WO2013097994A9 - Ultraschallwandler für ein durchflussmessgerät - Google Patents

Ultraschallwandler für ein durchflussmessgerät Download PDF

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WO2013097994A9
WO2013097994A9 PCT/EP2012/073388 EP2012073388W WO2013097994A9 WO 2013097994 A9 WO2013097994 A9 WO 2013097994A9 EP 2012073388 W EP2012073388 W EP 2012073388W WO 2013097994 A9 WO2013097994 A9 WO 2013097994A9
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ring
ultrasonic transducer
ultrasonic
walls
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WO2013097994A1 (de
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Pierre Ueberschlag
Michal Bezdek
Andreas Berger
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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Publication date
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Publication of WO2013097994A9 publication Critical patent/WO2013097994A9/de

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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
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G10K11/04—Acoustic filters ; Acoustic resonators

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer for an ultrasonic flowmeter, which comprises a first housing part with an ultrasonic window and rotationally symmetrical walls connected thereto.
  • Ultrasonic flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple way to determine the volume flow and / or mass flow in a pipeline.
  • Ultrasonic waves in particular ultrasonic pulses, so-called bursts, relative to
  • ultrasonic pulses are sent at a certain angle to the pipe axis both with 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 ultrasonic waves are generated or received with the help of so-called ultrasonic transducers.
  • ultrasonic transducers are firmly mounted in the pipe wall of the respective pipe section.
  • the ultrasonic transducers normally consist of an electromechanical transducer element, e.g. a piezoelectric element, and an ultrasonic window.
  • the ultrasonic waves are generated as acoustic signals and guided to the ultrasonic window and coupled from there into the fluid or the measuring medium.
  • the ultrasonic window is also called membrane.
  • 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 on boundary layers between two materials.
  • An ultrasonic transducer for an ultrasonic flowmeter comprises a first housing part having a flat surface suitable as an ultrasonic window and rotationally symmetrical walls connected thereto.
  • the ultrasonic transducer according to the invention is designed so that a coaxial to the walls of the first housing part of the walls of the first
  • Housing part formed first ring than the first housing part in the axial direction
  • the closing resonator connects, which forms a first end face of the first housing part.
  • the ultrasonic window of the first housing part forms a second end face of the first housing part.
  • the resonator limits the first housing part in the axial direction.
  • the first ring is advantageously arranged otherwise freely in the radial direction.
  • Movements of the first ring perpendicular to the axis of rotation is not limited by other components, so that it can swing freely.
  • the measurement signal disturbing structure-borne sound waves are attenuated, thus preventing their transmission from the first housing part to the pipe wall and via this to another ultrasonic transducer.
  • the first housing part has in particular a pot-shaped area, with the ultrasonic window as the bottom of the pot-shaped area on which a
  • Electromechanical transducer element is arranged.
  • the electromechanical transducer element is excited at a predetermined frequency, the so-called excitation frequency.
  • the excitation frequency is the central frequency of the oscillation of the electromechanical transducer element or of the acoustic signal generated therefrom.
  • the first housing part is bottle-shaped, wherein the bottle bottom forms the ultrasonic window, and being arranged at a conically tapered end of the walls of the resonator.
  • the walls of the first housing part are thin relative to its extension along its axis of rotation.
  • the ultrasonic transducer comprises a membrane for mechanical coupling of the first housing part with a pipe, which membrane is connected to a lateral surface of the first ring, that the first end face of the first housing part a distance of ⁇ / 100 to 3 ⁇ / 4 to a first surface of the membrane, wherein the lateral surface of the first ring limits the outer diameter of the first ring, ⁇ represents the wavelength of the acoustic signal in the corresponding component, here the first ring, which acoustic signal from the electromechanical transducer element in the first housing part is transmitted and propagates there with the wavelength ⁇ as structure-borne sound.
  • the wavelength ⁇ depends on the speed of sound, in particular in the longitudinal direction, in the corresponding component, which is a material property, and it depends on the excitation frequency with which the electromechanical transducer element is excited to oscillate and thus to generate the acoustic signal.
  • the membrane lies in a plane perpendicular to the axis of the first ring. It advantageously has a thickness in an interval of ⁇ / 40 to ⁇ / 4 of longitudinal wavelength of the acoustic signal in the first ring. According to a second surface of the membrane is aligned with one of the first end face
  • the first housing part is fastened by means of the membrane to a pipeline or a further, second housing part of the ultrasonic transducer.
  • the membrane is biased against an axial stop of a second housing part.
  • the membrane is connected to the first ring, in particular cohesively, in particular joint-free. The holder of the first housing part thus takes place over the membrane.
  • the connecting surface of the membrane identifies the surface with which the membrane is mechanically coupled to another component, for example a second ring of the resonator or the pipeline or a second housing. It can thus form an axial stop, which is biased against an axial stop of the second housing.
  • the first ring has an inner diameter in an interval of 0 to ⁇ / 2, and an outer diameter in an interval of ⁇ / 10 to (3/4) * ⁇ , and a width in an interval of ⁇ / 100 to 3 / 4 ⁇ , where ⁇ represents the wavelength of the acoustic signal generated by the ultrasonic transducer, with the longitudinal
  • the speed of sound of the material of the first ring is calculated.
  • the first ring has a thickness of ⁇ / 40 to ⁇ / 4.
  • the thickness of the first ring is measured perpendicular to the axis of rotation. It equals the difference
  • the resonator comprises a second ring arranged coaxially with the walls of the first housing part.
  • first and the second ring are connected to each other via the membrane, which membrane lies in a plane perpendicular to the axis of the two rings and thus perpendicular to the axis of rotation of the walls of the first housing part.
  • Transducer element of the ultrasonic transducer is excited to vibrate, in particular in a predetermined interval around its natural frequency.
  • the wavelength ⁇ in a body, here the first ring or the walls of the first housing part, then hangs next to the
  • Inner diameter in an interval of ⁇ / 8 to (3/4) * ⁇ and in that the second ring has an outer diameter in an interval of ⁇ / 4 to ⁇ , and in that the second ring has a width in an interval of ⁇ / 100 to 3 / 4 ⁇ , with ⁇ the longitudinal wavelength of the acoustic signal generated by the ultrasonic transducer in the second ring.
  • the second ring has a further development according to a thickness of ⁇ / 40 to ⁇ / 4.
  • the distance of the first and second ring is at least ⁇ / 100, in particular at least ⁇ / 40, in particular from ⁇ / 20 to ⁇ / 2 of the wavelength of the acoustic signal generated by the ultrasonic transducer in the membrane.
  • Outer diameter of the first and second rings the same size.
  • the thickness of the membrane is dimensioned parallel to the ring axis or perpendicular to the plane of the membrane, whereas the thickness of the rings is measured parallel to the plane of the membrane.
