DE4443415A1 - Device for receiving a sound transducer and ultrasonic flow meter with the same - Google Patents
Device for receiving a sound transducer and ultrasonic flow meter with the sameInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers, die zur akustischen Kopplung des Schallwand lers mit einem Meßmedium an einer Öffnung einer das Meßmedium begrenzenden Wandung anbringbar ist, sowie einen Ultraschall- Durchflußmesser, der mit zumindest einer derartigen Vorrich tung versehen ist.The invention relates to a device for receiving a Sound transducer used for acoustic coupling of the baffle lers with a measuring medium at an opening of the measuring medium limiting wall can be attached, and an ultrasound Flow meter with at least one such Vorrich tion is provided.
Ein Ultraschall-Durchflußmesser, der auf dem Ultraschall- Laufzeitdifferenz-Meßprinzip basiert, ist beispielsweise aus der EP-PS 0 521 855 bekannt. Er weist zwei Ultraschallquellen auf, die sich gegenseitig alternierend Schallpulse durch ein Meßmedium, das durch ein Meßrohr fließt, zuschicken. Die ge messenen Größen sind die Schallaufzeiten stromaufwärts und stromabwärts. Die Differenz der Laufzeiten ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Durch Berücksichtigung der Geo metrie des Meßrohrs wird der Volumenfluß berechnet, durch In tegration über die Zeit das durchgeflossene Volumen. Über die Aufnahmevorrichtungen für die Ultraschallwandler, die als Ultraschallsender oder -empfänger an das Meßrohr angebracht sind, werden in dem obengenannten Dokument keine Angaben ge macht. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Schallwegführung durch das Meßmedium sind dagegen ausführlich beschrieben.An ultrasonic flow meter that is based on the ultrasonic Runtime difference measurement principle is based, for example known from EP-PS 0 521 855. It has two ultrasound sources on the mutually alternating sound pulses through one Send measuring medium that flows through a measuring tube. The ge Measured quantities are the sound propagation times upstream and downstream. The difference in terms is a measure of the flow rate. By considering the geo The volume flow is calculated using the measuring tube, using In tegration over time the volume flowed through. About the Recording devices for the ultrasonic transducers, which as Ultrasonic transmitter or receiver attached to the measuring tube are not given in the above document power. Appropriate configurations of the sound path through the measuring medium, however, are described in detail.
Schall pflanzt sich nicht nur im Meßmedium, sondern aufgrund einer Anregung der Meßrohrwandungen durch die Aufnahme vorrichtungen der Ultraschallwandler auch über die Meßrohr wandungen selbst fort. Dieser Effekt wird Körperschall oder "akustischer Kurzschluß" genannt. Da sich am Empfangswandler die Signalanteile von Körperschall und Nutzschall überlagern, wird das Nutzsignal verfälscht und damit die Meßgenauigkeit drastisch verschlechtert. Schall breitet sich in typischen Meßrohrmaterialien wie Metallen und Sinterkeramiken wesent lich schneller aus (2500 m/s < c < 6000 m/s) als in Flüssig keiten (800 m/s < c < 2000 m/s). Mehrmalige Reflexion des Körperschalls und die gute Schalleitfähigkeit der Meßrohr materialien bewirken, daß das Körperschallsignal den Emp fangswandler auch zum Zeitpunkt des Nutzsignals mit nur ge ringfügig reduzierter Amplitude erreicht. Deshalb kann auch bei kurzen Sendeimpulsen der Nutzsignalanteil zeitlich nur schwer vom Körperschallanteil separiert werden.Sound is not only planted in the measuring medium, but also due to an excitation of the measuring tube walls by the recording Devices of the ultrasonic transducers also over the measuring tube wanders away. This effect is called structure-borne noise or called "acoustic short circuit". Because on the receive converter overlay the signal components of structure-borne sound and useful sound, the useful signal is falsified and thus the measuring accuracy deteriorated drastically. Sound spreads in typical Measuring tube materials such as metals and sintered ceramics are essential faster (2500 m / s <c <6000 m / s) than in liquid speeds (800 m / s <c <2000 m / s). Repeated reflection of the Structure-borne noise and the good sound conductivity of the measuring tube materials cause the structure-borne noise signal to emp catch converter even at the time of the useful signal with only ge slightly reduced amplitude reached. Therefore, too with short transmit pulses, the useful signal portion only in time difficult to separate from the structure-borne noise.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Schallwandlers zu schaffen, die an einer das Meßmedium begrenzenden Wandung anbringbar ist, eine körperschallarme Verbindung des Schallwandlers zur Wandung gewährleistet und weitgehend chemikalienbeständig ist. Zudem soll ein Ultraschall-Durchflußmesser mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattet werden.The invention has for its object a device to create a transducer that is connected to a the measuring medium delimiting wall can be attached, a Low-noise connection of the sound transducer to the wall guaranteed and largely resistant to chemicals. In addition an ultrasonic flow meter with such a Device can be equipped.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Vorrichtung die Merkmale des Anspruchs 1 auf. In den Ansprüchen 2 bis 9 sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben. In An spruch 10 ist ein erfindungsgemäßer Ultraschall-Durchflußmes ser beschrieben.To solve this problem, the new device has the Features of claim 1. In claims 2 to 9 are advantageous developments of the invention specified. In An saying 10 is an ultrasonic flowmeter according to the invention described.
