DE102020114777A1

DE102020114777A1 - Ultraschallwandler und Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers

Info

Publication number: DE102020114777A1
Application number: DE102020114777.5A
Authority: DE
Inventors: Mikel Gorostiaga Altuna; Peter Lukan
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-12-09
Also published as: JP2022552068A; WO2021244919A1; JP2024079792A; US20220333970A1; CN114341598A

Abstract

Ein Ultraschallwandler (1) weist eine Ultraschalleinheit (6) mit einem Gehäuse (4) auf, in dem ein piezoelektrisches Element (2) angeordnet ist. Die Ultraschalleinheit (6) ist zum Betrieb in einem Dicken-Schwingungsmodus ausgebildet. Aus dem Gehäuse (4)ist wenigstens eine elektrische Anschlussleitung (3) herausgeführt, wobei die Anschlussleitung (3) zur Verbindung mit einer von der Ultraschalleinheit (6) separat angeordneten Steuer- und/oder Auswerteelektronik (5) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, der beispielsweise zur Messung einer Füllhöhe einer Flüssigkeit in einem Behälter ausgebildet ist.
Die Messung der Füllhöhe und damit die Bestimmung der Restmenge an Flüssigkeit im Behälter sind für eine Vielzahl von Bereichen wichtig. Beispiele hierfür sind haushaltsübliche Boiler, die mit heißem Wasser gefüllt sind, Behälter in Brauereien, Gaszylinder, Wasser-Zisternen in landwirtschaftlichen Betrieben oder Behälter enthaltend Chemikalien im industriellen Bereich.
Manche derartige Behälter enthalten einen bereits integrierten Füllstandsmesser. Bei Behältern ohne integrierten Füllstandsmesser wird im einfachsten Fall der Behälter geöffnet und der Füllstand durch Sichtung oder durch Einführung eines Stabes bestimmt. Dies ist allerdings oftmals ungenau und zeitaufwändig. Zudem ist auf diese Weise keine Echtzeit-Überwachung des Füllstandes möglich und es kann nicht bei toxischen und kontaminations-empfindlichen Flüssigkeiten angewandt werden. Ebenso ist ein derartiges Verfahren nicht für unter Druck stehende Behälter möglich.
Mit einem Ultraschallwandler ist es möglich, den Füllstand ohne Kontakt mit der Flüssigkeit und in Echtzeit zu messen. Die Druckschriften DE 102015113908 A1 und US 2012163126 A1 beschreiben derartige Ultraschallwandler.
Beispielsweise kann ein Ultraschallwandler außen an einem Behälter angeordnet sein. Dabei wird ein elektrisches Signal vom Ultraschallwandler in ein akustisches Signal umgewandelt. Das akustische Signal wird beispielsweise durch ein Gas oberhalb des Flüssigkeitspegels in Richtung der Flüssigkeit geschickt oder von unten durch die Flüssigkeit in Richtung des Gases. An der Grenzfläche der Medien tritt dann aufgrund des Unterschiedes in der akustischen Impedanz eine Reflexion des Signals auf. Der reflektierte Signalanteil wandert dann zurück zum Ultraschallwandler und wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Aus der Laufzeit des akustischen Signals und der akustischen Geschwindigkeit im Fluid kann der Füllstand ermittelt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Ultraschallwandler und ein Verfahren zum Betrieb eines Ultraschallwandlers anzugeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Ultraschallwandler eine Ultraschalleinheit mit einem piezoelektrischen Element auf, das in einem Gehäuse angeordnet ist. Der Ultraschallwandler weist ferner ein oder mehrere Anschlussleitungen zum elektrischen Anschluss des piezoelektrischen Elements auf, wobei die Anschlussleitungen aus dem Gehäuse herausgeführt sind.
Die Anschlussleitungen sind zur Verbindung mit einer separat zur Ultraschalleinheit vorgesehenen Steuer- und/oder Auswerteelektronik verbunden. Es kann sich beispielsweise um eine kompakte Elektronikeinheit handeln.
Durch die Separierung von Ultraschalleinheit und Elektronik kann die Baugröße der Ultraschalleinheit minimiert werden.
Somit kann die Ultraschalleinheit auch in einem eng begrenzten Raum angeordnet werden. Zudem kann die Elektronik an einem Ort platziert werden, der gut zugänglich für einen Benutzer ist.
Die Ultraschalleinheit dient beispielsweise zur Messung des Füllstandes eines mit Flüssigkeit gefüllten Behälters. Die Ultraschalleinheit kann auch für andere Zwecke eingesetzt werden, insbesondere zur Erzeugung und zum Empfang akustischer Signale in Flüssigkeiten und auch in Feststoffen, beispielsweise zur Messung von Abständen. Die Ultraschalleinheit ist insbesondere zur Aussendung und/oder Empfangs von Ultraschallwellen in einem Frequenzbereich von wenigen MHz ausgebildet.
Die Ultraschalleinheit ist beispielsweise zur Anordnung an einer Unterseite des Behälters ausgebildet. Die Elektronik ist beispielsweise zur Anordnung an einer Seitenfläche des Behälters ausgebildet. Die Ultraschalleinheit kann auch innerhalb des Behälters, beispielsweise in der Flüssigkeit angeordnet sein.
Die Anschlussleitung ist beispielsweise in Form eines Koaxialkabels oder eines flexiblen Leiterbandes ausgebildet.
