DE102017104883A1

DE102017104883A1 - Ultraschallwandler eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts und ein solches Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102017104883A1
Application number: DE102017104883.9A
Authority: DE
Inventors: Michal Bezdek; Pierre Ueberschlag
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2018-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden gasförmigen Mediums und ein solches Ultraschall-Durchflussmessgerät, wobei der Ultraschallwandler einen Ultraschallübertrager mit einer zum Medium gerichteten Stirnfläche und einen an die Stirnfläche angrenzenden ersten Bereich aufweist, und wobei eine Aufweitung (31) in einem dritten Bereich dazu eingerichtet ist, einen Schwingungsknote zu einer Arbeitsfrequenz gehörenden Schwingungsmode in den Bereich einer Gehäuseanbindung zu legen.

Description

Ultraschallwandler eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden gasförmigen Mediums und ein solches Ultraschall-Durchflussmessgerät.
Ultraschallwandler sind bereits seit langem bekannt und werden in unterschiedlichen technischen Bereichen eingesetzt. So zeigt die Patentschrift US4757227 einen für Levitationsanwendungen spezialisierten Ultraschallwandler, der bei einer Frequenz kontinuierlich betrieben wird.
Im technischen Bereich der Ultraschall-Durchflussmessung ist es vorteilhaft, Ultraschallwandler einzusetzen, welche gepulste Ultraschallsignale aussenden und empfangen, da für eine Durchflussbestimmung eine Laufzeitmessung bzw. eine durch einen Durchfluss verursachte Frequenzverschiebung eines Spektralbereichs eines Ultraschallpulses genauere Informationen liefert als eine Frequenzverschiebung eines kontinuierlichen Ultraschallsignals. Die Patentschrift US3891869 zeigt einen Ultraschallwandler eines Durchflussmessgeräts, bei welchem ein Ultraschallübertrager mittels einer Frontseite Ultraschallsignale in ein Medium einstrahlt, welche Ultraschallsignale mittels eines auf einer Rückseite des Ultraschallübertragers angebrachten Piezoelements erzeugt und in den Ultraschallübertrager übertragen werden. Nachteilhaft an dem durch diese Schrift vorgeschlagenen Ultraschallwandler ist die Umhausung des Ultraschallübertragers durch ein Gehäuse sowie eine durch eine zentrale radiale Verjüngung des Ultraschallübertragers, welche Verjüngung zwei ringförmige, sich gegenüberstehende Flächensegmente zur Folge hat. Die Umhausung sowie die beiden sich gegenüberstehenden Flächensegmente sorgen für einen starken Resonatoreffekt, welcher das freie Schwingen der Frontseite behindert. Des Weiteren besteht die Gefahr von Körperschallübertragung zwischen Umhausung und Ultraschallübetragung im Fall von Kondensatbildung, was die akustischen Eigenschaften des Ultraschallwandlers stark verändern kann. Der Ultraschallübertrager mit Wandlerelement ist des Weiteren an ein Gehäuse angebunden, welches in Kontakt mit einem Messrohr des Ultraschall-Durchflussmessgeräts steht. Über diesen Kontakt werden Schallsignale zwischen dem Wandlerelement und dem Messrohr und umgekehrt übertragen, was für ein vermindertes Signal-Rauschen-Verhältnis verantwortlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Ultraschallwandler sowie Ultraschall-Durchflussmessgerät mit mindestens einem Ultraschallwandler vorzuschlagen, bei welchem mindestens einer der genannten Nachteile gelindert wird.
Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts umfasst:

Ein Wandlerelement zum Erzeugen und Erfassen von pulsförmigen Ultraschallsignalen;
Einen Ultraschallübertrager zum Leiten von Ultraschallsignalen zwischen dem Wandlerelement und dem Medium,
wobei der Ultraschallübertrager eine Längsachse und eine Mantelfläche sowie eine dem Wandlerelement abgewandte Stirnfläche aufweist, welche Stirnfläche die Längsachse schneidet und mediumsberührend ist;
Ein Gehäuse, welches mit dem Ultraschallübertrager verbunden ist;
wobei der Ultraschallübertrager auf der der Stirnfläche abgewandten Seite eine Rückseite aufweist, wobei das Wandlerelement und der Ultraschallübertrager akustisch und mechanisch über die Rückseite miteinander gekoppelt sind,
wobei der Ultraschallwandler auf einer der Stirnfläche abgewandten Seite einen dritten Bereich aufweist, wobei sich der Ultraschallübertrager im dritten Bereich in Richtung der Rückseite zumindest abschnittsweise aufweitet,
wobei die Aufweitung des Ultraschallübertragers beispielsweise konusförmig ist, wobei der dritte Bereich freistehend und mediumsberührend ist,
wobei
der dritte Bereich in einem Bereich maximaler Beabstandung der Mantelfläche von der Längsachse an das Gehäuse angebunden ist,
wobei die Aufweitung des Ultraschallübertragers im dritten Bereich dazu eingerichtet ist, einen Schwingungsknoten einer zu einer Arbeitsfrequenz des Ultraschallwandlers gehörenden resonanten Schwingungsmode des Ultraschallübertragers in einen Bereich der Gehäuseanbindung zu legen.