Keramiken, deren Elastizitätsmodul weniger als 50 GPa be trägt, eignen sich in besonderem Maße für die Dämpfung von Körperschall.Ceramics whose modulus of elasticity be less than 50 GPa carries, are particularly suitable for the damping of Structure-borne noise.
Plasmagespritzte Keramiken zeichnen sich durch eine relativ lockere Verzahnungsstruktur von fladenförmig deformierten Keramikteilchen aus. Das bedingt ein gegenüber konventionel ler Sinterkeramik oder Metall wesentlich niedrigeres Elasti zitätsmodul. Dadurch kann beispielsweise gegenüber Metall ei ne große Fehlanpassung der Schallimpedanz erreicht werden. Die lockere Verzahnungsstruktur aufgrund der Änderung der Kristallitanordnung gegenüber Sinterkeramik behindert auf grund der dadurch hervorgerufenen Reflexionen die Schall ausbreitung und bewirkt gleichzeitig eine starke Absorption des Schalls. Durch Plasmaspritzen können prinzipiell alle ke ramischen Materialien verarbeitet werden, die in der Schmelz phase stabil sind. Vorteilhaft sind dies Al₂O₃ (Korund), Mullit oder ZrO₂ (Zirkondioxid) in reiner Form oder mit Zu sätzen, beispielsweise Spinell; auch andere sind geeignet.Plasma-sprayed ceramics are characterized by a relative loose tooth structure of flat deformed Ceramic particles. This requires a difference compared to conventional sintered ceramic or metal much lower elasticity module. This can, for example, compared to metal ne large mismatch of the sound impedance can be achieved. The loose tooth structure due to the change in Crystallite arrangement compared to sintered ceramic hampers due to the reflections caused thereby, the sound spread and at the same time causes a strong absorption of the sound. In principle, all ke ramische materials are processed in the enamel phase are stable. These are advantageously Al₂O₃ (corundum), Mullite or ZrO₂ (zirconium dioxide) in pure form or with Zu sentences, for example spinel; others are also suitable.
Im Sinterverfahren kann vorteilhaft die keramische Substanz Al₂TiO₅ (Aluminiumtitanat) hergestellt werden. Die Aluminium titanatkristallite weisen in den drei Hauptachsen stark un terschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dies führt aufgrund mikroskopischer Spannungen zu Mikrorissen im Gefüge. Diese Mikrorisse sind unter anderem für ein niedriges Elasti zitätsmodul verantwortlich. Zusätzlich behindern diese Risse die Schallausbreitung in der Keramik und sorgen daher für ei ne gute Schalldämpfung.The ceramic substance can advantageously be used in the sintering process Al₂TiO₅ (aluminum titanate) are produced. The aluminum Titanate crystallites show strong in the three main axes different coefficients of thermal expansion. this leads to due to microscopic stresses to micro cracks in the structure. These micro cracks are, among other things, for a low elasticity responsibility module. In addition, these cracks hinder the sound propagation in the ceramic and therefore ensure egg good sound absorption.
Aufgrund der Eigenschaften der obengenannten Keramiken, im folgenden zur Unterscheidung gegenüber den konventionellen, gesinterten auch besondere Keramiken genannt, können die fol genden Mechanismen zur Körperschalldämpfung angewendet wer den:Due to the properties of the above ceramics, in following to distinguish it from the conventional, sintered also called special ceramics, the fol Mechanisms for structure-borne noise reduction who applied the:
- a) Eine Reflexion durch Fehlanpassung der Schallimpedanz an den Materialübergängen Wandlertopf/Keramik/Wandung des Meßrohrs wegen des im Vergleich zu konventionellen Sinter keramiken und Metallen niedrigen Elastizitätsmoduls der besonderen Keramiken. Fehlanpassung bedeutet, daß Mate rialien stark unterschiedlicher Schallimpedanz aneinander stoßen. Durch die Fehlanpassung wird an der Grenzfläche ein entsprechender Schallanteil reflektiert. Bei mehr fachem Übergang treten Mehrfachreflexionen auf. Das Ela stizitätsmodul geht in die Berechnung der Schallimpedanz mit seiner Wurzel ein. Daher kann es zur Unterscheidung der Schallimpedanz bei vergleichbarer Dichte verschiedener Materialien herangezogen werden. Beispielsweise beträgt das Elastizitätsmodul von Stahl etwa 200 GPa, Wolfram etwa 390 GPa, konventionellen Sinterkeramiken etwa 200 bis 400 GPa, plasmagespritzten Keramiken etwa 3 bis 16 GPa und von Aluminiumtitanat etwa 15 bis 30 GPa. Damit sind Impe danzsprünge um den Faktor 5 bis 25 ohne weiteres möglich.a) A reflection due to mismatching of the sound impedance the material transitions converter pot / ceramic / wall of the Measuring tube because of the compared to conventional sinter ceramics and metals of low modulus of elasticity special ceramics. Mismatch means that Mate rialien very different sound impedance to each other bump. Due to the mismatch at the interface a corresponding sound component reflects. With more multiple transition, multiple reflections occur. The Ela Stability module goes into the calculation of the sound impedance with its root. Therefore, it can be used to differentiate the sound impedance with comparable density of different Materials are used. For example the elastic modulus of steel is about 200 GPa, tungsten is about 390 GPa, conventional sintered ceramics around 200 to 400 GPa, plasma sprayed ceramics about 3 to 16 GPa and of aluminum titanate about 15 to 30 GPa. With that are Impe jumps by a factor of 5 to 25 are easily possible.
