr 11 befestigt wird. Um zu verhin¬ dern, daß die aus körperschalleitendem Material gefertigte Kappe 10 einen Körperschallweg zum Meßrohr 11 eröffnet, ist ein zweiter Ring 12 vorgesehen, der Kappe 10 und Flansch 8 des Topfes 7 gegeneinander isoliert. Dieser zweite Ring 12 kann ebenfalls aus Plasmakeramik oder einer geeigneten Sinterkeramik, aber auch aus jedem anderen körperschalldämp¬ fenden Material bestehen, das die mechanischen Anforderungen erfüllt. Da sich der zweite Ring 12 außerhalb des Meßmediums befindet und keinerlei Kontakt zu diesem hat, werden an seine Chemikalienbeständigkeit keine besonderen Ansprüche gestellt. Radial sind Kappe 10 und Flansch 8 durch einen Luftspalt 13 voneinander getrennt. Dieser kann aber auch durch ein belie¬ biges schalldämpfendes Material gefüllt sein. Neben der be- schriebenen Befestigungsart der Kappe 10 auf dem Meßrohr 11 sind weitere lösbare Befestigungsarten, aber auch nichtlös¬ bare wie z. B. Verschweißen mit dem Meßrohr 11 möglich.
Der Wandlertopf 14 eines Ultraschallwandlers mit einem piezoaktiven Element 15 in Figur 3 besitzt ebenfalls einen
Flansch, der erfindungsgemäß durch einen Ring 16 aus besonde¬ rer Keramik körperschalldämpfend gegen ein Meßrohr 17 gela¬ gert ist. Eine Kappe 18 ist jedoch selbst aus körperschall¬ dämpfendem Material, beispielsweise aus besonderer Keramik oder Kunststoff, gefertigt. Vorteilhaft kann dadurch ein Spalt zwischen Flansch und Kappe 18 sowie ein zweiter Ring entfallen. Eine Verschweißung der Kappe 18 mit dem Meßrohr 17 ist in dieser Ausführungsform aufgrund verschiedener Mate¬ rialien im allgemeinen nicht möglich.
Figur 4 zeigt ein piezoaktives Element 19 mit einem Topf 20, dessen Form demjenigen in Figur 2 ähnelt. Er ist in der Vor- richtung wieder zwischen zwei schalldämpfenden Ringen 21 und 22 gelagert. Abweichend von der Ausführungsform nach Figur 2 wird in Figur 4 eine Kappe 23 jedoch nicht direkt an einem Meßrohr befestigt, sondern weist selbst ein Außengewinde auf, durch das sie an einem zylinderförmigen Fortsatz 24 eines Meßrohrs 25, der mit einem korrespondierenden Innengewinde versehen ist, eine Schraubverbindung herstellt.
In Figur 5 besteht eine Kappe 26 wiederum aus körperschall- dämpfendem Material, so daß gegenüber der Ausführungsform nach Figur 4 auf einen zweiten körperschalldämpfenden Ring zwischen Kappe 26 und Topf 27 mit piezoaktivem Element 28 verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß dient auch hier ein Ring 29 aus einer besonderen Keramik zur schalldämpfenden La- gerung des Wandlertopfes 27 gegen ein Meßrohr 30.
Die in Figur 6 dargestellte Vorrichtung entspricht der in Fi¬ gur 5 gezeigten; gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszei¬ chen versehen. Jedoch weist hier ein Ring 31 aus einer beson- deren Keramik eine Nut für einen weiteren Dichtungsring 32 auf, der in dieser Vorrichtung allseitig umschlossen ist und damit nicht kriechen kann. Diese Dichtung kann beispielsweise aus PTFE bestehen und verbessert die Dichteigenschaften des Rings 31.
In Figur 7 ist auf einen Topf 33 mit einem piezoaktiven Ele¬ ment 34 eine Schicht 35 aus Keramik durch Plasmaspritzen auf¬ getragen. Diese Schicht 35 ist mit einem Außengewinde verse¬ hen, mit welchem der Ultraschallwandler in ein dazu korre- spondierendes Innengewinde eines Fortsatzes 36 eines Meßroh¬ res 37 eingeschraubt ist. Diese Verschraubung stellt eine dichte Verbindung zwischen dem plasmabeschichteten Wandler 34 und dem Fortsatz 36 des Meßrohres 37 her. Zusätzlich ist ein allseitig umschlossener Dichtring 38 vorgesehen, der bei ge- nügender Dichtwirkung der Plasmakeramik 35 entfallen kann. In Figur 8 ist ein Topf 39 mit einem piezoaktiven Element 40 ebenfalls erfindungsgemäß in einer besonderen Keramik 41 ge¬ lagert. Die Keramik 41 ist konisch geformt und in einen dazu korrespondierenden konischen Sitz eines im wesentlichen zy- linderförmigen Fortsatzes 42 eines Meßrohres 43 eingepreßt. Der Fortsatz 42 ist durch eine Kappe 44 aus körperschalldämp¬ fendem Material verschlossen, die beispielsweise durch in Fi¬ gur 8 nicht sichtbare Schrauben befestigt ist.
Die Vorrichtung nach Figur 9 ist derjenigen in Figur 5 ähn¬ lich, so daß für gleiche Teile wieder gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Ein Ring 45 aus einer besonderen Keramik ist hier nicht als separates Teil ausgeführt, sondern fest mit dem Meßrohr 30 verbunden. Dazu wird das Meßrohr 30 an den Stellen, an denen später der Wandler aufsitzt, durch Auf¬ spritzen mit Plasmakeramik versehen. Durch Planschleifen wird eine Dichtfläche zum Flansch des Topfes 27 hin erzeugt. Auf dieser Fläche liegt der Flansch auf, und die Kappe 26 ver¬ schließt den Einbauplatz des Wandlers.