Dadurch lässt sich die Übertragung von Schallsignalen zwischen Wandlerelement und Messrohr sowie umgekehrt weitgehend unterdrücken, was das Signal-Rauschen-Verhältnis und somit die Durchflussmessung stark verbessert.
Das Wandlerelement ist dabei bevorzugt ein piezoelektrisches Element.
In einer Ausgestaltung weist der Ultraschallwandler einen an die Stirnfläche angrenzenden ersten Bereich und einen an den ersten Bereich angrenzenden zweiten Bereich auf,
wobei der Ultraschallübertrager im ersten Bereich zumindest abschnittsweise einen Übergangsbereich aufweist, in welchem Übergangsbereich sich der Ultraschallübertrager in Richtung des zweiten Bereichs verjüngt, wobei der Übergangsbereich an den zweiten Bereich angrenzt, wobei der erste Bereich mit der Stirnfläche zu axialen Biegeschwingungen anregbar ist, wobei die Biegeschwingung ein Amplitudenmaximum auf der Mantelfläche aufweist.
wobei der erste Bereich und der zweite Bereich insbesondere freistehend und mediumsberührend sind.
Das Freistellen des Ultraschallübertragers im ersten und zweiten Bereich bzw. Vermeiden einer Umhausung dessen vermindert unerwünschte Resonatoreffekte, welche das Schwingungsverhalten des Ultraschallübertragers beeinträchtigen, wobei Resonatoreffekte insbesondere bei Umhausungen ausgeprägt sein können. Da Frequenzen von Resonanzmoden von durch Umhausungen erzeugten Resonanzkammern eine starke Abhängigkeit vom die Resonanzkammer füllenden Medium, sowie dessen Dichte und Temperatur aufweisen kann, würde eine solche Resonanzkammer Messergebnisse mit einer hohen Unsicherheit behaften, Hierbei weist die Aufweitung des Ultraschallübertragers im dritten Bereichs einen weiteren Vorteil auf, sie verhindert eine Rückstreuung von vom ersten Bereich abgestrahlten Ultraschallsignalen zum ersten Bereich und somit einen Resonatoreffekt, was das freie Schwingen des ersten Bereichs stören würde. Eine Freistellung des zweiten Bereichs und des dritten Bereichs ermöglicht die Zerstreuung der durch die Aufweitung reflektierten Ultraschallsignale in das Medium.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist der Ultraschallübertrager im ersten Bereich mit der Stirnfläche zu axialen Biegeschwingungen anregbar, wobei die Biegeschwingung ein Amplitudenmaximum auf der Mantelfläche aufweist.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist im Übergangsbereich in Richtung des Wandlerelements eine den radialen Abstand der Mantelfläche zur Längsachse beschreibende Funktion monoton,
wobei die Funktion stufenweise konstant ist oder stufenweise konstante, in Richtung des Wandlerelements abnehmende Steigung aufweist.
Durch diese Ausgestaltung lässt sich auf eine fertigungstechnisch einfach zu handhabende Art und Weise ein erster Bereich herstellen, bei welchem die Biegeschwingung ein Amplitudenmaximum auf der Mantelfläche aufweist.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist im Übergangsbereich in Richtung des Wandlerelements eine den radialen Abstand der Mantelfläche zur Längsachse beschreibende Funktion in Richtung des Wandlerelements streng monoton fallend,
wobei der Betrag einer Ableitung der Funktion nach einer Richtung parallel zu Längsachse kleiner 20 ist,
wobei die Funktion beispielsweise einer linearen Funktion, einer Exponentialfunktion, einer Bezierkurve, einer Gaußfunktion oder einer hyperbolischen Funktion folgt.