- b) Eine Auslöschung durch Interferenz kann erreicht werden, wenn die Dicke der besonderen Keramik bei Mehrfach reflexion an ihren beiden Grenzflächen die Auslöschungs bedingung erfüllt. Das ist beispielsweise der Fall, wenn die Dicke ein Viertel der Wellenlänge einer Schallwelle in der besonderen Keramik beträgt. Für plasmagespritzte Kera mik ist dies beispielhaft je nach Material bei einer Dicke von 0,6 bis 1,6 mm, für Aluminiumtitanat bei 1,5 bis 2 mm der Fall, wenn die Ultraschallfrequenz 1,5 MHz beträgt.b) Erasure by interference can be achieved if the thickness of the special ceramic at multiple the extinction at their two interfaces conditions met. This is the case, for example, if the thickness a quarter of the wavelength of a sound wave in the special ceramics. For plasma sprayed Kera This is exemplified by the thickness depending on the material from 0.6 to 1.6 mm, for aluminum titanate at 1.5 to 2 mm the case when the ultrasound frequency is 1.5 MHz.
- c) Die Schalldämpfung oder Absorption beim Schalldurchgang ist bei den genannten besonderen Keramiken durch das stark gestörte Kristallitgefüge sehr gut. Dabei eignen sich un geglühte Plasmakeramiken besser als geglühte, da letztere in ihren Eigenschaften wieder nahe an konventionelle Kera miken rücken.c) The sound attenuation or absorption in the passage of sound is strong in the mentioned special ceramics disturbed crystallite structure very good. Here are un annealed plasma ceramics better than annealed ones because the latter in their properties again close to conventional Kera miken back.
Die Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit der besonderen Keramiken ist ebensogut wie die der entsprechenden konventio nellen Keramiken. Sie sind also für Messungen der Prozeß technik hervorragend geeignet. Hierin ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber Elastomer-Materialien zu sehen, die bei Meßaufnehmern in der Prozeßtechnik wegen ihrer schlechten Temperaturbeständigkeit und Unbeständigkeit gegen Chemika lien, z. B. Lösungsmitteln oder Säuren, häufig nicht verwend bar sind. Sehr gut chemikalienbeständige und gut temperatur beständige Dichtungen aus PTFE oder verwandten Materialien dichten aber wegen ihrer ausgeprägten Kriecheigenschaft nur bei vollständiger konstruktiver Umschließung dauerhaft ab. Diese Umschließung aus festerem, somit weniger gut schall dämpfendem Material würde aber wieder einen Pfad für den un erwünschten Körperschall eröffnen. The chemical and temperature resistance of the special Ceramics are just as good as those of the corresponding convention bright ceramics. So they are the process for measurements technology excellently suited. Here is an essential one See advantage over elastomeric materials at Sensors in process technology because of their bad Temperature resistance and chemical resistance lien, e.g. B. solvents or acids, often not used are cash. Very good chemical resistant and good temperature resistant seals made of PTFE or related materials but only seal because of their pronounced creep properties with complete constructive enclosure permanently. This enclosure made of firmer, so less good sound damping material would again be a path for the un open desired structure-borne noise.
