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Ultraschallwandler - Dokument DE10031847A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10031847A1 24.01.2002
Titel Ultraschallwandler
Anmelder Krohne Meßtechnik GmbH & Co KG, 47058 Duisburg, DE
Erfinder Prokic, Meodrag, Le Locle, CH
Vertreter Patentanwälte Gesthuysen, von Rohr & Eggert, 45128 Essen
DE-Anmeldedatum 04.07.2000
DE-Aktenzeichen 10031847
Offenlegungstag 24.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.01.2002
IPC-Hauptklasse H04R 17/00
IPC-Nebenklasse B06B 1/06   
IPC additional class // G01F 1/66  
Zusammenfassung Dargestellt und beschrieben ist ein Ultraschallwandler, mit einer Kopfmasse, einer Endmasse, einer Schwingmasse und zwei elastisch verformbaren Deformationselementen, wobei zwischen der Kopfmasse und der Endmasse eine starre Verbindung vorgesehen ist, die Schwingmasse zwischen der Kopfmasse und der Endmasse angeordnet ist, ein Deformationselement zwischen der Kopfmasse und der Schwingmasse angeordnet ist, ein Deformationselement zwischen der Endmasse und der Schwingmasse angeordnet ist und wenigstens eines der Deformationselemente von einem Ultraschallschwingungen erzeugenden oder Ultraschallschwingungen aufnehmenden Wandlerelement gebildet wird.
Erfindungsgemäß wird ein solcher Ultraschallwandler bereitgestellt, der ohne Resonanz- und/oder Impedanzanpassung an einen Körper angebracht werden kann, in den Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden sollen oder von dem Ultrschallschwingungen empfangen werden sollen, indem von der Schwingmasse relativ zu der Kopfmasse und der Endmasse derartige Schwingungen ausführbar sind, die den von dem Wandlerelement erzeugten bzw. aufgenommenen Ultraschallschwingungen frei folgen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, mit einer Kopfmasse, einer Endmasse, einer Schwingmasse und zwei elastisch verformbaren Deformationselementen, wobei zwischen der Kopfmasse und der Endmasse eine starre Verbindung vorgesehen ist, die Schwingmasse zwischen der Kopfmasse und der Endmasse angeordnet ist, ein Deformationselement zwischen der Kopfmasse und der Schwingmasse angeordnet ist, ein Deformationselement zwischen der Endmasse und der Schwingmasse angeordnet ist und wenigstens eines der Deformationselemente von einem Ultraschallschwingungen erzeugenden oder Ultraschallschwingungen aufnehmenden Wandlerelement gebildet wird. Ein solcher Ultraschallwandler ist z. B. aus der EP 0 209 238 A2 bekannt.

Das Funktionsprinzip herkömmlicher Ultraschallwandler, wie auch das des aus der EP 0 209 238 A2 bekannten, beruht im allgemeinen darauf, daß sich die Abmessung des Ultraschallwandlers wenigstens in einer Raumrichtung ändert. Dies kann z. B. eine Längenänderung des Ultraschallwandlers sein. Diese wird im Fall eines Ultraschallaufnehmers durch die aufgenommenen Ultraschallschwingungen erzeugt. Im Fall eines Ultraschallgebers ist in dem Ultraschallwandler ein Ultraschallschwingungen erzeugendes Wandlerelement vorgesehen, das entsprechende Längenänderungen des Ultraschallwandlers bewirkt. Ein solcher Ultraschallgeber wird im allgemeinen mit einer oszillierenden Ansteuerspannung angesteuert, so daß der Ultraschallgeber eine dieser oszillierenden, im allgemeinen sinusförmigen Ansteuerspannung proportionale mechanische Schwingung vollführt. Eine entsprechende Umwandlung des elektrischen Ansteuersignals in mechanische Schwingungen wird über ein oben angesprochenes Wandlerelement erzielt, das z. B. von einem Piezoelement gebildet wird. Aus dem Stand der Technik sind jedoch auch andere Wandlerelemente bekannt, wie z. B. solche, bei denen die Umsetzung des oszillierenden elektrischen Ansteuersignals in mechanische Schwingungen mit Hilfe von solchen Einrichtungen erzielt wird, die auf der Ausnutzung von Magnetkräften beruhen.