  • the ultrasonic transducer comprises a second housing part, wherein the first housing part axially guided in the second housing part and biased against the second housing part, that in a first state of the ultrasonic transducer, a first axial stop of the first housing part at a first axial stop of second housing part is applied, wherein by applying a predetermined force against the
  • the first housing part is axially displaceable, so that in a second state of the ultrasonic transducer, the second axial stop of the first housing part is moved out of the first state.
  • the second stop of the first housing part comprises the membrane, in particular the surface of the membrane facing away from the resonators.
  • the second stop of the first housing part is designed according to an embodiment as a circumferential to the first housing part sealing surface. For example, a sealing ring is arranged on the surface of the membrane.
  • the first housing part has a first and an oppositely acting third axial stop, which are arranged between a first and an oppositely acting second axial stop of the second housing part, wherein by applying a predetermined force the first housing part against the bias voltage, the first housing part is axially displaceable until in another state of the ultrasonic transducer, the third axial stop of the first
  • Housing part abuts the second axial stop of the second housing part.
  • the first and third axial stop of the first housing part is replaced by a bidirectionally acting stop, for example a snap ring, which is arranged in a groove in the first housing part, in particular in a coaxial circumferential annular groove in the second ring of the resonator.
  • the first housing part encloses a
  • electromechanical transducer element which by suitable means against a
  • Ultrasonic window of the first housing part of the ultrasonic transducer is biased, wherein a first surface of the electromechanical transducer element facing the ultrasonic window.
  • a second surface of the electromechanical transducer element lying opposite the first surface is then subdivided into a plurality of segments which are galvanically connected to the means suitable for biasing.
  • the biasing means include e.g. a helical compression spring, which for the galvanic contacting of the electromechanical transducer element has at least one, in particular two in a plane spirally extending turns. Typically, there is a between the electromechanical transducer element and the ultrasonic window
  • Coupling means e.g. Greased.
  • the electromechanical transducer element is, in particular, a piezoelectric element with a predetermined natural frequency with which it is excited. It is usually operated in the so-called thickness mode.
  • a further development of the invention provides that the ultrasonic transducer a
  • Adaptive layer which limits the ultrasonic transducer to the environment, wherein the ultrasonic window between the electromechanical transducer element and the
  • the adaptation layer comprises in particular a
  • a further development of the invention can be seen in the fact that a function of the distance of each cut edge of an outer contour of the first housing part from the ultrasonic window to the second axial stop is monotonous to a longitudinal axis of the first housing part, wherein the cutting edge lies in a plane in which the longitudinal axis the first housing part is located.
  • the ultrasonic transducer is constructed so that an inner diameter of the walls is equal to the inner diameter of the first ring.
  • First ring and walls of the first housing part are in alignment.
  • the outer diameter of the walls of the first housing part are at least 60% in an embodiment example, in particular at least 80% smaller than the outer diameter of the first ring.
  • the ring thus has a much greater thickness than the walls.
  • the walls have the same thickness as the membrane, ie between ⁇ / 100 and ⁇ / 5, with ⁇ of the longitudinal wavelength in the walls of the acoustic signal generated by the ultrasonic transducer.
  • the first ring is advantageously made of the same material as the walls of the first housing part and optionally as well as the ultrasonic window, in particular of a metal or a metal alloy, in particular made of stainless steel.
  • the first ring is materially connected to the walls, for example by welding.
  • the first ring and the walls of the first housing part are made monolithic.
  • FIG. 1 shows an ultrasonic transducer according to the invention in partial section
  • FIG. 1 shows a detail of FIG. 1
  • Fig. 5 shows an ultrasonic transducer according to the invention installed in a pipeline.
  • Fig. 1 an inventive ultrasonic transducer 1 is shown, with a detail section through a resonator according to the invention.
  • the further figures show the ultrasonic transducer in further views. The figures will be described together below.
  • the ultrasonic transducer 1 has a first housing part 2
  • first housing part 2 designed bottle-shaped. Coaxially with the walls of the first housing part 2, it comprises a first ring 6 as part of a resonator, which forms an end face of the first housing part 2.
  • the ring 6 is joint-free connected to the walls 5 of the first housing part 2, in particular produced monolithically.
  • the walls 5 are formed with the ultrasonic window 5 monolithic.
  • the first ring 6 forms insofar the end face of the first housing part 2, since it limits the first housing part 2 in the axial direction. This should not preclude that further components of the first housing part 2 can project beyond the first ring 6.
  • the first ring 6 is in particular free of acoustic couplings in the radial direction, ie perpendicular to the axis of rotation, so that vibrations of the first ring 6 in this direction are not restricted by further components.
  • a plug 10 for electrical contacting of the ultrasonic transducer 1 is positioned in the interior of the first ring 6, but this does not touch the first ring 6 on its flanks in the radial direction. He lies only on the front side of the first ring 6.
  • the first ring 6 is also non-contacting in the axial direction.
  • a membrane 8 connects. This too is part of the resonator.
  • a transmission of the acoustic signal from the first housing part 2 on the pipe 14 or a further housing part takes place in particular via the membrane 8. Otherwise, the first housing part 2 is acoustically and optionally mechanically decoupled from the pipe 14 or a further housing part.
  • the resonator is also caused to vibrate by the vibrations of the electromechanical transducer element.
  • the main vibration mode of the first ring 6 is radially to the longitudinal axis of the first ring 6.
  • the membrane 8 is arranged here at a vibration node on a second ring 7, which is a transmission of the acoustic signal to the second ring 7 or in particular to the pipe 14 or a further housing part difficult.
  • a cage 34 about the first spring 15 is provided for the electrical and in particular for the acoustic decoupling of the first and second housing part 2 and 3.
  • the first spring 15 is axially guided.
  • the first housing part 2, the ultrasonic window 4, the walls 5, the membrane 8, the first and optionally the second ring 6 and 7 are made of a metal or a metal alloy, especially made of stainless steel. Thus, they typically have an E-modulus of 50 kN / mm 2 to 400 kN / mm 2 .
  • the first housing part 2 of the ultrasonic transducer 1 in Fig. 2 comprises two parts, which are connected by a weld 22 cohesively with each other, in particular laser welded together.
  • the lower has the shape of a pot and includes the
  • Ultrasonic window 4 as ground. It encloses the electromechanical transducer element 17, which is arranged on the ultrasonic window 4 and biased by suitable means 16 against this. Between the electromechanical transducer element 17 and the
  • Ultrasonic window 4 may be applied a coupling agent.
  • Stainless steel as a material for the first housing part 2 typically has a
  • two helical compression springs 16 are provided. They generate predetermined forces in the direction of the ultrasonic window 4 and guide them into the
  • electromechanical transducer element 17 which is thereby kept pressed against the ultrasonic window 4.
  • the biasing means 16 electrically contact the electromechanical transducer element 17.
  • the application of one or more additional electrodes to the electromechanical transducer element 17 is superfluous.
  • the biasing means 16 contact a second surface of the
  • the electromechanical transducer element 17 is electrically contacted by the ultrasonic window 4.
  • the first housing part 2 is for this purpose made in particular of an electrically conductive material.