Die schalldämpfende Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch besser als eine Beschichtung oder Verkleidung des Meßrohrs eines Durchflußmessers mit einem geeigneten schwin gungsdämpfenden Kunststoff, bei welcher der Körperschall le diglich etwa um den Faktor 2 bis 4 gedämpft wird. Für eine ausreichend geringe Meßwertverfälschung reicht diese Dämpfung nicht aus. Zudem begrenzt der Einsatz von Kunststoffen im allgemeinen die zulässige Höchsttemperatur. Eine Verwendung von Kunststoffen als Vollmaterial für das Meßrohr würde zwar eine ausreichende Körperschalldämpfung bewirken, jedoch steht dieser Maßnahme bis auf wenige Ausnahmen die geringe Tempera tur- und Chemikalienfestigkeit der Kunststoffe entgegen. Da die akustische Schallimpedanz von Flüssigkeiten etwa der von Kunststoffen entspricht, verfügen mit Schallreflexionen ar beitende Ultraschall-Meßverfahren, z. B. die bekannte W-An ordnung, nach mehrmaligen Reflexionen auch an höchstgefüllten Kunststoffrohren nicht mehr über ein ausreichendes Empfangs signal.The sound absorbing effect of the device according to the invention is also better than coating or covering the Measuring tube of a flow meter with a suitable schwin damping plastic, in which the structure-borne noise diglich is damped by a factor of 2 to 4. For one this damping is sufficient for a sufficiently low distortion of the measured values not from. In addition, the use of plastics in the generally the maximum permissible temperature. One use of plastics as a solid material for the measuring tube would indeed cause sufficient structure-borne noise attenuation, but stands this measure, with a few exceptions, the low tempera the plastic and the mechanical and chemical resistance. There the acoustic sound impedance of liquids is about that of Corresponds to plastics, ar with sound reflections processing ultrasonic measuring methods, e.g. B. the well-known W-An order, after repeated reflections even on highly filled ones Plastic pipes no longer have sufficient reception signal.
Dagegen bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Möglich keit, Ultraschallwandler in ein Meßrohr druckfest, tempera turfest, chemikalienbeständig, dicht, körperschalldämpfend und gegebenenfalls fugenfrei einzubauen. Die Chemikalien beständigkeit dieser besonderen Keramiken ist ebensogut wie die der entsprechenden konventionellen. Zudem sind diese Ke ramiken sehr gut temperaturfest im Bereich der Prozeßtechnik und dabei sehr temperaturschockbeständig. Druckfestigkeit und Fugenfreiheit richten sich nach der speziell gewählten Art des Einbaus.In contrast, the device according to the invention offers one possibility speed, ultrasonic transducer in a measuring tube pressure-resistant, tempera door-resistant, chemical-resistant, leakproof, structure-borne noise damping and, if necessary, install without joints. The chemicals The durability of these special ceramics is as good as that of the corresponding conventional. In addition, these are Ke ramiken very good temperature resistant in the field of process technology and very resistant to temperature shock. Compressive strength and Free of gaps depend on the specially selected type of installation.
Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Er findung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.Based on the drawings, in which embodiments of the Er are shown, the invention are the following as well as configurations and advantages explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Vorrichtung mit einem durch Einschrumpfen be festigten Ultraschallwandler, Fig. 1 shows a device with a shrinking be strengthened by ultrasonic transducer
Fig. 2 bis 6 Vorrichtungen zur Aufnahme eines Ultra schallwandlers mit seitlichem Flansch, Fig. 2 to 6 means for receiving an ultrasound transducer with a side flange,
Fig. 7 eine Vorrichtung mit einem Ultraschallwandler mit Außengewinde, Fig. 7 shows a device with an ultrasonic transducer with external thread,
Fig. 8 eine Vorrichtung mit einem Wandler mit Konussitz, Fig. 8 shows a device having a transducer with conical seat,
Fig. 9 und 10 Vorrichtungen mit körperschalldämpfend vor bereiteten Meßrohren und Fig. 9 and 10 devices with structure-borne noise before prepared measuring tubes and
Fig. 11 und 12 Vorrichtungen mit körperschalldämpfend vor bereiteten Wandlern. FIGS. 11 and 12 devices with sound-absorbing body before prepared transducers.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung mit einem Ultraschallwandler dargestellt, der aus einem piezoaktiven Element 1 in einem becherförmigen Topf 2 besteht. Die Außenseite des Topfes 2 ist durch Plasmaspritzen mit Plasmakeramik 3 versehen und an schließend so bearbeitet, daß ein vorgegebener Außendurchmes ser sehr genau eingehalten wird. Auch der Innendurchmesser eines im wesentlichen zylinderförmigen Fortsatzes 4 der Meß rohrwandung 5 ist mit enger Toleranz eingehalten, so daß eine Passung entsteht, die es erlaubt, den beschichteten, kalten Ultraschallwandler in den Fortsatz 4 eines erwärmten Meß rohres einzusetzen. Nach Erkalten des Meßrohres ist der Wand ler fest eingeschrumpft. Die gute Temperaturschockbeständig keit der meisten plasmagespritzten Keramiken verhindert bei diesem Vorgehen eine Zerstörung der Keramik. Ein weiterer Vorteil ist die fugenfreie Verbindung zwischen Wandlertopf 2 und Plasmakeramik 3 und weiter zum Fortsatz 4 der Meßrohrwan dung 5. Die zum Einschrumpfen notwendige Temperatur richtet sich nach dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Rohr materials, der Festigkeit der Plasmakeramik 3, der Dicke des Fortsatzes 4, der Reibungszahl der Plasmakeramik 3 und des Fortsatzes 4, dem maximalen Druck des durch das Meßrohr flie ßenden Mediums, dem Durchmesser des Wandlertopfes 2 und der maximalen Mediumtemperatur.In Fig. 1 shows a device with an ultrasonic transducer consisting of a piezo-active element 1 in a cup-shaped pot 2. The outside of the pot 2 is provided by plasma spraying with plasma ceramic 3 and then processed in such a way that a predetermined outer diameter is observed very precisely. The inner diameter of a substantially cylindrical extension 4 of the measuring tube wall 5 is adhered to with close tolerance, so that a fit arises that allows the coated, cold ultrasonic transducer to be inserted into the extension 4 of a heated measuring tube. After the measuring tube has cooled, the wall is shrunk tight. The good temperature shock resistance of most plasma-sprayed ceramics prevents the ceramic from being destroyed in this process. Another advantage is the seamless connection between transducer pot 2 and plasma ceramic 3 and further to extension 4 of the Messrohrwan extension 5th The temperature required for shrinking depends on the thermal expansion coefficient of the tube material, the strength of the plasma ceramic 3 , the thickness of the extension 4 , the coefficient of friction of the plasma ceramic 3 and the extension 4 , the maximum pressure of the medium flowing through the measuring tube, the diameter of the converter bowl 2 and the maximum medium temperature.