Die im Fall eines Ultraschallgebers von dem Ultraschallwandler erzeugten Ultraschallschwingungen bzw. die im Fall eines Ultraschallaufnehmers von dem Ultraschallwandler aufgenommenen Ultraschallschwingungen werden von dem Ultraschallwandler an einen anderen Körper abgegeben bzw. von diesem aufgenommen, indem der Ultraschallwandler mit diesem Körper fest verbunden ist. Dazu kann der Ultraschallwandler z. B. mit dem Körper verschweißt oder an diesem angeschraubt sein. Allerdings ist es nicht zwingend erforderlich, daß der Ultraschallwandler direkt an dem Körper befestigt ist, in den die Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden sollen bzw. von dem die Ultraschallschwingungen empfangen werden sollen. Es ist nämlich möglich den Ultraschallwandler im Abstand von dem Körper vorzusehen, wobei dann zwischen dem Ultraschallwandler und dem Körper eine Verbindung in Form eines Ultraschallwellenleiters erforderlich ist.

Wie zuvor schon angesprochen, beruht die Funktionsweise der herkömmlichen Ultraschallwandler darauf, daß sie während des Betriebes ihre Länge ändern. Bei der Fixierung eines solchen Ultraschallwandlers auf einem Körper, in den Ultraschallwellen transferiert bzw. von dem Ultraschallwellen aufgenommen werden sollen, verändern sich jedoch durch die Befestigung die mechanischen und akustischen Eigenschaften des Ultraschallwandlers. Durch die mechanische Befestigung des Ultraschallwandlers an dem Körper werden nämlich mitunter erhebliche Dämpfungs- und Abschwächungseffekte hervorgerufen, so daß sich die Schwingungseigenschaften des Ultraschallwandlers in beträchtlichem Maße verändern. Um trotzdem einen effizienten Einsatz eines solchen Ultraschallwandlers an einem Körper zu realisieren, sind deshalb häufig aufwendige Resonanz- und/oder Impedanzanpassungsmaßnahmen erforderlich. Dies bedeutet jedoch im allgemeinen einen hohen Kostenaufwand und beansprucht bei jeder Neuinstallation eines solchen Ultraschallwandlers erhebliche Zeit.

Dementsprechend ist es die Aufgabe der Erfindung, einen solchen Ultraschallwandler anzugeben, dessen Schwingungseigenschaften durch die Anbringung an einen externen Körper nicht beeinflußt werden, so daß das Erfordernis von Resonanz- und/oder Impedanzanpassungen vermieden wird.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler, mit dem die zuvor aufgezeigte und hergeleitete Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß von der Schwingmasse relativ zu der Kopfmasse und der Endmasse derartige Schwingungen ausführbar sind, die den von dem Wandlerelement erzeugten bzw. aufgenommenen Ultraschallschwingungen frei folgen.

Damit die Schwingungen der Schwingmasse den von dem Wandlerelement erzeugten bzw. aufgenommenen Ultraschallschwingungen frei folgen können, ist es erforderlich, daß an dieser keine den freien Schwingungen der Schwingmasse entgegenstehende Kräfte angreifen. Insbesondere darf somit zwischen der Schwingmasse einerseits und der Endmasse sowie der Kopfmasse andererseits keine starre Verbindung bestehen. Dies hat wiederum zur Folge, daß aufgrund der den Ultraschallschwingungen folgenden Schwingungen der Schwingmasse keine Längenänderung des Ultraschallwandlers insgesamt erzeugt wird. Eine solche Längenänderung des Ultraschallwandlers insgesamt würde jedenfalls einem Aufeinanderzubewegen bzw. einem Voneinanderwegbewegen der Kopfmasse relativ zur Endmasse entsprechen. Durch die Kopplung zwischen der Schwingmasse einerseits und der Kopfmasse sowie der Endmasse andererseits lediglich über die Deformationselemente können aufgrund der von der Schwingmasse durchgeführten Schwingungen jedoch keine solchen Kräfte auf die Kopfmasse oder die Endmasse ausgeübt werden, die zu Relativbewegungen der Kopfmasse zur Endmasse führen würden, so daß es auch zu keiner Längenänderung des Ultraschallwandlers kommt.

Vorliegend sind die Begriffe "Kopfmasse" und "Endmasse" verwendet worden, was jedoch nicht bedeutet, daß es sich bei diesen Bauteilen um "besonders schwere" Massen handeln muß. Insbesondere kommt nämlich sowohl für die Kopfmasse als auch für die Endmasse eine einfache Platte in Betracht, deren Masse lediglich so groß sein muß, daß die mit dieser Masse bei dem verwendeten Material und der gewählten Form erzeugte Stabilität der Platte für den gewünschten Einsatz des Ultraschallwandlers ausreichend ist. Dabei können die Endmasse und die Kopfmasse vom Material, von der Form und/oder von der eigentlichen Masse, also dem Gewicht, her gleich sein, sie können diesbezüglich jedoch auch verschieden sein, ohne daß dies einen Einfluß auf das Prinzip der Erfindung hätte. Insbesondere lassen sich durch voneinander verschieden ausgebildete Bauteile als Endmasse bzw. Kopfmasse spezielle, an jeweils unterschiedliche Anforderungen angepaßte Schwingungseigenschaften des Ultraschallwandlers erzielen.