Durch diese Ausgestaltung lässt sich ein erster Bereich herstellen, bei welchem die Biegeschwingung ein Amplitudenmaximum auf der Mantelfläche aufweist, wobei der glatte Verlauf der Funktion spannungsmindernd wirkt, und somit durch Biegeschwingungen auftretende Spannungsbrüche vermeidet.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers weist eine axiale Ausdehnung y des Übergangsbereichs und ein maximaler radialer erster Abstand R1 der Mantelfläche zur Längsachse und ein minimaler radialer zweiter Abstand R2 der Mantelfläche zur Längsachse und eine Arbeitsfrequenz f des Ultraschallwandlers folgenden Zusammenhang auf: $A kHz*mm < f*R1* (R1 - R2) /y < B kHz*mm,$
wobei A größer 600 und insbesondere größer als 800 und bevorzugt größer als 1000 ist,
und/oder wobei B kleiner als 2200 und insbesondere kleiner als 2000 und bevorzugt kleiner als 1800 ist,
wobei die Arbeitsfrequenz eine Zentralfrequenz der spektralen Verteilung des Ultraschallsignals ist.
Die Arbeitsfrequenz ist dabei größer als 20 kHz und insbesondere größer als 50 kHz und bevorzugt größer als 75 kHz.
Die Arbeitsfrequenz ist dabei kleiner als 400 kHz und insbesondere kleiner als 300 kHz und bevorzugt kleiner als 250 kHz.
Dadurch lässt sich eine maximale Abstrahleffizienz und/oder eine maximale Empfangseffizienz des Ultraschallwandlers einstellen.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers schließt der dritte Bereich an den zweiten Bereich an.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist im zweiten Bereich ein Abstand der Mantelfläche zur Längsachse in axialer Richtung zumindest abschnittsweise konstant.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist die Mantelfläche im Wesentlichen rotationssymmetrisch.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist die Stirnfläche eben.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers weist das Wandlerelement auf einer der Rückseite abgewandten Seite eine Backing-Masse auf.
Durch die Backing-Masse lässt sich eine axiale Gesamtlänge von Wandlerelement, Ultraschallübertrager und Backingmasse auf ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge einer zur Arbeitsfrequenz gehörenden Schwingungsmode einstellen und die somit die Schwingfähigkeit des Ultraschallwandlers bei der Arbeitsfrequenz verbessern.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist der Ultraschallübertrager aus einem Werkstoff gefertigt, welcher Werkstoff eine longitudinale Schallgeschwindigkeit im Bereich von 5000 m/s bis 7000 m/s aufweist, wobei der Werkstoff insbesondere ein Stoff aus folgender Liste ist:
Titan, Edelstahl, Aluminium, Magnesium Glas, eine Legierung umfassend Nickel und/oder Molybdän und/oder Kupfer.
In einer Ausgestaltung des Ultraschallwandlers ist eine axiale Länge von Ultraschallübertrager und Wandlerelement und falls vorhanden Backing-Element ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge einer zur Arbeitsfrequenz gehörenden Schwingungsmode.
In einer Ausgestaltung weist der Ultraschallwandler mindestens einen Dämpfungsring auf, welcher zumindest teilweise im ersten Bereich und zweiten Bereich angeordnet ist und den Ultraschallübertrager umgreift, wobei der Dämpfungsring eng an der Mantelfläche des Ultraschallübertragers anliegt.
In einer Ausgestaltung weist der Ultraschallübertrager im zweiten Bereich eine zweite Aufweitung auf, wobei die Verjüngung des Ultraschallübertragers im ersten Bereich sowie die zweite Aufweitung eine Mulde bilden, in welcher Mulde der Dämpfungsring angeordnet ist.
Dämpfungsringe können hilfreich sein, um eine zeitliche Dauer eines abgestrahlten Ultraschallpulses zu begrenzen und ein Nachschwingen des Ultraschallübertragers bei Erfassen eines Ultraschallpulses einzuschränken. Des Weiteren können sie auch hilfreich sein, oben erwähnte Resonanzeffekte zu vermeiden oder abzuschwächen.
Ein erfindungsgemäßes Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden gasförmigen Mediums nach dem Laufzeitdifferenzenprinzip oder Dopplerprinzip umfassend:

Ein Messrohr mit einer Messrohrwandung;
Mindestens einen Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Ultraschallwandler in der Messrohrwandung angeordnet sind;
Eine Mess-/Betriebsschaltung, welche dazu eingerichtet ist, den Ultraschallwandler zu betreiben und die durch den Ultraschallwandler erfassten Ultraschallsignale auszuwerten.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

1 zeigt einen skizzenhaften Querschnitt durch einen beispielhaften Ultraschallwandler.
2 zeigt einen skizzenhaften Querschnitt durch einen weiteren beispielhaften Ultraschallwandler mit einem Dämpfungsring.
3 zeigt einen skizzenhaften Querschnitt durch einen weiteren beispielhaften Ultraschallwandler mit einem Dämpfungsring.
4.1 bis 4.4 zeigen Konturen einer Frontseite eines beispielhaften Ultraschallübertragers des Ultraschallwandlers.
5 zeigt einen schematischen beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Durchflussmessgeräts.

