超声转换器及超声流量计制造技术

本发明专利技术的目的是提供一种超声转换器（１ａ），该转换器允许通过横向超声波检验测量管（８）。为此目的，转换器（１ａ）包括一置入在媒质和超声波发生器之间的相位衍射栅（１４）。所述相位衍射栅包含不同的声速的区域。超声转换器（１ａ）最好用于流量计上。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超声转换器，且本专利技术还涉及一种超声流量计。这类超声转换器用于分别将超声波衍射束到媒质之中，并接收从媒质内来的超声波束。它们尤其是被使用于在流量计中记录媒质的流量。流量计测定在管道系统中接收的流动媒质的数量，由此测定媒质所传送的能量，特别是热能。流量计使管子系统的操作人员可以为接收的客户开出帐单请客户付款，数量根据流量表读数计算。WO 86/02723描述了一种在流动媒质中成对安排的超声转换器。超声转换器能激发出平行于流体流动方向的超声波，也能接收相对方向的转换器所发出的超声波。在上游发射的脉冲在媒质中的传送时间和在下游方向发射的脉冲在媒质中的传送时间不同，因为声波在媒质中经过，此传送时间可以用于计算流量或流率。超声波转换器的表面结构影响声波的发射，特别是影响声波的成束的程度。超声转换器的这种简单的安排的缺点是对流动的阻力很大。DE-OS 40 10 148 A1描述了一种用于气体及液体的流量计，它对流体流动的阻力要小得多。超声转换器位于管子直径之外测量管管壁之内的凹进部分之中。这种安排要求超声束横向于测量管子的轴线，它只有多次在测量管壁上被反射后才能遇上接收的转换器。超声波波束以V字或W字形在测量管中经过。这可以获得一个非均匀的流量的较好的平均值。但是，要衍射波束以直线形式通过窗口，需要精确对齐超声波转换器，这使得流量计的成本提高。DE 30 20 282 A1中揭示了一种间隔插入式转换器，它成功地克服了上述缺点。所述间隔插入式转换器是一种两维的陶瓷压电材料件，其特点是，在陶瓷材料件的一侧上设置具有间隔插入式结构的两个电极，电极由交流电压充电。这种间隔插入式结构的电极彼此安排成像两个互相不接触反向梳子的齿那样彼此偏移设置。面向媒质的另一侧上整个地覆盖上整片电极。当两个具有180°相位差的相同频率f的交流电压加在两电极及整片电极之间时，其上覆盖着间隔插入式结构的压电材料的区域产生厚度方向的振荡，超声波通过另一侧上的整片电极以垂直于整片电极的角度发送出超声波。该衍射角取决于频率f，交流电压的相位差以及插入式结构的周期性。这种插入式转换器使流量计的成本提高得很多。另外，GB2011219揭示了一种超声探头，它用于以影像技术作为协助检查身体的医疗
使超声探头和身体表面之间的接触点起绉纹以压制探头/身体接触面处不希望的反射。为了能生产真正廉价的超声波流量计，超声转换器的问题的解决是一个前提性的基本的条件。为此，一相位衍射栅设置在超声转换器处，此相位衍射栅可以允许超声波作横向衍射。通过相应地设计区域的尺寸或选择恰当的材料，可以确保超声波以一预定的衍射角衍射。该区域形成为交替的突出部和槽。突出部由一高度h和一距离d并由槽所隔开。由超声发生器发送入媒质的超声波被该相位衍射栅所衍射。该衍射栅近似地垂直于发射表面以一预定的衍射角度±α衍射。壳体壁的材料，尤其是突出部和槽的材料以及栅的常数(距离d及高度h等)决定了相位衍射栅(14)的衍射角度±α，这在与媒质直接接触的情况下是很重要的。下列各节结合附图进一步阐述本专利技术的设计、其他的优点及其细节附图的简单介绍附图说明图1是一超声转换器的截面视图。图2是一对称相位衍射栅的截面视图。图3是一超声转换器的顶视图。图4是一非对称相位衍射栅的截面视图。图5是多级相位衍射栅的截面视图。图6是聚焦相位衍射栅的顶视图。图7是超声转换器中的相位衍射栅的另一种设置的视图。图8是流量计的截面视图。较佳实施例的详细描述图1示出了一位于测量管内的超声转换器1a。在超声转换器内有作为其特征的一超声发生器的压电元件。在图1中，1是压电元件，2和3是电极，4是供给电极2和3的电的供给线，5是转换器壳体，6是转换器壳体的内部空间，7是转换器壳体5的凸缘，8是流量计8a的测量管子的截面视图，9是测量管8的一个开口，10是所谓的超声可透过的窗口。在窗口10的一侧(面向媒质13的一侧)，突出部11及槽12形成一声衍射栅14。媒质的声速是CM。在这一情况下，转换器壳体5的形状就像一只盒子，它由一圆的或多角形表面作为底部与媒质隔开。此圆的或多角形底部表面是超声波可透过的窗口10。其外表面10a与媒质13相接触。窗口10由转换器壳体5的壳体壁10b形成。衍射栅14位于窗口10的两个表面之一处(前面或后面)。在图1中，该衍射栅位于窗口10的一侧，此侧是面向媒质13的。转换器壳体5置于测量管8的开口9内，窗口10及衍射栅14先进入。这样衍射栅14就直接和媒质13有声波相接触。凸缘7将转换器壳体5定位在开孔9内，紧紧地(密闭地)与测量管8的凸缘相连，这样，与测量管轴线16平行地流动的媒质13，当它在流动方向15流动时，就不能从测量管8逸出。压电元件1(它在这里作为超声发生器的一个较好的例子)，是一个两维的材料片，可以是圆形或多边形的。它由电极化陶瓷或电极化塑料制成，例如PVF(聚氟乙烯)或PVDF(聚偏1，1-二氟乙烯)。压电材料件的相对平行表面上覆盖着电极2及3，例如把金、铝或其他导电材料通过真空金属化覆盖在压电材料件的两个平行表面上。压电元件1，与第一电极2一起紧贴在面向离开媒质13的一面的一侧上。这就确保了超声波可以毫无问题地从压电元件1通过窗口10及衍射栅14而进入媒质13。在具有超声速度C的材料中，超声波可以以λ＝c/f的波长传播。超声波以垂直于压电元件1的表面的方向成直线发射，这个面面向窗口10并且被第一电极2覆盖着。内部空间6充满着空气或绝缘材料。因此，基本上没有超声波被第二电极3所发射。电源线4把电极2及3连接到一位于转换器壳体9外的评定装置(图中未示出)。此评定装置基本上是根据已有技术设计的。在传送阶段，此定值装置把一频率为f的交流电压通过电源线4加到电极2和3上以使压电元件1在频率为f的交流场中发生厚度方向的振荡。在紧接着发射阶段后的接收阶段中，从通过窗口10进入压电元件1的媒质13来的超声波在电势上产生了变化(与电极2和电极3之间频率为f的超声波不同)。电势的变化通过电源线4以电信号的形式达到定值装置。用于产生超声波的频率一般在50KHz到10MHz左右。当流动的媒质是水时，较佳的频率f在约1MHz(0.9MHz～1.1MHz)。面向媒质1 3的窗口10的那一侧具有突出部11，其高度等于H。突出部11以距离d均匀地间隔开。在一种设计中，位于突出部11之间的呈锯齿形的槽12内充满着媒质13，在另一种设计中，它们充满了固体物质。在衍射栅14的一种设计中，突出部11和槽12的纵断面呈矩形或不规则四边形，其中脉冲占空系数是突出部11的横截面表面与槽12的横截面表面的因数之比为1∶1。在槽12内的声速CM和/或C2，与突出部11中的声速C1不同。对超声波，突出部11与槽12形成位于窗口10前面的相位衍射栅14，下文就称之为衍射栅14，其栅形常数是如声速C1，CM和/或C2，断面形状，高度h，距离d。充有固体物质的槽12的衍射栅14的结构面向媒质13的是一平的接触面，因此突出部11不影响媒质13的流动。图2示出了位于窗口10和一保护层17之间的衍射栅14。衍射栅14的接触表面18，19(它们面对窗口10及保护层17)最好是平行的。窗口10和保护层17的厚度是一致的。接触面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声转换器，它用于将超声波衍射入媒质（１３），它具有超声发生器及一外表面（１０ａ）以与媒质（１３）相接触，其特征在于，在超声发生器和外表面（１０ａ）之间或在外表面上，具有声速不同的区域，这些区域形成一相位衍射栅（１４）。

