DE3687271T2

DE3687271T2 - Ultraschallwandler.

Info

Publication number: DE3687271T2
Application number: DE8686112748T
Authority: DE
Inventors: Kouji C O Kaijo Corpora Ichino
Original assignee: Kaijo Corp
Current assignee: Kaijo Corp
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1986-09-16
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2006-09-17
Also published as: ATE83315T1; EP0260335A1; SG37693G; DE3687271D1; US4742717A; EP0260335B1; HK59993A

Description

Diese Erfindung betrifft einen Ultraschall-Sender-Empfänger (im folgenden als "Wandler" bezeichnet) und insbesondere einen Ultraschallwandler zum Messen der Durchflußgeschwindigkeit und Durchflußrate von durch ein Rohr strömendem Gas unter Verwendung von Ultraschallwellen.
Ein Gerät ist entwickelt und ausgiebig in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten benutzt worden, welches zum Messen der Durchflußgeschwindigkeit und Durchflußrate von durch ein Rohr strömendem Gas wie Luft, Dampf, Abgas oder dergleichen durch Ausnutzen der Veränderung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von sich durch das Gas fortpflanzenden Ultraschallwellen ausgelegt ist.
Solch ein konventionelles Gerät zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und Durchflußrate von Gas unter Nutzbarmachung von Ultraschallwellen wird typischerweise in einer Weise konstruiert, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Insbesondere enthält ein wie in Fig. 1 dargestelltes Gerät ein Paar von Ultraschallwandlern 10A und 10B, die an der Wand eines Rohres 12 in einer zueinander schräg gegenüberliegenden Weise angeordnet sind. Die Ultraschallwandler 10 werden abwechselnd angeregt und durch ein Steuergerät 14 gesteuert. Folglich werden die Strömungsgeschwindigkeit und Durchflußrate des durch das Rohr 12 strömenden Gases in dem Gerät auf der Grundlage der Differenz zwischen einer Zeitperiode, in der sich Ultraschallwellen von dem Wandler 10A zu dem Wandler 10B fortpflanzen, und der, in der sie sich von dem Wandler 10B zu dem Wandler 10A fortpflanzen, gemessen.
Im allgemeinen sind die in dem Strömungsgeschwindigkeits- und Durchflußratemeßgerät benutzten konventionellen Ultraschallwandler 10A und 10B jeweils typischerweise konstruiert, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Der konventionelle Ultraschallwandler 10 beinhaltet ein aus einem metallischen Material hergestelltes Gehäuse 16, um ein oberes offenes Ende und ein unteres geschlossenes Ende zu haben. Der Ultraschallwandler 10 beinhaltet außerdem einen aus einem keramischen Material gebildeten und piezoelektrische Charakteristika aufweisenden piezoelektrischen Wandler 18, der mittels Klebstoff an einer unteren Wand des Gehäuses ,6 befestigt ist. Der piezoelektrische Wandler 18 ist auf seiner oberen Oberfläche mit einer ersten Elektrode oder positiven Elektrode 20 versehen. Die positive Elektrode ist aus einem geeigneten Material wie Gold, Silber, Nickel oder dergleichen in eine filmähnliche Form durch Dampfauftragung, Backen, Plattierung oder dergleichen hergestellt. Auch ist der piezoelektrische Wandler 18 an seinem unteren Ende und an einer Umfangsfläche in der Nähe zu dem unteren Ende mit einer zweiten Elektrode oder negativen Elektrode 22 und einem Anschluß 24 in einer sich gegenseitig berührenden Weise ausgebildet. Die negative Elektrode 22 ist im wesentlichen in der gleichen Weise wie die positive Elektrode 20 ausgebildet.
Der Ultraschallwandler 10 beinhaltet außerdem ein Isolierglied 26, welches mit einem vertikalen Durchgangsloch ausgebildet ist und sicher in das obere offene Ende des Gehäuses 16 eingepaßt ist, und einen rohrähnlichen Stecker 28, von dem ein unterer Teil fest in das zentrale Durchgangsloch des Isoliergliedes 26 eingepaßt ist. Der Stecker 28 und die positive Elektrode 20 sind mittels eines ersten Leitungsdrahtes 30 elektrisch miteinander verbunden. Der Anschluß des Leitungsdrahtes 30 in Bezug auf den Stecker 28 und die positive Elektrode 20 ist durch Löten ausgeführt. Ähnlich sind die negative Elektrode 22 und das Gehäuse 16 durch einen zweiten Leitungsdraht 32 durch Löten elektrisch miteinander verbunden.
