申请/专利权人：恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司

申请日：2016-07-26

公开（公告）日：2020-09-15

公开（公告）号：CN107923779B

主分类号：G01F1/66(20060101)

分类号：G01F1/66(20060101);G01P5/24(20060101);B06B1/06(20060101)

优先权：["20150817 DE 102015113561.2"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.09.15#授权;2018.05.11#实质审查的生效;2018.04.17#公开

摘要：本发明涉及一种包括声学变换器的超声换能器，其中声学变换器具有变换器主体，该变换器主体具有中空空间，并且中空空间通过膜接近介质，该膜的中央自由震荡。此外，本发明还涉及一种用于生产这种声学变换器的方法。

主权项：1.一种超声换能器22,23，所述超声换能器22,23在用于测量管线24中介质的流速或体积流量的超声流量测量装置中使用，所述超声换能器22,23包括：用于产生和或检测超声信号的至少一个压电换能器4；至少一个声学变换器1.2，其中所述至少一个声学变换器具有变换器主体，所述变换器主体具有至少一个中空空间5.1-5.10，其中所述声学变换器与所述压电换能器声学地耦合，其特征在于，所述至少一个中空空间和所述介质之间具有膜3，所述膜的中央自由振荡。

全文数据：具有中空空间的超声换能器以及用于制造超声换能器的方法技术领域[0001]本发明涉及包括声学变换器的超声换能器以及涉及用于制造这种声学变换器的方法。背景技术[0002]现有技术中的超声换能器使用压电换能器，以便在超声频率范围内将电信号转换成压力波动以及反之亦然。此外，这些压力波动通过声学变换器双向地在介质和压电换能器之间传输。在这种变换器的一种可能的实施例中，压力波动在介质和变换器之间直接传输。其不足是变换器和介质之间必须阻抗匹配，以便增强传输效率。在这种情况下，敏感材料被频繁使用，这导致超声换能器的应用范围受到限制。声学变换器的进一步的发展包括与管线的介质接触的且在其边缘粘固的可振荡膜。该膜由压力波动激发以执行横向振荡，其意味着阻抗匹配不再是必须的。文献DE10341422A1，US6672166B2和US3891869公开了具有这种声学变换器的超声换能器。这些超声换能器进一步地以膜的中央区域中具有杆状声学驱动器的膜的耦合为特征。在超声换能器的这种实施例的情况下的不足是复杂的结构和下述事实：由于膜与其中央区域的驱动器的耦合，所以膜具有有限的振荡能力。发明内容[0003]本发明的一个目标是提供一种具有简化结构并且没有振荡能力限制的超声换能器，以及提供一种用于制造该超声换能器的方法。本发明的目标是通过如独立权利要求1限定的超声换能器和通过如独立权利要求9和10限定的用于制造超声换能器的方法实现的。[0004]本发明的超声换能器包括用于产生和或检测超声信号的至少一个压电换能器；以及至少一个声学变换器，其中所述至少一个声学变换器具有变换器主体，该变换器主体具有至少一个中空空间，其中所述声学变换器与压电换能器声学地耦合，其中至少一个中空空间和介质之间具有膜，膜的中央自由振荡。在中央自由振荡且仅在其边缘被固定的膜与现有技术相比在振荡能力上受限制要少得多。虽然现有技术的膜能够假设仅有对称振荡模式，但是反对称振荡模式在本发明的膜的情况下是可能的。此外，在对称模式的情况下在中心区域振荡振幅最大，由此辐射最好沿着表面的法向。[0005]在超声换能器的实施例中，所述至少一个声学变换器适于在压电换能器和介质之间经由所述至少一个膜，尤其是双向地，传输超声信号。[0006]在超声换能器的一个实施例中，所述至少一个中空空间，例如在侧面或尤其是在端面，包括至少一个用于介质的开口。该至少一个开口例如可以通过钻孔产生，其中所述至少一个开口适于允许中空空间和管线中的介质之间的压力均衡。采用这种方式，可以防止由压力差引起的膜的预应力，从而所述膜可以非常薄且由此膜的最大振荡能力得以保证。此外，缺少压力均衡趋向于在中空空间产生比管线的介质中更小的振荡振幅。该方向依赖的振幅引起超声信号的非线性扰动，这对一些应用来说是不利的。[0007]在超声换能器的一个实施例中，不考虑所述至少一个中空空间的开口，超声换能器的几何结构相对于对称轴2是旋转对称的或轴对称的。[0008]在超声换能器的一个实施例中，声学变换器由陶瓷的或玻璃类的或金属材料构成。金属材料的示例是钛、钢和铝。在超声换能器的一个实施例中，超声换能器的工作频率是至少10kHz且尤其是至少50kHz，并且至多10MHz，尤其是至多500kHz。[0009]在超声换能器的一个实施例中，超声换能器的膜厚度是至少0.01mm且尤其是至少0.lmm，并且至多10mm，尤其是至多lmm。[0010]在超声换能器的一个实施例中，所述至少一个中空空间至少部分地由填充材料填充，其中所述填充材料是弹性体或泡沫，或优选的是可塑合成材料，例如塑料，或尤其是金属粉末。