DE10055893A1 - Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium - Google Patents
Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges MediumInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium, mit einem Wandlerelement 3 aus piezoelektrischem Material, einem Schallkoppelungselement 2, welches das Wandlerelement 3 trägt, einer Zwischenschicht 4, die einen thermischen Ausgleich der Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem des Schallkoppelungselements 2 und dem des Wandlerelements 3 ermöglicht, wobei die Zwischenschicht 4 aus viskosem, schalleitfähigem Material aufgebaut ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallwander-Anordnung für den
Einsatz in einem Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium,
einen Durchflußmesser unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Ultraschallwandler-Anordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer
Ultraschallwandler-Anordnung gemäß der Erfindung.
Aus der EP 0 974 814 A1 ist eine Ultraschallwandler-Anordnung bekannt,
welche in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden kann. Die
Ultraschallwandler-Anordnung umfaßt ein Wandlerelement aus piezoelektrischem
Material sowie einen Substratkörper als Schallkoppelungselement, der in dieser
Konstruktion das Wandlerelement trägt. Das Wandlerelement sowie das
Schallkoppelungselement haben unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten. Zur
Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten wird vorgeschlagen, zwischen dem
Wandlerelement und dem Schallkoppelungselement eine Metallscheibe
anzuordnen. Die Metallscheibe ist sowohl mit dem Wandlerelement als auch mit
dem Schallkoppelungselement verklebt. Zwar werden die Scherkräfte auf die
beiden Klebeschichten der Metallscheibe verteilt, dennoch bleibt eine
Scherbelastung bestehen, die zu Schäden führen kann. Fertigungstechnisch
gesehen muß ein besonderes Augenmerk auf eine saubere Klebung gelegt werden,
um ein Loslösen zu vermeiden. Weiterhin besitzen die meisten Metalle eine
höhere Schalltransmission sowie höhere Schallimpedanzen als das
piezoelektrische Material, wodurch unnötige, unerwünschte Reflektionen
entstehen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neuartige
Ultraschallwandler-Anordnung zur Verfügung zu stellen, bei der das Auftreten
einer Scherbelastung in der Grenzfläche zwischen Wandlerelement und
Schallkoppelungselement vollständig vermieden oder aber zumindest erheblich
reduziert wird.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Ultraschallwandler-Anordnung
dadurch gelöst, daß die Zwischenschicht aus einem viskosem, schalleitfähigem
Material aufgebaut ist. Der viskose, pastenartige Charakter des Materials bedingt,
daß Scherbelastungen, d. h. Scherkräfte aufgrund unterschiedlicher
Ausdehnungskoeffizienten von Wandlerelement einerseits und
Schallkoppelungselement andererseits vermieden werden. Gleichzeitig sind
größere Temperaturgradienten möglich. Ferner ist eine Demontage,
Wiederverwendung sowie Recycling mit der erfindungsgemäßen Anordnung
besser möglich, insbesondere wenn die Abdichtung der Paste mittels eines O-
Rings erfolgt.
Zweckmäßigerweise ist die Schallimpedanz Zs des Schallkoppelungselements
kleiner als die Schallimpedanz Zk des Wandlerelements, aber größer als die
Schallimpedanz Z0 des Mediums. Durch diese stufenweise Anpassung der
Schallimpedanzen von dem Medium bis hin zum Wandlerelement werden
Koppelungsverluste reduziert. Der Einfluß der viskosen Zwischenschicht kann bei
geringer Spultdicke z. B. 0,01 mm nahezu vollständig eliminiert werden.
Es kann auch sinnvoll sein, die akustischen Eigenschaften des Basismaterials der
Zwischenschicht den Eigenschaften der Keramik und des Schallkoppelelements
anzupassen. Aufgrund dessen fügt man dem viskosen Basismaterial feste Partikel
vorzugsweise pulverförmige Partikel aus Metall (z. B. Stahl, Cu) oder Keramik
(Al2O3) oder Glas bei. Das viskose Material sollte eine gute Wärmeleitfähigkeit
besitzen.