In Fig. 2 ist das piezoaktive Element 6 eines Ultraschall wandlers in einem Topf 7 untergebracht, der einen umlaufenden Flansch 8 aufweist. Ein als separates Teil vorliegender, an seiner Ober- und Unterseite plangeschliffener Ring 9 dient als Dichtung und zur Körperschallisolierung. Dieser Ring 9 kann aus Plasmakeramik, aber auch aus der Sinterkeramik Al₂TiO₅ gefertigt sein. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Kappe 10 auf, die mit in der Zeichnung nicht sichtbaren Schrauben an einem Meßrohr 11 befestigt wird. Um zu verhin dern, daß die aus körperschalleitendem Material gefertigte Kappe 10 einen Körperschallweg zum Meßrohr 11 eröffnet, ist ein zweiter Ring 12 vorgesehen, der Kappe 10 und Flansch 8 des Topfes 7 gegeneinander isoliert. Dieser zweite Ring 12 kann ebenfalls aus Plasmakeramik oder einer geeigneten Sinterkeramik, aber auch aus jedem anderen körperschalldämp fenden Material bestehen, das die mechanischen Anforderungen erfüllt. Da sich der zweite Ring 12 außerhalb des Meßmediums befindet und keinerlei Kontakt zu diesem hat, werden an seine Chemikalienbeständigkeit keine besonderen Ansprüche gestellt. Radial sind Kappe 10 und Flansch 8 durch einen Luftspalt 13 voneinander getrennt. Dieser kann aber auch durch ein belie biges schalldämpfendes Material gefüllt sein. Neben der be schriebenen Befestigungsart der Kappe 10 auf dem Meßrohr 11 sind weitere lösbare Befestigungsarten, aber auch nichtlös bare wie z. B. Verschweißen mit dem Meßrohr 11 möglich.In Fig. 2, the piezoactive element 6 of an ultrasonic transducer is housed in a pot 7 , which has a circumferential flange 8 . A ring 9, which is present as a separate part and is ground on its upper and lower sides, serves as a seal and for structure-borne noise insulation. This ring 9 can be made from plasma ceramics, but also from the sintered ceramic Al₂TiO₅. The device also has a cap 10 which is fastened to a measuring tube 11 with screws which are not visible in the drawing. In order to prevent the cap 10, which is made of body-sound-conducting material, from opening a structure-borne sound path to the measuring tube 11 , a second ring 12 is provided, the cap 10 and flange 8 of the pot 7 being insulated from one another. This second ring 12 can also consist of plasma ceramic or a suitable sintered ceramic, but also of any other structure-borne sound-absorbing material that meets the mechanical requirements. Since the second ring 12 is outside the measuring medium and has no contact with it, no special demands are placed on its chemical resistance. Radially, cap 10 and flange 8 are separated from one another by an air gap 13 . However, this can also be filled with any sound-absorbing material. In addition to the described type of attachment of the cap 10 on the measuring tube 11 are other releasable types of attachment, but also non-releasable such. B. welding with the measuring tube 11 possible.
Der Wandlertopf 14 eines Ultraschallwandlers mit einem piezoaktiven Element 15 in Fig. 3 besitzt ebenfalls einen Flansch, der erfindungsgemäß durch einen Ring 16 aus besonde rer Keramik körperschalldämpfend gegen ein Meßrohr 17 gela gert ist. Eine Kappe 18 ist jedoch selbst aus körperschall dämpfendem Material, beispielsweise aus besonderer Keramik oder Kunststoff, gefertigt. Vorteilhaft kann dadurch ein Spalt zwischen Flansch und Kappe 18 sowie ein zweiter Ring entfallen. Eine Verschweißung der Kappe 18 mit dem Meßrohr 17 ist in dieser Ausführungsform aufgrund verschiedener Mate rialien im allgemeinen nicht möglich.The transducer pot 14 of an ultrasonic transducer with a piezoactive element 15 in FIG. 3 also has a flange which, according to the invention, is body-sound absorbing against a measuring tube 17 by a ring 16 made of special ceramic. However, a cap 18 is itself made of structure-borne noise-damping material, for example of special ceramic or plastic. As a result, a gap between the flange and the cap 18 and a second ring can advantageously be eliminated. A welding of the cap 18 to the measuring tube 17 is generally not possible in this embodiment due to various materials.
