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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsensor zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums in der Automatisierungstechnik.
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Ultraschallsensoren kommen u.a. in Ultrasachall-Durchflussmessgeräten zum Einsatz. Ultraschall-Durchflussmessgeräte bestimmen oder überwachen den Volumen- und/oder Massendurchfluss eines fluiden Mediums, das eine Rohrleitung in einer definierten Strömungsrichtung passiert. Bei dem fluiden Medium handelt es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas. Weiterhin sind Ultraschall-Prüf-Sensoren für die akustische Inspektion von Werkstücken bekannt geworden.
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Ein nach dem Time-of-Flight arbeitendes Ultraschall-Durchflussmessgerät besteht aus mindestens zwei Ultraschallsensoren, die jeweils in einer Öffnung der Wandung eines Messrohres befestigt sind. Bei diesem sogenannten Inline-Durchflussmessgerät ist das Messrohr in die Rohrleitung eingepasst. Zumindest zwei Ultraschallsensoren sind in Strömungsrichtung des Mediums versetzt zueinander derart platziert, dass die von einem Ultraschallsensor ausgesendeten Ultraschallsignale bzw. Ultraschallwellen von dem anderen Ultraschallsensor empfangen werden. Die Ultraschallsensoren werden abwechselnd als Sende- und Empfangseinheit betrieben. Eine Regel-/Auswerteeinheit, üblicherweise zumindest ein Microcontroller mit entsprechender Software, bestimmt den Volumen- und/oder den Massendurchfluss des fluiden Mediums in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr anhand der Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung. Entsprechende Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden von der Anmelderin in unterschiedlichen Ausführungen für unterschiedliche Applikationen angeboten und vertrieben. Durchflussmessgeräte der Anmelderin tragen beispielsweise die Bezeichnung: Prosonic Flow 92F, 93C oder B200. Weiter sind auch nach dem Dopplerprinzip arbeitende Ultraschall-Durchflussmessgeräte bekannt, die nur mit einem Ultraschallsensor arbeiten können.
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Als Sende- und/oder Empfangseinheit dient ein elektromechanischer Wandler, bei dem es sich üblicherweise um zumindest ein piezoelektrisches Element handelt. Der elektromechanische Wandler ist in einem topfförmigen Gehäuse angeordnet, dessen dem Medium zugewandte Stirnfläche durch eine endseitige Membran verschlossen ist. Eine Impedanzanpassung zwischen dem Ultraschallsensor und dem Medium erfolgt über zumindest eine geeignet ausgestaltete Anpassschicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallsensor mit einer verbesserten Impedanzanpassung vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallsensor zur Bestimmung oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums in der Automatisierungstechnik mit einer Sende-/Empfangseinheit zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen, mit einer Einkoppeleinheit, über die die gesendeten Ultraschallsignale von der Sende-/Empfangseinheit auf eine Amplitudentransformationseinheit und die empfangenen Ultraschallsignale von der Amplitudentransformationseinheit auf die Sende-/Empfangseinheit eingekoppelt werden. Die Amplitudentransformationseinheit umfasst eine erste Amplitudentransformationskomponente mit einem ersten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt aufweitenden Konus und zumindest eine zweite Amplitudentransformationskomponente mit einem zweiten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt verjüngenden Konus, wobei der zweite Konus innerhalb des ersten Konus‘ angeordnet ist. Eine Frontmembran ist an bzw. in den in Abstrahlrichtung weisenden Endbereichen von erstem Konus und von zweitem Konus angeordnet. Bevorzugt handelt es sich bei der Frontmembran, die mit den Endbereichen gekoppelt ist, um eine dünne und steife Membran, die vergleichbare Eigenschaften wie eine Lautsprechermembran aufweist. Das übliche Dicke zu Durchmesser- Verhältnis ist bei diesen Membranen kleiner als 1:5; vorzugsweise ist das Verhältnis kleiner als 1:20. Die Amplitudentransformationseinheit ist mediumsberührend, also mit dem zu messenden fluiden Medium in Kontakt.
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Der erfindungsgemäße Ultraschallsensor zeichnet sich durch eine Vielzahl von Vorteilen aus:
- – Mittels der erfindungsgemäßen Amplitudentransformationseinheit lässt sich die an der Frontmembranfläche abgestrahlte Wellenfront der Ultraschallsignale so beeinflussen, dass das Verhältnis von Transmission zu Reflexion maximal oder zumindest näherungsweise maximal ist.