1 zeigt einen skizzenhaften Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler 1, wobei der Ultraschallwandler 1 einen Ultraschallübertrager U mit einer Stirnfläche S, einer Mantelfläche M und einer Rückseite R; sowie ein (Piezo-)Wandlerelement 50 zum Erzeugen und Erfassen von pulsförmigen Ultraschallsignalen; eine Backing-Masse 60; und ein über eine Gehäuseanbindung 41 angebundenes Gehäuse 40 aufweist. Der Ultraschallübertrager U ist dazu eingerichtet, Ultraschallsignale zwischen dem an der Rückseite R des Ultraschallübertragers angebrachtem Wandlerelement 50 und einem der Rückseite R abgewandten ersten Bereich 10 des Ultraschallwandler und umgekehrt zu leiten. Der erste Bereich 10 schließt dabei an eine einem Medium zugewandte Stirnfläche an und weist einen Übergangsbereich 11 auf, in welchem ein radialer Abstand der Mantelfläche zu einer Längsachse des Ultraschallübertragers in Richtung des Wandlerelements abnimmt, wobei ein zweiter Bereich 20 des Ultraschallwandlers an den ersten Bereich anschließt. Eine Anregung des Ultraschallübertragers U mittels eines pulsförmigen, vom Wandlerelement 50 ausgehendes oder über ein Medium über die Stirnfläche bzw. den ersten Bereich 10 eintreffendes Ultraschallsignals entsteht eine axiale Biegeschwingung des Ultraschallübertragers im ersten Bereich 10 mit der Stirnfläche S parallel zur Längsachse L des Ultraschallübertragers, wobei die Biegeschwingung eine maximale Amplitude auf der Mantelfläche aufweist. Dadurch werden Ultraschallsignale sehr effizient zwischen Ultraschallübertrager U und dem Medium sowie umgekehrt übertragen. Die Anregung des Ultraschallübertragers umfasst dabei die Ausbildung einer longitudinalen Schwingungsmode entlang der Längsachse L Ultraschallübertragers. Um eine maximale Sende- und Empfangsleistung des Ultraschallwandlers zu gewährleisten, muss eine gewünschte Arbeitsfrequenz des Ultraschallwandlers zur longitudinalen Schwingungsmode passen, wobei die Arbeitsfrequenz eine Zentralfrequenz eines Spektralbereichs des Ultraschallsignals ist. Es kann daher vorteilhaft sein, eine Backing-Masse 60 an eine der Rückseite R abgewandten Seite des Wandlerelements 50 anzubringen, so dass sich die Schwingungsmode über den Ultraschallübertrager U sowie über das Wandlerelement 50 und die Backingmasse 60 erstreckt. Die axiale Ausdehnung der Schwingungsmode über den Ultraschallübertrager sowie Wandlerelement und falls vorhanden Backing-Masse ist dabei ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge der Schwingungsmode, wobei die Schwingungsmode im ersten Bereich 10 einen Schwingungsbauch aufweist. Die Schwingungsfähigkeit des Ultraschallübertragers im ersten Bereich 10 mit dem Amplitudenmaximum auf der Mantelfläche wird durch eine Anpassung von geometrischen Eigenschaften des Ultraschallübertragers im ersten Bereich erreicht, wobei eine axiale Ausdehnung y des Ultraschallübertragers und ein maximaler radialer erster Abstand R1 des Ultraschallübertragers im Übergangsbereich zur Längsachse L und ein minimaler radialer zweiter Abstand R2 des Ultraschallübertragers im Übergangsbereichs 11 zur Längsachse und die Arbeitsfrequenz f des Ultraschallwandlers folgende Randbedingung einhalten: $A kHz*mm < f*R1* (R1 - R2) /y < B kHz*mm,$
wobei A größer 600 und insbesondere größer als 800 und bevorzugt größer als 1000 ist, und/oder wobei B kleiner als 2200 und insbesondere kleiner als 2000 und bevorzugt kleiner als 1800 ist und beispielsweise zwischen 1400 und 1500 sein kann. Die Arbeitsfrequenz des Ultraschallwandlers ist dabei in einem Bereich zwischen 50 kHz und 300 kHz. Dadurch wird einerseits die Steifigkeit des Ultraschallübertragers im ersten Bereich 10 gegenüber einem Ultraschallübertrager mit einer schwingfähigen Platte ohne Übergangsbereich erhöht, wodurch die Arbeitsfrequenz erhöht wird. Bei einem Ultraschallübertrager mit einer schwingfähigen Platte ohne Übergangsbereich müsste diesbezüglich eine in axialer Richtung dickere Platte angewandt werden, womit die axiale Schwingfähigkeit der Platte reduziert wird und somit die Sende- und Empfangsleistung des Ultraschallwandlers reduziert wird. Andererseits wird durch die vorgegebene Randbedingung sichergestellt, dass ein sehr langsamer Übergang zwischen einer Zone umfassend R1 und einer Zone umfassend R2 vermieden wird, weil ein solcher sehr langsamer Übergang eine axiale Schwingung des Ultraschallübertragers im ersten Bereich 10 komplett unterbindet.