Die wie oben beschrieben konstruierten Ultraschallwandler 10A und 10B, die in Fig. 1 dargestellt sind, sind gänzlich in Anschlußkästen 34A und 34B montiert, die dann jeweils in Fassungen 36A und 36B des Rohres 12 mittels Schrauben oder Flanschen befestigt sind.
Allerdings hat das Messen der Strömungsgeschwindigkeit und Durchflußrate von heißem durch das Rohr 12 strömendem Gas wie Dampf oder dergleichen mittels der oben beschriebenen Ultraschallwandler 10A und 10B zur Folge, daß die Wandler direkt mit dem heißen Gas in Berührung gelangen, so daß die Wandler einer plötzlichen Temperaturänderung und einem harten Wärmezyklus ausgesetzt sind.
Solche Temperaturänderungen und Wärmezyklen führen zur Entstehung von abweichenden Temperaturspannungen aufgrund des Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Gehäuse 16 und dem piezoelektrischen Wandler 18, was zu an dem geklebten Abschnitt zwischen dem Gehäuse 16 und dem piezoelektrischen Wandler 18 erzeugten inneren Spannungen führt. Wenn die so erzeugte innere Spannung oder thermische Spannung über der Klebkraft eines in dem Wandler 10 verwendeten Klebstoffs liegt, tritt ein Bruch an dem geklebten Abschnitt auf, was ein allmähliches Abblättern des piezoelektrischen Wandlers 18 von dem Gehäuse 16 verursacht.
Solches Abblättern verursacht die Bildung einer Gasgrenzschicht zwischen dem piezoelektrischen Wandler 18 und dem Gehäuse 16, so daß ein vom piezoelektrischen Wandler 18 empfangenes Ultraschallimpulssignal einer Abschwächung in der Fortpflanzung wegen Diffusion, Absorption, Dispersion oder dergleichen unterworfen werden kann, um somit stark im Pegel abgesenkt zu werden. Es wäre zu erwägen, einen Klebstoff von hoher Klebkraft zu verwenden, um dieses Abblättern zu verhindern. Dennoch verursacht dies aufgrund der abweichenden thermischen Belastung die innere Spannung, die im Innern des piezoelektrischen Wandlers 18 erzeugt wird, so daß dieser in einem das Senden und Empfangen der Ultraschallwellen ausreichend verhindernden Maß zerstört werden kann. Demgemäß mißlingt es dem Wandler, die Strömungsgeschwindigkeit und Durchflußrate von durch das Rohr 12 strömendem Gas zu messen.
Weiterhin verursacht das direkte Berühren des Wandlers mit heißem Gas, daß dieser ungefähr auf eine Temperatur des heißen Gases aufgeheizt wird. Dies führt zum schmelzen des zum Anschließen der Leitungsdrähte 30 und 32 an die Elektroden 20 und 22 des piezoelektrischen Wandlers 18 verwendeten Lotes, was zu einem Fehler in der elektrischen Verbindung zwischen diesen führt.
Um solch ein Problem zu minimieren, könnte vorgeschlagen werden, Hochtemperaturlot zu verwenden. Jedenfalls fördert dieses ein Diffusionsphänomen zwischen festem Metall und flüssigem Metall, das die Diffusion von die Elektroden 20 und 22 bildendem Metall in geschmolzenes Lötlot während des Lötens verursacht. Dieses führt zu einem starken Abnehmen der Abblättfestigkeit der Elektroden 20 und 22 was zum Abblättern der Leitungsdrähte 30 und 32 von den Elektroden führt. Ebenso fördert das Aussetzen des piezoelektrischen Wandlers 18 einer hohen Temperatur über eine lange Zeitperiode stark ein Diffusionsphänomen zwischen festem Metall und flüssigem Metall, welches die Diffusion von Metall der Elektroden 20 und 22 in das Lötlot verursacht, so daß die Elektroden zusammen mit den Leitungsdrähten 30 und 32 von dem piezoelektrischen Wandler 18 abblättern können.
Solch ein Versagen der elektrischen Verbindung zwischen den Elektroden und dem piezoelektrischen Wandler, hervorgerufen durch das Abblättern der Elektroden von diesem, macht das Messen der Strömungsgeschwindigkeit und Durchflußrate von durch das Rohr strömendem Gas im wesentlichen unmöglich. Dieses erfordert das regelmäßige Ersetzen des Ultraschallwandlers.