【技术特征摘要】
DE 2000-11-30 10059566.91.一种超声转换器，它用于将超声波衍射入媒质(13)，它具有超声发生器及一外表面(10a)以与媒质(13)相接触，其特征在于，在超声发生器和外表面(10a)之间或在外表面上，具有声速不同的区域，这些区域形成一相位衍射栅(14)。2.权利要求1所述的超声转换器，其特征在于，超声发生器位于一转换器壳体(5)内，并与壳体壁(10b)进行声接触，此壳体壁(10b)带有该外表面(10a)。3.如权利要求1或2所述的超声转换器，其特征在于，所述具有声速不同的区域，设计成交替的突出部(11)和槽(12)，它们制入或接入外表面(10a)的材料之中。4.如权利要求1，2，3或4所述的超声转换器，其特征在于，这些区域是用不同材料制成的。5.如权利要求1至4中任一项所述的超声转换器，其特征在于，该超声发生器采用压电元件(1)的形式，它与壳体壁(10b)相接触，特别是在一平面上。6.如权利要求5所述的超声转换器，其特征在于，该压电元件(1)位于两分开的电极(2，3)之间。7.如权利要求1至6中任一项所述的超声转换器，其特征在于，相位衍射栅(14)具有平行的、曲面的槽(12)。8.如权利要求1至7任一项所述的超声转换器，其特征在于，相位衍射栅(14)具有平行的、直的槽(12)。9.如权利要求1至8任一项所述的超声转换器，其特征在于，相位衍射栅(14...

【专利技术属性】
技术研发人员：D佩普，
申请(专利权)人：兰迪斯GYR有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]