Fig. 4 zeigt ein piezoaktives Element 19 mit einem Topf 20, dessen Form demjenigen in Fig. 2 ähnelt. Er ist in der Vor richtung wieder zwischen zwei schalldämpfenden Ringen 21 und 22 gelagert. Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 2 wird in Fig. 4 eine Kappe 23 jedoch nicht direkt an einem Meßrohr befestigt, sondern weist selbst ein Außengewinde auf, durch das sie an einem zylinderförmigen Fortsatz 24 eines Meßrohrs 25, der mit einem korrespondierenden Innengewinde versehen ist, eine Schraubverbindung herstellt. FIG. 4 shows a piezoactive element 19 with a pot 20 , the shape of which is similar to that in FIG. 2. It is stored in the on direction again between two sound-absorbing rings 21 and 22 . In a departure from the embodiment according to FIG. 2, a cap 23 is not attached directly to a measuring tube in FIG. 4, but instead has an external thread through which it is attached to a cylindrical extension 24 of a measuring tube 25 , which is provided with a corresponding internal thread , creates a screw connection.
In Fig. 5 besteht eine Kappe 26 wiederum aus körperschall dämpfendem Material, so daß gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 4 auf einen zweiten körperschalldämpfenden Ring zwischen Kappe 26 und Topf 27 mit piezoaktivem Element 28 verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß dient auch hier ein Ring 29 aus einer besonderen Keramik zur schalldämpfenden La gerung des Wandlertopfes 27 gegen ein Meßrohr 30.In Fig. 5 a cap 26 in turn consists of structure-borne sound damping material, so that compared with the embodiment according to FIG. 4 to a second noise-insulating ring between the cap 26 and pot 27 may be dispensed with piezoelectric active element 28. According to the invention, a ring 29 made of a special ceramic is also used here for the sound-absorbing coating of the converter pot 27 against a measuring tube 30 .
Die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung entspricht der in Fig. 5 gezeigten; gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszei chen versehen. Jedoch weist hier ein Ring 31 aus einer beson deren Keramik eine Nut für einen weiteren Dichtungsring 32 auf, der in dieser Vorrichtung allseitig umschlossen ist und damit nicht kriechen kann. Diese Dichtung kann beispielsweise aus PTFE bestehen und verbessert die Dichteigenschaften des Rings 31.The device shown in Fig. 6 corresponds to that shown in Fig. 5; the same parts are provided with the same reference characters. However, here a ring 31 made of a special ceramic has a groove for a further sealing ring 32 which is enclosed on all sides in this device and thus cannot crawl. This seal can be made of PTFE, for example, and improves the sealing properties of the ring 31 .
In Fig. 7 ist auf einen Topf 33 mit einem piezoaktiven Ele ment 34 eine Schicht 35 aus Keramik durch Plasmaspritzen auf getragen. Diese Schicht 35 ist mit einem Außengewinde verse hen, mit welchem der Ultraschallwandler in ein dazu korre spondierendes Innengewinde eines Fortsatzes 36 eines Meßroh res 37 eingeschraubt ist. Diese Verschraubung stellt eine dichte Verbindung zwischen dem plasmabeschichteten Wandler 34 und dem Fortsatz 36 des Meßrohres 37 her. Zusätzlich ist ein allseitig umschlossener Dichtring 38 vorgesehen, der bei ge nügender Dichtwirkung der Plasmakeramik 35 entfallen kann. In Fig. 7, a layer 35 of ceramic is carried by plasma spraying on a pot 33 with a piezoactive element 34 . This layer 35 is provided with an external thread, with which the ultrasound transducer is screwed into a corresponding internal thread of an extension 36 of a measuring tube 37 . This screw connection creates a tight connection between the plasma-coated transducer 34 and the extension 36 of the measuring tube 37 . In addition, a sealing ring 38 , which is enclosed on all sides, is provided, which can be omitted if the plasma ceramic 35 is sufficiently sealing.
In Fig. 8 ist ein Topf 39 mit einem piezoaktiven Element 40 ebenfalls erfindungsgemäß in einer besonderen Keramik 41 ge lagert. Die Keramik 41 ist konisch geformt und in einen dazu korrespondierenden konischen Sitz eines im wesentlichen zy linderförmigen Fortsatzes 42 eines Meßrohres 43 eingepreßt. Der Fortsatz 42 ist durch eine Kappe 44 aus körperschalldämp fendem Material verschlossen, die beispielsweise durch in Fig. 8 nicht sichtbare Schrauben befestigt ist.In Fig. 8, a pot 39 with a piezoactive element 40 is also ge according to the invention in a special ceramic 41 stored. The ceramic 41 is conically shaped and pressed into a corresponding conical seat of a substantially cylindrical extension 42 of a measuring tube 43 . The extension 42 is closed by a cap 44 made of sound absorbing material which is fastened, for example, by screws which are not visible in FIG. 8.