用这种方式，膜的振荡行为可以受到振荡衰减的影响。[0011]本发明的用于制造超声换能器的声学变换器的第一种方法，尤其是在用于测量管线中介质的流速或体积流量的超声流量测量装置中使用的、本发明的超声换能器的声学变换器，该方法的特征在于下述事实:所述声学变换器通过生成方法，以优选的方式通过3D打印方法或尤其是通过选择性激光熔化而制成。[0012]本发明的用于制造超声换能器的声学变换器的第二种方法，尤其是在用于测量管线中介质的流速或体积流量的超声流量测量装置中使用的、本发明的超声换能器的声学变换器，该方法的特征在于下述事实:所述声学变换器由多个独立部分生产，其中所述独立部分通过组合工艺，例如胶粘结合或尤其是焊接结合，而被组合。[0013]由此，本发明提供一种包括至少一个声学变换器的超声换能器，以及用于制造至少一个声学变换器的方法。附图说明[0014]现在将基于在附图中描述的多种形式的实施例更详细地解释本发明，附图如下所示：[0015]图1:本发明的超声换能器的超声换能器外壳的透视外观图；[0016]图2:穿过一种形式的超声换能器实施例的横截面；[0017]图3至图5.1:穿过多种形式的声学变换器实施例的横截面，其是超声换能器外壳的组件；[0018]图5.2:图5.1的形式的实施例的透视外观图；[0019]图6:超声换能器的另一种形式的实施例；[0020]图7.1:超声换能器外壳的一种形式的实施例的透视外观图；[0021]图7.2:穿过图7.1的形式的实施例的横截面；[0022]图8至11:穿过多种形式的超声换能器实施例的横截面;以及[0023]图12:—种安装在管线上的超声流量测量装置的示意图。具体实施方式[0024]图1示出的超声换能器外壳1的实施例的第一个示例的透视外观图示出了具有外螺纹1•1的外壳和形成声入口出口表面3的终端膜，其中外壳除了外螺纹之外相对于对称轴2旋转对称。[0025]如同图2中所示的、穿过超声换能器外壳1的横截面示出了在外壳内部安装到外壳上的压电换能器4、声学变换器作为超声换能器外壳的组件的声学变换器1.2、还有位于声学变换器中且具有圆形内表面的中空空间5.1，其中界定所述膜的内表面显示为整平。[0026]在图3中示出的穿过声学变换器1.2的横截面示出了位于声学变换器中的中空空间的一个实施例5.2的一个示例，其中中空空间的横截面区域以直线为界。[0027]在图4中示出的穿过声学变换器1.2的横截面示出了图3的中空空间实施例的一个示例，其中中空空间具有末端轴向开口。[0028]在图5.1中示出的穿过声学变换器1•2的横截面示出了图3的中空空间实施例的一个示例，其中中空空间在其侧面具有开口。[0029]图5.2示出了超声换能器外壳的透视外观图，该超声换能器外壳包括图5.1的实施例的示例，并且具有位于侧面的两个可见的中空空间开口。[0030]在图6中示出的穿过声学变换器1.2的横截面示出了图3的在其侧面具有开口的中空空间实施例的一个示例，其中开口的直径形成中空空间大小的很大一部分。[0031]在图7.1中示出的超声换能器外壳的实施例的一个示例的透视外观图示出了具有夕卜螺纹1.1和形成声音入口出口表面3的膜的外壳1;其中外壳除了外螺纹部分之外相对于对称轴2旋转对称;其中外壳在膜3的区域中还具有凹部8.1和轴环1.3。[0032]在图7.2中示出的穿过在图7.1中描述的超声换能器外壳的声学变换器1.2的横截面包括在外壳内部安装到外壳上的压电换能器4和位于声学变换器1.2中的中空空间5.6，其中膜部分地与轴环1.3相关联。[0033]在图8中示出的穿过声学变换器1.2的横截面示出了位于声学变换器内且具有圆形内表面的中空部分的另外一种形式的实施例5.7,其中远离膜3的内表面显示为平整。[0034]在图9中示出的穿过声学变换器1.2的横截面示出了声学变换器的另外一种形式的实施例，其中在横截面中外表面轮廓与邻接的内表面相对于轮廓对称轴9对称。[0035]在图10中示出的穿过声学变换器1_2的横截面示出了类似于图9的具有另一中空空间几何形状的形式的实施例，该几何形状具有在细节图A中放大示出的外表面轮廓。[0036]在图11中示出的穿过声学变换器1•2的横截面示出了类似于图9或图1〇的具有另一中空空间几何形状和膜的末端轴向开口的形式的实施例。[0037]在图12中示意性地示出的超声流量测量装置包括与管线24接触的两个超声换能器22，23，介质流动穿过该管线。[0038]参考标记列表[0039]1超声换能器外壳[0040]1.1外螺纹[0041]丨.2声学变换器[0042]1.3轴环[0043]2对称轴[0044]3膜声入口出口表面[0045]4压电换能器[0046]5.1-5.10多种形式的实施例H0的中空空间[0047]6轴向开口[0048]7•1和7•2径向开口（例如钻孔）[0049]8.1-8.5多种形式的实施例1-5的凹部[0050]9轮廓对称轴[0051]10对称的轮廓[0052]21电子操作电路[0053]22,23超声换能器[00M]24管线