Für die Befestigung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers an einem Körper, in den Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden sollen bzw. von dem Ultraschallschwingungen empfangen werden sollen, kommen verschiedene Anordnungen in Betracht. Der Ultraschallwandler kann z. B. mittels der Kopfmasse mechanisch fest an einem solchen Körper befestigt sein. Die Ultraschallschwingungen werden dann durch die Kopfmasse hindurch in den Körper eingekoppelt bzw. durch die Kopfmasse hindurch von dem Körper empfangen. Es ist jedoch auch möglich, daß die Kopfmasse von dem Körper selbst gebildet wird, in den die von dem Ultraschallwandler erzeugten Schwingungen eingekoppelt werden sollen bzw. von dem die mittels des Ultraschallwandlers aufzunehmenden Ultraschallschwingungen aufgenommen werden sollen. Bei dem noch nicht an dem Körper befestigten Ultraschallwandler entfällt somit quasi die Kopfmasse, so daß die Endmontage des Ultraschallwandlers erst durch die Anbringung des Ultraschallwandlers ohne Kopfmasse an dem Körper erfolgt, der dann selbst als Kopfmasse fungiert. Schließlich ist es auch möglich, die Ultraschallschwingungen über die Schwingmasse in den Körper zu transferieren bzw. von diesem zu empfangen. Dazu wird der Ultraschallwandler mit Hilfe der Schwingmasse an dem Körper befestigt, während die Kopfmasse und die Endmasse keine Verbindung zu dem Körper haben. Im Betrieb bleibt die Schwingmasse somit relativ zu dem Körper fest, während die Kopfmasse und die Endmasse Schwingungen relativ zu dem Körper ausführen.

Grundsätzlich ist es möglich, das System aus der von den Deformationselementen umgebenen Schwingmasse, der Kopfmasse und der Endmasse völlig spannungsfrei vorzusehen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die von den Deformationselementen umgebene Schwingmasse zwischen der Kopfmasse und der Endmasse unter Vorspannung eingespannt ist. Insbesondere kann nämlich vorgesehen sein, daß die starre Verbindung zwischen Kopfmasse und Endmasse von einem Stab gebildet wird, der vorzugsweise in Längsrichtung des Ultraschallwandlers gesehen zentral angeordnet ist. Die Kopfmasse und die Endmasse können dann mit Hilfe des Stabes unter Vorspannung miteinander verbunden sein, so daß auch die zwischen der Kopfmasse und der Endmasse vorgesehene, von den Deformationselementen umgebene Schwingmasse unter Vorspannung eingespannt ist. Realisiert wird eine solche Verbindung der Kopfmasse mit der Endmasse sowie eine entsprechende Vorspannung mit Hilfe aus dem Stand der Technik, wie z. B. der EP 0 209 238 A2, bekannten Mitteln.

Daß, wie erfindungsgemäß erforderlich, die Schwingmasse frei schwingen kann, wird beim Vorsehen eines zuvor beschriebenen, die Kopfmasse mit der Endmasse verbindenden Stabes vorzugwseise dadurch erzielt, daß die Schwingmasse keine feste Verbindung zu dem Stab aufweist. Möglich ist dabei jedoch ein solcher Kontakt der Schwingmasse zu dem Stab, der einem beim Schwingen der Schwingmasse gleitenden Kontakt entspricht und somit im wesentlichen dem Führen der Schwingmasse dient. Abgesehen von bei einem solchen Führen auftretenden, geringen Reibungskräften sollen durch den Stab auf die Schwingmasse jedoch keine anderen Kräfte wirken. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist dazu vorgesehen, daß der Stab durch eine - vorzugsweise zentral - in der Schwingmasse vorgesehene Bohrung ohne Verbindung zu der Schwingmasse hindurchgeführt ist. Auf diese Weise wird eine solche Lösung realisiert, mit der auch die zuvor angesprochene Führungsfunktion des Stabes erzielbar ist, wenn der Duchmesser der in der Schwingmasse vorgesehenen Bohrung nur geringfügig größer als der Durchmesser des Stabes ist.

Wie zuvor schon angesprochen, ist es erforderlich, daß wenigstens eines der Deformationselemente ein solches Bauelement ist, mit dem Ultraschallschwingungen erzeugbar sind bzw. von dem Ultraschallschwingungen aufnehmbar sind. Während es sich bei einem solchen Deformationselement um ein sogenanntes aktives Bauelement handelt, kann das zweite Deformationselement ein sogenanntes passives Bauelement sein, das eben nicht die Funktion aufweist, Ultraschallschwingungen zu erzeugen bzw. aufzunehmen, jedoch den Ultraschallschwingungen passiv folgen kann und somit das erfindungsgemäß erforderliche freie Schwingen der Schwingmasse relativ zu Kopfmasse und Endmasse ermöglicht. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die beiden, jeweils auf einander gegenüberliegenden Seiten der Schwingmasse angeordneten Deformationselemente von Ultraschallschwingungen erzeugenden bzw. Ultraschallschwingungen aufnehmenden Wandlerelementen gebildet werden, also aktive Bauelemente sind.

