Beschreibung:
Wandler für Ultraschall-Durchflussmesser
Technisches Gebiet:
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler für Ultraschall-Durchflussmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik:
Ultraschall-Wandler werden in Ultraschall-Durchflussmessern zum Erfassen der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Durchflussmenge des Mediums verwendet.
Ein solcher Wandler ist beispielsweise aus der EP-Bl 0 606 536 bekannt. Dessen Piezoelemente sind in Gehäusen angeordnet, die gegen die vom Medium durchflossene Messstrecke durch Membranen abgeschlossen sind. Dies dient dem Zweck, die Piezoelemente gegen die schädlichen, z.B. korrosiven Einflüsse des Mediums zu schützen.
Ein Wandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus DE-Al 197 25 717 bekannt. Hier wird auf solche Membranen, die in der Regel dünne Stahlfolien sind, verzichtet. Hier ist die dem Medium zugekehrte Elektrode des Piezoelements allseits überstehend ausgebildet und unter einem O-Ring gehalten. Die Elektrode ist auf dem Piezoelement aufgeklebt. Um schädliche Wirkungen des Mediums auf diese Elektrode zu verhindern, muss also die Elektrode selbst aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff bestehen. Nachteilig ist sicherlich, dass die Elektrode keinen unmittelbaren Kontakt zur Oberfläche des Piezoelements hat, denn durch die dazwischen liegende Klebstoffschicht ist der Wirkungsgrad beim Senden und Empfangen von Ultraschallwellen wegen der durch die Klebstoffschicht verursachten Dämpfung nicht optimal. Solche Klebstoffschichten können zudem altern, so dass sich das Schwingungsverhalten im Laufe der Zeit nachteilig verändern kann. Dies insbesondere dann, wenn der Ultraschall-Durchflussmesser Teil eines Wärmemengenzählers ist, bei dem das Medium erhöhte Temperatur von durchaus etwa 80 °C haben kann. Nachteilig ist weiter der Aufwand, der dadurch entsteht, dass die Elektrode auf das Piezoelement aufgeklebt werden muss.
Aus US-A 4,945,276 ist ein Wandler bekannt, der für die Messung der Geschwindigkeit eines Mediums, nämlich von Gasen und Flüssigkeiten, vorgesehen ist. Der Wandler ist so gestaltet, dass er auch für die Anwendung in bestimmten Gefahrenklassen geeignet ist. Der Wandler befindet sich deshalb in einem becherförmigen Gehäuse, das aus Titan, Stahl, Aluminium oder einen Kohlefaser- Werkstoff besteht.
Aus US-A 5,440,937 ist ein Wandler bekannt, der zur Messung der Geschwindigkeit eines Mediums bei großen Rohrdurchmessern geeignet ist. Dabei soll er Temperaturen von 17 °C widerstehen und auf die giftige Gase und dergleichen geeignet sein. Deshalb sind hier ebenfalls besondere Gehäusewerkstoffe vorgesehen, so etwa Titan, Sandvik 253MA, Hastelloy™ C276, Carpenter™ 20, Werkstoffe der Inconel™ 600-Gruppe oder andere korrosionsbeständige Werkstoffe.
Darstellung der Erfindung:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler für Ultraschall- Durchflussmesser zu schaffen, der bei Verzicht auf eine Membran oder eines besonderen, gegen das Medium abschließenden Gehäuses zum Schutz des Piezoelements vor dem Medium dem korrosiven Einfluss des Mediums widersteht.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung:
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein unmaßstäbliches Schema des Aufbaus eines Wandlerelements in einer Schnittdarstellung und
Fig. 2 einen schematischen Schnitt eines in ein Wandlergehäuse eingebauten Wandlerelements.
Wege zur Ausführbarkeit der Erfindung und gewerbliche Anwendbarkeit:
In der Fig. 1 bedeutet 1 ein Wandlerelement, dessen Kern aus einer Keramikscheibe 2 besteht. Auf diese Keramikscheibe 2 sind in bekannter Weise zwei Elektroden aufgebracht, eine Frontelektrode 3 und eine Rückenelektrode 4. Die Frontelektrode 3 ist dem Medium zugewandt. In ebenfalls bekannter Weise dehnt sich die Frontelektrode 3 von der Frontseite über die Mantelfläche bis zur Rückseite aus und bildet dort einen Ring. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Kontaktierung der beiden Elektroden 3, 4 auf der Rückseite erfolgen kann.
Erfindungsgemäß ist auf der dem Medium zugewandten Seite auf der Frontelektrode 3 eine Schutzschicht 5 aufgebracht. Diese Schutzschicht 5 ist erfindungsgemäß eine korrosionsbeständige Hartstoffschicht. Durch die Korrosionsbeständigkeit dieser Schutzschicht 5 kann das Wandlerelement 1 auf dieser Seite unmittelbar dem Medium ausgesetzt sein. Auf eine Membran zum Schutz des Wandlerelements 1 vor dem Medium kann also verzichtet werden. Durch die Härte der Schutzschicht 5 wird darüber hinaus erreicht, dass das Wandlerelement 1 auch vor abrasiv wirkenden Partikeln, die durchaus im Medium mitgeführt sein können, sicher geschützt ist. Solche Ultraschall-Durchflussmesser werden beispielsweise zur Messung des Verbrauchs von Wasser benützt. Innerhalb von Versorgungsleitungen für die Wasserversorgung kommt es immer wieder vor, dass durch Bau- und Reparaturarbeiten beispielsweise Sand in die Versorgungsleitungen eindringt. Vom strömendem Medium mitgeführte Partikel können insbesondere dann stark abrasiv wirken, wenn die Strömungsgeschwindigkeit hoch ist. Die Schutzschicht 5 bietet auch davor einen zuverlässigen Schutz.