Das piezoelektrische Element kann an einer Deckplatte des Gehäuses befestigt sein. Die Deckplatte ist beispielsweise eine Stahlplatte. Die Deckplatte kann auch aus einem anderen Material gebildet sein. Zur Vermeidung von Reflexionen des erzeugten akustischen Signals an der Grenzfläche zur Deckplatte ist es vorteilhaft, wenn die akustische Impedanz der Deckplatte möglichst nahe an der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements liegt.
Die Ultraschalleinheit ist zu einem Betrieb in einem Dicken-Schwingungsmodus, insbesondere einem Dicken-Resonanzmodus, ausgebildet. In diesem Fall ist die Geometrie des piezoelektrischen Elements und der Deckplatte derart gewählt, dass die akustische Schwingung des piezoelektrischen Elements in Dickenrichtung, d.h., in einer Richtung parallel zur Ausbreitungsrichtung des erzeugten akustischen Signals und damit senkrecht zu den Hauptflächen des piezoelektrischen Elements und der Deckplatte im Betrieb effizient genutzt werden kann. Die akustische Schwingung wird über die Deckplatte nach außen, beispielsweise in die Flüssigkeit geleitet. Die Deckplatte ist somit dazu ausgebildet, die akustische Schwingung möglichst unverändert nach außen zu übertragen. Die akustische Schwingung wird insbesondere vom piezoelektrischen Element über die Deckplatte in das Fluid in Form einer ebenen Welle übertragen.
Insbesondere kann die Gesamtdicke des piezoelektrischen Elements und der Deckplatte derart gewählt sein, dass eine Resonanz-Dickenschwingung bei einer gewünschten Betriebsfrequenz vorliegt. Insbesondere kann es sich um eine Form einer Halbwellen-Resonanz handeln.
Eine geeignete Betriebsfrequenz des Ultraschallwandlers in Bezug auf das zu erzeugende akustische Signal liegt bei einer Anwendung als Füllstandsmesser beispielsweise im Bereich von wenigen MHz oder etwas unter 1 MHz. Insbesondere kann der Ultraschallwandler für einen Betrieb bei einer Frequenz von 500 kHz bis 3 MHz ausgebildet sein. Entsprechend ist dann die Geometrie des piezoelektrischen Elements und der Deckplatte gewählt.
Ein derartiger Betrieb ermöglicht im Vergleich zur Auslegung für einen Betrieb bei einer Längen-Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements eine deutliche Miniaturisierung der Ultraschalleinheit.
Da die Deckplatte allerdings kein piezoelektrisch aktives Material aufweist und somit keinen Beitrag zu den piezoelektrischen Sende- und Empfangseigenschaften leistet, sollte die Dicke der Deckplatte möglichst gering sein. Dies ist möglich, da die Hauptfunktion der Deckplatte der Schutz und die Halterung des piezoelektrischen Elements ist. Die Deckplatte soll die Eigenschaften des Ultraschallwandlers möglichst wenig beeinflussen und beispielsweise lediglich bei einem Feintuning der Resonanzfrequenz eine Rolle spielen.
Die Dicke des piezoelektrischen Elements ist insbesondere größer als die Dicke der Deckplatte. Das Verhältnis der Dicke des piezoelektrischen Elements zur Dicke der Deckplatte liegt beispielsweise bei mindestens 5:1 oder mehr. Die Dicke der Deckplatte kann soweit minimiert werden, dass die erforderliche Robustheit der Deckplatte als Bestandteil des Gehäuses gegeben ist. Beispielsweise weist die Deckplatte eine Dicke von 200 µm oder kleiner auf.
Die Dicke der Deckplatte kann zu einer Feineinstellung der Dickenschwingungs-Resonanz des Gesamtsystems aus piezoelektrischem Element und Deckplatte in verwendet werden. In diesem Fall wird der Ultraschallwandler mit optimaler Effizienz genutzt. Beispielsweise wird zur Feineinstellung eine gewünschte Betriebsfrequenz vorgegeben und ein piezoelektrisches Element mit ungefähr passender Dicke ausgewählt. Die Dicke der Deckplatte kann dann variiert werden, bis bei der gewählten Betriebsfrequenz eine Dickenschwingung des Systems aus piezoelektrischem Element und Deckplatte in Resonanz erzielt wird.
Die Ultraschalleinheit kann sehr klein ausgebildet sein. Beispielsweise weist die Ultraschalleinheit eine Dicke von höchstens 5 mm und einen Durchmesser von höchstens 5 cm auf. Insbesondere kann die Ultraschalleinheit eine Dicke von höchstens 2 mm und einen Durchmesser von höchstens 40 mm aufweisen. Die Ultraschalleinheit kann die Geometrie und Größe einer kleinen Scheibe, beispielsweise einer Münze, aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verwendung des vorgehend beschriebenen Ultraschallwandlers. Der Ultraschallwandler ist beispielsweise zur Verwendung zur Messung eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter ausgebildet. Bei dem Behälter handelt es sich beispielsweise um handelsübliche großvolumige Behälter, beispielsweise mit einem Volumen von mehreren Hundert Litern bis zu mehreren tausend Litern auf.
Die Ultraschalleinheit ist kostengünstig herstellbar, so dass sie sich auch als Massenartikel für die Ausstattung vieler Behälter eignet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anordnung des vorgehend beschriebenen Ultraschallwandlers, insbesondere bei einer Verwendung zur Messung des Füllstandes eines Behälters. Die Ultraschalleinheit kann dabei an einer Unterseite des Behälters, beispielsweise eines großvolumigen Behälters angeordnet werden.
Die Anschlussleitung kann von der Unterseite nach außen geführt sein und dort mit einer Elektronik, insbesondere einer kompakten Elektronikeinheit, verbunden sein. Beispielsweise ist eine Elektronikeinheit an einer Seitenfläche des Behälters angebracht.