Auf diese Weise werden z. B. die Symmetrieeigenschaften sowie die Leistung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers verbessert. Handelt es sich bei dem Ultraschallwandler um einen Ultraschallgeber, so ist beim Vorsehen von zwei aktiven Bauelementen als Deformationselemente gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Ultraschallschwingungen erzeugenden Wandlerelemente derart ansteuerbar sind, daß bei der Verkürzung des einen Wandlerelements gleichzeitig eine dieser betragsmäßig entsprechende Verlängerung des anderen Wandlerelements erzeugt wird. Auf diese Weise wird das erfindungsgemäß erforderliche freie Schwingen der Schwingmasse relativ zu der Umgebung, insbesondere der Kopfmasse und der Endmasse, auf einfache Weise gewährleistet. Die Schwingmasse bewegt sich also nur innerhalb des Ultraschallwandlers entsprechend der Ultraschallschwingungen hin und her, während durch diese Schwingungsbewegungen der Schwingmasse die Kopfmasse und die Endmasse bezüglich ihres Abstandes zueinander unberührt bleiben, die Kopfmasse und die Endmasse also keine Relativbewegungen zueinander ausführen, die zu einer Längenänderung des Ultraschallwandlers insgesamt führen würden.

Als Wandlerelemente sind praktisch alle auch im Stand der Technik als Wandlerelemente für Ultraschallwandler verwendeten Bauelemente einsetzbar. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die Ultraschallschwingungen erzeugenden bzw. Ultraschallschwingungen aufnehmenden Wandlerelemente von Piezoelementen gebildet werden, wobei eine bevorzugte Weiterbildung vorsieht, daß die Polarität des auf der einen Seite der Schwingmasse vorgesehenen Piezoelements umgekehrt zu dem auf der anderen Seite der Schwingmasse vorgesehenen Piezoelements ist. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die zuvor angesprochenen Piezoelemente auch aus einer Mehrzahl von Einzelelementen zusammengesetzt sein können. Die Piezoelemente bestehen dabei z. B. aus Piezokeramiken.

Ist die Polarität des auf der einen Seite der Schwingmasse vorgesehenen Piezoelements umgekehrt zu dem auf der anderen Seite der Schwingmasse vorgesehenen Piezoelements, so ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Ansteuerelektronik vorgesehen, wobei die beiden Ultraschallschwingungen erzeugenden Wandlerelemente von demselben von der Ansteuerelektronik erzeugten Ansteuersignal angesteuert werden. Damit ist auf optimale Weise gewährleistet, daß die Längenänderungen der auf einander gegenüberliegenden Seiten der Schwingmasse vorgesehenen Wandlerelemente einander genau entsprechen, und es ist kein Umpolen des Ansteuersignals erforderlich.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler ist, wie zuvor beschrieben, mit lediglich einer Schwingmasse verwendbar. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, in denen die Verwendung einer Mehrzahl von Schwingmassen vorteilhaft ist. Insbesondere kann damit die Leistung des Ultraschallwandlers auf einfache Weise erhöht werden. Ist eine Mehrzahl von Schwingmassen vorgesehen, so bleibt der grundsätzliche Aufbau des Ultraschallwandlers erhalten, was bedeutet, daß der erfindungsgemäße Ultraschallwandler weiterhin von der Kopfmasse und der Endmasse begrenzt ist, die miteinander starr verbunden sind, und zwischen der Kopfmasse und der Endmasse eine einander abwechselnde Abfolge von Schwingmassen und Deformationselementen vorgesehen ist. Dabei gilt, daß für eine effiziente Wirkung des ein Mehrzahl von Schwingmassen aufweisenden Ultraschallwandlers vorzugsweise jede Schwingmasse wenigstens auf einer Seite als Wandlerelement ein aktives Bauelement d. h. ein Ultraschallschwingungen erzeugendes bzw. Ultraschallschwingungen empfangendes Wandlerelement aufweist.