Vorteilhaft besteht die Schutzschicht 5 aus Titannitrid. Titannitrid ist sehr hart und bietet ausgezeichneten Schutz des Wandlerelements 1 gegen abrasiv wirkende Partikel. Titannitrid lässt sich nach verschiedenen Verfahren aufbringen. Beim Aufbringen der Schutzschicht 5 muss darauf geachtet werden, dass die Temperatur während der Prozesses die Curietemperatur der Keramikscheibe 2 nicht überschreitet. So ist es vorteilhaft, das sogenannte Sputterverfahren
anzuwenden, bei dem Titan die Kathode bildet, und dabei eine Mischung von Argon und Stickstoff zu ionisieren.
Vorteilhaft wird dabei der Prozess des Aufbringens der Titannitrid-Schicht so gesteuert, dass die Schutzschicht 5 eine sogenannte geschlossene Struktur aufweist. Diese Struktur hat einen deutlich besseren Korrosionswiderstand als die sonst vielfach zur Anwendung kommende fraktale Struktur solcher Schichten. Das zur Erzeugung der geschlossenen Struktur sonst übliche Heizen auf 500 bis 1000 °C kann wegen der Eigenschaften der Keramikscheibe 2 aber nicht angewendet werden, weil dabei die Keramikscheibe 2 geschädigt würde. Um ohne Heizen eine geschlossene Struktur der Titannitrid-Schicht zu erreichen, wird zwischen dem Teller mit den zu beschichtenden Objekten und der Außenwand des Rezipienten eine Spannung angelegt. Wegen der dadurch erhöhten Beweglichkeit der Atome bzw. Moleküle erfolgt kein kolumnares Wachstum der Schicht, sondern es entsteht eine glatte Schicht.
Die Dicke der Schutzschicht 5 beträgt vorteilhaft 1 bis 5 μm. Die minimale Dicke von 1 μm reicht aus, um sowohl den Korrosionsschutz als auch den Schutz gegen Abrasion zu gewährleisten.
In der Fig. 2 ist ein Beispiel für ein in ein Wandlergehäuse 10 eingebautes Wandlerelement 1 gezeigt. Das Wandlergehäuse 10 weist einen Innenraum 11 auf, der zur Aufnahme des Wandlerelements 1 samt der zugehörigen Anschlussverbindungen bestimmt ist. In einem Kabelkanal 12 werden die Anschlussverbindungen in bekannter Weise nach außen geführt, wobei ein den Kabelkanal 12 umgebender Steg 13 der Verbindung des Wandlergehäuses 10 mit anderen Teilen der Messstrecke dient. Das Wandlerelement 1 ist an seiner Mantelfläche und an den äußeren Partien seiner Frontseite und Rückseite von einer Formdichtung 14 umgeben. Diese Formdichtung 14 besteht vorteilhaft aus einem gummielastischen Werkstoff.
Der Innenraum 11 des Wandlergehäuses 10 besitzt vorteilhaft eine ringförmige Stufe 15, an der sich das Wandlerelement 1 über die Formdichtung 14 abstützt. Auf der anderen Seite wird das Wandlerelement 1 gehalten von einem Haltering 16, wobei auch hier die Formdichtung 14 zwischengeschaltet ist. Dabei
kann der Haltering 16 mit dem Wandlergehäuse 10 verschraubbar sein, was eine besonders einfache Montage ermöglicht. Statt der Verschraubung kommen aber auch andere Verbindungsarten in Betracht. Beispielsweise kann der Haltering 16 auf das Wandlergehäuse 10 durch einen Presssitz aufpressbar sein. Durch die Formdichtung 14 in Verbindung mit der Gestaltung des Innenraums 11 des Wandlergehäuses 10 und mit dem Haltering 16 bedarf es keiner weiteren Einzelteile, um das Wandlerelement 1 im Wandlergehäuse 10 zu fixieren. Das bietet Vorteile hinsichtlich Herstellungs- und Montagekosten. Weitere Ausführungsformen liegen im Rahmen des handwerklichen Könnens eines Konstrukteurs.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass der elektro-akustische Wirkungsgrad gegenüber dem bekannten Stand der Technik verbessert ist, weil eine das Wandlerelement 1 vor dem Medium schützende Membran oder ein das Wandlerelement 1 hermetisch abschließendes Gehäuse nicht erforderlich ist. Das gilt auch hinsichtlich der bei manchen dieser Lösungen vorhandenen Klebstoffschichten, auf die durch die Erfindung verzichtet werden kann. Die Ultraschallwellen dämpfende Wirkung von Klebstoffschicht und oder Gehäuse entfällt also.