Die Ultraschalleinheit kann durch Kleben, beispielsweise durch Verwendung eines Klebstoffes mit geeigneter akustischer Impedanz, oder Verwendung eines Klebebandes am Behälter befestigt sein. Es ist auch möglich, dass die Ultraschalleinheit lediglich durch das Gewicht des Behälters in ihrer Position fixiert ist. Diese Fixierung eignet sich insbesondere für kleinere Behälter, die nur wenig Gewicht auf die Ultraschalleinheit aufbringen. Bei einer derartigen Anordnung kann der Behälter schnell ausgetauscht werden ohne dass die Ultraschalleinheit ummontiert werden muss.
Die Ultraschalleinheit kann bei einer derartigen Befestigung bei Beschädigung oder Verlust leicht ersetzt werden. Insbesondere ist keine aufwändige Montage am Behälter notwendig. Der Behälter muss hier auch keine Aufnahmevorrichtung für die Ultraschalleinheit vorsehen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb des vorgehend beschriebenen Ultraschallwandlers. Der Ultraschwallwandler wird dabei in einem Dicken-Schwingungsmodus, insbesondere bei einer Dicken-Resonanzfrequenz betrieben. Beispielsweise wird der Ultraschallwandler dabei bei einer Frequenz von 500 kHz bis 3 MHz betrieben. Dieser Frequenzbereich eignet sich besonders gut für akustische Wellen, die sich in einer Flüssigkeit verbreiten sollen. Beispielsweise wird der Ultraschallwandler im Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Behälters eingesetzt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Ultraschalleinheit, insbesondere zum Feintuning einer Ultraschalleinheit. Dabei kann es sich um die vorgehend beschriebene Ultraschalleinheit handeln. Es kann hier auch die Elektronikeinheit nicht separat ausgebildet sein. Gemäß dem Verfahren wird eine gewünschte Betriebsfrequenz, beispielsweise in einem Bereich von 500 kHz bis 3 MHz, vorgegeben und es wird ein piezoelektrisches Element mit ungefähr passender Dicke zur Erzielung einer Dicken-Resonanzschwingung bereitgestellt. Es wird eine Deckplatte bereitgestellt und die Dicke der Deckplatte wird dann variiert, bis bei der gewählten Betriebsfrequenz eine Dickenschwingung des Systems aus piezoelektrischem Element und Deckplatte in Resonanz erzielt wird.
Die vorliegende Erfindung umfasst mehrere Aspekte, insbesondere Bauelemente und Verfahren. Die für einen der Aspekte beschriebenen Ausführungsformen gelten entsprechend auch für den anderen Aspekt.
Zudem ist die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Ausführungsform eines Ultraschallwandlers in Schnittansicht,
2 eine Ausführungsform eines Ultraschallwandlers in Explosionsdarstellung,
3 eine Ausführungsform eines Ultraschallwandlers in schematischer Prinzipdarstellung,
4 eine Anordnung eines piezoelektrischen Elements und einer Deckplatte in schematischer Schnittansicht,
5 eine Verwendung eines Ultraschallwandlers zur Messung der Füllhöhe eines Flüssigkeitsbehälters in einer schematischen Prinzipansicht,
6A bis 6C eine Ausführungsform einer Anordnung eines Ultraschallwandlers und eines Behälters in einer seitlichen Ansicht, einer seitlichen Detailansicht und einer Ansicht auf eine Unterseite,
7 eine weitere Ausführungsform einer Anordnung eines Ultraschallwandlers und eines Behälters in einer seitlichen Ansicht,
8 eine weitere Ausführungsform einer Anordnung eines Ultraschallwandlers und eines Behälters in einer seitlichen Ansicht,
9A und 9B eine weitere Ausführungsform einer Anordnung eines Ultraschallwandlers und eines Behälters in einer seitlichen Ansicht und einer Ansicht auf eine Unterseite.

Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Ultraschallwandlers 1 in Schnittansicht. Der Ultraschallwandler 1 weist ein piezoelektrisches Element 2 zur Erzeugung von Ultraschallwellen aus einem elektrischen Signal und/oder zur Erzeugung eines elektrischen Signals aus empfangenen Ultraschallwellen auf. Das piezoelektrische Element 2 ist insbesondere ein piezokeramisches Element, beispielsweise eine PZT-Keramik. Beispielsweise ist das piezoelektrische Element 2 in Form einer Scheibe ausgebildet. Es kann sich auch um ein Plättchen mit einer anderen Geometrie handeln.
Das piezoelektrische Element 2 ist mit ein oder mehreren Anschlussleitungen 3 verbunden. Die Anschlussleitungen 3 sind mit Elektroden (hier nicht gezeigt) verbunden, beispielsweise zwei flächige Elektroden, die auf gegenüberliegenden Hauptseiten des piezoelektrischen Elements 2 angeordnet sind. Beim Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden kann das piezoelektrische Element 2 in Schwingung versetzt werden, so dass eine akustische Welle im Ultraschallbereich erzeugt wird.
Das piezoelektrische Element 2 ist in einem Gehäuse 4 angeordnet. Das Gehäuse 4 kann wasserdicht ausgebildet sein. Beispielsweise ist das Gehäuse 4 nach außen hin scheibenförmig, insbesondere in der Geometrie und Größe ähnlich einer Münze ausgebildet. Aufgrund der geringen Größe der Ultraschalleinheit 6 kann der Ultraschallwandler 1 besonders gut auch nachträglich an einen Behälter angebracht werden.