An den Übergangsbereich 11 des ersten Bereichs 10 schließt der zweite Bereich 20 an, wobei der Abstand der Mantelfläche zur Längsachse wie in 1 gezeigt im Anschluss an den Übergangsbereich 11 konstant sein kann. Beispielsweise kann der Abstand im Anschluss an den Übergangsbereich 11 entlang der Längsachse aber auch zunächst zunehmen und dann konstant sein. Anstatt eines abschnittsweise konstanten Abstands kann der Abstand der Mantelfläche abschnittsweise nur geringfügig zu- oder abnehmen, wobei eine geringfügige Änderung eine bezüglich der Längsachse betragsmäßige Steigung von maximal 0.1 ist. An den zweiten Bereich 20 schließt ein dritter Bereich 30 an, wobei der Ultraschallübertrager im dritten Bereich 30 eine Aufweitung 31 aufweist, bei welcher Aufweitung der Abstand der Mantelfläche zur Längsachse in Richtung des Wandlerelements 50 zunimmt, wobei eine Steigung der Aufweitung betragsmäßig mindestens 0.3 ist. Im Bereich der maximalen radialen Ausdehnung der Aufweitung 31 ist ein Gehäuse 40 über eine Gehäuseanbindung 41 angebunden, wobei die Anbindung vorzugsweise eine Schweißverbindung ist. Die Aufweitung 31 ist dazu eingerichtet, den Ultraschallübertrager U zu versteifen, so dass die Schwingungsmode bei der Arbeitsfrequenz des Ultraschallwandlers einen Schwingungsknoten im Bereich der Aufweitung 31 aufweist. Dies hat den Vorteil, dass eine Übertragung von Körperschall zwischen einem Messrohr, in welchem der Ultraschallwandler angeordnet ist, und dem Wandlerelement und umgekehrt stark unterdrückt ist. Dadurch verbessert sich das Signal-Rauschen-Verhältnis, was eine bessere Durchflussmessung zulässt. Die Aufweitung kann beispielsweise konusförmig sein, aber auch Formen annehmen, wie sie in den 4.1 bis 4.4 diskutiert sind. Vorzugsweise ist der Ultraschallübertrager im zweiten Bereich 20 sowie im dritten Bereich 30 wie der erste Bereich 10 freistehend. Dadurch ergibt sich ein weiterer Vorteil der Aufweitung 31, wobei durch die Biegeschwingung des Ultraschallübertragers im ersten Bereich 10 abgestrahlte Ultraschallsignale nicht zum ersten Bereich 10 zurückreflektiert werden, sondern in das Medium gestreut werden. Dadurch wird die Biegeschwingung nicht gestört, so kann die Sende- und Empfangsfähigkeit des Ultraschallwandlers weiter verbessert werden.
Bevorzugterweise ist der Ultraschallübertrager rotationssymmetrisch, da er sich dann auf eine einfache und günstige Weise fertigen lässt.
2 zeigt einen skizzenhaften Querschnitt durch einen Ultraschallwandler 1 gemäß dem in 1 gezeigten Ultraschallwandler, wobei der Ultraschallwandler einen Dämpfungsring D aufweist, welcher den Ultraschallübertrager umgreift und zumindest teilweise im ersten Bereich 10, im zweiten Bereich 20 sowie im dritten Bereich 30 angeordnet ist. Der Dämpfungsring kann aber auch nur im ersten und zweiten Bereich angeordnet sein. Der Dämpfungsring liegt dabei eng an der Mantelfläche M des Ultraschallübertragers an und dämpft axiale Biegeschwingungen des Ultraschallübertragers im ersten Bereich mit der Stirnfläche S, womit eine zeitliche Dauer von abgestrahlten Ultraschallpulsen begrenzt werden kann, was sich vorteilhaft auf eine Messrate eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts auswirken kann.
3 zeigt einen skizzenhaften Querschnitt durch einen weiteren Ultraschallwandler mit einem Dämpfungsring, wobei der Ultraschallwandler im zweiten Bereich 20 eine zweite Aufweitung 21 aufweist, welche zweite Aufweitung mit der Verjüngung des Ultraschallwandlers im Übergangsbereich 11 eine Mulde 22 bildet, in welcher Mulde 22 der Dämpfungsring angeordnet ist. Der Dämpfungsring liegt dabei eng an der Mantelfläche M des Ultraschallübertragers an und dämpft axiale Biegeschwingungen des Ultraschallübertragers im ersten Bereich mit der Stirnfläche S, womit eine zeitliche Dauer von abgestrahlten Ultraschallpulsen begrenzt werden kann, was sich vorteilhaft auf eine Messrate eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts auswirkt.
