DE2934031B1

DE2934031B1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE2934031B1
Application number: DE2934031A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl-Ing Lechner; Claudio Dipl-El-Ing Et Meisser
Original assignee: Landis and Gyr AG
Current assignee: Landis and Gyr AG
Priority date: 1979-08-02
Filing date: 1979-08-22
Publication date: 1980-10-09
Also published as: NL8004410A; CH642503A5; FR2462837B1; DK151676C; DE2934031C2; IT8023694A0; FR2462837A1; DK330480A; DK151676B; IT1132256B; NL182751C; NL182751B; SE441639B; SE8005519L

Description

Es ist ein Ultraschallwandler bekannt (Piezoxide-Wandler, März 1973, S. HO, Valvo GmbH), der für Echolotsysteme bestimmt ist und bei dem das Schwingelement zusammen mit einer als ultraschaUisolierendes Medium dienenden Schaumgummischeibe mittels einer Vergußmasse im Wandlergehäuse vergossen ist. Die vorderseitige Stirnfläche und die Mantelfläche des Schwingelementes sind mit der Vergußmasse starr verbunden. Die Vergußmasse bildet eine die vorderseitige Stirnfläche schützende widerstandsfähige Kunststoffschicht. Derart aufgebaute Ultraschallwandler eignen sich wohl für Echolotsysteme in Seewasser, wo sie verhältnismäßig geringen Temperaturschwankungen unterworfen sind. Für den Einsatz in Durchflußmessern für Wärmemengenzähler ist jedoch ihre Heißwasserbeständigkeit ungenügend. Infolge der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien besteht die Gefahr, daß die Klebestellen reißen, und die stark temperaturabhängigen Ultraschalleigenschaften der Vergußmasse führen zu einer unterschiedlichen akustischen Belastung der Piezoscheibe und damit zu einer temperaturabhängigen Schwingungsform.

Ferner ist ein Ultraschallwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt (DE-AS 1101831), dessen wannenförmiges Wandlergehäuse durch das Schwingelement luftdicht abgeschlossen ist. Da von der Verwendung von elastischen Dichtungsmitteln zwischen dem Rand des Schwingelementes und der

so das Schwingelement aufnehmenden Aussparung des Wandlergehäuses keine Rede ist, besteht daher auch kein radialer Abstand zwischen dem Außenrand des Schwingelementes und dem Wandlergehäuse. Es treten daher die gleichen Schwierigkeiten wie bei dem oben beschriebenen Ultraschallwandler für Echolotsysteme auf.

Es ist auch ein elektroakustischer Wandler für Fernsprechanlagen (DE-AS 22 23 531) bekannt, dessen Wandlergehäuse einen zylindrischen Ansatz aufweist, auf dem jedoch nicht das Schwingelement abgestützt ist, sondern eine das Schwingelement tragende Membran. Bei solchen Wandlern für Fernsprechanlagen spielen weder Heißwasserbeständigkeit noch eine temperaturabhängige Schwingungsform oder Druckbeständigkeit eine Rolle.

Schließlich ist ein feuchtigkeitsgeschütztes Kohlemikrofon bekannt (DE-PS 7 43 301), dessen als Schwingelement dienende Membrane nur in Axialrichtung zu

ORIGINAL INSPECTED

schwingen vermag, in Radialrichtung jedoch sozusagen fest eingespannt ist und mit einem die Mikrofonkapsel nach oben abschließenden Ring zu einer integrierten Baueinheit einstückig vereint ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß er sich unter Beibehaltung einer hohen Druckfestigkeit sowohl durch Heißwasserbeständigkeit als auch durch eine konstante Schwingungsform über einen großen Temperaturbereich auszeichnet und dennoch als Massenartikel mit geringem technischem Aufwand herstellbar ist. Mit anderen Worten soll sich der Ultraschallwandler durch eine große Temperaturkonstanz auszeichnen, ohne daß dabei die Druckfestigkeit vermindert und/oder der herstellungstechnische Aufwand vergrößert wird.

Die Erfindung ist im Patenanspruch 1 gekennzeichnet.