Schließlich kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bei einem Ultraschallwandler, der eine Mehrzahl von Schwingmassen aufweist, vorgesehen sein, daß zwischen zwei Schwingmassen eine Festmasse vorgesehen ist, die derart fixiert ist, daß sie den Ultraschallschwingungen - im Gegensatz zu den Schwingmassen - nicht frei folgen kann. Eine solche Festmasse weist dazu vorzugsweise eine mechanisch feste, nämlich eine im wesentlichen starre Verbindung zu der Kopfmasse und der Endmasse auf, wodurch ein solcher Ultraschallwandler praktisch in mehrere Ultraschallwandler unterteilt wird, die jeweils wenigstens eine Schwingmasse aufweisen. Es versteht sich von selbst, daß gemäß dieser bevorzugten Weiterbildung der Erfindung auch eine Mehrzahl von Festmassen vorgesehen sein kann.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler findet vielfältige Einsatzmöglichkeiten in den unterschiedlichsten technischen Gebieten und ist insbesondere für all diejenigen Anwendungen einsetzbar für die die weiter oben beschriebenen herkömmlichen Ultraschallwandler eingesetzt werden. Aufgrund seiner besonderen schwingungstechnischen Eigenschaften ist der erfindungsgemäße Ultraschallwandler jedoch besonders für die Verwendung für einen Ultraschalldurchflußmesser, also für Ultraschalldurchflußmeßverfahren geeignet.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1a einen Ultraschallwandler gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt,

Fig. 1b-1d schematisch die Funktionsweise des aus Fig. 1a ersichtlichen Ultraschallwandlers gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Ultraschallwandler gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt sowie seine Ansteuerung,

Fig. 3 die Befestigung des Ultraschallwandlers gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an einem Körper,

Fig. 4 eine alternative Befestigung des Ultraschallwandlers gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an einem Körper,

Fig. 5 einen Ultraschallwandler gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt sowie seine Befestigung an einem Körper,

Fig. 6 einen Ultraschallwandler gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt,

Fig. 7 die Anbringung des Ultraschallwandlers gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an einen stabförmigen Ultraschallwellenleiter im Schnitt,

Fig. 8a einen Ultraschallwandler gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Mehrzahl von Schwingmassen im Schnitt und

Fig. 8b einen Ultraschallwandler gemäß einem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Mehrzahl von Schwingmassen sowie einer Festmasse im Schnitt.

Aus Fig. 1a ist ein Ultraschallwandler gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt ersichtlich. Der Ultraschallwandler weist eine Kopfmasse 1 und eine Endmasse 2 auf, die den Ultraschallwandler in Längsrichtung begrenzen. Zentral zwischen der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 ist eine Schwingmasse 3 vorgesehen. Zwischen der Kopfmasse 1 und der Schwingmasse 3 sowie zwischen der Endmasse 2 und der Schwingmasse 3 ist jeweils ein Ultraschallschwingungen erzeugendes bzw. Ultraschallschwingungen aufnehmendes Wandlerelement 4 angeordnet. Bei den Wandlerelementen 4 handelt es sich um Piezoelemente, wobei jeweils zwei Piezoelemente mit einander entgegengesetzter Polarität ein Wandlerelement 4 bilden. Während bei dem Wandlerelement 4 zwischen der Kopfmasse 1 und der Schwingmasse 3 die Piezoelemente mit ihren Flächen positiver Polarität aufeinander liegen, liegen bei dem Wandlerelement 4 zwischen der Endmasse 2 und der Schwingmasse 3 die Piezoelemente mit ihren Flächen negativer Polarität aneinander. Bei einer Ansteuerung mit demselben Ansteuersignal kommt es somit bei dem einen Wandlerelement 4 zu einer vorbestimmten Verlängerung und bei dem anderen Wandlerelement 4 zu einer dieser vorbestimmten Verlängerung betragsmäßig entsprechenden Verkürzung.