Als Basismaterial eignen sich im wesentlichen alle zähflüssigen Öle, die eine
Temperaturbeständigkeit bis 150°C aufweisen. Vorzugsweise können diese Öle
auf Silikonbasis sein.
Das viskose Material der Zwischensicht enthält vorzugsweise feste Partikel,
insbesondere pulverförmige Partikel zur Beeinflussung der Schallimpedanz bzw.
Schalltransmission.
Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Metallpartikel, Keramikpartikel oder
Glaspartikel.
Das viskose Material der Zwischenschicht ist erfindungsgemäß hermetisch
abgeschlossen, um ein Wegfließen zu verhindern.
Die Abdichtung kann durch ein restelastisches Material erfolgen, welches radial
die Keramikscheibe umschließt und fest einen Spalt zwischen Keramik am
Schallkoppelungselement abdichtet. Als Material ist sowohl ein Abdichtelement,
z. B. ein O-Ring als auch eine gummielastische Vergußmasse oder Klebstoff
geeignet.
Bei einer weiteren Ausführungsvariante erfolgt die Abdichtung durch einen Halter
des Wandlerelements.
Fertigungstechnische Probleme einer sauberen Klebung entfallen, da sich die
Zwischenschicht nicht ablösen kann. Staub- sowie Fettrückstände auf dem
Wandlerelement sowie dem Schallkoppelungselement müssen nicht entfernt
werden. Bei Verwendung einer gummielastischen Masse als Abdichtmasse
werden in vorteilhafter Weise zusätzlich störende Radialschwingungen
vermieden.
Zweckmäßigerweise weist die Zwischenschicht eine Stärke auf, die kleiner als ?/4
oder größer als 2? der Schallwelle ist. Ist die Stärke der Zwischenschicht sehr
dünn, ist eine Anpassung der Schallimpedanz nicht erforderlich, da die
Zwischenschicht wie eine Membran wirkt.
Das Material des Schallkoppelungselements besitzt eine Schallimpedanz
zwischen 2,0-8,0 × 106 kg.s/m2.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, was bisher nicht möglich war, nämlich
Materialien mit im Vergleich zu dem piezoelektrischem Material sehr
unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten als Schallkoppelungselement
einzusetzen. Hierunter fällt vor allem Kunststoff.
Die Erfindung beansprucht - nebengeordnet - auch einen Durchflußzähler für ein
gasförmiges oder flüssiges Medium, wobei in dem Durchflußzähler als
Ultraschallwanderlelement eine Ultraschallwandler-Anordnung gemäß einem der
Ansprüche 1-13 verwendet werden soll.
Die Erfindung betrifft weiterhin - ebenfalls nebengeordnet - ein Verfahren zur
Herstellung einer Ultraschallwandler-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-13,
wobei erfindungsgemäß eine Schicht von viskosem Material in den Boden der
Ausnehmung des Schallkoppelungselements eingebracht wird, das
Wandlerelement anschließend auf die Schicht aus dem viskosem Material unter
Beibehaltung eines umlaufenden Schlitzes aufgelegt wird und dann der Schlitz
zwischen dem Wandlerelement und dem Schallkoppelungselement mit einer
Abdichtmasse, insbesondere mit einem gummielastischem Klebstoff ausgefüllt
wird.
Alternativ kann das Wandlerelement auch in eine Ausnehmung eines an der dem
Schallkoppelungselement gegenüberliegenden Seite des Wandlers angeordneten
Halters eingesetzt und anschließend nach Auffüllung des Spalts und Bildung der
Zwischenschicht stirnseitig über eine ebene Scheibe oder Folie verschlossen
werden.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ultraschallwandler-
Anordnung des Verfahrens zu deren Herstellung sowie des dementsprechenden
Durchflußmessers ist in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen
Fig. 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines
Durchflußmessers unter Verwendung einer erfindungsgemäßen
Ultraschallwandler-Anordnung im Schnittbild;
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Ultraschallwandler-Anordnung
gemäß Fig. 1
Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Zwischenschicht zwischen
Schallkoppelungselement und Wandlerelement gemäß der
Ausgestaltung der Fig. 1 und 2 sowie
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform mit rückwärtigem Halter und einem
Schallkoppelungselement.
Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung den Einbauort eines
Wandlerelements 3 in einen Durchflußmesser 10 zur Erfassung des Durchflusses
eines gasförmigen oder flüssigen Mediums 13 ohne bewegliche Teile. Der
Durchflußmesser 10 besitzt ein Gehäuse 1 mit einem Strömungseingang 11 sowie
eine Meßstrecke. Ausgang und Auslauf sind nicht in der Fig. 1 nicht dargestellt.
Das Gehäuse 1 hat eine Aussparung, in der das Wandlerelement 3 zusammen mit
einem als Substratkörper ausgebildeten Schallkoppelungselement 2 angebracht ist.
Das Schallsignal wird über das Schallkoppelungselement 2 in das Medium 13 ein-
oder ausgekoppelt. Mit 5 werden in Fig. 1 die von der Ultraschallwandler-
Anordnung 10 abgesandten sowie empfangenen Schallwellen bezeichnet.
Das Schallkoppelungselement 2 umfaßt hierzu an seiner einen Hauptfläche eine
Ausnehmung 8, in dessen Stirnfläche 6 das Wandlerelement 3, welches aus
piezoelektrischem Material, insbesondere einer Piezokeramik besteht, eingesetzt
ist. Zwischen Wandlerelement 3 und Schallkoppelungselement 2 ist eine
Zwischenschicht 4 in Form eines hermetisch nach außen hin abgeschlossenen
viskosem, d. h. pastenartigen, schalleitfähigem Material vorgesehen.
Mit einer Abdichtmasse 7, insbesondere einem gummielastischen Klebstoff oder
einer Vergußmasse wird die Zwischenschicht 4 - wie aus Fig. 2 ersichtlich -
umseitig umschlossen und gleichzeitig das Wandlerelement 3 bewegungsfest
innerhalb der Ausnehmung 8 des Schallkoppelungselements 2 fixiert. Gleichzeitig
werden durch die Abdichtmasse 7 störende Radialschwingungen der
Piezokeramik gedämpft. Das viskose Material kann eine Schallimpedanz, die
zwischen derjenigen des Wandlerelements 3 und derjenigen des
Schallkoppelungselements 2 liegt, haben. Der Einsatz der Zwischenschicht 4 in
Form eines viskosen Materials bewirkt somit eine stufenweise Anpassung der
Schallimpedanz vom Wandlerelement 3 über die Zwischenschicht 4 sowie das
Schallkoppelungselement 2 bis zum Medium. Ist der Spalt für die
Zwischenschicht 4 sehr dünn, ist eine Anpassung der Schallimpedanz 20 der
Zwischenschicht 4 nicht erforderlich, da die Zwischenschicht 4 wie eine
Membran wirkt. In jedem Fall aber bewirkt die Zwischenschicht eine Vermeidung
von zwischen Schallkoppelungselement 2 und Wandlerelement 3 auftretenden
Scherkräften.
Die Spaltbreite für die Zwischenschicht 4 ist entweder kleiner als ?/4 oder größer
als 2?, wobei ? die Länge der Schallwellen ist, da sonst Interferenzeffekte die
Anpassungsbemühungen zunichte machen.
Das Schallkoppelungselement 2 kann aufgrund des Wegfalls von Scherkräften
wegen der Zwischenschicht 4 aus viskosem Material aus einem Kunststoff mit
Schallimpedanzwerten zwischen 2,0-8 × 106 kg.s/m2 ausgelegt werden.
Der Durchlasskoeffizient in das Medium Wasser würde sich folgendermaßen
ergeben:
Zk (Piezokeramik) = 22 × 106 kg.s/m2
Zkst (Kunststoff) = 5 × 106 kg.s/m2
Zw (Wasser) = 1,5 × 106 kg.s/m2.