Die Anschlussleitungen 3 sind durch eine Öffnung 12 im Gehäuse 4 geführt und dazu ausgebildet, mit einer Steuer- und/oder Auswerteelektronik 5 (3) verbunden zu werden. Es kann sich insbesondere um eine kompakte Elektronikeinheit handeln. Es handelt sich hier insbesondere um eine Steuer- und/oder Auswerteelektronik. Die Steuer- und/oder Auswerteelektronik muss nicht unbedingt als eine kompakte Einheit ausgebildet sein, sondern kann vom Nutzer flexibel gewählt werden. Somit weist der Ultraschallwandler 1 eine Ultraschalleinheit 6 mit kleiner Baugröße auf, die flexibel eingesetzt werden kann.
Das piezoelektrische Element 2 ist an einer Unterseite einer Deckplatte 7 des Gehäuses 4 befestigt. Das piezoelektrische Element 2 ist beispielsweise mittels einer Klebeschicht 9 an der Deckplatte 7 befestigt. Die Klebeschicht 9 ist möglichst dünn ausgebildet, um störende Reflexionen zu verhindern. Beispielsweise weist die Klebeschicht 9 eine Dicke von 15 µm oder kleiner auf.
Die Deckplatte 7 ist beispielsweise als Stahlplatte ausgebildet. Die Deckplatte 7 kann auch aus einem anderen Material gebildet sein. Insbesondere kann die Deckplatte 7 eine akustische Impedanz anpassen, die möglichst nahe an der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements 2 liegt. Auf diese Weise können unerwünschte Reflexionen an der Grenzfläche zur Deckplatte 7 vermieden werden und die Deckplatte 7 gibt die akustische Schwingung des piezoelektrischen Elements 2 nach außen möglichst unverändert ab.
Die Schwingung des piezoelektrischen Elements 2 dient somit nicht zur Erzeugung einer membranartigen mechanischen Schwingung der Deckplatte 7, also beispielsweise einer Schwingung einer Saite mit fest eingespannten Randbereichen, sondern ist direkt das akustische Signal, das nach außen abgegeben werden soll. Insbesondere entsteht eine akustische Schwingung in Form einer ebenen Welle, die über die Deckplatte in die Flüssigkeit übertragen wird.
Die Durchmesser der Deckplatte 7 und des piezoelektrischen Elements 2 können somit ähnlich ausgebildet sein, da die Deckplatte 7 nicht mechanisch membran-schwingfähig ausgebildet sein muss und das piezoelektrische Element 2 somit auch nicht eine mechanische, membranartige Schwingung der Deckplatte 7 zulassen muss.
Beispielsweise liegen die akustische Impedanz des piezoelektrischen Elements 2 bei 35 MRayl und die akustische Impedanz einer Deckplatte aus Stahl bei 45 MRayl.
Die Deckplatte 7 bildet die Emissionsseite 8 der Ultraschalleinheit 6. Akustische Wellen 17 werden von der Emissionsseite 8 abgestrahlt oder über die Emissionsseite 8 aufgenommen. Insbesondere ist die Deckplatte 7 Teil des Gehäuses 4 und ist mit den weiteren Gehäuseteilen beispielsweise verklebt. Die Deckplatte 7 dient zum Schutz und als Träger für das piezoelektrische Element 2.
Zwischen einer Unterseite des piezoelektrischen Elements 2 und einer Unterseite des Gehäuses 4 ist eine rückseitige Struktur (sogenanntes „air-backing“) 11 angeordnet. Die rückseitige Struktur dient zur Erhöhung der Robustheit der Anordnung und sollte die Schwingung des piezoelektrischen Elements 2 möglichst wenig beeinflussen. Die Struktur 11 kann auch derart ausgebildet sein, dass die Bandbreite des Wandlers erhöht wird, beispielsweise für Verwendungen, bei denen ein scharfer Puls benötigt wird.
In seitlichen Randbereichen des Gehäuses 4 können ein oder mehrere zusätzliche Elemente 13, beispielsweise zur mechanischen Verstärkung der Ultraschalleinheit 6 oder auch zur elektrischen Anpassung der Ultraschalleinheit 6 an die Signalquelle und die Anschlussleitung 3, angeordnet sein. Beispielsweise kann mittels zusätzlicher Elemente 13 die Klirrzeit verringert werden oder es kann die Bandbreite für eine Pulsanregung vergrößert werden. Beispielsweise kann ein zusätzliches Element 13 ein Ableitungswiderstand und/oder eine Struktur zur elektrischen Anpassung sein. Beispielsweise können die Strukturen in einer Leiterplatte (PCB, „Printed Circuit Board“) angeordnet sein, mit der die Anschlussleitung 3 verbunden ist. Es kann sich bei dem zusätzlichen Element 13 auch um ein Seitenteil des Gehäuses 4 oder um eine Leiterplatte handeln.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Ultraschalleinheit 6 eines Ultraschallwandlers 1 in Explosionsdarstellung. Die Ultraschalleinheit 6 ist im Wesentlichen wie die in 1 gezeigt Ultraschalleinheit 6 ausgebildet.
Das Gehäuse 4 weist die Deckplatte 7, ein Seitenteil 25 und eine Unterseite 10 auf. Insbesondere kann das Gehäuse 4 aus diesen drei Komponenten. Zusätzlich kann das Gehäuse 4 mit einem Isolationsmaterial abgedichtet sein.
Die Öffnung 12 verläuft durch eine Unterseite 10 des Gehäuses 4 und durch ein ringförmiges Seitenteil 25 des Gehäuses 4.