Selbst bei großen Temperaturschwankungen wird die Schwingfähigkeit des Schwingelementes in insbesondere radialer Richtung nicht begrenzt, außerdem leidet trotz dieser Radial-Schwingfähigkeit die Abdichtung in keiner Weise, und auch die Druckfestigkeit läßt nicht zu wünschen übrig. Schließlich ist der herstellungstechnische Aufwand praktisch nicht größer als bei dem bekannten Ultraschallwandler.

Schon die Erkenntnis, daß eine temperaturunabhängige Schwingungsform erzielbar ist, wenn das Schwingelement zwar in Axialrichtung starr, in Radialrichtung jedoch bewegbar auf eine Schulter des Wandlergehäuses aufliegt und dabei elastisch gehalten ist, ist dem Stand der Technik nicht als bekannt entnehmbar. Die Erfindung erschöpft sich jedoch nicht in der Anwendung dieser Erkenntnis auf den Gattungsbegriff; die Erfindung geht darüber hinaus, indem sie mehrere Teilmerkmale so zu einer Gesamtheit vereint, daß sich die Teilmerkmale zur Lösung der Gesamtaufgabe gegenseitig fördernd ergänzen.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 bis 3 drei verschiedene Varianten eines Ultraschallwandlers mit einem Dickenresonanzschwinger,

Fig.4 ein Schwingelement mit einem Radialresonanzschwinger und

F i g. 5 Teile eines Durchflußmessers mit einem Ultraschallwandler.

In der F i g. 1 bedeutet 1 ein topfförmiges Wandlergehäuse, in dem ein Schwingelement 2 befestigt ist. Das Schwingelement 2 besteht aus einer zylindrischen, im Vergleich zu ihrem Durchmesser verhältnismäßig dünnen Piezoscheibe 3 mit einer an deren vorderseitigen, dem nicht gezeichneten flüssigen Medium zugewandten Stirnfläche angeordneten Elektrode 4 und einer an deren rückseitigen, dem Gehäuseboden 5 zugewandten Stirnfläche angeordneten Elektrode 6. Ein Stromkabel 7 durchdringt den Gehäuseboden 5, ist mittels einer Stopfbuchse 8 an diesem befestigt und über Anschlußdrähte 9, 10 auf weiter unten hoch näher geschilderte Weise mit den Elektroden 4,6 verbunden. ,-

Das Wandlergehäuse 1 weist auf der dem Gehäuseboden 5 abgewandten Innenseite des Gehäusemantels 11 zur Aufnahme des Schwingelementes 2 eine konzentrische ringförmige Aussparung 12 sowie eine axial vorspringende, vorzugsweise ringförmige Schulter 13 auf. Diese Schulter ist im Vergleich zur Stirnfläche des Schwingelementes 2 kleinflächig. Das Schwingelement 2 liegt mit seiner rückseitigen Stirnfläche in axialer Richtung starr auf der Schulter 13 auf, kann jedoch in radialer Richtung auf dieser gleiten. Es ist einleuchtend, <-, daß die Schulter 13 das Schwingelement 2 aus dynamischen Gründen nicht zu nahe bei dessen Zentrum, sondern eher in der Nähe seines äußeren Randes stützen soll. Der Durchmesser der Aussparung 12 ist etwas größer als jener des Schwingelementes 2, so κι daß dieses an seiner Mantelfläche vom Wandlergehäuse

I distanziert ist, d. h. daß im gesamten Temperaturbereich auch bei stark unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten zwischen der Mantelfläche des Schwingelementes 2 und dem Wandlergehäuse 1 noch ein

ι) geringes Spiel vorhanden ist. Das Schwingelement 2 ist mittels einer elastischen Dichtung 14 sowohl gegen das Wandlergehäuse 1 abgedichtet als auch in axialer und radialer Richtung elastisch gehalten. Im Beispiel der Fig. 1 besteht die Dichtung 14 aus einer flexiblen Kunststoffolie, welche die vorderseitige Stirnfläche des Schwingelementes 2 gegen Ablagerungen von Magnetit u. dgl. schützt, radial über das Schwingelement 2 hinausragt und auf der Stirnfläche des Gehäusemantels

II sowie auf der vorderseitigen Stirnfläche des r> Schwingelementes 2 z. B. durch Verkleben flexibel befestigt ist. Die Dichtung 14 kann im Vergleich zur Wellenlänge des Ultraschalls sehr dünn sein oder als akustische Anpassungsschicht eine Dicke aufweisen, die einer Viertelwellenlänge entspricht.