- – Aufgrund des hohen Transmissionsanteils der Ultraschallsignale durch die Frontmembran, wird der Körperschall, also der Anteil der Ultraschallsignale, die sich nicht über das Medium sondern über die Wandung des Messrohres/der Rohrleitung ausbreiten und die Messsignalerfassung stören, reduzieren. Erfindungsgemäß lässt sich daher ein optimiertes Signal-/Rauschverhältnis realisieren.
- – Über die Ausgestaltung und/oder die Materialwahl von erstem Konus und zweitem Konus lässt sich eine gewünschte Wellenfront im Nahfeld der abstrahlenden Frontmembran erreichen. In vielen Anwendungen ist die Abstrahlung einer ebenen Wellenfront vorteilhaft, da diese eine maximale Energiedichte aufweist. Bei Messrohren mit kleinem Messrohr- zu Sensor-Durchmesser, d.h. bei einem Messrohr- zu Sensor-Durchmesser von kleiner als 10:1 bzw. bevorzugt 3:1 kann eine Fokussierung der Wellenfront oder eine Kugelwelle von Vorteil sein. Durch den ersten Konus wird die Schallwelle amplitudentransformiert und erreicht die Frontmembran. Über den zweiten Konus wird die Amplitude der Schallwelle weiter erhöht und an das zu messende Medium bezüglich der Impedanz angepasst. Durch die Dimensionierung der Konen und/oder die Wahl der Materialien (materialabhängige Schallgeschwindigkeit), aus denen die Konen gefertigt sind, lässt sich die Laufzeit der Schallwellen in den Konen so variieren, dass die gewünschte Form der Wellenfront in das Medium abgestrahlt bzw. aus dem Medium empfangen wird.
- – Da die beiden Konen der Amplitudentransformationseinheit lediglich in zwei ringförmigen Bereichen mit der Membran in Verbindung stehen, ist die Impedanz geringer als bei den bislang bei Ultraschallsensoren zur Impedanzanpassung eingesetzten Anpassschichten. Daher erlaubt es die erfindungsgemäße Amplitudentransformationseinheit, die Ultraschallsignale nahezu ungedämpft mit einer hohen Amplitude über die Frontmembran in das Medium aussenden bzw. aus dem Medium empfangen.
- – Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Amplitudentransformationseinheit ist darin zu sehen, dass sie sich auf jedes zu messende Medium durch entsprechende Materialwahl und/oder Dimensionierung der Konen einfach anpassen lässt und auch nachträglich an einen Ultraschallsensor mit einem topfförmigen Gehäuse und Sende-/Empfangseinheit angebracht werden kann. Bevorzugt – aber keineswegs ausschließlich – ist der erfindungsgemäße Ultraschallsensor bzw. das Durchflussmessgerät mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallsensor zur Messung der Laufzeit von Ultraschallsignalen in gasförmigen Medien geeignet.
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Die von der Sende-/Empfangseinheit gesendeten bzw. empfangenen Ultraschallsignale werden über die erste Amplitudentransformationskomponente mit dem sich im Querschnitt aufweitenden Konus beeinflusst, z.B. fokussiert. Die akustische Anpassung der Ultraschall-Messsignale erfolgt über die zweite Amplitudentransformationskomponente, die einem sich in Abstrahlrichtung im Querschnitt verjüngenden Konus aufweist. Es versteht sich von selbst, dass je nach Ausgestaltung und Applikation auch Amplitudentransformationseinheiten mit mehr als zwei Konen eingesetzt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors ist an der Amplitudentransformationskomponente zumindest eine Druckausgleichsöffnung vorgesehen ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei einem Einsatz des Ultraschallsensors zur Messung der Volumen- oder Durchflussmessung eines Gases in einer Rohrleitung, da mögliche Druckstöße bzw. ein temporär oder kontinuierlich auftretender Über- oder Unterdruck nicht zur Zerstörung der Amplitudentransformationseinheit führt. Trotz der filigranen Struktur der Amplitudentransformationseinheit zeichnet diese sich durch eine hohe Druckbeständigkeit aus.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors sieht vor, dass die in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale weisenden Endbereiche des ersten Konus und/oder des zweiten Konus eine gezackte Kronenstruktur aufweisen. Bevorzugt sind nur die Spitzen der gezackten Kronenstruktur/Kronenstrukturen mit der Frontmembran verbunden. Trotz des filigranen Aufbaus der Kronenstruktur der Amplitudentransformationseinheit lässt sich erfindungsgemäße eine Druckbeständigkeit und/oder eine Stabilität erreichen, die größer sind/ist als bei einer entsprechenden Amplitudentransformationseinheit mit einem geschlossenen Aufbau der Konen.