  • the means for biasing 16 are mounted without contact with the first housing part 2.
  • they are based on a guide plate 23, which also serves as an electrical insulator. Via an electrical resistor 24, the circuit is closed.
  • the ultrasonic transducer 1 still has a plug 10 in a bore in the first housing part 2, through which the electrical contact and thus the Excitation by and the tap of the voltage signals at the electromechanical
  • Transducer element 17 takes place. Electrical lines are not shown here.
  • the first surface 20 of the electromechanical transducer element 17 is planar and the second surface is divided into segments 18, here four equally sized, quarter-circle-shaped segments 18. In a simple way, this is done by one or more cuts 19 through the second surface of the electromechanical transducer element 17th
  • An adaptation layer 21 for adapting the acoustic impedances is provided here outside the housing of the ultrasound transducer 1. It is mounted on the ultrasonic window 4 so that the ultrasonic window 4 is located between the matching layer 21 and the electromechanical transducer element 17.
  • the matching layer 21 thus touches the fluid whose flow is to be measured.
  • the ultrasonic transducer 1 has an axial stop 1 1, which can be prestressed against an axial stop of a further housing part or a pipeline, for installation of the ultrasonic transducer 1 in a pipeline.
  • This axial stop 1 1 may itself be configured as a sealing surface, or a seal is disposed and biased between it and the axial stop of the third housing part or the pipe.
  • centering lugs may be provided in the first housing part 2.
  • a smooth surface of the housing of the ultrasonic transducer 1 is not raised against the outer surface of the housing formed.
  • a function of the distance of each cutting edge of an outer contour of the housing to a longitudinal axis of the housing is thus monotonic from the ultrasonic window 4 to the axial stop 1 1, wherein the cutting edge lies in a plane in which the longitudinal axis of the housing is located.
  • the ultrasonic transducer 1 comprises a first housing part 2 and second housing part 3, wherein the first housing part 2 is mounted axially guided in the second housing part 3.
  • the first housing part 2 has a snap ring 25 as a bidirectionally acting axial stop.
  • the snap ring 25 as an axial stop is located between a first axial stop and a first axial stop acting in opposite directions second axial stop of the second housing part. 3
  • the first housing part 2 is axially displaceable relative to the second housing part 3, between a first state where the snap ring 25 abuts as an axial stop on the first axial stop of the second housing part 3, and a third state where the snap ring 25 as an axial stop on the second axial stop of the second housing part 3 is applied. Illustrated here is a second state where the snap ring 25 is free of forces between the first and second axial stop of the second housing part 3. He is not on.
  • a helical compression spring 15 between the first and second housing part 2 and 3 is arranged so that the second housing part 3 is biased against the first housing part 2, and that a second axial stop 1 1 is provided on the first housing part 2, on soft one of the bias opposing force can be applied and is applied.
  • the axial stop 1 1 is configured coaxially circumferentially and serves as a sealing surface against another axial stop an interface 13 of the pipe 14 to which the axial stop 1 1 of the first housing part 2 is applied and via which the force in the axial stop 1 1 introduced becomes. Due to the bias of the second housing part 3 against the first housing part 2, a seal 12 is biased between the stops and therefore seals between the pipe 14 and ultrasonic transducer 1, so that no in the
  • Pipe 14 fluid can escape from it.
  • Helical compression spring 15 can also find any other suitable means for biasing the second against the first housing part 2 use.
  • the axial stop of the interface 13 of the pipe 14 is formed here by a, in a bore 27, in which the ultrasonic transducer 1 is mounted in the pipe 14, projecting shoulder.
  • the bore 27 is included in a neck 13 from the pipe 14 with.
  • a sleeve or any other suitable interface can be attached to the pipe 14, in which then the ultrasonic transducer 1 can be mounted, which then has the axial stop.
  • this interface 13 has an internal thread 28 and the second housing part 3 has a complementary external thread 29, for releasably connecting the
  • Ultrasonic transducer 1 with the pipe 14.
  • a screw is a non-positive and positive connection. Alternatively, however, only a positive or positive
  • the ultrasonic transducer 1 is merely inserted and pressed with a suitable means against the pipe 14.
  • first O-ring 30 between the first and second housing part 2 and 3 is provided to seal these against each other.
  • a second O-ring 31 is located in the drawn variant of the ultrasonic transducer 1 between second housing part 3 and necking 13 seen from the lumen 32 of the pipe over the threads.
  • the second housing part 3 is screwed into the necking 13 so far, until it is present at the shoulder 33, whereby the O-ring 31 is biased with a predetermined force.
  • the helical compression spring 15 is guided in an electrically nonconductive cage 34, for example made of a polymer, in the second housing part 3.
  • the cage 34 also serves the acoustic decoupling of the two housing parts.

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Abstract

Ultraschallwandler für ein Ultraschall-Durchflussmessgerät, welcher ein erstes Gehäuseteil (2) mit einem Ultraschallfenster (4) und sich daran anschließenden rotationssymmetrischen Wänden (5) umfasst, wobei sich an die Wände (5) des ersten Gehäuseteils (2) ein koaxial zu den Wänden des ersten Gehäuseteils ausgebildeter erster Ring (6) als Resonator anschließt, welcher eine Stirnseite des ersten Gehäuseteils (2) bildet.

Description

Ultraschallwandler für ein Durchflussmessgerät
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallwandler für ein Ultraschall-Durchflussmessgerät, welcher ein erstes Gehäuseteil mit einem Ultraschallfenster und sich daran anschließenden rotationssymmetrischen Wänden umfasst.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen.
Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Laufzeitdifferenz- Prinzip. Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von
Ultraschallwellen, insbesondere Ultraschallimpulsen, so genannten Bursts, relativ zur
Strömungsrichtung des Fluids ausgewertet. Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fließgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler in der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest angebracht. Die Ultraschallwandler bestehen normalerweise aus einem elektromechanischen Wandlerelement, z.B. ein piezoelektrisches Element, und einem Ultraschallfenster. Im elektromechanischen Wandlerelement werden die Ultraschallwellen als akustische Signale erzeugt und zum Ultraschallfenster geführt und von dort in das Fluid oder Messmedium eingekoppelt. Das Ultraschallfenster wird auch Membran genannt.
Zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Ultraschallfenster kann eine so genannte Anpassungsschicht angeordnet sein. Die Anpassungsschicht übernimmt dabei die Funktion der Transmission des Ultraschallsignals und gleichzeitig die Reduktion einer durch unterschiedliche akustische Impedanzen verursachte Reflexion an Grenzschichten zwischen zwei Materialen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ultraschallwandler vorzuschlagen, welcher geeignet ist zur Durchflussmessung von Gas. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche wieder. Ein Ultraschallwandler für ein Ultraschall-Durchflussmessgerät umfasst ein erstes Gehäuseteil mit einer als Ultraschallfenster geeigneten ebenen Fläche und sich daran anschließenden rotationssymmetrischen Wänden. Der Ultraschallwandler ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass sich an die Wände des ersten Gehäuseteils ein koaxial zu den Wänden des ersten
Gehäuseteils ausgebildeter erster Ring als das erste Gehäuseteil in axialer Richtung
abschließender Resonator anschließt, welcher eine erste Stirnseite des ersten Gehäuseteils bildet. Das Ultraschallfenster des ersten Gehäuseteils bildet dabei eine zweite Stirnseite des ersten Gehäuseteils. Der Resonator begrenzt das erste Gehäuseteil in axialer Richtung. Der erste Ring ist vorteilhaft in radialer Richtung ansonsten frei angeordnet. Dadurch sind
Bewegungen des ersten Rings senkrecht zur Rotationsachse nicht durch weitere Bauteile eingeschränkt, so dass er frei Schwingen kann. Durch den Resonator werden das Messsignal störende Körperschallwellen gedämpft und somit deren Übertragung vom ersten Gehäuseteil auf die Rohrleitungswand und über diese zu einem weiteren Ultraschallwandler unterbunden. Das erste Gehäuseteil weist insbesondere einen topfförmig ausgebildeten Bereich auf, mit dem Ultraschallfenster als Boden des topfförmig ausgebildeten Bereichs, auf welchem ein
elektromechanisches Wandlerelement angeordnet ist. Das elektromechanische Wandlerelement wird mit einer vorgegebenen Frequenz angeregt, der so genannten Anregungsfrequenz. Bei der Anregungsfrequenz handelt es sich insbesondere um die Zentralfrequenz der Schwingung des elektromechanischen Wandlerelements bzw. des daraus erzeugten akustischen Signals. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist das erste Gehäuseteil flaschenförmig ausgebildet, wobei der Flaschenboden das Ultraschallfenster bildet, und wobei an einem sich konisch verjüngenden Ende der Wände der Resonator angeordnet ist. Die Wände des ersten Gehäuseteils sind relativ zu seiner Erstreckung längs seiner Rotationsachse dünn.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist vorgesehen, dass der Ultraschallwandler eine Membran zur mechanischen Kopplung des ersten Gehäuseteils mit einer Rohrleitung umfasst, welche Membran so mit einer Mantelfläche des ersten Rings verbunden ist, dass die erste Stirnseite des ersten Gehäuseteils einen Abstand von λ/100 bis 3λ/4 zu einer ersten Oberfläche der Membran aufweist, wobei die Mantelfläche des ersten Rings den Außendurchmesser des ersten Rings begrenzt, λ repräsentiert dabei die Wellenlänge des akustischen Signals im entsprechenden Bauteil, hier dem ersten Ring, welches akustische Signal vom elektromechanischen Wandlerelement in das erste Gehäuseteil übertragen wird und sich dort mit der Wellenlänge λ als Körperschall ausbreitet. Die Wellenlänge λ hängt dabei von der Schallgeschwindigkeit, insbesondere in longitudinaler Richtung, im entsprechenden Bauteil ab, welche eine Materialeigenschaft ist, und sie hängt von der Anregungsfrequenz ab, mit welcher das elektromechanische Wandlerelement zur Schwingung und damit zur Erzeugung des akustischen Signals angeregt wird. Die Membran liegt in einer Ebene senkrecht zur Achse des ersten Rings. Sie weist vorteilhafterweise eine Dicke in einem Intervall von λ/40 bis λ/4 der longitudinalen Wellenlänge des akustischen Signals im ersten Ring auf. Weiterbildungsgemäß ist eine zweite Oberfläche der Membran fluchtend mit einer der ersten Stirnseite
gegenüberliegenden, zweiten Stirnseite des Rings am ersten Ring angeordnet. Der Abstand von der ersten Stirnseite des ersten Gehäuseteils bis zur Membran legt dann die Breite des ersten Rings fest und entspricht dieser.
Das erste Gehäuseteil wird mittels der Membran an einer Rohrleitung oder einem weiteren, zweiten Gehäuseteil des Ultraschallwandlers befestigt. Beispielsweise wird die Membran gegen einen axialen Anschlag eines zweiten Gehäuseteils vorgespannt. Die Membran ist mit dem ersten Ring, insbesondere stoffschlüssig, insbesondere fügestellenfrei verbunden. Die Halterung des ersten Gehäuseteils erfolgt somit über die Membran.
Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung beträgt ein Abstand der
Mantelfläche des ersten Rings zu einer Verbindungsfläche der Membran λ/100 bis λ/2, mit λ der longitudinalen Wellenlänge in der Membran des vom Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signals. Die Verbindungsfläche der Membran kennzeichnet die Fläche, mit welcher die Membran mit einem weiteren Bauteil, beispielsweise einem zweiten Ring des Resonators oder der Rohrleitung oder einem zweiten Gehäuse mechanisch gekoppelt ist. Sie kann somit einen axialen Anschlag bilden, welcher gegen einen axialen Anschlag des zweiten Gehäuses vorgespannt wird.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung weist der erste Ring einen Innendurchmesser in einem Intervall von 0 bis λ/2 auf, und einen Außendurchmesser in einem Intervall von λ/10 bis (3/4)*λ, und eine Breite in einem Intervall von λ/100 bis 3/4λ, wobei λ die Wellenlänge des vom Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signals repräsentiert, mit der longitudinalen
Schallgeschwindigkeit des Werkstoffs des ersten Rings berechnet.
Der erste Ring weist Ausgestaltungsgemäß eine Dicke von λ/40 bis λ/4 auf. Die Dicke des ersten Rings wird senkrecht zur Rotationsachse gemessen. Sie entspricht der Differenz aus
Außendurchmesser des ersten Rings geteilt durch zwei und der Hälfte des Innendurchmessers des ersten Rings.
Eine weitere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers umfasst der Resonator einen koaxial zu den Wänden des ersten Gehäuseteils angeordneten zweiten Ring.
Insbesondere sind der erste und der zweite Ring über die Membran miteinander verbunden, welche Membran in einer Ebene senkrecht zur Achse der zwei Ringe und damit senkrecht zur Rotationsachse der Wände des ersten Gehäuseteils liegt. Das elektromechanische
Wandlerelement des Ultraschallwandlers wird zu Schwingungen angeregt, insbesondere in einem vorgegebenen Intervall um dessen Eigenfrequenz. Die Wellenlänge λ in einem Körper, hier dem ersten Ring oder den Wänden des ersten Gehäuseteils, hängt dann neben der
Schwingfrequenz des elektromechanischen Wandlerelements von der werkstoffspezifischen Schallgeschwindigkeit ab. Eine weitere Weiterbildung der Erfindung wird darin gesehen, dass der zweite Ring einen
Innendurchmesser in einem Intervall von λ/8 bis (3/4)*λ aufweist, und, dass der zweite Ring einen Außendurchmesser in einem Intervall von λ/4 bis λ aufweist, und, dass der zweite Ring eine Breite in einem Intervall von λ/100 bis 3/4λ aufweist, mit λ der longitudinalen Wellenlänge des vom Ultraschallwandler im zweiten Ring erzeugten akustischen Signals. Der zweite Ring weist weiterbildungsgemäß eine Dicke von λ/40 bis λ/4 auf.