Zkst (Kunststoff) = 5 × 106 kg.s/m2
Zw (Wasser) = 1,5 × 106 kg.s/m2.
Das Piezoelement hat bei einem keramischen Werkstoff eine Schallimpedanz von
22.106 kg.s/m2. Bei sehr dünner Schicht für die Schalleitpaste spielt die Impedanz
keine Rolle, so daß erst die Schallimpedanz des Kunststoffes von 5.106 kg.s/m2
sich für die Schalltransmission auswirken würde. Bei einer senkrechten
Schalleinstrahlung ergibt sich für den Durchlasskoeffizienten:
Dk - kst = 4 Z1 × Z2/(Z2 + Z1)2 = 0,603 Dkst - w = 0,71
Dges = Dk - kst × Dkst - w = 0,43
Dges = Dk - kst × Dkst - w = 0,43
Ohne angepaßte Schallimpedanz wäre der Durchlasskoeffizient: Dk - w = 0,24.
Im folgenden wird ein Überblick über Schallimpedanzen gegeben:
Kunststoffe mit Glasfaser erzielen höhere Schallimpedanzen bis 8,0 × 106 kg.s/m2.
Bei dem viskosen Material der Zwischenschicht 4 handelt es sich vorzugsweise
um silikonhaltiges Öl mit einer Temperaturbeständigkeit bis zu 150°C. Das
viskose Material ist, vgl. Fig. 3, versetzt mit Partikeln, insbesondere
Metallpartikeln 9, insbesondere einem Metallpulver oder keramischen Partikeln,
insbesondere Keramikpulver oder Glaspulver.
Eine Möglichkeit der Herstellung der erfindungsgemäßen Ultraschallwandler-
Anordnung erfolgt folgendermaßen. Zunächst wird das Schallkoppelungselement
2 bereitgestellt. Anschließend wird in den Boden 6 der Ausnehmung 8 des
Schallkoppelungselements 2 eine Zwischenschicht 4 aus viskosem Material
eingebracht und anschließend das Wandlerelement 3 derart eingesetzt, daß
zwischen Wandlerelement 3 und dem Schallkoppelungselement 2 ein
umlaufender Spalt ausgebildet wird. In diesen Spalt wird anschließend
Abdichtmasse 7, insbesondere ein gummielastischer Klebstoff oder eine
entsprechende Vergußmasse eingebracht, wodurch einerseits die Zwischenschicht
4 nach außen hin hermetisch verschlossen und ein Wegfließen des viskosen
Materials vermieden wird.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung, die im Rahmen der Erfindung realisierbar
ist. Bei dieser Ausgestaltung wird als Schallkoppelungselement 2 anstelle eines
Substratkörpers eine ebene Scheibe 16, z. B. Kunststoffscheibe oder Folie
verwendet, die unmittelbar mit dem Medium 13 in Kontakt steht. Die Scheibe 16
liegt an der offenen Stirnseite eines Halters 14 für das Wandlerelement 3 auf. Das
Wandlerelement 3 befindet sich in einer Aussparung 17 des Halters 14. Der
bleibende Raum zwischen Halter 14, Wandlerelement 3 sowie Scheibe 16 ist in
erfindungsgemäßer Weise mit viskosem Material ausgefüllt. Zur Abdichtung ist
zwischen dem Halter 14 und der Scheibe 16 ein Abdichtelement, z. B. ein O-Ring
15 vorgesehen. Die vorgeschriebene Anordnung wird unter Einschaltung eines
weiteren Dichtelements 18 auf eine Ausnehmung im Gehäuse 1 aufgesetzt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Materialien mit im Vergleich zu einem
piezoelektrischem Material stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungs
koeffizienten einzusetzen, ohne allerdings der Gefahr des Auftretens von
Scherbelastungen ausgesetzt zu sein. Daraus folgt, daß eine scherspannungsfreie
Grenzschicht erzielt und gleichzeitig höhere Temperaturgradienten möglich
werden. Fertigungstechnische Probleme einer sauberen Montage entfallen, da sich
die Zwischenschicht 4 nicht lösen kann. Verschmutzungen wie z. B. Staub- oder
Fettrückstände auf dem Wandlerelement 3 bzw. dem Schallkoppelungselement 2
müssen nicht mehr entfernt werden. Die Erfindung stellt daher einen ganz
wesentlichen Beitrag auf dem einschlägigen technischen Gebiet dar.