Um die obigen Nachteile zu beseitigen, ist ein Wandler entwickelt worden, der in der US-A-3,890,423 beschrieben ist, die den nächstkommenden Stand der Technik bildet. Dieser bekannte Wandler umfaßt einen piezoelektrischen Wandler, der in einem Gehäuse angeordnet ist, und mit zwei Elektroden versehen ist. Ein aus einem Draht, einem Stift und einer Schraube bestehender Stecker ist durch eine isolierende Buchse im Gehäuse montiert. Der Wandler beinhaltet außerdem eine ein Vorspannmittel bildende, metallische Feder zum Andrücken des Wandlers gegen eine untere Wand des Gehäuses. Somit bilden die Feder, der Stift und der Draht zusammen einen elektrischen Anschluß. Als Folge wird der piezoelektrische Wandler mittels dieser Feder gezwungenermaßen gegen die untere Wand des Gehäuses gedrückt, um so in engem Kontakt mit der unteren Wand des Gehäuses zu sein, so daß nicht nur die Bildung einer Gasgrenzschicht zwischen dem Gehäuse und dem piezoelektrischen Wandler und die Zerstörung des piezoelektrischen Wandlers wirksam verhindert werden kann, sondern auch ein zufriedenstellender elektrischer Anschluß in dem Wandler gewährleistet werden kann. Weder Löten zum elektrischen Verbinden des Wandlers mit dem Stecker noch Klebstoff zur Befestigung des Wandlers in dem Gehäuse sind erforderlich. Außerdem beinhaltet der bekannte Wandler eine als Grenzschicht zwischen einer Elektrode und dem Gehäuse dienende Flüssigkeit wie z. B. destilliertes Wasser oder Öl.
Aus der US-A-3,771,117 ist eine Wandler-Installation bekannt, bei welcher ein elastisches Glied zwischen dem Wandler und der unteren Wand angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist ein Ultraschallwandler vorgesehen, mit einem Gehäuse;
einem in dem Gehäuse angeordneten und mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode versehenen piezoelektrischen Wandler;
einem gegenüber dem Gehäuse befestigten und an eine der besagte Elektroden elektrisch angeschlossenen Stecker; und
einem Vorspannungsmittel zum festen Andrücken des piezoelektrischen Wandlers gegen das Gehäuse;
gekennzeichnet durch,
ein Druckmittel, das seitlich zwischen dem Gehäuse und dem piezoelektrischen Wandler in einer Weise angebracht ist, um an den piezoelektrischen Wandler und das Gehäuse gedrückt zu werden, und aus elektrisch leitendem Material gebildet ist, um die andere der Elektroden des piezoelektrischen Wandlers und das Gehäuse elektrisch miteinander dadurch zu verbinden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Die Erfindung umfaßt demgemäß die Merkmale der Konstruktion, Kombination von Elementen und Anordnung von Teilen, die in der anschließend beschriebenen Ausführung veranschaulicht werden, und das Wesen der Erfindung wird in den Ansprüchen angezeigt.
Für ein besseres Verstehen der Erfindung wird in der folgenden Beschreibung auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugsnummern gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen, wobei:
Fig. 1 eine schematische Ansicht ist, die eine allgemeine Struktur eines Gerätes zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit und Durchflußrate von durch ein Rohr strömendem Gas zeigt;
Fig. 2 eine vertikale Querschnittsansicht ist, die einen konventionellen Ultraschallwandler zeigt;
Fig. 3 eine vertikale Querschnittsansicht ist, die eine Ausführung eines Ultraschallwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 4 eine vertikale Querschnittsansicht ist, die eine Modifikation der in Fig. 3 gezeigten Ausführung zeigt.
Bezuggenommen wird zuerst auf Fig. 3, in der eine Ausführung eines Ultraschallwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Der Ultraschallwandler beinhaltet ein aus metallischem Material gebildetes Gehäuse 16, um ein oberes offenes Ende und ein unteres geschlossenes Ende zu haben. Der Ultraschallwandler beinhaltet auch einen aus einem keramischen Material gebildeten piezoelektrischen Wandler 18, um piezoelektrische Charakteristika zu haben. Der piezoelektrische Wandler 18 ist an einer Oberfläche seines oberen Endes mit einer ersten Elektrode oder positiven Elektrode 20, wie in dem oben beschriebenen konventionellen Ultraschallwandler ausgebildet. Auch ist der piezoelektrische Wandler an seinem unteren Ende mit einer zweiten Elektrode oder negativen Elektrode 22 ausgebildet.