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Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors vor, dass der erste Konus und der zweite Konus bezüglich der konstruktiven Abmessungen und/oder der Schallgeschwindigkeit der verwendeten Materialien der Konen so aufeinander abgestimmt sind, dass die über die Frontmembran in das Medium abgestrahlten Ultraschallsignale bzw. die aus dem Medium empfangenen Ultraschallsignale im Wesentlichen eine ebene Wellenfront bilden und/oder eine Wellenfront, die auf die Anforderungen der jeweiligen Applikation angepasst ist. Der Einsatz von Ultraschallsensoren kann in einem Messrohr angeordnet sein, das eine beliebige Form und/oder einen beliebigen Durchmesser aufweist. Weiterhin kann das zu messende Medium beliebig sein; jedes Medium ob Gas oder Flüssigkeit hat eine definierte Schallgeschwindigkeit, die gerade bei Gasen auch von der T und dem Druck beeinflusst wird. Unter einer Applikation wird übrigens im Zusammenhang mit der Erfindung verstanden, dass der Ultraschallsensor an einem Messrohr mit einem definierten Durchmesser installiert ist, wobei das Messrohr von einem definierten Medium durchflossen wird. An alle möglichen Applikationen oder Gruppen von Applikationen, die vergleichbare Eigenschaften aufweisen, ist der erfindungsgemäße Ultraschallsensor mittels der variierbaren erfindungsgemäßen Amplitudentransformationseinheit einfach adaptierbar.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die erfindungsgemäße Amplitudentransformationseinheit einstückig ausgestaltet. Auf einfache Art und Weise lässt sich eine einstückige Amplitudentransformationseinheit über ein Selektives Lasersinter-Verfahren oder ein 3-D-Druck-Verfahren herstellen. Darüber hinaus können auch die Amplitudentransformationseinheit und das topfförmige Gehäuse bzw. der Sensortopf des Ultraschallsensors über das Selektive Lasersinter-Verfahren oder das 3-D-Druck-Verfahren einstückig hergestellt sein.
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Eine alternative Ausgestaltung schlägt vor, dass die Amplitudentransformationseinheit aus mehreren miteinander verbindbaren Einzelkomponenten gefertigt ist. Die Einzelkomponenten werden über herkömmliche Verbindungstechniken, wie Verschweißen, Verlöten (Hart- oder Weichlot) oder verkleben miteinander verbunden.
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Bevorzugt ist aber zumindest die Frontmembran mit einem der beiden Konen – bevorzugt mit dem zweiten Konus – einstückig ausgebildet. Auch hier können wieder die bereits zuvor erwähnten Herstellungsverfahren zur Anwendung kommen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ultraschallsensors betreffen die Ausgestaltung der Frontmembran. Zwecks erhöhter Stabilität kann die Frontmembran eine wabenförmige, sechseckige Verstärkungsstruktur aufweisen. Bevorzugt besteht sie aus einem inhomogenen Material oder Schaum, wie offenzelligem PU-Schaum, verklebten Glashohlkugeln in Epoxymatrix oder Aluminium-Schaum. Der Vorteil bei diesen Ausgestaltungen ist die geringe Dichte der Frontmembran.