In einer weiteren Weiterbildung beträgt der Abstand des ersten und zweiten Rings zumindest λ/100, insbesondere mindestens λ/40, insbesondere beträgt er von λ/20 bis λ/2 der Wellenlänge des vom Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signals in der Membran.
Gemäß einer Ausführungsform ist jeweils eine Dicke zwischen dem Innen- und dem
Außendurchmesser des ersten und des zweiten Rings gleich groß. Die Dicke der Membran wird parallel zur Ringachse bzw. senkrecht zur Ebene der Membran bemessen, wohingegen die Dicke der Ringe parallel zur Ebene der Membran gemessen wird.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Weiterbildung umfasst der Ultraschallwandler ein zweites Gehäuseteil, wobei das erste Gehäuseteil im zweiten Gehäuseteil axial geführt und gegen das zweite Gehäuseteil so vorgespannt ist, dass in einem ersten Zustand des Ultraschallwandlers ein erster axialer Anschlag des ersten Gehäuseteils an einem ersten axialen Anschlag des zweiten Gehäuseteils anliegt, wobei durch Aufbringen einer vorgegebenen Kraft entgegen der
Vorspannung auf einen zweiten axialen Anschlag des ersten Gehäuseteils das erste Gehäuseteil axial verschiebbar ist, so dass in einem zweiten Zustand des Ultraschallwandlers der zweite axiale Anschlag des ersten Gehäuseteils aus dem ersten Zustand herausbewegt ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der zweite Anschlag des ersten Gehäuseteils die Membran, insbesondere die den Resonatoren abgewandte Oberfläche der Membran. Der zweite Anschlag des ersten Gehäuseteils ist gemäß einer Ausgestaltung als eine um das erste Gehäuseteil umlaufende Dichtfläche ausgestaltet. Beispielsweise ist auf der Oberfläche der Membran ein Dichtring angeordnet.
In einem Ausgestaltungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers weist das erste Gehäuseteil einen ersten und einen dazu gegensinnig wirkenden dritten axialen Anschlag auf, welche zwischen einem ersten und einem dazu gegensinnig wirkenden zweiten axialen Anschlag des zweiten Gehäuseteils angeordnet sind, wobei durch Aufbringen einer vorgegebenen Kraft auf das erste Gehäuseteil entgegen der Vorspannung, das erste Gehäuseteil axial verschiebbar ist, bis in weiteren Zustand des Ultraschallwandlers der dritte axiale Anschlag des ersten
Gehäuseteils am zweiten axialen Anschlag des zweiten Gehäuseteils anliegt. Beispielsweise ist der erste und dritte axiale Anschlag des ersten Gehäuseteils ersetzt durch einen bidirektional wirkenden Anschlag, beispielsweise ein Sprengring, welcher in einer Nut im ersten Gehäuseteil, insbesondere in einer koaxial umlaufenden Ringnut im zweiten Ring des Resonators angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung umschließt das erste Gehäuseteil ein
elektromechanisches Wandlerelement, welches mit geeigneten Mitteln gegen ein
Ultraschallfenster des ersten Gehäuseteils des Ultraschallwandlers vorgespannt ist, wobei eine erste Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements gegen das Ultraschallfenster zeigt. Insbesondere ist dann eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements in mehrere Segmente unterteilt, welche mit den zur Vorspannung geeigneten Mitteln galvanisch verbunden sind. Beispielsweise ist die zweite
Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements in vier gleich große Segmente unterteilt. Die zur Vorspannung geeigneten Mittel umfassen z.B. eine Schraubendruckfeder, welche zur galvanischen Kontaktierung des elektromechanischen Wandlerelements zumindest eine, insbesondere zwei in einer Ebene spiralförmig verlaufende Windungen aufweist. Üblicherweise ist zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und dem Ultraschallfenster ein
Koppelmittel, z.B. Fett angeordnet. Bei dem elektromechanischen Wandlerelement handelt es sich insbesondere um ein piezoelektrisches Element mit einer vorgegebenen Eigenfrequenz, mit weicher es angeregt wird. Es wird üblicherweise im so genannten Dickenmode betrieben. Eine weitere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ultraschallwandler eine
Anpassungsschicht aufweist, welche den Ultraschallwandler zur Umwelt hin begrenzt, wobei das Ultraschallfenster zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement und der
Anpassungsschicht angeordnet ist. Die Anpassungsschicht umfasst insbesondere eine
Verbundmatrix mit darin eingebetteten kugelförmigen Körpern.
Eine weitere Weiterbildung der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine Funktion des Abstands jeder Schnittkante einer Außenkontur des ersten Gehäuseteils vom Ultraschallfenster bis zum zweiten axialen Anschlag zu einer Längsachse des ersten Gehäuseteils monoton ist, wobei die Schnittkante in einer Ebene liegt, in welcher die Längsachse des ersten Gehäuseteils liegt.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist der Ultraschallwandler so aufgebaut, dass ein Innendurchmesser der Wände gleich ist dem Innendurchmesser des ersten Rings. Erster Ring und Wände des ersten Gehäuseteils sind fluchtend. Der Außendurchmesser der Wände des ersten Gehäuseteils sind in einem Ausgestaltungsbeispiel dagegen um mindestens 60%, insbesondere um mindestens 80% kleiner ist als der Außendurchmesser des ersten Rings. Der Ring weist also eine wesentlich größere Dicke auf, als die Wände. Die Wände weisen insbesondere die gleiche Dicke auf, wie die Membran, also zwischen λ/100 und λ/5, mit λ der longitudinalen Wellenlänge in den Wänden des vom Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signals.
Darüber hinaus ist der erste Ring vorteilhaft aus demselben Material hergestellt, wie die Wände des ersten Gehäuseteils und gegebenenfalls wie auch das Ultraschallfenster, insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Edelstahl. Der erste Ring ist mit dem Wänden stoffschlüssig verbunden, beispielsweise durch anschweißen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der erste Ring und die Wände des ersten Gehäuseteils monolithisch hergestellt.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sind nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert werden. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler im Teilschnitt,
Fig. 2 zeigt einen weiteren Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler,
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1 ,
Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Wandlerelement,
Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler eingebaut in eine Rohrleitung.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler 1 dargestellt, mit einem Detailschnitt durch einen erfindungsgemäßen Resonator. Die weiteren Figuren zeigen den Ultraschallwandler in weiteren Ansichten. Die Figuren werden nachfolgend zusammen beschrieben.
Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler 1 weist ein erstes Gehäuseteil 2 mit
rotationssymmetrischen Wänden 5 und einem Ultraschallfenster 4 auf, auf welchem ein elektromechanisches Wandlerelement angeordnet ist. Hier ist das sich konisch verjungende erste Gehäuseteil 2 flaschenförmig ausgestaltet. Koaxial zu den Wänden des ersten Gehäuseteils 2 umfasst es einen ersten Ring 6 als Teil eines Resonators, welcher eine Stirnseite des ersten Gehäuseteils 2 bildet. Der Ring 6 ist fügestellenfrei mit den Wänden 5 des ersten Gehäuseteils 2 verbunden, insbesondere monolithisch hergestellt. Gegebenenfalls sind auch die Wände 5 mit dem Ultraschallfenster 5 monolithisch ausgebildet. Der erste Ring 6 bildet insofern die Stirnseite des ersten Gehäuseteils 2, da er das erste Gehäuseteil 2 in axialer Richtung begrenzt. Dies soll nicht ausschließen, dass weitere Bauteile des ersten Gehäuseteils 2 den ersten Ring 6 überragen können. Des Weiteren ist der erste Ring 6 insbesondere frei von akustischen Kopplungen in radialer Richtung, also senkrecht zur Rotationsachse, so dass Schwingungen des ersten Rings 6 in dieser Richtung nicht durch weitere Bauteile eingeschränkt sind. Hier ist im Innenraum des ersten Rings 6 ein Stecker 10 zur elektrischen Kontaktierung des Ultraschallwandlers 1 positioniert, dieser berührt den ersten Ring 6 jedoch nicht an seinen Flanken in radialer Richtung. Er liegt lediglich auf der Stirnseite des ersten Rings 6 auf. Gemäß einer hier nicht gezeichneten Variante ist der erste Ring 6 auch in axialer Richtung berührungsfrei.
An den ersten Ring 6 in radialer Richtung schließt sich eine Membran 8 an. Auch diese ist Teil des Resonators. Mittels der Membran 8 ist das erste Gehäuseteil 2 an einem weiteren
Gehäuseteil oder an der Rohrleitung befestigbar, beispielsweise indem die Membran 8, insbesondere die dem Resonator abgewandte Seite der Membran, als axialer Anschlag und somit als Auflagefläche 1 1 des ersten Gehäuseteils 2 an einem entsprechenden axialen
Anschlag des zweiten Gehäuseteils oder der Rohrleitung aufliegt und gegebenenfalls gegen diesen vorgespannt wird. Hier ist die Auflagefläche 1 1 Teil eines zweiten Rings 7. In Fig. 5 ist eine Dichtung zwischen dem ersten Gehäuseteil 2 und einer Aushalsung 13 als Schnittstelle einer Rohrleitung 14 verspannt.
Eine Übertragung des akustischen Signals vom ersten Gehäuseteil 2 auf die Rohrleitung 14 oder einem weiteren Gehäuseteil erfolgt insbesondere über die Membran 8. Ansonsten ist das erste Gehäuseteil 2 akustisch und gegebenenfalls auch mechanisch von der Rohrleitung 14 oder einem weiteren Gehäuseteil entkoppelt.
Der Resonator wird durch die Schwingungen des elektromechanischen Wandlerelements ebenfalls in Schwingung versetzt. Dabei ist der Schwingungshauptmodus des ersten Rings 6 radial zur Längsachse des ersten Rings 6. Die Membran 8 ist hier an einem Schwingungsknoten an einem zweiten Ring 7 angeordnet, was eine Übertragung des akustischen Signals auf den zweiten Ring 7 oder insbesondere auf die Rohrleitung 14 oder eine weiteren Gehäuseteil erschwert.
Im Spalt 9 zwischen dem ersten und dem zweiten Ring 6 und 7 kann eine erste Feder 15, insbesondere eine Schraubendruckfeder, zum Vorspannen des ersten Gehäuseteils 2 gegen ein weiteres Gehäuseteil oder gegen die Rohrleitung angeordnet sein. Ein Käfig 34 um die erste Feder 15 ist zur elektrischen und insbesondere auch zur akustischen Entkopplung vom ersten und zweiten Gehäuseteil 2 und 3 vorgesehen. In dem Käfig 34, welcher beispielsweise ein Polymer umfasst, ist die erste Feder 15 axial geführt.
Das erste Gehäuseteil 2, das Ultraschallfenster 4, die Wände 5, die Membran 8, der erste und gegebenenfalls der zweite Ring 6 und 7 sind aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere aus Edelstahl hergestellt. Damit weisen sie typischerweise einen E-Modul von 50 kN/mm2 bis 400 kN/mm2 auf.
Das erste Gehäuseteil 2 des Ultraschallwandlers 1 in Fig. 2 umfasst zwei Teile, welche mittels einer Schweißnaht 22 stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere miteinander laserverschweißt sind. Das Untere weist die Form eines Topfes auf und umfasst das
Ultraschallfenster 4 als Boden. Es umschließt das elektromechanische Wandlerelement 17, welches auf dem Ultraschallfenster 4 angeordnet und mittels geeigneten Mitteln 16 gegen dieses vorgespannt ist. Zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement 17 und dem
Ultraschallfenster 4 kann ein Koppelmittel aufgebracht sein.
Da es in einem unteren Bereich der Figur eine zu den Wänden des oberen Teils kongruente hülsenförmige Gestalt aufweist, um es mit diesem zu verbinden, aber in einem oberen Bereich konisch verjüngend ausgestaltet ist, wird das elektromechanische Wandlerelement 17 und gegebenenfalls das Koppelmittel vor der Verbindung der beiden Teile eingebracht. Um diese jedoch bei der Verbindung nicht zu beschädigen, sind die Querschnittsfläche A einer
Gehäusewand des ersten Gehäuseteils 2, der Abstand d der Verbindungsfläche der beiden Teile zum Ultraschallfenster 4, also der Abstand der Schweißnaht 22 zum Ultraschallfenster 4, und der Werkstoff des ersten Gehäuseteils so ausgewählt und aufeinander abgestimmt, dass das Ultraschallfenster beim Verschweißen nicht wärmer als 100°C, insbesondere nicht wärmer als 80°C wird. Edelstahl als Werkstoff für das erste Gehäuseteil 2 weist typischerweise eine
Wärmeleitfähigkeit von 10 bis 100 W/(m*K) auf.
Als Mittel zur Vorspannung sind hier zwei Schraubendruckfedern 16 vorgesehen. Sie erzeugen vorgegebene Kräfte in Richtung des Ultraschallfensters 4 und leiten diese in das
elektromechanische Wandlerelement 17 ein, wobei dieses dadurch gegen das Ultraschallfenster 4 gedrückt gehalten wird. Gleichzeitig kontaktieren die Mittel zur Vorspannung 16 das elektromechanische Wandlerelement 17 elektrisch. Somit ist das Aufbringen einer oder mehrerer zusätzlicher Elektroden auf das elektromechanische Wandlerelement 17 überflüssig.
