DE19725717A1 - Ultraschallwandler für Durchflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler für Flüssigkeitsdurchfluß­ messer mit einem zwischen zwei Ultraschallwandlern angeordneten flüssigkeits­ durchströmten Meßrohr, mit einer piezoelektrischen Keramikscheibe, die beidseits mit elektrische Anschlußleitungen aufweisenden Elektroden versehen ist, sowie mit einer Abdichtung gegen die Meßflüssigkeit.

Bei dem bisher üblichen Aufbau eines Ultraschallwandlers sind die Elektroden auf die Keramikscheibe mittels Dickschicht- oder Dünnschichttechnik aufgebracht, also beispielsweise aufgedampft, und die Anschlußdrähte an die Elektroden ange­ lötet. Die Abdichtung gegen das Meßmedium erfolgt durch eine Metallscheibe oder durch Einbringen in ein Metallgehäuse.

Der Nachteil dieses bekannten Aufbaus liegt zum einen darin daß es sehr auf­ wendig ist, die Elektrodenstruktur auf die Keramik aufzubringen. Die Elektroden haften relativ schlecht und können durch Mikrorisse zerstört werden. Die elektri­ sche Verbindung der Elektrode mit einem Anschlußdraht durch Anschweißen oder Anlöten ist eine prinzipielle Schwachstelle, da hier immer wieder Kabelabrisse oder Lötstellenkorrosion auftreten können, solche Lötprozesse grundsätzlich auf­ wendig sind und undefinierte Mengen von Lötzinn das Schwingungsverhalten stö­ rend beeinflussen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler für Flüssigkeitsdurchflußmesser der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei vereinfachtem Aufbau und leichterer Herstellbarkeit gleichzeitig eine bessere und längere Haltbarkeit gegeben ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Elektroden auf die Keramikscheibe aufgeklebte flexible Leiterplatten mit vorgefertigt ange­ brachten Anschlußleitungen sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der die die Elektroden bildenden Leiterplatten vorzugsweise mittels eines leitfähigen Klebers auf der Keramikschei­ be befestigt sein können, der ggf. ein anisotroper Leitkleber sein kann oder ein Kleber mit angeglichener Dielektrizitätszahl, um die Möglichkeit unterschiedlicher Elektrodenstrukturen auf einer Keramikseite zu realisieren, ergibt sich der grund­ legende Vorteil, daß keine thermischen Prozesse an der Keramik stattfinden, die durch Elektroden-Strukturierung oder Lötprozesse gegeben sind. Selbst wenn man die Anschlußleitungen vor dem Ankleben der Leiterplatten an die Keramik­ scheibe an die Leiterplatten anlöten sollte, läßt sich dies sehr viel einfacher und vor allen Dingen ohne thermische Belastung der Keramikscheibe durchführen. Bevorzugt wird man aber gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorse­ hen, daß die Anschlußleitungen an die Leiterplatte angeformt sind, so daß zumin­ dest eine Anschlußleiterzunge zur Verfügung steht, an die darin die eigentlichen Abgangsleitungen angeschlossen werden können, wobei dortige Lötstellen unab­ hängig von der Definition oder der Menge des Lötzinns ohne Auswirkungen auf das Schwingungsverhalten des Ultraschallwandlers sind, da sie ja nicht im Be­ reich der schwingenden Keramikscheibe angeordnet sind.

Bevorzugt wird man aber in diesem Fall die angeformten Anschlußleitungen, also die direkt an der Leiterplatte angeformten Anschlußleiterzungen, so lang ausbil­ den, daß sie direkt bis zu einer Schaltplatine od. dgl. geführt werden können, ohne daß zusätzliche elektrische Verbindungen erforderlich sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann schließlich vorgesehen sein, daß die Elektrode auf der dem Meßrohr zugewandten Vorderseite radial über die Keramik überstehend als Träger- und Dichtelement zum Aufhängen in einem Gehäuse ausgebildet ist, wobei die überstehende Elektrode beispielsweise durch einen O-Ring dichtend im Gehäuse verklemmt sein kann.

Bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallwander sind die als flexible aufgeklebte Leiterplatten ausgebildeten Elektroden unempfindlich gegen mechanische Bean­ spruchungen und es ergibt sich sowohl eine einfache Fertigung der Ultraschall­ wandler als auch eine einfache Montage. Der erfindungsgemäße Aufbau ermög­ licht das Vorsehen von Vielfach-Elektroden ohne Mehraufwand, z. B. zur Anregung von multisegmentierter Piezokeramik. Ersichtlich lassen sich durch den Aufbau der Elektroden als aufgeklebte flexible Leiterplatten praktisch beliebige Elektro­ dengeometrien realisieren. Ein weiterer Vorteil liegt im Wegfall der bisherigen Stahlfolie zur Abdichtung des Ultraschallwandlers gegenüber der zu messenden Flüssigkeit, da diese Funktion unmittelbar durch die überstehende Elektrode übernommen werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschall­ wandlers von der dem Meßrohr und damit der zu messenden Flüs­ sigkeit abgelegenen Rückseite,

Fig. 2 und 3 Aufsichten auf die Rückseite des Ultraschallwandlers mit abgewan­ delter Elektrodenausbildung, und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Stirnende eines Flüssigkeitsdurch­ flußmessers mit einem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler.