Die in den 1 bis 3 skizzierte Verjüngung des Ultraschallübertragers im ersten Bereich ist fakultativ. Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler kann auch nur durch die Merkmale des dritten Bereichs gekennzeichnet sein, so dass der Übertrager von der Stirnfläche bis zum dritten Bereich im Wesentlichen zylinderförmig ist.
Die in den 2 und 3 gezeigten Dämpfungsringe sind fakultativ. Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler kann auch mehrere axial hintereinander angeordnete Dämpfungsringe aufweisen.
4.1 bis 4.4 skizzieren Ausschnitte eines Ultraschallübertragers U mit beispielhaften erfindungsgemäßen Konturen des Übergangsbereichs 11, wobei bei 4.1 der Ausschnitt einen konusförmigen Übergangsbereich 11 wie in 1 gezeigt zeigt.
4.2 skizziert einen Ausschnitt mit einem Übergangsbereich 11, welcher zwei konusförmige Segmente aufweist, wobei eine Steigung der jeweiligen Segmente bezüglich der Längsachse L mit steigendem Abstand der Segmente zur Stirnfläche S betragsmäßig abnimmt. Es können auch mehr als zwei Segmente mit betragsmäßig abnehmender Steigung eingerichtet sein.
4.3 skizziert einen Ausschnitt mit einem Übergangsbereich 11, welcher mehrere Segmente mit jeweils konstantem radialem Abstand der Mantelfläche M zur Längsachse L aufweist. Die Anzahl der Segmente kann beispielsweise auch ungleich drei, beispielsweise auch zwei oder vier oder gar derer fünf oder mehr sein. Die Ausdehnung einzelner Segmente in Richtung der Längsachse kann konstant, zunehmend oder abnehmend sein.
Die in 4.2 und 4.3 gezeigten Konturen haben den Vorteil, dass sie fertigungstechnisch einfach umzusetzen sind. Die Abmessungen der einzelnen Abstufungen sind dabei sehr viel kleiner als die Wellenlänge der erzeugten bzw. erfassten Ultraschallsignal im Medium.
4.4 skizziert einen Ausschnitt mit einem Übergangsbereich 11, bei welchem der Abstand der Mantelfläche zur Längsachse mit steigendem Abstand zur Stirnfläche kontinuierlich abnimmt. Eine den radialen Abstand der Mantelfläche zur Längsachse beschreibende Funktion folgt dabei beispielsweise einer Exponentialfunktion, einer Bezierkurve, einer Gaußfunktion oder einer hyperbolischen Funktion. Ein Verlauf einer Exponentialfunktion hat eine gleichmäßige Spannungsverteilung bei einer Biegeschwingung zur Folge, wobei die Amplitude der Biegeschwingung jedoch eher gering ist. Ein hyperbolischer Verlauf lässt eine größere Amplitude der Biegeschwingung zu. Ein bezierkurvenförmiger oder gaussförmiger Verlauf lassen ebenfalls größere Amplituden zu, bei gleichzeitig gleichmäßiger Spannungsverteilung, jedoch müssen bei diesen Formen geometrische optimale Randbedingungen durch Simulationen bestimmt werden.
Eine wie in 4.1 gezeigte konische Form des Übergangsbereichs lässt sich einfach fertigen, weist aber eine geringe relativ geringe Amplitude der Biegeschwingung auf. Die in 4.3 gezeigte gestufte Form ist auch einfach zu fertigen und lässt große Amplituden zu, kann jedoch bei großen Sendeleistungen anfällig für Brüche sein, insbesondere an Stufenkanten.