Die Vorrichtung nach Fig. 9 ist derjenigen in Fig. 5 ähn lich, so daß für gleiche Teile wieder gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Ein Ring 45 aus einer besonderen Keramik ist hier nicht als separates Teil ausgeführt, sondern fest mit dem Meßrohr 30 verbunden. Dazu wird das Meßrohr 30 an den Stellen, an denen später der Wandler aufsitzt, durch Auf spritzen mit Plasmakeramik versehen. Durch Planschleifen wird eine Dichtfläche zum Flansch des Topfes 27 hin erzeugt. Auf dieser Fläche liegt der Flansch auf, und die Kappe 26 ver schließt den Einbauplatz des Wandlers.The apparatus of FIG. 9 is similar to that in Fig. 5 similarities Lich, so that again for like parts reference numerals are used. A ring 45 made of a special ceramic is not designed here as a separate part, but is firmly connected to the measuring tube 30 . For this purpose, the measuring tube 30 is provided at the points at which the transducer later sits, by spraying with plasma ceramics. A sealing surface to the flange of the cup 27 is produced by surface grinding. On this surface the flange rests, and the cap 26 ver closes the installation location of the converter.
In einer abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 10 ist nicht nur die Stelle, an welcher der Wandler aufsitzt, son dern das gesamte Meßrohr 30 oder ein großer Teil davon außen mit Plasmakeramik 46 versehen. Durch Planschleifen an den Stellen, die zur Dichtung des Wandlereinbauplatzes dienen sollen, wird eine Dichtfläche erzeugt. Der Verbund der Plasmakeramik 46 mit dem Meßrohr 30 dämpft das schwingfähige Meßrohrmaterial und sorgt daher für zusätzliche Körperschall dämpfung.In a modified embodiment according to FIG. 10, not only the point at which the transducer is seated, but also the entire measuring tube 30 or a large part thereof is provided on the outside with plasma ceramic 46 . A sealing surface is created by surface grinding at the points that are to be used to seal the converter installation location. The combination of the plasma ceramic 46 with the measuring tube 30 dampens the oscillatable measuring tube material and therefore provides additional structure-borne noise damping.
Bei der in Fig. 11 dargestellten Vorrichtung ist im Unter schied zur Vorrichtung nach Fig. 9 nicht das Meßrohr 30, sondern der Flansch des Topfes 27 erfindungsgemäß mit einer Beschichtung einer besonderen Keramik 47 versehen. Nach Plan schleifen der Dichtfläche wird der Wandler gemeinsam mit dem Keramikring 47 zur Körperschalldämpfung auf das Meßrohr 30 gesetzt, so daß in diesem Ausführungsbeispiel der Ultra schallwandler nur als ein Teil am Meßrohr 30 zu montieren ist.In the device shown in FIG. 11, in contrast to the device according to FIG. 9, not the measuring tube 30 but the flange of the pot 27 according to the invention is provided with a coating of a special ceramic 47 . According to plan grinding the sealing surface of the transducer is placed together with the ceramic ring 47 for structure-borne noise on the measuring tube 30 , so that in this embodiment, the ultrasonic transducer is only to be installed as part of the measuring tube 30 .
Besonders vorteilhaft können Merkmale der Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 11 zur in Fig. 12 dargestellten Vor richtung kombiniert werden, bei der neben dem Flansch des Wandlertopfes 27 auch der dem Meßrohr 30 zugewandte Teil der Mantelfläche des Wandlertopfes 27 erfindungsgemäß mit einer Schicht einer besonderen Keramik 48 versehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird der mit Keramik 48 beschichtete Wandlertopf 27 fugenfrei in eine dafür vorgesehene Öffnung des Meßrohres 30 eingeschrumpft. Im Vergleich zu der Ausfüh rungsform nach Fig. 1 ist hier eine niedrigere Temperatur und ein geringerer mechanischer Aufwand zum Einschrumpfen erforderlich, da die Druckfestigkeit durch die Kappe 26 er reicht wird. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 11 ist auch hier der Wandler einteilig zu montieren.It is particularly advantageous, features of the embodiments according to FIGS. 1 and 11 to in Fig. 12 shown are combined before direction in which 27 also the measuring tube 30 facing part of the lateral surface of the transducer pot 27 according to the invention with a layer of a special addition to the flange of the transducer pot Ceramic 48 is provided. In this exemplary embodiment, the transducer pot 27 coated with ceramic 48 is shrunk without joints into an opening provided in the measuring tube 30 . In comparison to the embodiment according to FIG. 1, a lower temperature and a lower mechanical outlay for shrinking are required here, since the compressive strength is achieved by the cap 26 . As in the embodiment according to FIG. 11, the converter must also be assembled in one piece.