Der in Fig. 1 gezeigte Ultraschallwandler besteht aus der Keramikscheibe 1, auf deren in der Einbaustellung der zu messenden Flüssigkeit abgelegenen Rückseite 2 eine Elektrode 3 in Form einer ausgestanzten flexiblen Leiterplatte aufgeklebt ist. An der Elektrode 3 ist direkt als angestanzte Zunge eine Anschlußleitung 4 angeformt. Durch die in Fig. 1 gezeigte Faltung dieser angeformten Anschlußlei­ tung 4 ergibt sich beim Einbauen in einen Durchflußmesser (vgl. hierzu die weiter unten noch zu beschreibende Fig. 4) eine Zugentlastung.

Auf der der zu messenden Flüssigkeit zugekehrten Vorderseite der Keramikschei­ be 1 ist eine allseits über die Keramikscheibe 1 überstehende Elektrode 5 aufge­ klebt, die ebenfalls mit einer bevorzugt an ihr angeformten Anschlußleitung 6 ver­ sehen ist. Der Pfeil 7 zeigt die Schallabstrahlrichtung des Ultraschallwandlers, der selbstverständlich umgekehrt auch als Empfänger für die in entgegengesetzter Richtung vom Ultraschallwandler auf der Gegenseite des Meßrohrs ausgestrahlte Ultraschallstrahlung fungiert.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist die zentrisch auf der Rückseite 2 der Keramik­ scheibe 1 angeordnete Elektrode 3 mit einem Massering 3' versehen, dem eine gesonderte angeformte Anschlußleitung 4' zugeordnet ist.

Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine Multielektrodenstruktur mit mehreren die Elektrode 3 ringartig umfassenden Elektrodenringen 3'' und 3''', ihrerseits wieder­ um mit elektrischen Anschlußleitungen 4'' und 4'''.

Aus der Fig. 4 erkennt man die Art und Weise des Einbaus und der Abdichtung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in das Gehäuse 8 eines Ultraschall­ wandlers. Dieses Gehäuse ist mit einem Flüssigkeitseinlauf 9 und einem auf der Gegenseite am anderen Ende des Meßrohrs 10 angeordneten Flüssigkeitsablauf versehen, wobei auf dieser nicht gezeigten Gegenseite in ähnlicher Weise ein er­ weiterter Kopf 11 zur Aufnahme eines Ultraschallwandlers gemäß den Fig. 1 bis 3 angeordnet ist, wie er in Fig. 4 links zu erkennen ist. Die über die Keramik­ scheibe 1 allseits radial überstehende Elektrode 5 ist mit Hilfe des in den Kopf 11 einschraubbaren Trägers 12 gegen einen O-Ring 13 dichtend verklemmt, d. h. die auf der Flüssigkeitsseite angeordnete Elektrode 5 bildet gleichzeitig die Abdich­ tung des Ultraschallwandlers gegenüber der über den Einlauf 9 einströmenden und aus der erweiterten Kopfkammer 11 dann in das Meßrohr eingeleiteten Flüs­ sigkeit. Die Anschlußleitungen 4 und 6 werden zu einer Schaltplatine 14 geführt, dort aus werden die elektronischen Signale zur Anregung der Keramikscheibe an die Elektroden 3 und 5 geleitet bzw. die bei der Funktion des Ultraschallwand­ lers als Empfänger erzeugten elektrischen Signale, die von den Elektroden 3, 5 über die Anschlußleitungen 4, 6 an die Schaltplatine gelangen, entsprechend weiterverarbeitet.

Claims (8)

1. Ultraschallwandler für Flüssigkeitsdurchflußmesser mit einem zwischen zwei Ultraschallwandlern angeordneten flüssigkeitsdurchströmten Meßrohr, mit einer piezoelektrischen Keramikscheibe, die beidseits mit elektrische Anschlußleitungen aufweisenden Elektroden versehen ist, sowie mit einer Abdichtung gegen die Meßflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3, 3', 3'', 3''', 5) auf die Keramikscheibe (1) aufgeklebte flexible Leiterplatten mit vorgefertigt angebrachten Anschlußleitungen (4, 4', 4'', 4''', 6) sind.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ schlußleitungen (4, 4', 4'', 4''', 6) an die Leiterplatten angeformt sind.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (5) auf der dem Meßrohr (10) zugewandten Vorderseite radial über die Keramikscheibe (1) überstehend als Träger- und Dichtelement Aufhängen in einem Gehäuse (8) ausgebildet ist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (5) durch einen O-Ring (13) dichtend im Gehäuse (8) verklemm­ bar ist.

5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Elektroden (3, 3', 3'', 3''', 5) bildenden Leiterplatten mittels eines leitfähigen Klebers auf der Keramikscheibe (1) befestigt sind.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwen­ dung eines anisotropen Leitklebers.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwen­ dung eines Klebers mit angeglichener Dielektrizitätszahl.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kleber Keramikpulver zum Angleich der Dielektrizitätzahl des Klebers an die der Keramik beigemischt ist.