Mit wellenförmigen Pfeilen ist angedeutet, daß über die Kopfmasse 1 des Ultraschallwandlers Ultraschallschwingungen abgegeben werden können, z. B. in einen Körper 5, wie aus Fig. 3 ersichtlich. Der Ultraschallwandler wird insgesamt von einem Stab 6 zusammengehalten, der in der Kopfmasse 1 und in der Endmasse 2 befestigt ist und somit zwischen der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 eine starre Verbindung bildet. Mit Hilfe des Stabes 6 ist ferner in dem Ultraschallwandler eine Vorspannung realisiert, so daß die von den Wandlerelementen 4 umgebene Schwingmasse 3 zwischen der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 unter Vorspannung eingespannt ist. Dementsprechend sind auch die Kopfmasse 1 und die Endmasse 2 mit Hilfe des Stabes 6 unter Vorspannung miteinander verbunden. Der Stab 6 ist in dem Ultraschallwandler in dessen Längsrichtung gesehen zentral angeordnet und führt durch eine in der Schwingmasse 3 mittig vorgesehene Bohrung 7, ohne daß es zu einer Berührung des Stabes 6 mit der Schwingmasse 3 kommt. Auch die Wandlerelemente 4 haben keinen direkten Kontakt zu dem zentral durch den Ultraschallwandler hindurch verlaufenden Stab 6. Auf diese Weise kann die Schwingmasse 3 relativ zu der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 freie Schwingungen ausführen, das heißt den von den Wandlerelementen 4 erzeugten oder von diesen aufgenommenen Ultraschallschwingungen frei folgen. Dabei wird keine solche Kraft auf die Kopfmasse 1 und/oder die Endmasse 2 des Ultraschallwandlers ausgeübt, die zu einer Relativbewegung der Kopfmasse 1 zu der Endmasse 2 führen würde, so daß die vom Abstand der Kopfmasse 1 zur Endmasse 2 bestimmte Gesamtlänge des Ultraschallwandlers während dessen Betriebs konstant bleibt. Auf diese Weise wird, wie weiter oben schon beschrieben, das Erfordernis einer Resonanz- und/oder Impedanzanpassung bei der Anbringung des Ultraschallwandlers an einen Körper 5, in den Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden sollen oder von dem Ultraschallschwingungen empfangen werden sollen, vermieden.

Aus den Fig. 1b bis 1d ist schematisch das Funktionsprinzip des aus Fig. 1a ersichtlichen Ultraschallwandlers gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Fig. 1b zeigt die Situation, in der der Ultraschallwandler unbelastet ist, also keine Ultraschallschwingungen erzeugt oder aufnimmt. Die aus Fig. 1b ersichtliche Situation entspricht jedoch auch der Momentaufnahme des Durchgangs der Schwingmasse 3 durch ihre Gleichgewichtslage im Betrieb des Ultraschallwandlers. Wie aus den Fig. 1c und 1d ersichtlich, beruht der Betrieb des Ultraschallwandlers darauf, daß die Schwingmasse 3 zwischen der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 hin und her schwingt, wobei ersichtlich ist, daß aufgrund der elastischen Kopplung der Schwingmasse 3 mit der Kopfmasse 1 bzw. der Endmasse 2 über die Wandlerelemente 4 ein solcher Ausgleich der Lageänderung der Schwingmasse 3 erfolgt, daß keine Übertragung von solchen Kräften auf die Kopfmasse 1 bzw. Endmasse 2 aufgrund der Schwingung der Schwingmasse 3 erfolgt, die zu einer Veränderung der Länge des Ultraschallwandlers insgesamt führen würde.

Aus Fig. 2 ist schematisch die Ansteuerung eines Ultraschallwandlers gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Dieser Ultraschallwandler weist auf den beiden Seiten der Schwingmasse 3 einander entgegengesetzt gepolte Wandlerelemente 4 auf. Dementsprechend erfolgt die Ansteuerung der Wandlerelemente 4 mit einem von einer Ansteuerelektronik 8 erzeugten Ansteuersignal derart, daß dieses Ansteuersignal bei beiden Wandlerelementen 4 an den positiven Pol angelegt wird. Der negative Pol der Wandlerelemente 4 ist jeweils geerdet. Dadurch, daß die beiden Wandlerelemente 4 auf beiden Seiten der Schwingmasse 3 gleich ausgebildet sind, wird erreicht, daß mit der beschriebenen Ansteuerung bei der Verkürzung des einen Wandlerelements 4 gleichzeitig eine dieser betragsmäßig entsprechende Verlängerung des diesem Wandlerelement 4 gegenüberliegenden Wandlerelements 4 erzeugt wird. Durch die Ansteuerung mit demselben Ansteuersignal schwingen die beiden Wandlerelemente 4 auch absolut gleichphasig, so daß insgesamt ein freies Schwingen der Schwingmasse 3 zwischen der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 erzielt wird, ohne daß durch dieses Schwingen solche Kräfte auf die Kopfmasse 1 bzw. die Endmasse 2 ausgeübt werden, die zu einer Relativbewegung der Kopfmasse 1 zur Endmase 2 führen würden. Dementsprechend bleibt, wie weiter oben schon dargestellt, die Gesamtlänge des Ultraschallwandlers, die durch den Abstand der Kopfmasse 1 von der Endmasse 2 bestimmt wird, während des Betriebs des Ultraschallwandlers konstant.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, wie ein Ultraschallwandler gemäß dem in Fig. 2 dargestellten zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung auf einem Körper 5 befestigt ist, in den von dem Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden sollen. Eine starre Befestigung des Ultraschallwandlers auf dem Körper 5 wird vorliegend dadurch erzielt, daß der Stab 6 an seinem der Kopfmasse 1 entsprechenden Ende über den eigentlichen Ultraschallwandler hinausreicht und auf dem Stab 6 in seinem über den Ultraschallwandler hinausreichenden Bereich ein Außengewinde 9 aufgebracht ist. Mit Hilfe dieses Außengewindes 9 ist der Stab 6 in eine in dem Körper 5 vorgesehene Gewindebohrung 10 eingeschraubt, so daß im montierten Zustand des Ultraschallwandlers die gesamte Anordnung aus Kopfmasse 1, Endmasse 2, Schwingmasse 3 sowie den Wandlerelementen 4 unter Vorspannung fest auf dem Körper 5 befestigt ist. Obwohl in Fig. 3 schematisch nur der Übertrag von Ultraschallschwingungen von dem Ultraschallwandler in den Körper 5 hinein dargestellt ist, ist selbstverständlich auch der Empfang von Ultraschallwellen aus dem Körper 5 möglich.