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Alternativ ist die Frontmembran aus einem perforierten Material, z.B. einem Lochblech hergestellt ist, wobei der Durchmesser der Perforationen klein gegenüber der jeweils kürzeren Wellenlänge der Ultraschallsignale bzw. Ultraschallwellen – Membran oder Medium – ist. Neben dem Vorteil einer geringen Dichte hat diese Lösung auch den Vorteil, dass simultan eine alternative Möglichkeit zum Druckausgleich besteht. Bei dieser Ausgestaltung ist die zumindest eine Druckausgleichsöffnung in der Frontmembran vorgesehen. Weitere Gestaltungsmöglichkeiten wurden z.B. in der
DE 10 2004 059 524 A1 oder der
DE 10 2007 027 277 A1 beschrieben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Frontmembran aus einer Keramik gefertigt. Keramik ist sehr beständig und wird von den meisten aggressiven Medien nicht angegriffen. Eine Frontmembran aus Keramik lässt sich über ein Ceramic-Injection-Molding-Verfahren (CIM-Verfahren) als Kombination aus Membran und innerem Konus herstellen. Alternativ kann ein ev. bearbeitetes keramisches Plattenmaterial verwendet werden, auf das zum Zwecke des Verlötens mit einer metallischen Schicht versehen ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Frontmembran eine Wölbung in Richtung des Mediums aufweist und/oder im gewölbten Bereich zum Zentrum hin verdünnt ist. Durch diese Maßnahme lassen sich einerseits die akustische Ankopplung an das Messrohr und damit der unerwünschte Körperschall verringern, während andererseits die Druckbeständigkeit der Amplitudentransformationseinheit erhöht wird.
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Um die mit dem Medium in Kontakt kommenden Teilbereich des Ultraschallsensors vor einer abrasiven Beschädigung oder einer chemischen Veränderung durch Mediums- oder Umwelteinflüsse zu schützen, ist vorteilhafterweise eine Schutzbeschichtung vorgesehen. Diese kann metallischer, polymerer oder keramischer Natur sein. Bei der Verwendung von Einzelkomponenten erfolgt das Aufbringen der Schutzbeschichtung beispielsweise nach deren Zusammenfügen und schützt damit insbesondere auch die Verbindungsstellen.
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Additiv oder alternativ kann die Schutzbeschichtung über ein galvanisches Beschichtungsverfahren aufgebracht werden, und ist damit sowohl zur Verbindung der Einzelkomponenten als auch zum Schutz vor Mediums- und Umwelteinflüssen geeignet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallsensor sieht vor, dass es sich bei der Sende-/Empfangseinheit, die die Ultraschallsignale erzeugt, sendet und empfängt, um zumindest ein scheibenförmiges piezoelektrisches Element handelt, das kraftschlüssig an der Innenfläche einer ein topfförmiges Gehäuse abschließenden endseitigen Membran befestigt ist, wobei die endseitige Membran so ausgestaltet ist, dass sie die Einkoppeleinheit zwischen der Sende-/Empfangseinheit und der Amplitudentransformationseinheit bildet.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass es sich bei der Sende-/Empfangseinheit, die die Ultraschallsignale erzeugt, sendet und empfängt, um mehrere scheibenförmige piezoelektrische Elemente handelt, die über eine Andrückmechanismus kraftschlüssig mit der Innenfläche einer ein topfförmiges Gehäuse abschließenden endseitigen Membran befestigt ist, wobei die endseitige Membran so ausgestaltet ist, dass sie die Einkoppeleinheit zwischen der Sende-/Empfangseinheit und der Amplitudentransformationseinheit bildet
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Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, wird der erfindungsgemäße Ultraschallsensor, der zuvor in unterschiedlichen Ausgestaltungen beschrieben wurde, bevorzugt bei einem Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Bestimmung oder Überwachung des Durchflusses eines Mediums durch eine Rohrleitung mit einem Messrohr und mit zumindest einem in einer Öffnung der Wandung des Messrohrs angeordneten Ultraschallsensor eingesetzt. Neben dem zuvor beschriebenen Durchflussmessgerät, dass den Durchfluss des Mediums auf der Basis der Laufzeitdifferenz von Ultraschallsignalen in und entgegen der Strömungsrichtung des Mediums bestimmt, kann der erfindungsgemäße Ultraschallsensor natürlich auch bei einem Durchflussmessgerät eingesetzt werden, das den Durchfluss auf der Basis einer Doppelverschiebung bestimmt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung eines Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräts 1 – teilweise im Längsschnitt,
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2: eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors,
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2a: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch den in 2 gezeigten Ultraschallsensor,
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3: eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors und
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3a: einen Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch den in 3 gezeigten Ultraschallsensor.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Inline-Ultraschall-Durchflussmessgeräts 1 – teilweise im Längsschnitt. Das Inline-Durchflussmessgerät ist über in 1 nicht gesondert dargestellte Flansche in einer nicht gesondert dargestellten Rohrleitung befestigt. In zwei Öffnungen 6 der Wandung des Messrohres 3 sind in bekannter Weise Ultraschallsensoren 4 positioniert. Anzumerken ist, dass neben diesem sog. einkanaligen Durchflussmessgerät 1 auch mehrkanalige Durchflussmessgeräte bekannt geworden sind. Bei mehrkanaligen Durchflussmessgeräten sind die Ultraschallsensoren 4 paarweise so angeordnet, auch Messpfade MP vorhanden sind, die die Längsachse L des Messrohrs 3 nicht schneiden. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann bei der Bestimmung des Durchflusses der Einfluss des Strömungsprofils des in dem Messrohr 3 strömenden Mediums 2 berücksichtigt werden.