Das Seitenteil 25 dient einerseits als Abstandshalter zwischen Unterseite 10 und Deckplatte 7. Darüber hinaus kann das Seitenteil 25 auch als Leiterplatte („PCB“) ausgebildet sein, in dem zusätzliche Elemente zur Anpassung des piezoelektrischen Elements 2 an die Anschlussleitungen 3 und die Elektronik 5 integriert sind.
Zur Herstellung der Ultraschalleinheit 6 kann die Deckplatte 7 beispielsweise aus einer Folie, insbesondere einer Stahlfolie, herausgeschnitten werden. Dies ermöglicht eine Herstellung mit engerer Toleranz (± 3µm) als bei einer Herstellung. Die Folie und die daraus hergestellte Deckplatte 7 weist beispielsweise eine Dicke von 200 µm oder kleiner auf. Insbesondere kann die Dicke bei 100 µm oder weniger liegen. Beispielsweise ist eine Dicke von 50 µm noch gut herstellbar. Eine derart geringe Dicke ermöglicht eine zuverlässige Einstellung der Resonanzfrequenz und verringert den Einfluss der Deckplatte 7 auf die Eigenschaften der Ultraschalleinheit 6.
Anschließend wird das piezoelektrische Element 2 an der Deckplatte 7 durch Kleben befestigt. Beispielsweise weist das piezoelektrische Element 2 eine Dicke von 900 µm auf. Die Klebeschicht 9 ist möglichst dünn ausgebildet. Beispielsweise weist die Klebeschicht 9 eine Dicke von 15 µm oder weniger auf, so dass sie die Eigenschaften der Ultraschalleinheit 6 möglichst wenig beeinflusst.
Anschließend wird das ringförmige Seitenteil 25 an der Deckplatte 7 befestigt, beispielsweise angeklebt. Es kann sich bei dem ringförmigen Seitenteil 25 um ein Metallteil oder auch um eine Leiterplatte handeln. Die Anschlussleitung 3 wird am piezoelektrischen Element 2 oder an der Leiterplatte befestigt, beispielsweise durch Löten. Die Leiterplatte weist beispielsweise eine Dicke von 150 µm auf. Das piezoelektrische Element 2 weist beispielsweise auf einer Seite eine gesputterte Silberschicht zur Befestigung der Anschlussleitung 3 auf.
Schließlich wird die rückseitige Struktur 11 platziert und das Gehäuse 4 durch Befestigung einer Unterseite 10, insbesondere einer Bodenplatte, nach außen abgeschlossen. Die rückseitige Struktur 11 ist beispielsweise als löchrige Polymer- oder Metallplatte, beispielsweise in einer Dicke von 200 µm ausgebildet. Die rückseitige Struktur 11 dient vor allem der mechanischen Stabilisierung 6 der Ultraschalleinheit und sollte eine möglichst geringe akustische Impedanz aufweisen, insbesondere eine ähnliche Impedanz wie Luft („air-backing“). Die Unterseite 10 ist beispielsweise als Platte in einer Dicke von 300 µm ausgebildet. Das Gehäuse 4 kann insgesamt die Form einer flachen Knopf-Batteriezelle aufweisen. Zur Verhinderung von Kurzschlüssen ist beispielsweise noch eine Isolierung vorgesehen.
Beispielsweise weist das gesamte Gehäuse 4 eine äußere Dicke t von 1,5 mm und einen Durchmesser D von 20 mm auf. Die zum Betrieb verwendete Resonanzfrequenz liegt beispielsweise bei 2 MHz.
Der Ultraschallwandler 1 wird beispielsweise in Form der Ultraschalleinheit 6 und des damit verbundenen Anschlusskabels 3 gefertigt. Die Elektronik 5 kann dann vom Kunden selbst bereitgestellt und auf einfache Weise mit dem Anschlusskabel 3 verbunden werden. Somit ist der elektrische Anschluss der Ultraschalleinheit 6 beispielsweise durch ein Anschlusskabel 3 in Form eines Koaxialkabels oder eines Flexi-Kabels gut definiert und eine Verschlechterung der Betriebseigenschaften durch elektrische parasitäre Einflüsse werden verhindert.
Wie in 3 in einem Prinzipbild gezeigt, kann die Steuer- und/oder Auswerteelektronik 5, beispielsweise in Form einer Elektronikeinheit, separat vom Gehäuse 4 vorgesehen sein. Die Länge der Anschlussleitung 3 kann flexibel gewählt werden, beispielsweise in einer Länge von 0,1 m bis zu 2 m, so dass der Ultraschallwandler 1 räumlich getrennt von der Elektronik 5 angeordnet werden kann. Die Anschlussleitung kann insbesondere eine Länge von wenigstens 0,5 m aufweisen. Bei der Anschlussleitung 3 kann es sich beispielsweise um ein Koaxialkabel oder um eine flexible Leiterplatte handeln.
Somit kann der Ultraschallwandler 1 flexibel an einer Messposition, insbesondere in einem eng begrenzten Raum, angeordnet werden. Die Elektronik 5 kann ebenfalls flexibel positioniert werden, insbesondere an einem gut erreichbaren Ort für einen Benutzer.
Eine derartige Ultraschalleinheit 1 ist kostengünstig in der Herstellung, so dass auch bei einer Vielzahl von zu vermessenden Behältern jeder Behälter mit der Ultraschalleinheit 1 bestückt werden kann. Die Elektronik 5 kann dann bei Bedarf angeschlossen und wieder abgekoppelt werden.
4 zeigt in einem schematischen Schnittbild ein beispielhaftes Dickenverhältnis des piezoelektrischen Elements 2 und der Deckplatte 7, beispielsweise in einer Ultraschalleinheit 6 eines Ultraschallwandler 1 der 1 bis 3.