Einen alternativen Anbau des Ultraschallwandlers gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an einen Körper 5 ist aus Fig. 4 ersichtlich. Bei dieser Anbaualternative ist der Ultraschallwandler nicht mittels der Kopfmasse 1 sondern mittels der Schwingmasse 3 an dem Körper S befestigt. Dafür ist in dem Körper S eine Ausnehmung 11 vorgesehen, in die der Ultraschallwandler derart eingesetzt ist, daß die Schwingmasse 3 wenigstens teilweise mit ihrer Außenwand in Kontakt zu dem Körper 5 steht und dort an diesem z. B. durch Verschweißen befestigt ist. Eine weitere mögliche, jedoch nicht dargestellte Befestigungsalternative besteht in einem Einschrauben des Ultraschallwandlers mit Hilfe eines auf der Schwingmasse 3 auf deren Außenwand aufgebrachten Außengewindes in ein entsprechendes in dem Körper 5 vorgesehenes Innengewinde sowie einem Sichern dieser Verschraubung mit Hilfe von Kontermuttern, so daß sich die Verschraubung des Ultraschallwandlers während des Betriebs nicht lösen kann. Die Ausnehmung 11 in dem Körper 5 muß dabei derart dimensioniert sein, daß während des Betriebs des Ultraschallwandlers die Kopfmasse 1, die sich innerhalb der Ausnehmung 11 befindet, nicht in Kontakt zu dem Körper 5 kommt. Auch bei dieser alternativen Einbaumöglichkeit schwingt die Schwingmasse 3 relativ zur Kopfmasse 1 sowie zur Endmasse 2 frei. Tatsächlich ist die Schwingmasse 3 natürlich an dem Körper 5 fixiert, so daß es von außerhalb des Körpers 5 gesehen zu einer Schwingung der Kopfmasse 1 und der Endmasse 2 relativ zum Körper 5 kommt.

Gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Ultraschallwandler gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dahingehend modifiziert sein, daß der eigentliche Ultraschallwandler selbst keine Kopfmasse 1 mehr aufweist. Ansonsten ist, wie aus Fig. 5 ersichtlich, der Ultraschallwandler gleich aufgebaut und auf dieselbe Weise an dem Körper S befestigt. Die Funktion der Kopfmasse 1 übernimmt dann die Masse des Körpers 5. Auf diese Weise wird die Kopfmasse 1 eingespart, jedoch ist die Montage des lediglich teilfertigen Ultraschallwandlers auf dem Körper 5 etwas aufwendiger.

Aus Fig. 6 ist ein Ultraschallwandler gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich, bei der die Kopfmasse 1 eine im wesentlichen kegelabschnittsförmige Form aufweist. Im Zusammenhang mit diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sei darauf hingewiesen, daß die Funktion und das Prinzip des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers im wesentlichen unabhängig von der Form und der Dimensionierung der Kopfmasse 1 ist. Dementsprechend kann die Kopfmasse 1 an die jeweilige Anforderung für den Einsatz des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers angepaßt sein. So ist z. B. der Ultraschallwandler gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung an einem Ultraschallwellenleiter 12 befestigt. Diese Konstruktion ermöglicht es, den Ultraschallwandler im Abstand von dem Körper vorzusehen, in den Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden sollen bzw. von dem Ultraschallschwingungen empfangen werden sollen, was z. B. dann erforderlich sein kann, wenn der Körper selbst zu heiß oder zu kalt für den Betrieb des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist.