权利要求：1.一种超声换能器22,23，所述超声换能器22,23在用于测量管线24中介质的流速或体积流量的超声流量测量装置中使用，所述超声换能器22，幻包括：用于产生和或检测超声信号的至少一个压电换能器⑷；至少一个声学变换器（1.2，其中所述至少一个声学变换器具有变换器主体，所述变换器主体具有至少一个中空空间（5.1-5.10，其中所述声学变换器与所述压电换能器声学地耦合，其特征在于，所述至少一个中空空间和所述介质之间具有膜3，所述膜的中央自由振荡。2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述至少一个声学变换器（I.2适于在所述压电换能器4和所述介质之间经由至少一个膜3，尤其是双向地，传输超声信号。3.根据权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述至少一个中空空间（5.1_5.10，例如在侧面或在端面，包括至少一个用于所述介质的开口®，7_1，7.2。4.根据权利要求2或3所述的超声换能器，其特征在于，不考虑所述至少一个中空空间的开口（6，7.1，7.2，所述超声换能器的几何结构相对于对称轴2是旋转对称的或轴对称的。5.根据前述权利要求中的一项所述的超声换能器，其特征在于，所述声学变换器1.2由陶瓷的或玻璃类的或金属材料构成。6.根据前述权利要求中的一项所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器的工作频率是至少10kHz，并且尤其是至少50kHz，其中所述超声换能器的工作频率是至多10MHz，并且尤其是至多500kHz。7.根据前述权利要求中的一项所述的超声换能器，其特征在于，所述超声换能器的膜厚度是至少0.01mm，并且尤其是至少0.1mm，其中所述超声换能器的膜厚度是至多l〇mm，并且尤其是至多1mm。8.根据前述权利要求中的一项所述的超声换能器，其特征在于，所述至少一个中空空间（5.1-5.10至少部分地由填充材料填充，其中所述填充材料是弹性体或泡沫，或优选地是可塑合成材料，例如塑料，或尤其是金属粉末。9.一种用于制造超声换能器22，23的声学变换器（1•2的方法，所述超声换能器22，23在用于测量管线24中介质的流速或体积流量的超声流量测量装置中使用且尤其是根据权利要求1-8中的一项所述的超声换能器22,23，所述方法的特征在于所述声学变换器（1.2通过生成方法，以优选的方式通过3D打印方法或尤其是通过选择性激光熔化而制成。10.—种用于制造超声换能器的声学变换器（1.2的方法，所述超声换能器在用于测量管线中介质的流速或体积流量的超声流量测量装置中使用且尤其是根据权利要求1_8中的一项所述的超声换能器，所述方法的特征在于所述声学变换器（1•2由多个独立部分制成，其中所述独立部分通过组合工艺，例如胶粘结合或尤其是焊接结合，而被组合。

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