Im Raum 15 zwischen dem Gehäuseboden 5 und der rückseitigen Stirnfläche des Schwingelementes 2 ist ein ultraschallisolierendes Medium angeordnet. Zur Vermeidung einer Kondenswasserbildung im Raum 15 sind im Gehäuseboden 5 öffnungen 16 angeordnet, die

r> zumindest für Wasserdampf durchlässig sind. Als schallisolierendes Medium im Raum 15 kann Luft oder, um unbefugte Eingriffe durch die öffnungen 16 hindurch ins Innere des Ultraschallwandlers zu erschweren, ein Kunststoffschaum dienen.

Die Piezoscheibe 3 ist in den Beispielen der F i g. 1 bis 3 ein Dickenresonanzschwinger. Zur Vermeidung parasitärer Resonanzen und damit stark frequenzabhängiger und komplizierter Schwingungsformen ist der Durchmesser der rückseitigen Elektrode 6 höchstens halb so groß wie der Durchmesser der Piezoscheibe 3, wobei das Schwingelement 2 außerhalb der rückseitigen Elektrode 6 auf der Schulter 13 aufliegt.

Die vorderseitige Elektrode 4 erstreckt sich vorteilhaft an wenigstens einer Stelle der Piezoscheibe 3 über deren Mantelfläche bis auf die rückseitige Stirnfläche. Dadurch wird vermieden, daß einer der Anschlußdrähte 9, 10 auf die Vorderseite des Schwingelementes 2 geführt werden muß. Der mit der vorderseitigen Elektrode 4 elektrisch verbundene Anschlußdraht 9 kann gemäß den Fig.2 und 3 unmittelbar an diese angelötet oder gemäß der F i g. 1 an das Wandlergehäuse 1 angeschlossen sein, das in diesem Fall aus Metall besteht oder innwendig mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist, so daß die elektrische Verbindung zur Elektrode 4 über die Berührungsflächen zwischen der Schulter 1Ϊ und der Elektrode 4 erfolgt Erstreckt sieh die vprderseitige Elektrode 4 nicht über die Mantelfläche der Piezoscheibe 3 bis auf deren Rückseite, so kann dielektrische Verbindung zwischen der Elektrode 4 und dem Wandlergehäuse 1 auch dadurch erfolgen, daß die elastische Dichtung 14 auf ihrer rückseitigen Fläche mit einer dünnen Metallschicht beschichtet wird, die dann auf der Elektrode 4

und auf der Stirnfläche des Gehäusemantels 11 aufliegt. Eine solche Metallschicht, die z. B. durch Aufdampfen erzeugt werden kann, wirkt außerdem als zusätzliche Wasserdampfsperre.

Der beschriebene Ultraschallwandler kann sowohl zum Abstrahlen von Schallwellen in ein flüssiges Medium als auch zum Empfang solcher Schallwellen dienen. Der teure und arbeitsintensive Einsatz von Vergußmassen wird bei diesem Ultraschall wandler vermieden und ein heißwasserbeständiger Aufbau erzielt. Da das Schwingelement 2 auf einer kleinflächigen Schulter 13 starr aufliegt, im übrigen jedoch elastisch im Wandlergehäuse gehalten und rückseitig praktisch unbedämpft ist, sind eine hohe Druckfestigkeit und eine temperaturunabhängige Schwingungsform gewährleistet, und rückseitige Schallabstrahlungen, die zu Energieverlusten und störenden Rückwandechos führen, werden dennoch vermieden.