Aus den Fig. 8a und 8b schließlich sind Ultraschallwandler gemäß einem fünften bzw. einem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich, die jeweils eine Mehrzahl von Schwingmassen 3 aufweisen. Bei dem Ultraschallwandler gemäß dem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel sind drei Schwingmassen vorgesehen, so daß die Leistung dieses Ultraschallwandlers etwa dreimal so groß ist wie die eines ansonsten vergleichbaren Ultraschallwandlers mit lediglich einer Schwingmasse. Bei dem Ultraschallwandler gemäß dem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zentral eine Festmasse 13 vorgesehen, die in festem Kontakt zu dem Stab 6 steht und somit starr mit der Kopfmasse 1 sowie der Endmasse 2 verbunden ist. Zwischen der Festmasse 13 und der Kopfmasse 1 bzw. der Endmasse 2 ist jeweils ein Schwingmasse 3 angeordnet, so daß der Ultraschallwandler gemäß dem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im wesentlichen zwei hintereinander geschalteten Ultraschallwandlern mit lediglich einer Schwingmasse entspricht.


Anspruch[de]
  1. 1. Ultraschallwandler, mit einer Kopfmasse (1), einer Endmasse (2), einer Schwingmasse (3) und zwei elastisch verformbaren Deformationselementen, wobei zwischen der Kopfmasse (1) und der Endmasse (2) eine starre Verbindung vorgesehen ist, die Schwingmasse (3) zwischen der Kopfmasse (1) und der Endmasse (2) angeordnet ist, ein Deformationselement zwischen der Kopfmasse (1) und der Schwingmasse (3) angeordnet ist, ein Deformationselement zwischen der Endmasse (2) und der Schwingmasse (3) angeordnet ist und wenigstens eines der Deformationselemente von einem Ultraschallschwingungen erzeugenden oder Ultraschallschwingungen aufnehmenden Wandlerelement (4) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß von der Schwingmasse (3) relativ zu der Kopfmasse (1) und der Endmasse (2) derartige Schwingungen ausführbar sind, die den von dem Wandlerelement (4) erzeugten bzw. aufgenommenen Ultraschallschwingungen frei folgen.
  2. 2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfmasse (1) von einem Körper (5) gebildet wird, in den die von dem Ultraschallwandler erzeugten Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden sollen bzw. von dem die mittels des Ultraschallwandlers aufzunehmenden Ultraschallschwingungen aufgenommen werden sollen.
  3. 3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Deformationselementen umgebene Schwingmasse (3) zwischen der Kopfmasse (1) und der Endmasse (2) unter Vorspannung eingespannt ist.
  4. 4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Verbindung zwischen der Kopfmasse (1) und der Endmasse (2) von einem - vorzugsweise zentral angeordneten - Stab (6) gebildet wird.
  5. 5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfmasse (1) und die Endmasse (2) mit Hilfe des Stabes (6) unter Vorspannung miteinander verbunden sind.
  6. 6. Ultraschallwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingmasse (3) keine Verbindung zu dem Stab (6) aufweist.
  7. 7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (6) durch eine - vorzugsweise zentral - in der Schwingmasse (3) vorgesehene Bohrung (7) ohne Verbindung zu der Schwingmasse (3) hindurchgeführt ist.
  8. 8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden, jeweils aufeinander gegenüberliegenden Seiten der Schwingmasse (3) angeordneten Deformationselemente von Ultraschallschwingungen erzeugenden bzw. Ultraschallschwingungen aufnehmenden Wandlerelementen (4) gebildet werden.
  9. 9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwingungen erzeugenden Wandlerelemente (4) derart ansteuerbar sind, daß bei der Verkürzung des einen Wandlerelements (4) gleichzeitig eine dieser betragsmäßig entsprechende Verlängerung des anderen Wandlerelements (4) erzeugt wird und umgekehrt.
  10. 10. Ultraschallwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwingungen erzeugenden bzw. aufnehmenden Wandlerelemente (4) von Piezoelementen gebildet werden, wobei die Polarität des auf der einen Seite der Schwingmasse (3) vorgesehenen Piezoelements umgekehrt zu dem auf der anderen Seite der Schwingmasse (3) vorgesehenen Piezoelements ist.
  11. 11. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerelektronik (8) vorgesehen ist und die beiden Ultraschallschwingungen erzeugenden Wandlerelemente (4) mit demselben von der Ansteuerelektronik (8) erzeugten Ansteuersignal angesteuert werden.
  12. 12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Schwingmassen (3) vorgesehen ist.
  13. 13. Ultraschallwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Schwingmassen (3) eine Festmasse (13) vorgesehen ist, die derart fixiert ist, daß sie den Ultraschallschwingungen nicht frei folgen kann.
  14. 14. Ultraschallwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Festmasse (13) starr mit der Kopfmasse (1) und der Endmasse (2) verbunden ist.
  15. 15. Ultraschallwandler nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Festmassen (13) vorgesehen ist.
  16. 16. Verwendung eines Ultraschallwandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 15 für ein Ultraschalldurchflußmeßgerät und/oder ein Ultraschalldurchflußmeßverfahren.






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