5 skizziert ein Ultraschall-Durchflussmessgerät 100 mit einem Messrohr 70, zwei erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern 1, welche in dafür vorgesehenen Ultraschallwandleraufnahmen 72 in einer Messrohrwandung 71 eingebracht sind und einer elektronischen Mess-/Betriebsschaltung 80, welche dazu eingerichtet ist, die Ultraschallwandler 1 zu betreiben. Zur Bewahrung von Übersichtlichkeit sind elektrische Verbindungen zwischen der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung 80 und den Ultraschallwandlern 1 nicht skizziert. Bei einem Laufzeitdifferenzenverfahren werden abwechselnd Ultraschallsignale in und gegen eine Strömungsrichtung des Mediums im Messrohr ausgesandt und deren Laufzeiten gemessen, wobei ein von einem ersten Ultraschallwandler ausgesandtes Ultraschallsignal von einem zweiten Ultraschallwandler erfasst wird. Um abwechselnd Ultraschallsignale in und gegen die Strömungsrichtung auszusenden, wird jeder Ultraschallwandler abwechselnd als Sende- und Empfangswandler eingesetzt. Aus einer ermittelten Laufzeitdifferenz lässt sich so die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bestimmen. Das Abwechseln zwischen Sende- und Empfangsbetrieb muss dabei nicht nach jedem einzelnen Aussenden eines Ultraschallsignals stattfinden, sondern kann auch erst nach einem Aussenden einer Serie von Ultraschallsignalen in eine Richtung stattfinden.
Alternativ kann die Strömungsgeschwindigkeit auch anhand einer Frequenzverschiebung des Spektralbereichs eines Ultraschalsignals bestimmt werden, welches an Partikeln im Medium zum Ultraschallwandler 1 rückgestreut wird. Da diese Methode auf dem Doppler-Effekt basiert, nennt sich diese Methode Doppler-Verfahren. In diesem Fall kann ein Ultraschall-Durchflussmessgerät 100 auch nur einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler 1 aufweisen.
Anstatt des in 5 angedeuteten direkten Wegs eines Ultraschallsignals zwischen zwei Ultraschallwandlern kann ein Weg eines Ultraschallsignals auch ein oder mehrere Reflektionen an der Messrohrwandung 71 oder an dafür eingerichteten Reflektoren aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallwandler
10: erster Bereich
11: Übergangsbereich
20: zweiter Bereich
21: zweite Aufweitung
30: dritter Bereich
31: Aufweitung
41: Gehäuseanbindung
40: Gehäuse
50: Wandlerelement
60: Backing-Masse
70: Messrohr
71: Messrohrwandung
80: elektronische Mess-/Betriebsschaltung
100: Ultraschall-Durchflussmessgerät
S: Stirnfläche
M: Mantelfläche
U: Ultraschallübertrager
R: Rückseite
L: Längsachse
R1: erster Abstand R1
R2: zweiter Abstand R2
y: axiale Ausdehnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4757227 [0002]
US 3891869 [0003]

Claims

Ultraschallwandler (1) eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts (100) zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden gasförmigen Mediums umfassend: Ein Wandlerelement (50) zum Erzeugen und Erfassen von pulsförmigen Ultraschallsignalen; Einen Ultraschallübertrager (U) zum Leiten von Ultraschallsignalen zwischen dem Wandlerelement (50) und dem Medium, wobei der Ultraschallübertrager (U) eine Längsachse (L) und eine Mantelfläche (M) sowie eine dem Wandlerelement abgewandte Stirnfläche (S) aufweist, welche Stirnfläche die Längsachse (L) schneidet und mediumsberührend ist, wobei die Stirnfläche vorzugsweise eben ist; Ein Gehäuse (40), welches mit dem Ultraschallübertrager (U) verbunden ist; wobei der Ultraschallübertrager auf der der Stirnfläche abgewandten Seite eine Rückseite (R) aufweist, wobei das Wandlerelement (50) und der Ultraschallübertrager akustisch und mechanisch über die Rückseite miteinander gekoppelt sind, wobei der Ultraschallwandler auf einer der Stirnfläche abgewandten Seite einen dritten Bereich (30) aufweist, wobei sich der Ultraschallübertrager im dritten Bereich in Richtung der Rückseite (R) zumindest abschnittsweise aufweitet, wobei die Aufweitung (31) beispielsweise konusförmig ist, wobei der dritte Bereich freistehend und mediumsberührend ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallübertrager im dritten Bereich (30) in einem Bereich maximaler Beabstandung der Mantelfläche von der Längsachse an das Gehäuse angebunden ist, wobei die Aufweitung (31) des Ultraschallübertragers im dritten Bereich dazu eingerichtet ist, einen Schwingungsknoten einer zu einer Arbeitsfrequenz des Ultraschallwandlers gehörenden resonanten Schwingungsmode des Ultraschallübertragers in einen Bereich der Gehäuseanbindung (41) zu legen.