In der F i g. 2 weisen gleiche Bezugszahlen wie in der Fig;-1 auf gleiche Teile hin. Das mit Γ bezeichnete Wandlergehäuse unterscheidet sich vom Wandlergehäuse 1 der F i g. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß die Stirnfläche der ringförmigen Aussparung 12' als Schulter 13' dient, auf der das Schwingelement 2 mit dem äußeren Rand seiner rückseitigen Stirnfläche in axialer Richtung starr und in radialer Richtung bewegbar aufliegt. Ein O-Ring 17, der koaxial zum Schwingelement 2 zwischen dessen Mantelfläche und der durch die Aussparung 12' gebildeten inneren Mantelfläche des Wandlergehäuses Γ eingeklemmt ist, dichtet das Schwingelement 2 gegen das Wandlergehäuse 1' ab und bildet für das Schwingelement in radialer Richtung eine elastische Halterung. Der Raum 15 und die öffnungen 16 sind aus dem bereits früher erwähnten Grund mit einem Kunststoffmaterial ausgeschäumt. Die vorteilhaft aus Silber bestehende vorderseitige Elektrode 4 bedeckt mindestens die vorderseitige Stirnfläche und die Mantelfläche der Piezoscheibe 3 vollständig und schützt die Piezoscheibe 3 zuverlässig vor Ablagerungen. Vorteilhaft bedeckt die vorderseitige Elektrode 4, die sich bis auf die rückseitige Stirnfläche der Piezoscheibe 3 erstreckt, auch die Berührungsfläche zwischen der Schulter 13' und dem Schwingelement 2 vollständig und verhindert dadurch gegenseitige chemische Beeinflussungen des Wandlergehäuses 1' und der Piezoscheibe 3.

Der Ultraschallwandler nach der F i g. 3 unterscheidet sich von jenem nach der F i g. 2 durch eine z. B. flexibel aufgeklebte oder aufgestäubte Kunststoffschicht 18, die wiederum dünn oder eine Viertelwellenlänge dick sein kann und mindestens die vorderseitige Stirnfläche und die Mantelfläche des Schwingelementes 2 vor Ablagerungen schützt. Es ist auch möglich, aus Schutz- und Dichtungsgründen eine dünne Kunststoffolie zwischen die Schulter 13' und das Schwingelement 2 einzubetten oder die Kunststoffschicht 18 auch im Berührungsbereich der Schulter 13' anzuordnen. Das Schwingelement ist dann immer noch in axialer Richtung im wesentlichen starr abgestützt, so daß die Druckfestigkeit nicht beeinträchtigt wird.

In der Fig.4 ist ein Schwingelement 19 dargestellt, das eine als Radialresonanzschwinger ausgebildete Piezoscheibe 20 aufweist und anstelle des Schwingele-

ίο mentes 2 bei den beschriebenen Ultraschallwandlern verwendet werden kann. Eine Elektrode 21 bedeckt die gesamte vorderseitige Stirnfläche der Piezoscheibe 20 und bildet eine schmale Anschlußfahne 22, die sich über die Mantelfläche der Piezoscheibe 20 bis auf deren rückseitige Stirnfläche erstreckt. Eine Elektrode 23 bedeckt mit Ausnahme der durch die Anschlußfahne 22 belegten Fläche die gesamte rückseitige Stirnfläche der Piezoscheibe 20.

Die F i g. 5 zeigt den Ultraschallwandler nach der F i g. 1 der zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines flüssigen Mediums in einem Meßrohr 24 in einen rohrförmigen Anschlußstutzen 25 eingebaut, mittels eines O-Rings 26 gegen den Anschlußstutzen 25 abgedichtet und mittels eines Gewinderinges 27 befestigt ist. Die Piezoscheibe 3 ist koaxial zum Meßrohr 24 und in einem gewissen Abstand von dessen Mündung angeordnet. Der Durchmesser der Piezoscheibe 3 ist größer als die lichte Weite des Meßrohres 24, so daß die Abstrahlung einer ebenen Ultraschallwel-Ie mit konstanter Intensitätsverteilung in das Meßrohr 24 gewährleistet ist

Zusammenfassung (Hierzu F i g. 1)