Die zur Vorspannung geeigneten Mittel 16 kontaktieren eine zweite Oberfläche des
elektromechanischen Wandlerelements 17 galvanisch. Die erste Oberfläche 20 des
elektromechanischen Wandlerelements 17 wird vom Ultraschallfenster 4 elektrisch kontaktiert. Das erste Gehäuseteil 2 ist dazu insbesondere aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt. Um einen Kurzschluss zu vermeiden sind die Mittel zur Vorspannung 16 mit dem ersten Gehäuseteil 2 berührungsfrei gelagert. Hier stützen sie sich an einer Leitplatte 23 ab, welche auch als elektrischer Isolator dient. Über einen elektrischen Widerstand 24 wird der Stromkreis geschlossen. Hier weist der Ultraschallwandler 1 noch einen Stecker 10 in einer Bohrung im ersten Gehäuseteil 2 auf, durch welchen die elektrische Kontaktierung und damit die Anregung durch und der Abgriff von den Spannungssignalen am elektromechanischen
Wandlerelement 17 erfolgt. Elektrische Leitungen sind hier nicht näher gezeigt.
Erfindungsgemäß ist die erste Oberfläche 20 des elektromechanischen Wandlerelements 17 eben und die zweite Oberfläche ist in Segmente 18, hier vier gleich große, viertelkreisförmige Segmente 18 aufgeteilt. In einfacher Weise geschieht dies durch einen oder mehrere Schnitte 19 durch die zweite Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements 17.
Eine Anpassungsschicht 21 zur Anpassung der akustischen Impedanzen ist hier außerhalb des Gehäuses des Ultraschallwandlers 1 vorgesehen. Sie ist auf dem Ultraschallfenster 4 so angebracht, dass sich das Ultraschallfenster 4 zwischen der Anpassungsschicht 21 und dem elektromechanischen Wandlerelement 17 befindet. Die Anpassungsschicht 21 berührt somit das Fluid, dessen Durchfluss gemessen werden soll. In der gezeigten Ausführungsform weist der Ultraschallwandler 1 einen axialen Anschlag 1 1 auf, welcher gegen einen axialen Anschlag eines weiteren Gehäuseteils oder einer Rohrleitung vorspannbar ist, zum Einbau des Ultraschallwandlers 1 in eine Rohrleitung. Dieser axiale Anschlag 1 1 kann selbst als Dichtungsfläche ausgestaltet sein, oder eine Dichtung wird zwischen ihm und den axialen Anschlag des dritten Gehäuseteils oder der Rohrleitung angeordnet und vorgespannt.
Zur Positionierung des elektromechanischen Wandlerelements 17 an einer vorbestimmten Position im Ultraschallwandler 1 während des Fertigungsprozesses, können hier nicht veranschaulichte Zentriernasen im ersten Gehäuseteil 2 vorgesehen werden.
Vorteilhaft ist zudem, eine glatte Oberfläche des Gehäuses des Ultraschallwandlers 1. So ist insbesondere die Schweißnaht 22 nicht erhaben gegenüber der Mantelfläche des Gehäuses ausgeformt. Eine Funktion des Abstands jeder Schnittkante einer Außenkontur des Gehäuses zu einer Längsachse des Gehäuses ist somit vom Ultraschallfenster 4 bis zum axialen Anschlag 1 1 monoton, wobei die Schnittkante in einer Ebene liegt, in welcher die Längsachse des Gehäuses liegt.
Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler 1 umfasst ein erstes Gehäuseteil 2 und zweites Gehäuseteil 3, wobei das erste Gehäuseteil 2 im zweiten Gehäuseteil 3 axial geführt gelagert ist. Das erste Gehäuseteil 2 weist einen Sprengring 25 als bidirektional wirkenden axialen Anschlag auf. Hier nimmt eine koaxial zur Außenkontur des zweiten Rings des ersten Gehäuseteils 2 umlaufende Ringnut 26 den Sprengring 25 auf, wobei dieser aus der Ringnut 26 herausragt. Der Sprengring 25 als axialer Anschlag befindet sich zwischen einem ersten axialen Anschlag und einem zum ersten axialen Anschlag gegensinnig wirkenden zweiten axialen Anschlag des zweiten Gehäuseteils 3.
So ist das erste Gehäuseteil 2 relativ zum zweiten Gehäuseteil 3 axial verschiebbar, zwischen einem ersten Zustand, wo der Sprengring 25 als axialer Anschlag am ersten axialen Anschlag des zweiten Gehäuseteils 3 anliegt, und einem drittem Zustand, wo der Sprengring 25 als axialer Anschlag am zweiten axialen Anschlag des zweiten Gehäuseteils 3 anliegt. Veranschaulicht ist hier ein zweiter Zustand, wo sich der Sprengring 25 kräftefrei zwischen dem ersten und zweiten axialen Anschlag des zweiten Gehäuseteils 3 befindet. Er liegt nicht an.
Erreicht wird dieser Zustand dadurch, dass eine Schraubendruckfeder 15 zwischen erstem und zweitem Gehäuseteil 2 und 3 so angeordnet ist, dass das zweite Gehäuseteil 3 gegen das erste Gehäuseteil 2 vorgespannt ist, und dass ein zweiter axialer Anschlag 1 1 am ersten Gehäuseteil 2 vorgesehen ist, auf weichen eine der Vorspannung entgegen gerichtete Kraft aufbringbar ist und aufgebracht wird. Der axiale Anschlag 1 1 ist dabei koaxial umlaufend ausgestaltet und dient als Dichtfläche gegenüber einem weiteren axialen Anschlag einer Schnittstelle 13 der Rohrleitung 14, an welchem der axiale Anschlag 1 1 des ersten Gehäuseteils 2 anliegt und über welchen die Kraft in den axialen Anschlag 1 1 eingeleitet wird. Durch die Vorspannung des zweiten Gehäuseteils 3 gegen das erste Gehäuseteil 2 wird eine Dichtung 12 zwischen den Anschlägen vorgespannt und dichtet daher zwischen Rohrleitung 14 und Ultraschallwandler 1 , so dass kein sich in der
Rohleitung 14 befindliches Fluid aus ihr austreten kann. Alternativ zur genannten
Schraubendruckfeder 15 kann auch jedes andere dazu geeignete Mittel zur Vorspannung des zweiten gegen das erste Gehäuseteil 2 Verwendung finden. Der axiale Anschlag der Schnittstelle 13 der Rohrleitung 14 wird hier durch eine, in eine Bohrung 27, in welcher der Ultraschallwandler 1 in die Rohrleitung 14 montiert wird, hineinragende Schulter gebildet. Hier ist die Bohrung 27 in einer Aushalsung 13 aus der Rohrleitung 14 mit umfasst. Alternativ kann auch eine Hülse oder jede andere geeignete Schnittstelle an der Rohrleitung 14 befestigt werden, in welcher dann der Ultraschallwandler 1 montierbar ist, welche dann den axialen Anschlag aufweist. Insbesondere weist diese Schnittstelle 13 ein Innengewinde 28 auf und das zweite Gehäuseteil 3 weist ein dazu komplementäres Außengewinde 29 auf, zur lösbaren Verbindung des
Ultraschallwandlers 1 mit der Rohrleitung 14. Eine Schraubverbindung ist eine kraft- und formschlüssige Verbindung. Alternativ ist aber auch nur eine kraft- oder formschlüssige
Verbindung denkbar, beispielsweise wird der Ultraschallwandler 1 lediglich eingesteckt und mit einem dafür geeigneten Mittel gegen die Rohrleitung 14 gedrückt.