Das piezoelektrische Element 2 weist beispielsweise eine Dicke t₂ von 0,9 mm. Der Durchmesser D₂ beträgt beispielsweise 15 mm. Die Deckplatte 7 weist beispielsweise eine Dicke t₇ von 0,1 mm auf. Der Durchmesser D₇ beträgt beispielsweise 20 mm. Die Klebeschicht 9 wird hier vernachlässigt. Die Durchmesser sind hier nicht maßstabsgerecht wiedergegeben.
Das piezoelektrische Element 2 ist vorliegend zu einem Betrieb in einem Dicken-Schwingungsmodus des Systems aus piezoelektrischem Element 2 und Deckplatte 7, insbesondere bei einer Dicken-Resonanzfrequenz, ausgebildet. Somit wird die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 2 in Dickenrichtung, d.h. hier gezeigt in vertikaler Richtung, bei Anlegen einer elektrischen Spannung mit Feldstärke parallel zur Dickenrichtung (d33-Effekt) genutzt. Es wird eine akustische ebene Welle in piezoelektrischem Element 2 und der Deckplatte 7 erzeugt, die sich senkrecht zur Hauptfläche der Deckplatte 7 ausbreitet.
Bei ähnlichen akustischen Impedanzen der Deckplatte 7 und des piezoelektrischen Elements 2 wirkt die Deckplatte 7 wie eine Verlängerung des piezoelektrischen Elements, jedoch ohne die piezoelektrischen Eigenschaften. Die Dicke t₇ der Deckplatte 7 wird somit zum Fine-Tuning der finalen Resonanzfrequenz der Ultraschalleinheit 6 verwendet. Insbesondere kann eine gewünschte Betriebsfrequenz, beispielsweise von 2 MHz vorgegeben sein. Die Gesamtdicke aus piezoelektrischem Element 2 und Deckplatte 7 wird dann so gewählt, dass die Dickenschwingung in Resonanz ist. In diesem Fall wird die Ultraschalleinheit besonders effizient, insbesondere bei einer Dicken-Resonanzfrequenz betrieben.
Für ein homogenes Material kann der folgende Zusammenhang zwischen akustischer Geschwindigkeit v, Frequenz f und Wellenlänge A der erzeugten akustischen Schwingung hergeleitet werden: v = f* λ. Für eine Komposit-Struktur aus piezoelektrischem Material des piezoelektrischen Elements 2 und dem Material der Deckplatte 7 kann aus einer äquivalenten akustischen Geschwindigkeit des Gesamtsystems die Wellenlänge A bestimmt werden. Beispielsweise ist bei einer äquivalenten akustischen Geschwindigkeit v = 4000 m/s im Gesamtsystem aus piezoelektrischem Element 2 und Deckplatte 7 bei einer Betriebsfrequenz von 2 MHz die Wellenlänge A = 4 mm. Die Gesamtdicke aus piezoelektrischem Element 2 und Deckplatte 7 liegt somit im optimalen Fall bei λ/2 = 2 mm.
Beispielsweise liegt bei den gewählten Dicken (piezoelektrisches Element 0,9 mm; Deckplatte 0,1 mm) eine Resonanzfrequenz bei 2 MHz. Bei Vergrößerung der Dicke, z.B. auf eine Gesamtdicke von 2 mm liegt die Resonanzfrequenz beispielsweise bei 1 MHz.
Um eine möglichst klare Resonanzfrequenz zu erhalten, wird das Verhältnis des Durchmessers D₂ des piezoelektrischen Elements 2 zu seiner Dicke t₂ beispielsweise als 10:1 oder 15:1 oder höher, beispielsweise 20:1, gewählt. Somit liegt bei einem Verhältnis von 15:1 bei einer von Dicke von 1 mmm der Durchmesser beispielsweise bei 15 mm und bei einer Dicke von 2 mm der Durchmesser bei 30 mm.
Die Dicke der Deckplatte 7 kann minimiert werden. Beispielsweise liegt das Verhältnis der Dicke der Deckplatte 7 zur Dicke des piezoelektrischen Elements bei 1:5 oder kleiner. Bei der dargestellten Ausführungsform liegt die Dicke bei 1:9. Insbesondere kann die Dicke bei 50 µm oder noch geringer liegen, je nach erforderlicher Robustheit, um die piezoelektrischen Eigenschaften des Ultraschallwandlers 1 möglichst wenig zu beeinflussen und die akustische Schwingung möglichst ungestört nach außen zu übertragen. Allerdings zeigt die Anordnung auch bei der gewählten Dicke von 0,1 mm eine klar definierte Resonanzfrequenz bei 2 MHz. Dies wird insbesondere durch die geringe Dicke der Deckplatte 7 und durch die Kompensation der Dicke der Deckplatte 7 durch eine entsprechende Reduzierung der Dicke des piezoelektrischen Elements 2 erreicht.
Die Resonanzfrequenz der Ultraschalleinheit 6 ist wenig störungsanfällig. Insbesondere wird die Resonanzfrequenz nicht durch eine gewählte Montageart, insbesondere bei einwirkenden Kräften an einer seitlichen Fläche oder an der Unterseite der Ultraschalleinheit 6, verändert. Das akustische Signal wird lediglich ausgehend von der Oberfläche der Ultraschalleinheit 6 nach außen übertragen, während die anderen Seiten akustisch passiv ausgebildet sind.
5 zeigt Verwendungen eines Ultraschallwandlers 1 zur Messung einer Füllhöhe einer Flüssigkeit 14 in einem Behälter 15.