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Im gezeigten Fall sind die beiden Ultraschallsensoren 4 in einander gegenüberliegenden Bereichen des Messrohres 3 angeordnet, wobei die beiden Bereiche parallel zur Längsachse L versetzt sind. Beide Ultraschallsensoren 4 sind in ihrem dem Medium 2 zugewandten Endbereich mediumsberührend.
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Das Messrohr 3 wird von einem fluiden Medium 2, bei dem es sich im Wesentlichen um ein flüssiges oder ein gasförmiges Medium 2 handelt, in Strömungsrichtung S durchströmt. Die beiden Ultraschallsensoren 4 werden von der Regel-/Auswerteeinheit 5 abwechselnd in einen Sendemodus und in einen Empfangsmodus geschaltet. Im Sendemodus sendet einer der beiden Ultraschallsensoren 4 eine Schallwelle bzw. ein Ultraschallsignal in Richtung des gegenüberliegenden Ultraschallsensors 4 aus. Die Schallwelle bzw. das Ultraschallsignal wird von dem im Empfangsmodus betriebenen Ultraschallsensor 4 nach Durchlaufen des Messpfades MP empfangen. Anschließend werden die Modi der beiden Ultraschallsensoren 4 getauscht.
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Die das Medium 2 querenden Schallwellen laufen bevorzugt auf dem eingezeichneten Messpfad MP, der die kürzeste Verbindung zwischen den beiden Ultraschallsensoren 4 kennzeichnet. Sendet der obere Ultraschallsensor 4 ein Ultraschallsignal aus, so wird dieses von dem in Strömungsrichtung S strömenden Medium 2 mitgenommen und hat auf dem Messpfad MP eine von der Regel-/Auswerteeinheit 5 ermittelte Laufzeit. Sendet der untere Ultraschallsensor 4, so wird auf dem Messpfad MP eine längere Laufzeit gemessen, da sich das Ultraschallsignal entgegen der Strömungsrichtung S des Mediums 2 ausbreitet. Die Differenz zwischen den beiden Laufzeiten ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit der das Medium 2 durch das Messrohr 3 bzw. durch die Rohrleitung strömt.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors. In 2a ist ein Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch den in 2 gezeigten Ultraschallsensor zu sehen. Der Ultraschallsensor 4 zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines fluiden Mediums 2 in der Automatisierungstechnik weist eine elektromechanische Wandlereinheit 9 zum Aussenden und/oder Empfangen von Ultraschallsignalen auf. Die elektromechanische Wandlereinheit 9 ist im gezeigten Fall als piezoelektrisches scheibenförmiges Element ausgestaltet, das kraftschlüssig mit der endseitigen Membran 8 verbunden ist. Die endseitige Membran 8 verschließt das topfförmige Gehäuse 7 gegen das Medium 2.
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Über die Membran 8, die als Einkoppeleinheit fungiert, werden die von dem elektromechanischen Wandlerelement erzeugten Ultraschallsignale bzw. Ultraschallwellen auf die Amplitudentransformationseinheit 10 eingekoppelt. Entsprechend werden die empfangenen Ultraschallsignale bzw. Ultraschallwellen von der Amplitudentransformationseinheit 10 auf das elektromechanische Wandlerelement 9 eingekoppelt.
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Die Amplitudentransformationseinheit 10 weist zwei Komponenten auf: eine erste Amplitudentransformationskomponente 11 mit einem ersten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt aufweitenden Konus 14 und zumindest eine zweite Amplitudentransformationskomponente 12 mit einem zweiten sich in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale im Querschnitt verjüngenden Konus 15 aufweist. Die Querschnitte der Konen können beliebig sein: kreisförmig, eckig, oval, etc. Der zweite Konus 15 ist innerhalb des ersten Konus 14 angeordnet. An den in Abstrahlrichtung weisenden Endbereichen 16, 17 von erstem Konus 14 und von zweitem Konus 15 ist eine Frontmembran 13 vorgesehen. Endbereiche sind übrigens im gezeigten Fall die kreislinienförmigen Endflächen der beiden Konen 14, 15.