Der druckfeste, heißwasserbeständige temperatur-

_J5 änderungsunempfindliche Ultraschallwandler besteht aus einem Wandlergehäuse (1), einem Schwingelement (2) mit einer Piezoscheibe (3), Elektroden (4; 6) und einem Stromkabel (7). Im Raum zwischen dem Gehäuseboden (5) und der rückseitigen Elektrode (6) befindet sich ein ultraschallisolierendes Medium, vorteilhaft ein Kunststoffschaum. Das Schwingelement (2) liegt axial starr und radial bewegbar auf einer Schulter (13) des Wandlergehäuses (1), ist an seiner Mäntelfläche vom Wandlergehäuse (1) distanziert und mittels einer elastischen Dichtung (14) gegen das Wandlergehäuse (1) abgedichtet und elastisch gehalten. Im Gehäuseboden (5) sind wasserdampfdurchlässige Öffnungen (16) angeordnet. Die vorderseitige Elektrode (4) erstreckt sich bis auf die rückseitige Stirnfläche der Piezoscheibe

so (3). Als elastische Dichtung (14) kann eine Kunststoffolie oder ein O-Ring dienen. Bei der Verwendung des Uitraschallwandlers zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Rohr ist der Durchmesser der Piezoscheibe (3) größer als die lichte Weite des Rohres.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallwandler zum Abstrahlen von Schallwellen in ein flüssiges Medium und zum Empfang solcher Schallwellen, mit einem topfförmigen Wandlergehäuse, in dem ein Schwingelement befestigt ist, das aus einer Piezoscheibe mit je einer an dessen vorderseitigen, dem flüssigen Medium zugewandten Stirnfläche und an dessen rückseitigen, dem Gehäuseboden zugewandten Stirnfläche angeordneten Elektrode besteht, wobei im Raum zwischen dem Gehäuseboden und der rückseitigen Stirnfläche des Schwingelements ein ultraschallisolierendes Medium angeordnet ist und mit an die Elektroden angeschlossenen Stromzuführungen, wobei das Wandlergehäuse eine im Vergleich zu den Stirnflächen des Schwingelementes kleinflächige Schulter aufweist, auf der das Schwingelement mit seiner rückseitigen Stirnfläche in axialer Richtung starr aufliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingelement (2; 19) auf der Schulter (13; 13') in radialer Richtung bewegbar aufliegt, an seiner Mantelfläche vom Wandlergehäuse (1; V) distanziert ist und mittels einer elastischen Dichtung (14; 17) sowohl gegen das Wandlergehäuse (1; Γ) abgedichtet als auch elastisch gehalten ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter (13; 13') ringförmig ist und daß das Schwingelement (2; 19) mit dem äußeren Rand seiner rückseitigen Stirnfläche oder in der Nähe des äußeren Randes auf der Schulter (13; 13') aufliegt.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuseboden (5) mindestens eine wasserdampfdurchlässige Öffnung (16) angeordnet ist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ultraschallisolierende Medium ein Kunststoffschaum ist.

5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die vorderseitige Elektrode (4; 21) an wenigstens einer Stelle der Piezoscheibe (3; 20) über deren Mantelfläche bis auf die rückseitige Stirnfläche erstreckt.

6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderseitige Stirnfläche des Schwingelementes (2; 19) mit einer Kunststoffschicht geschützt ist, die radial über das Schwingelement (2; 19) hinausragt und die elastische Dichtung (14) bildet.

7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Dichtung (17) ein O-Ring ist.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die vorderseitige Stirnfläche und die Mantelfläche des Schwingelementes (2; 19) durch eine Kunststoffschicht (18) geschützt ist.

9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderseitige Stirnfläche und die Mantelfläche des Schwingelementes (2; 19) durch die vorderseitige Elektrode (4; 21) geschützt ist.

10. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoscheibe (3) ein Dickenresonanzschwinger ist, daß der Durchmesser der rückseitigen Elektrode (6) höchstens halb so groß ist wie der Durchmesser der Piezoscheibe (3}

und daß das Schwingelement (2) außerhalb der rückseitigen Elektrode (6) auf der Schulter (13; 13') aufliegt.

11. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoscheibe (3, 20) ein Radialresonanzschwinger ist und daß die rückseitige Elektrode (23) annähernd die gesamte rückseitige Stirnfläche der Piezoscheibe (3, 20) bedeckt.

12. Verwendung des Ultraschallwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Durchflußmesser zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines flüssigen Mediums in einem Rohr, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Piezoscheibe (3; 20) größer ist als die lichte Weite des Rohres (24).