Weitere Dichtungen können vorgesehen sein. So ist hier ein erster O-Ring 30 zwischen erstem und zweitem Gehäuseteil 2 und 3 vorgesehen, um diese gegeneinander abzudichten. Ein zweiter O-Ring 31 befindet sich in der gezeichneten Variante des Ultraschallwandlers 1 zwischen zweitem Gehäuseteil 3 und Aushalsung 13 vom Lumen 32 der Rohleitung aus gesehen über den Gewinden. Das zweite Gehäuseteil 3 ist soweit in die Aushalsung 13 eingeschraubt, bis es an der Schulter 33 ansteht, wodurch der O-Ring 31 mit einer vorgegebenen Kraft vorgespannt ist. Die Schraubendruckfeder 15 ist in einem elektrisch nicht leitenden Käfig 34, beispielsweise aus einem Polymer, im zweiten Gehäuseteil 3 geführt. Der Käfig 34 dient auch der akustischen Entkopplung der beiden Gehäuseteile.
Bezugszeichenliste
1 Ultraschallwandler
2 Erstes Gehäuseteil
3 Zweites Gehäuseteil
4 Ultraschallfenster
5 Wände des ersten Gehäuseteils
6 Erster Ring
7 Zweiter Ring
8 Membran
9 Spalt zwischen erstem und zweitem Ring
10 Stecker
1 1 Auflagefläche
12 Dichtung
13 Aushalsung
14 Rohrleitung
15 Erste Feder
16 Zweite Feder
17 Elektromechanisches Wandlerelement
18 Segment der ersten Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements
19 Schnitt im elektromechanischen Wandlerelement
20 Erste Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements
21 Anpassungsschicht
22 Schweißnaht
23 Leiterplatte
24 Elektrischer Widerstand
25 Spreng ring
26 Ringnut
27 Bohrung
28 Innengewinde
29 Außengewinde
30 Dichtung
31 Dichtung
32 Lumen
33 Schulter

Claims

Patentansprüche
Ultraschallwandler für ein Ultraschall-Durchflussmessgerät, welcher ein
elektromechanisches Wandlerelement (17) zur Erzeugung eines akustischen Signals mit einer vorgegebenen Anregungsfrequenz und ein erstes Gehäuseteil (2) mit einem Ultraschallfenster (4) und sich daran anschließenden rotationssymmetrischen Wänden (5) umfasst,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich an die Wände (5) des ersten Gehäuseteils (2) ein koaxial zu den Wänden (5) des ersten Gehäuseteils (2) ausgebildeter erster Ring (6) als Resonator anschließt, welcher eine Stirnseite des ersten Gehäuseteils (2) bildet.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Ring (6) einen Innendurchmesser in einem Intervall von 1 /8 λ bis % λ aufweist, und, dass der erste Ring (6) einen Außendurchmesser in einem Intervall von % λ bis λ aufweist, und , dass der erste Ring (6) eine Breite in einem Intervall von 1 /100 λ bis % λ aufweist, mit λ der longitudinalen Wellenlänge im ersten Ring (6) des vom
Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signals.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Resonator eine Membran (8) senkrecht zur Achse des ersten Rings (6) umfasst, welche so mit einer Mantelfläche des ersten Rings (6) verbunden ist, dass die erste Stirnseite des ersten Gehäuseteils (2) einen Abstand von zumindest 1 /100 zur
Membran (8) aufweist, mit λ der longitudinalen Wellenlänge im ersten Ring (6) des vom Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signals.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Resonator einen koaxial zu den Wänden (5) des ersten Gehäuseteils (2) angeordneten zweiten Ring (7) umfasst, welcher mit dem ersten Ring (7) über die Membran (8) verbunden ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand des ersten und zweiten Rings (6, 7) mindestens 1 /100 λ beträgt, mit λ der longitudinalen Wellenlänge im ersten Ring des vom Ultraschallwandler erzeugten akustischen Signals. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass er ein zweites Gehäuseteil (3) umfasst, wobei das erste Gehäuseteil (2) im zweiten Gehäuseteil (3) axial geführt und gegen das zweite Gehäuseteil (3) so vorgespannt ist, dass in einem ersten Zustand des Ultraschallwandlers ein erster axialer Anschlag des ersten Gehäuseteils (2) an einem ersten axialen Anschlag des zweiten Gehäuseteils (3) anliegt, wobei durch Aufbringen einer vorgegebenen Kraft entgegen der Vorspannung auf einen zweiten axialen Anschlag des ersten Gehäuseteils (2) das erste Gehäuseteil (2) axial verschiebbar ist, so dass in einem zweiten Zustand des Ultraschallwandlers der zweite axiale Anschlag des ersten Gehäuseteils (2) aus dem ersten Zustand
herausbewegt ist.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Gehäuseteil (2) das elektromechanische Wandlerelement (17) umschließt, welches mit geeigneten Mitteln (16) gegen das Ultraschallfenster (4) des ersten
Gehäuseteils (2) vorgespannt ist, wobei eine erste Oberfläche (20) des
elektromechanischen Wandlerelements (17) gegen das Ultraschallfenster (4) zeigt
Ultraschallwandler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine der ersten Oberfläche (20) gegenüberliegende zweite Oberfläche des elektromechanischen Wandlerelements (17) in mehrere Segmente (18) unterteilt ist, welche mit den zur Vorspannung geeigneten Mitteln (16) galvanisch verbunden sind.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass er eine Anpassungsschicht (21 ) aufweist, welche den Ultraschallwandler zur Umwelt hin begrenzt, wobei das Ultraschallfenster (4) zwischen dem elektromechanischen Wandlerelement (17) und der Anpassungsschicht (21 ) angeordnet ist.
10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Funktion des Abstands jeder Schnittkante einer Außenkontur des ersten Gehäuseteils vom Ultraschallfenster bis zum zweiten axialen Anschlag zu einer
Längsachse des ersten Gehäuseteils monoton ist, wobei die Schnittkante in einer Ebene liegt, in welcher die Längsachse des ersten Gehäuseteils liegt.
1 1 . Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Innendurchmesser der Wände (5) gleich ist dem Innendurchmesser des ersten Rings (6).
12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Außendurchmesser der Wände (5) um mindestens 60% kleiner ist als der Außendurchmesser des ersten Rings (6).
13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wände (5) des ersten Gehäuseteils (2) und der erste Ring (6) aus demselben Werkstoff hergestellt sind.
14. Ultraschallwandler nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wände (5) des ersten Gehäuseteils (2) und der erste Ring (6) monolithisch hergestellt sind.
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