Die Ultraschalleinheit 6 kann an einer Unterseite 16 des Behälters 15 befestigt werden. Beispielsweise wird die Ultraschalleinheit 6 am Behälter mittels eines Klebstoffes, der auch als akustisches Kopplungsmaterial dienen kann, oder eines Klebebandes befestigt. Insbesondere bei Verwendung eines Klebebandes kann zur Verbesserung der Übertragung der akustischen Schwingung kann ein akustisches Anpassungsmaterial, beispielsweise ein Gel zwischen Ultraschalleinheit 6 und Behälter 15 angeordnet sein. Die Ultraschalleinheit 6 wandelt ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal 17 um, das durch die Flüssigkeit 14 nach oben wandert. Insbesondere wird die Ultraschalleinheit 6 bei einer Frequenz betrieben, die einer Dicken-Resonanzfrequenz des Systems aus piezoelektrischem Element 2 und Deckplatte 7 entspricht. Je nach Geometrie des piezoelektrischen Elements 2 und der Deckplatte 7 liegt die Resonanzfrequenz beispielsweise zwischen 500 kHz und 3 MHz.
An der Grenzfläche 18 zum oberhalb der Flüssigkeit 14 befindlichen Gas 19, beispielsweise Luft, wird ein Teil des Signals 17 reflektiert. Das reflektierte Signal 20 wandert zurück zur Ultraschalleinheit 6 und wird dort in ein elektrisches Signal umgewandelt. Aus der Signallaufzeit und der akustischen Geschwindigkeit in der Flüssigkeit 14 kann der Flüssigkeitsstand, also die Position der Grenzfläche 18, bestimmt werden. Die Elektronik zur Ansteuerung und Auswertung 5 befindet sich an einem für den Nutzer gut zugänglichen Ort und ist mittels der Anschlussleitung 3 mit der Ultraschalleinheit 6 verbunden.
Alternativ zu Anordnung der Ultraschalleinheit 6 außerhalb des Behälters 15 ist es auch möglich, die Ultraschalleinheit 6 am Boden im Inneren des Behälters 15, insbesondere in der Flüssigkeit 14, anzuordnen. Dazu ist die Ultraschalleinheit 6 flüssigkeitsdicht abgeschlossen.
Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler eignet sich beim Betrieb bei einer Resonanzfrequenz im Bereich um 1 MHZ, beispielsweise von 800 kHz bis 3 MHz, besonders gut für einen Betrieb derart, dass das akustische Signal 17 durch die Flüssigkeit 14 verläuft und an der Grenzfläche 18 zum Gas 19 reflektiert wird.
Die 6A bis 6C zeigen eine Ausführungsform einer Anordnung eines Ultraschallwandlers 1 und eines Behälters 15. 6A zeigt die Anordnung in einer seitlichen Ansicht des Behälters 15. 6B zeigt eine Detailansicht aus 6A in der Nähe der Unterseite des Behälters 15. 6C zeigt eine Detailansicht mit Blick auf eine Unterseite 16 des Behälters 15.
Bei dem Behälter 15 handelt es sich beispielsweise um ein Fass in einer Standardform, beispielsweise mit einem Volumen von 210 l. Der Behälter 15 ist beispielsweise aus Plastik. Der Behälter 15 ist auf einem Träger 23, insbesondere einer Palette 21, angeordnet.
Aufgrund den kleinen Abmessungen der Ultraschalleinheit 6 und der Separation von der Elektronik 5 kann die Ultraschalleineinheit 6 an einer Unterseite des Behälters und dabei in eng begrenzten Raumbereichen, beispielsweise kleinen Nischen, angeordnet werden. Wie in 6D zu sehen, ist die Ultraschalleinheit 6 zwischen den Brettern der Palette angeordnet.
Die Anschlussleitung 3 ist dünn ausgebildet, so dass sie durch die Zwischenräume der Palette 21 zur Elektronik 5 geführt ist. Die Elektronik 5 ist an einer Seitenfläche 22 des Behälters 15 angeordnet und so für den Benutzer gut erreichbar.
7 zeigt eine ähnliche Anordnung eines Ultraschallwandlers 1 an einem Behälter 15, wobei es sich hier um einen sogenannten IBC-Behälter („Intermediate Bulk Container“). Ein derartiger Behälter 15 ist quaderförmig ausgebildet und weist ein Volumen von beispielsweise 500 bis 3000 Litern auf. Der Behälter 15 weist eine Kunststoffwandung auf und ist von einem Metall-Profilrahmen umgeben. Der Behälter 15 ist ebenfalls auf einer Palette 21 angeordnet.
8 zeigt eine weitere Anordnung eines Ultraschallwandlers 1 an einem Behälter 15. Der Behälter 15 ist auf einem Träger 23 angeordnet. De Träger 23 weist beispielsweise eine Aufnahme für den Behälter 15 auf. Es kann sich auch einfach um eine Platte handeln. Die Ultraschalleinheit 6 ist an der Unterseite des Behälters 15 angeordnet und lediglich durch das Gewicht des Behälters 15 in ihrer Position fixiert. Die Anschlussleitung 3 ist an der Unterseite und Seitenfläche des Behälters 15 zu einer Elektronik 5 geführt.
Diese Anordnung eignet sich gut für kleinere Behälter 15, beispielsweise Behälter mit wenigen Litern Volumen. Ist der Behälter 15 leer, kann er einfach durch einen vollen Behälter ersetzt werden, wobei die Ultraschalleinheit 6 beim Austausch auf dem Träger 23 liegen bleibt.