Falls gewünscht, beispielsweise für die bekannte W-förmige Schallführung eines Ultraschall-Durchflußmessers, ist es bei allen Ausführungsformen durch geeignete Auslegung der Vor richtung oder des Ultraschallwandlers auf einfache Weise mög lich, den Ultraschall in Schrägrichtung in das Meßmedium zu senden oder aus diesem zu empfangen.If desired, for example for the well-known W-shaped Sound guidance of an ultrasonic flow meter, it is at all embodiments by appropriate design of the front direction or the ultrasonic transducer in a simple way Lich, the ultrasound in the oblique direction in the measuring medium send or receive from this.
Claims (10)
- - daß das keramische Material durch Plasmaspritzen herge stellt ist und
- - daß sein Elastizitätsmodul weniger als 16 GPa beträgt.
- - That the ceramic material is Herge by plasma spraying and
- - That its modulus of elasticity is less than 16 GPa.
- - daß die plasmagespritzte Keramik Korund, Mullit oder Zirkon enthält.
- - That the plasma-sprayed ceramic contains corundum, mullite or zircon.
- - daß das keramische Material (47) gesintertes Aluminium titanat ist und
- - daß sein Elastizitätsmodul in Schallausbreitungsrichtung weniger als 30 GPa beträgt.
- - That the ceramic material ( 47 ) is sintered aluminum titanate and
- - That its modulus of elasticity in the direction of sound propagation is less than 30 GPa.
- - daß das keramische Material (47) selbst in einem Träger material (30) gelagert ist, dessen akustische Impedanz von derjenigen des keramischen Materials (47) verschieden ist, und
- - daß somit an der Grenzfläche beider Materialien (30, 47) ein sprunghafter Übergang der akustischen Impedanz vorhan den ist.
- - That the ceramic material ( 47 ) itself is mounted in a carrier material ( 30 ), the acoustic impedance of which is different from that of the ceramic material ( 47 ), and
- - That thus at the interface of the two materials ( 30 , 47 ) there is a sudden transition of acoustic impedance.
- - daß das keramische Material (47) als Schicht zwischen Schallwandler (27, 28) und Trägermaterial (30) ausgebildet ist, deren Dicke etwa ein Viertel der Wellenlänge der Schallwellen im keramischen Material (47) beträgt.
- - That the ceramic material ( 47 ) is formed as a layer between sound transducers ( 27 , 28 ) and carrier material ( 30 ), the thickness of which is approximately a quarter of the wavelength of the sound waves in the ceramic material ( 47 ).
- - daß mehrere Schichten unterschiedlicher akustischer Impe danz in Schallausbreitungsrichtung nach Art eines Sandwich- Aufbaus hintereinander angeordnet sind.
- - That several layers of different acoustic impedance are arranged one behind the other in the direction of sound propagation in the manner of a sandwich structure.
- - daß zur Aufnahme des Schallwandlers (14, 15) eine becher förmige Kappe (18) aus schalldämpfendem Material vorgesehen ist mit einem Innendurchmesser, der größer als der Durch messer der Öffnung in der Wandung (17) ist und koaxial über dieser auf der Wandung (17) befestigbar ist, so daß der Schallwandler (14, 15) gegen die Wandung (17) gedrückt wird, und
- - daß die Oberflächenbereiche des Schallwandlers (14, 15), welche sich im Bereich der Wandung (17) befinden, mit dem keramischen Material (16) beschichtet sind.
- - That to accommodate the transducer ( 14 , 15 ) a cup-shaped cap ( 18 ) made of sound-absorbing material is provided with an inner diameter that is larger than the diameter of the opening in the wall ( 17 ) and coaxially above this on the wall ( 17 ) can be fastened so that the sound transducer ( 14 , 15 ) is pressed against the wall ( 17 ), and
- - That the surface areas of the transducer ( 14 , 15 ), which are located in the region of the wall ( 17 ), are coated with the ceramic material ( 16 ).
- - daß zur Aufnahme des Schallwandlers (27, 28) ein hohlzylin derförmiger Fortsatz vorgesehen ist mit einem Innendurch messer, der größer als der Durchmesser der Öffnung ist und koaxial über dieser auf der Wandung angeordnet ist, und
- - daß die der Öffnung abgewandte Seite des Hohlzylinders mit einer Kappe (26) aus schalldämpfendem Material verschließ bar ist, die so ausgebildet ist, daß der Schallwandler (27, 28) im geschlossenen Zustand gegen die Wandung (30) ge drückt wird.
- - That for receiving the transducer ( 27 , 28 ) a hohlzylin deriform extension is provided with an inner diameter that is larger than the diameter of the opening and is arranged coaxially above this on the wall, and
- - That the side facing away from the opening of the hollow cylinder is closed with a cap ( 26 ) made of sound-absorbing material, which is designed such that the sound transducer ( 27 , 28 ) in the closed state is pressed against the wall ( 30 ).
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