Der Wandler beinhaltet auch ein Isolierglied 26, welches mit einem vertikalen Durchgangsloch ausgebildet und sicher in das obere offene Ende des Gehäuses 16 eingepaßt ist, und einen rohrförmigen Stecker 28, dessen unterer Abschnitt in das Durchgangsloch des Isoliergliedes 26 fest eingepaßt ist. Der Stecker 28 und die positive Elektrode 20 sind mittels eines ersten Leitungsdrahtes elektrisch leitend miteinander verbunden. Der Anschluß des Leitungsdrahtes in Bezug auf den Stecker 28 und die positive Elektrode 20 kann durch Löten ausgeführt sein. Auch sind die negative Elektrode 22 und das Gehäuse 16 durch einen zweiten Leitungsdraht durch Löten elektrisch miteinander verbunden.
Eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung ist, daß ein im allgemeinen durch das Bezugszeichen 40 bezeichnetes Vorspannungsmittel zwischen dem Stecker 28 und der positiven Elektrode 20 des piezoelektrischen Wandlers 18 vorgesehen ist, um den piezoelektrischen Wandler 18 zwangsweise gegen eine untere Wand des Gehäuses 16 zu drücken.
Das Vorspannmittel 40 besteht aus einer direkt zwischen einem unteren Ende eines Steckers 28 und einem piezoelektrischen Wandler 18 angebrachten Kompressionsspulenfeder 47, so daß ein Halteglied wie das Halteglied 42 in der oben beschriebenen Ausführung weggelassen werden kann. Die Kompressionsspulenfeder 47 ist aus elektrisch leitendem Material hergestellt. Eine andere Konstruktion der dargestellten Ausführung besteht darin, daß ein Druckmittel aus elektrisch leitendem Material 56 in einer Weise angeordnet ist, daß es seitlich zwischen einer negativen Elektrode 22 und einem Gehäuse 16 eingelegt ist, um seitlich gegen beide Teile 22 und 16 gedrückt zu werden. Das Druckmittel 56 kann eine Kompressionsspulenfeder aufweisen. Alternativ kann es eine Feder mit einem im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweisen.
In der Ausführung der oben beschriebenen besonderen Konstruktion ist das Vorspannmittel 40 aus einem elektrisch leitenden Material gebildet, demgemäß verbindet es die positive Elektrode 20 und den Stecker 28 elektrisch miteinander während es sie in einem Flächenkontaktzustand hält, und drängt den piezoelektrischen Wandler 18 gegen die untere Wand des Gehäuses 16. Ebenso verbindet das Druckmittel 56 die negative Elektrode 22 und das Gehäuse 16 elektrisch miteinander, während es sie in einem Flächenkontaktzustand hält. Somit wird festgestellt, daß die Ausführung effektiv und dauerhaft eine zufriedenstellende elektrische Verbindung unabhängig von einer Veränderung einer Umgebung wie Temperatur oder dergleichen gewährleistet. Auch läßt die elektrisch leitende Eigenschaft des Vorspannungsmittels 40 und des Druckmittels 56 zu Leitungsdrähte zur Bildung einer elektrischen Verbindung in dem Ultraschallwandler 10 überflüssig werden, um die Struktur des Wandlers zu vereinfachen.
Fig. 4 zeigt eine Modifikation der in Fig. 3 gezeigten Ausführung. Die Modifikation ist so konstruiert, daß ein leitendes Plattenglied 58 zwischen einem Vorspannungsmittel 40 und einer positiven Elektrode 20 eingefügt angeordnet ist. Das leitende Plattenglied 58 ist aus metallischem Material geformt und in engem Kontakt mit der positiven Elektrode 20 angeordnet. Solch eine Konstruktion verhindert effektiv das Ausbilden eines Oxidfilmes auf der positiven Elektrode 20, um somit zufriedenstellenden elektrischen Kontakt zwischen einem Stecker 28 und einem piezoelektrischen Wandler 18 zu gewährleisten.
Ebenso verhindert dieses den Verschleiß der positiven Elektrode 20 aufgrund des vibrierenden Kontaktes zwischen der Elektrode 20 und dem Vorspannungsmittel 40. Der verbleibende Teil der Modifikation ist im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Ausführung von Fig. 3 konstruiert.
Folglich wird festgestellt, daß die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungen die oben beschriebenen Nachteile, die im Stand der Technik auftreten, in dem das Löten verwendet wird, ausdrücklich beseitigen und effektiv und beständig eine elektrische Verbindung der Elektroden in Bezug auf den Stecker und das Gehäuse aufrechthalten. Außerdem erzielt die Ausführung solche Vorteile mit einer einfachen Struktur.