Die 9A und 9B zeigen eine weitere Ausführungsform einer Anordnung eines Ultraschallwandlers 1 und eines Behälters 15. Es handelt sich hier beispielsweise um ein handelsübliches Fass in einer Standardform, beispielsweise mit einem Volumen von 210 l.
Bei dieser Anordnung ist der Behälter 15 nicht auf einem Träger angeordnet, sondern steht einfach auf einem ebenen Boden. Der Behälter 15 weist an seiner Unterseite 16 eine Vertiefung 24 in seiner Wandung auf. In dieser Vertiefung ist die Ultraschalleinheit 6 angeordnet, beispielsweise am Behälter 15 angeklebt. Die Vertiefung 24 kann nur wenige Millimeter tief sein, was allerdings ausreichend ist, um die kleine Ultraschalleinheit 6 vollständig in der Vertiefung 24 anzuordnen, so dass der Behälter 15 keine Gewichtskraft auf die Ultraschalleinheit 6 ausübt.
Die Anschlussleitung 3 ist durch die Vertiefung 24 entlang der Unterseite 16 zu einer Seitenfläche 22 des Behälters 15 geführt und mit der dort angebrachten Elektronik 5 verbunden.
Bei der Befestigung der Ultraschalleinheit 6 am Behälter 15 kann die akustische Kopplung zwischen der Emitterseite der Utraschalleinheit 6 und der Oberfläche des Behälters 15 durch Verwendung eines Gels, Klebstoffes oder einer Polymermatte mit guter akustischer Kopplung optimiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Ultraschallwandler
2: piezoelektrisches Element
3: Anschlussleitung
4: Gehäuse
5: Steuer- und/oder Auswerteelektronik
6: Ultraschalleinheit
7: Deckplatte
8: Emissionsseite
9: Klebeschicht
10: Unterseite
11: rückseitige Struktur
12: Öffnung
13: zusätzliches Element
14: Flüssigkeit
15: Behälter
16: Unterseite Behälter
17: Welle
18: Grenzfläche
19: Gas
20: reflektierte Welle
21: Palette
22: Seitenfläche
23: Träger
24: Vertiefung
25: Seitenteil
t: Dicke Gehäuse
D: Durchmesser Gehäuse
t7: Dicke Deckplatte
t2: Dicke piezoelektrisches Element
D7: Durchmesser Deckplatte
D2: Durchmesser piezoelektrisches Element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015113908 A1 [0004]
US 2012163126 A1 [0004]

Claims

Ultraschallwandler, aufweisend eine Ultraschalleinheit (6) mit einem Gehäuse (4), in dem ein piezoelektrisches Element (2) angeordnet ist, bei dem die Ultraschalleinheit zum Betrieb in einem Dicken-Schwingungsmodus ausgebildet ist, und aufweisend wenigstens eine elektrische Anschlussleitung (3), die aus dem Gehäuse (4) herausgeführt ist, wobei die Anschlussleitung (3) zur Verbindung mit einer von der Ultraschalleinheit (6) separat angeordneten Steuer- und/oder Auswerteelektronik (5) ausgebildet ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, bei dem die Anschlussleitung (3) in Form eines Koaxialkabels ausgebildet ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das piezoelektrische Element an einer Deckplatte (7) des Gehäuses (4) befestig ist, die dazu ausgebildet ist, die Dickenschwingung des piezoelektrischen Elements (2) nach außen zu leiten.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Deckplatte (7) als Stahlplatte ausgebildet ist.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke (t₂) des piezoelektrischen Elements (2) und die Dicke (t₇) der Deckplatte (7) derart gewählt sind, dass bei einer vorgegebenen Betriebsfrequenz in einem Bereich von 500 kHz bis 3 MHz eine Schwingung in Dicken-Resonanz erzeugt wird.
Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Dicke (t₂) des piezoelektrischen Elements (2) größer ist als eine Dicke (t₇) der Deckplatte (7) .
Ultraschallwandler nach eine der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ultraschalleinheit (6) eine Dicke von höchstens 5 mm und einen Durchmesser von höchstens 5 cm aufweist.
Verwendung des Ultraschallwandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung eines Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter (15).
Anordnung des Ultraschallwandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eines Behälters (15), bei der die Ultraschalleinheit (6) an einer Unterseite (16) des Behälters (15) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 9, bei der eine Steuer- und/oder Auswerteelektronik (5) mit der Anschlussleitung (3) verbunden ist, wobei die Steuer- und/oder Auswerteelektronik (5) als kompakte Elektronikeinheit ausgebildet ist und an einer Seitenfläche (22) des Behälters (15) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei der die Ultraschalleinheit (6) mittels eines Klebstoffes oder eines Klebebandes an dem Behälter (15) befestigt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Ultraschalleinheit (6) lediglich durch das Gewicht des Behälters (15) in ihrer Position fixiert ist.
Verfahren zum Betrieb des Ultraschallwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Ultraschallwandler (1) in einem Dicken-Schwingungsmodus betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Ultraschallwandler (1) bei einer Frequenz im Bereich von 500 kHz bis 3 MHz betrieben wird.
Verfahren zur Herstellung einer Ultraschalleinheit, wobei eine Betriebsfrequenz vorgegeben wird und ein piezoelektrisches Element (2) mit einer Dicke (t₂) zum Betrieb in einem Dicken-Schwingungsmodus bereitgestellt wird, wobei das piezoelektrische Element (2) an einer Deckplatte (7) befestigt wird und wobei die Dicke (t₇) der Deckplatte variiert wird, bis bei der vorgegebenen Betriebsfrequenz eine Dickenschwingung in Resonanz erzielt wird.