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei der Ultraschallwandler einen an die Stirnfläche (S) angrenzenden ersten Bereich (10) und einen an den ersten Bereich angrenzenden zweiten Bereich (20) aufweist, wobei der erste Bereich (10) zumindest abschnittsweise einen Übergangsbereich (11) aufweist, in welchem Übergangsbereich (11) sich der Ultraschallübertrager (U) in Richtung des zweiten Bereichs (20) verjüngt, wobei der Übergangsbereich an den zweiten Bereich angrenzt, wobei der erste Bereich mit der Stirnfläche zu axialen Biegeschwingungen anregbar ist, wobei die Biegeschwingung ein Amplitudenmaximum auf der Mantelfläche (M) aufweist. wobei der Ultraschallwandler im ersten Bereich freistehend und mediumsberührend ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ultraschallübertrager im ersten Bereich (10) mit der Stirnfläche (S) zu axialen Biegeschwingungen anregbar ist, wobei die Biegeschwingung ein Amplitudenmaximum auf der Mantelfläche (M) aufweist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 2 oder 3, wobei im Übergangsbereich (11) in Richtung des Wandlerelements (50) eine den radialen Abstand der Mantelfläche zur Längsachse beschreibende Funktion monoton ist, wobei die Funktion stufenweise konstant ist oder stufenweise konstante, in Richtung des Wandlerelements abnehmende Steigung aufweist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 2 oder 3, wobei im Übergangsbereich (11) in Richtung des Wandlerelements (50) eine den radialen Abstand der Mantelfläche zur Längsachse beschreibende Funktion in Richtung des Wandlerelements streng monoton fallend ist, wobei der Betrag einer Ableitung der Funktion nach einer Richtung parallel zu Längsachse kleiner 20 ist, wobei die Funktion beispielsweise einer linearen Funktion, einer Exponentialfunktion, einer Bezierkurve, einer Gaußfunktion oder einer hyperbolischen Funktion folgt.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei im Übergangsbereich (11) eine axiale Ausdehnung y des Ultraschallübertragers und ein maximaler radialer erster Abstand R1 der Mantelfläche zur Längsachse und ein minimaler radialer zweiter Abstand R2 der Mantelfläche zur Längsachse und eine Arbeitsfrequenz f des Ultraschallwandlers folgenden Zusammenhang aufweisen: $A kHz*mm < f*R1* (R1 - R2) /y < B kHz*mm,$
wobei A größer 600 und insbesondere größer als 800 und bevorzugt größer als 1000 ist, und/oder wobei B kleiner als 2200 und insbesondere kleiner als 2000 und bevorzugt kleiner als 1800 ist, wobei die Arbeitsfrequenz eine Zentralfrequenz der spektralen Verteilung des Ultraschallsignals ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche 2 bis 6, wobei der dritte Bereich (30) an den zweiten Bereich (20) anschließt.
Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei im zweiten Bereich (20) ein Abstand der Mantelfläche (M) zur Längsachse (L) in axialer Richtung zumindest abschnittsweise konstant ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Wandlerelement (50) auf einer der Rückseite abgewandten Seite eine Backing-Masse (60) aufweist.
Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Ultraschallübertrager (U) aus einem Werkstoff gefertigt ist, welcher Werkstoff eine longitudinale Schallgeschwindigkeit im Bereich von 5000 m/s bis 7000 m/s aufweist, wobei der Werkstoff insbesondere ein Stoff aus folgender Liste ist: Titan, Edelstahl, Aluminium, Magnesium Glas, eine Legierung umfassend Nickel und/oder Molybdän und/oder Kupfer.
Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei eine axiale Länge von Ultraschallübertrager (U) und Wandlerelement (50) und falls vorhanden Backing-Element (60) ein ungerades Vielfaches der halben Wellenlänge einer zur Arbeitsfrequenz gehörenden Schwingungsmode ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Ultraschallwandler (1) mindestens einen Dämpfungsring (D) aufweist, welcher zumindest teilweise im ersten Bereich (10) und zweiten Bereich (20) angeordnet ist und den Ultraschallübertrager (U) umgreift, wobei der Dämpfungsring (D) an der Mantelfläche (M) des Ultraschallübertragers (U) anliegt.
Ultraschallwandler nach Anspruch 12, wobei der Ultraschallübertrager im zweiten Bereich (20) eine zweite Aufweitung (21) aufweist, wobei die Verjüngung des Ultraschallübertragers im ersten Bereich sowie die zweite Aufweitung (21) eine Mulde (22) bilden, in welcher Mulde der Dämpfungsring angeordnet ist.
Ultraschall-Durchflussmessgerät (100) zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder des Volumendurchflusses eines durch ein Messrohr strömenden gasförmigen Mediums nach dem Laufzeitdifferenzenprinzip oder Dopplerprinzip umfassend: Ein Messrohr (70) mit einer Messrohrwandung (71); Mindestens einen Ultraschallwandler (1) nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Ultraschallwandler in der Messrohrwandung (71) angeordnet sind; Eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (80), welche dazu eingerichtet ist, den Ultraschallwandler (1) zu betreiben und die durch den Ultraschallwandler (1) erfassten Ultraschallsignale auszuwerten.