Claims

1. Ultraschallwandler mit:

einem Gehäuse (16);

einem in dem Gehäuse (16) angeordneten und mit einer ersten Elektrode (20) und einer zweiten Elektrode (22) versehenen piezoelektrischen Wandler (18);

einem gegenüber dem Gehäuse (16) befestigten und an eine der besagte Elektroden (20) elektrisch angeschlossenen Stecker (28); und

einem Vorspannungsmittel (40) zum festen Andrücken des piezoelektrischen Wandlers (18) gegen das Gehäuse (16);

gekennzeichnet durch,

ein Druckmittel (56), das seitlich zwischen dem Gehäuse (16) und dem piezoelektrischen Wandler (18) in einer Weise angebracht ist, um an den piezoelektrischen Wandler (18) und das Gehäuse (16) gedrückt zu werden, und aus elektrisch leitendem Material gebildet ist, um die andere der Elektroden (22) des piezoelektrischen Wandlers (18) und das Gehäuse (16) elektrisch miteinander dadurch zu verbinden.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, bei welchem die erste Elektrode (20) auf einer Oberfläche des oberen Endes des piezoelektrischen Wandlers (18) vorgesehen und elektrisch an dem Stecker (28) angeschlossen ist;

die zweite Elektrode (22) an einem unteren Abschnitt des piezoelektrischen Wandlers (18) vorgesehen ist und elektrisch an dem Gehäuse (16) angeschlossen ist; und

das Druckmittel (56) das Gehäuse (16) und die zweite Elektrode (22) des piezoelektrischen Wandlers (18) elektrisch verbindet.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, bei welchem das Druckmittel (56) eine Kompressionsspulenfeder (47) aufweist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, bei welchem das Druckmittel (56) eine Spulenfeder mit einem U-förmigen Querschnitt aufweist.

5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Vorspannungsmittel (40) den piezoelektrischen Wandler (18) gegen eine untere Wand des Gehäuses (16) abwärts drückt.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, bei welchem das Vorspannungsmittel (40) eine zwischen dem Stecker (28) und einer Oberfläche des oberen Endes des piezoelektrischen Wandlers (18) angeordnete Kompressionsspulenfeder (47) aufweist.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, bei welchem die Kompressionsspulenfeder (47) aus elektrisch leitendem Material gebildet ist, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Stecker (28) und dem piezoelektrischen Wandler (18) dadurch zu gewährleisten.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, bei welchem ein elektrisch leitendes Plattenglied (58) auf der ersten Elektrode (20) in einer Weise angebracht ist, um in engem Kontakt mit der Elektrode (20) zu sein.