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Wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben, sind der erste Konus 14 und der zweite Konus 15 bezüglich der konstruktiven Abmessungen und/oder der Schallgeschwindigkeit der verwendeten Materialien so aufeinander abgestimmt sind, dass die über die Frontmembran 13 in das Medium 2 abgestrahlten Ultraschallsignale bzw. die aus dem Medium 2 empfangenen Ultraschallsignale eine definierte Wellenfront aufweisen. Üblicherweise handelt es sich bei der definierten Wellenfront im Wesentlichen um eine ebene Wellenfront. Je nach Applikation – von welchem Medium wird welcher Messrohrdurchmesser durchströmt – kann die Wellenfront auch eine von der ebenen Wellenfront abweichende Wellenfront aufweisen. Ggf. kann der Effekt noch durch eine besondere Ausprägung der Frontmembran 13 unterstützt werden. Mögliche Ausgestaltungen der Frontmembran 13 sind bereits an vorhergehender Stelle beschrieben worden. Auf eine Wiederholung an dieser Stelle wird daher verzichtet.
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Wird er Ultraschallsensor 4 zur Messung in einem fluiden Medium eingesetzt, z.B. in einem Gas, das zumindest zeitweise unter Druck steht, so kann durch die Anbringung einer Druckausgleichsöffnung der Gefahr einer Zerstörung der Amplitudentransformationseinheit 10 vorgebeugt werden. Die Druckausgleichsöffnung besteht im einfachsten Fall aus einer Öffnung in dem äußeren Konus 14 und ggf. auch in dem inneren Konus 15. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Druckausgleichsöffnungen 18 ist in den Figuren 3 und 3a zu sehen. Alternativ kann die Druckausgleichsöffnung 18 auch in der Memberan 13 vorgesehen sein.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ultraschallsensors. In 3a ist ein Längsschnitt gemäß der Kennzeichnung A-A durch den in 3 gezeigten Ultraschallsensor dargestellt. Der Aufbau des in 3 gezeigten Ultraschallsensors 4 entspricht bis auf die Druckausgleichsöffnungen 18 dem in 2 gezeigten Ultraschallsensor 4. Daher wird auf eine wiederholte Beschreibung der identischen Teile verzichtet.
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Während bei der ersten Ausgestaltung (2) die Konen 14, 15 geschlossene Kegelflächen aufweisen, ist bei der Ausgestaltung (3) in den Endbereichen 16, 17 der Konen 14, 15 eine zackenförmige Kronenstruktur 19 vorgesehen. Die in Abstrahlrichtung der Ultraschallsignale weisenden Spitzen der beiden zackenförmigen Kronenstrukturen 19 sind mit der Frontmembran 13 verbunden. Bevorzugt wird diese Ausgestaltung bei der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von Gasen eingesetzt. Wie bereits zuvor gesagt, spielt die Form der zumindest einen Druckausgleichsöffnung 18 für die Erfüllung der Aufgabe des Druckausgleichs keine Rolle.
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Die Verfahren zur Fertigung der Amplitudentransformationseinheit 10, ggf. in Verbindung mit weiteren Komponenten des Ultraschallsensors 4 sind bereits an vorhergehender Stelle beschrieben worden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ultraschall-Durchflussmessgerät
- 2
- Medium
- 3
- Messrohr
- 4
- Ultraschallsensor
- 5
- Regel-/Auswerteeinheit
- 6
- Öffnung
- 7
- topfförmiges Gehäuse
- 8
- Membran
- 9
- elektromechanisches Wandlerelement
- 10
- Amplitudentransformationseinheit
- 11
- erste Amplitudentransformationskomponente
- 12
- zweite Amplitudentransformationskomponente
- 13
- Frontmembran
- 14
- sich aufweitender Konus
- 15
- sich verjüngender Konus
- 16
- Endbereich
- 17
- Endbereich
- 18
- Druckausgleichsöffnung
- 19
- Kronenstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004059524 A1 [0016]
- DE 102007027277 A1 [0016]