1
Gehäuse
2
Schallkoppelungselement
3
Wandlerelement
4
Zwischenschicht
5
Schallwelle
6
Boden des Substratkörpers
7
Abdichtmasse
8
Aussparung des Substratkörpers
9
Metallpartikel
10
Durchflußmesser
11
Strömungseingang
12
Meßstrecke
13
Medium
14
Halter
15
O-Ring
16
Scheibe
17
Aussparung des Halters
18
Dichtelement
Claims (15)
1. Ultraschallwandler-Anordnung für den Einsatz in einem Durchflußmesser
für ein gasförmiges oder flüssiges Medium (13), mit einem
Wandlerelement (3) aus piezoelektrischem Material, einem
Schallkoppelungselement (2) mit einem vom Wandlerelement
unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und mit einer
Zwischenschicht (4), die sich zwischen dem Schallkoppelungselement (2)
und dem Wandlerelement (3) befindet,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Zwischenschicht (4) aus viskosem, schalleitfähigem Material aufgebaut
ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schallimpedanz ZS des Schallkoppelungselements (2) kleiner ist als die
Schallimpedanz Zk des Wandlerelements (3) aber größer ist als die
Schallimpedanz Z0 des zu messenden Mediums (13).
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
das viskose Material feste Partikel, insbesondere pulverförmige Partikel
enthält.
4. Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die festen Partikel Metallpartikel (9), Keramikpartikel oder Glaspartikel
sind.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das viskose Material hermetisch abgeschlossen ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
das viskose Material mittels einer Abdichtmasse (7) hermetisch
abgeschlossen ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Abdichtmasse (7) ein gummielastischer Klebstoff, eine Vergußmasse
oder ein Abdichtelement verwendet wird.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Zwischenschicht (4) eine Stärke aufweist, die kleiner als ?/4 oder größer
als 2? der Schallwelle ist.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das viskose Material eine Paste auf Silikonbasis, insbesondere
Silikonölbasis ist.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das viskose Material eine Temperaturbeständigkeit bis 150°C aufweist.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Material des Schallkoppelungselements (2) eine Schallimpedanz von 2,0
bis 8,0 × 106 kg.s/m2 aufweist.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Schallkoppelungselement (2) aus Kunststoff besteht.
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Schallkoppelungselement (2) aus einer ebenen Scheibe oder Folie
besteht.
14. Durchflußmesser für ein gasförmiges oder flüssiges Medium mit einem vom
Medium durchflossenen Gehäuse (1), einem Ultraschallwandlerelement (3)
sowie einem Schallkoppelungselement (2),
dadurch gekennzeichnet, daß
als Ultraschallwandlerelement (3) eine Ultraschallwandler-Anordnung
gemäß einem der Ansprüche 1-13 verwendet wird.
15. Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallwandler-Anordnung gemäß
einem der Ansprüche 1-13,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Schicht von viskosem Material in den Boden (6) der Ausnehmung (8)
des Schallkoppelungselements (2) eingebracht wird, das Wandlerelement
(3) anschließend auf die Schicht aus dem viskosem Material unter
Beibehaltung eines umlaufenden Schlitzes aufgelegt wird und anschließend
der Schlitz zwischen dem Wandlerelement (3) und dem
Schallkoppelungselement (2) mit einer Vergußmasse oder Abdichtmasse
(7), insbesondere mit einem gummielastischen Klebstoff oder einem
Abdichtelement ausgefüllt bzw. abgedichtet wird.
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