In einer abgewandelten Ausführungsform nach Figur 10 ist nicht nur die Stelle, an welcher der Wandler aufsitzt, son¬ dern das gesamte Meßrohr 30 oder ein großer Teil davon außen mit Plasmakeramik 46 versehen. Durch Planschleifen an den Stellen, die zur Dichtung des Wandlereinbauplatzes dienen sollen, wird eine Dich fläche erzeugt. Der Verbund der Plasmakeramik 46 mit dem Meßrohr 30 dämpft das schwingfähige Meßrohrmaterial und sorgt daher für zusätzliche Körperschall- dämpfung.
Bei der in Figur 11 dargestellten Vorrichtung ist im Unter¬ schied zur Vorrichtung nach Figur 9 nicht das Meßrohr 30, sondern der Flansch des Topfes 27 erfindungsgemäß mit einer Beschichtung einer besonderen Keramik 47 versehen. Nach Plan- schleifen der Dichtfläche wird der Wandler gemeinsam mit dem Keramikring 47 zur Körperschalldämpfung auf das Meßrohr 30 gesetzt, so daß in diesem Ausführungsbeispiel der Ultra- schallwandler nur als ein Teil am Meßrohr 30 zu montieren ist.
Besonders vorteilhaft können Merkmale der Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 11 zur in Figur 12 dargestellten Vor¬ richtung kombiniert werden, bei der neben dem Flansch des Wandlertopfes 27 auch der dem Meßrohr 30 zugewandte Teil der Mantelfläche des Wandlertopfes 27 erfindungsgemäß mit einer Schicht einer besonderen Keramik 48 versehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird der mit Keramik 48 beschichtete Wandlertopf 27 fugenfrei in eine dafür vorgesehene Öffnung des Meßrohres 30 eingeschrumpft. Im Vergleich zu der Ausfüh¬ rungsform nach Figur 1 ist hier eine niedrigere Temperatur und ein geringerer mechanischer Aufwand zum Einschrumpfen erforderlich, da die Druckfestigkeit durch die Kappe 26 er¬ reicht wird. Wie bei der Ausführungsform nach Figur 11 ist auch hier der Wandler einteilig zu montieren.
Falls gewünscht, beispielsweise für die bekannte W-förmige Schallführung eines Ultraschall-Durchflußmessers, ist es bei allen Ausführungsformen durch geeignete Auslegung der Vor¬ richtung oder des Ultraschallwandlers auf einfache Weise mög¬ lich, den Ultraschall in Schrägrichtung in das Meßmedium zu senden oder aus diesem zu empfangen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers (27, 28), die zur akustischen Kopplung des Schallwandlers (27, 28) mit einem Meßmedium an einer Öffnung einer das Meßmedium begren¬ zenden Wandung anbringbar ist und in welcher der Schallwand¬ ler (27, 28) zur akustischen Entkopplung von der Wandung in einem keramischen Material (47) gelagert ist, dessen Elasti¬ zitätsmodul weniger als 50 GPa beträgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet ,
- daß das keramische Material durch Plasmaspritzen herge¬ stellt ist und - daß sein Elastizitätsmodul weniger als 16 GPa beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn¬ zeichnet ,
- daß die plasmagespritzte Keramik Korund, Mullit oder Zirkon enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet ,
- daß das keramische Material (47) gesintertes Aluminium- titanat ist und
- daß sein Elastizitätsmodul in Schallausbreitungsrichtung weniger als 30 GPa beträgt.
5 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche , d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- daß das keramische Material (47) selbst in einem Träger¬ material (30) gelagert ist, dessen akustische Impedanz von derjenigen des keramischen Materials (47) verschieden ist, und - daß somit an der Grenzfläche beider Materialien (30, 47) ein sprunghafter Übergang der akustischen Impedanz vorhan¬ den ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn¬ zeichnet ,
- daß das keramische Material (47) als Schicht zwischen Schallwandler (27, 28) und Trägermaterial (30) ausgebildet ist, deren Dicke etwa ein Viertel der Wellenlänge der Schallwellen im keramischen Material (47) beträgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn¬ zeichnet , - daß mehrere Schichten unterschiedlicher akustischer Impe¬ danz in Schallausbreitungsrichtung nach Art eines Sandwich- Aufbaus hintereinander angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet,
- daß zur Aufnahme des Schallwandlers (14, 15) eine becher¬ förmige Kappe (18) aus schalldämpfendem Material vorgesehen ist mit einem Innendurchmesser, der größer als der Durch¬ messer der Öffnung in der Wandung (17) ist und koaxial über dieser auf der Wandung (17) befestigbar ist, so daß der Schallwandler (14, 15) gegen die Wandung (17) gedrückt wird, und
- daß die Oberflächenbereiche des Schallwandlers (14, 15), welche sich im Bereich der Wandung (17) befinden, mit dem keramischen Material (16) beschichtet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche l bis 7, dadurch gekennzeichnet ,
- daß zur Aufnahme des Schallwandlers (27, 28) ein hohlzylin- derförmiger Fortsatz vorgesehen ist mit einem Innendurch¬ messer, der größer als der Durchmesser der Öffnung ist und koaxial über dieser auf der Wandung angeordnet ist, und
- daß die der Öffnung abgewandte Seite des Hohlzylinders mit einer Kappe (26) aus schalldämpfendem Material verschließ- bar ist, die so ausgebildet ist, daß der Schallwandler (27, 28) im geschlossenen Zustand gegen die Wandung (30) ge¬ drückt wird.
10. Ultraschall-Durchflußmesser mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einem vom Meßmedium durchflossenen Meßrohr (30) .
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