Schallkopf

Abstract

 Zur verbesserten Einkopplung von Schallwellen in das Innere eines Behälters ist an der Außenwand (1) des Behälters (2) ein Schallkopf (3) ausgebildet, der ein außen an dem Behälter (2) befestigtes und zu dem Behälter (2) hin offenes Gehäuseteil (4) aufweist. In dem Inneren des Gehäuseteils (4) sind eine Piezoscheibe (5) und eine diese gegen eine in der Außenwand (1) des Behälters (2) ausgebildete plane Anlagefläche (9) drückende Andruckvorrichtung (10) angeordnet, wobei die Anlagefläche (9) nur in Kontakt mit der Piezoscheibe (5) ist und durch eine umlaufende Nut (21) in der Außenwand (1) des Behälters (2) begrenzt ist.

Beschreibung

[0001] Es ist bekannt, zu Messzwecken Schallwellen in einen Behälter einzuleiten, wo sie beispielsweise ein Messmedium durchdringen oder daran reflektiert werden, und anschließend die transmittierten oder reflektierten Schallwellen zur weiteren Auswertung zu empfangen. Ein Beispiel hierfür ist die Durchflussmessung in einem Rohr, wobei die von der Fließgeschwindigkeit eines Mediums in dem Rohr abhängigen Laufzeiten der Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, erfasst und zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit ausgewertet werden.

[0002] Zur Auswertung bzw. zum Empfang der Schallwellen können Schallköpfe im Inneren des Rohres oder allgemein des Behälters angeordnet werden, wobei jedoch die Strömung des jeweiligen Messmediums unzulässig gestört werden kann und der Schallkopf je nach Messmedium verschmutzt oder durch Korrosion beschädigt werden kann. Zur Vermeidung von Strömungshindernissen kann der Schallkopf auch in der Wand des Behälters eingelassen sein, so dass die Schall abgebende Fläche des Schallkopfes mit der Innenwand des Behälters bündig ist; jedoch ist auch hier der Schallkopf dem Messmedium ausgesetzt und es können Dichtungsprobleme oder Verschmutzungsprobleme im Bereich des Spaltes zwischen dem Schallkopf und der angrenzenden Behälterwand entstehen. Schließlich besteht die Möglichkeit, den Schallkopf auf der Außenwand des Behälters anzubringen, wobei die zu sendenden bzw. zu empfangenden Schallwellen die Behälterwand durchdringen. Dabei bereiten sich die Schallwellen in der Behälterwand nicht nur in Richtung der Wanddicke, sondern auch quer dazu innerhalb der Behälterwand oder als Oberflächenwellen aus. Es ist bekannt, die Querausdehnung von Schallwellen durch Nuten in der Außen- und/oder Innenwand des Behälters zu behindern, wobei diese Nuten gegebenenfalls mit einem dämpfenden Material gefüllt sein können. Diese Dämpfungswirkung ist jedoch begrenzt. Ein weiteres Problem ist die effektive akustische Kopplung zwischen der Behälterwand und dem darauf aufgesetzten Schallkopf.

[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die akustische Ankopplung eines Schallkopfes an der Außenwand eines Behälters zu verbessern und dabei insbesondere auch quer zur Wanddicke innerhalb der Behälterwand oder als Oberflächenwellen verlaufende Schallwellen weitgehend zu reduzieren.

[0004] Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch den in Anspruch 1 angegebenen Schallkopf gelöst.

[0005] Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schallkopfes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

[0006] Der erfindungsgemäße Schallkopf ist nicht auf der Außenwand des Behälters montiert, sondern an dieser ausgebildet, wobei die Außenwand bereichsweise Bestandteil des Schallkopfes ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Piezoscheibe, gegebenenfalls unter Zwischenlage eines Koppelmittels, z. B. ein Hochtemperatur-Fett, an einer in der Außenwand des Behälters ausgebildeten planen Anlagefläche anliegt, so dass die von der Piezoscheibe erzeugten Ultraschallwellen unmittelbar in die Behälterwand eingeleitet werden. Die Behälterwand bildet insoweit einen Teil des Schallkopfes, als sie die poröse Keramik der Piezoscheibe von dem Messmedium in dem Behälter trennt und im Bereich der Innenwand des Behälters die Schall abgebende Fläche des Schallkopfes bildet. Dadurch, dass die in der Außenwand des Behälters ausgebildete Anlagefläche für die Piezoscheibe durch eine umlaufende Nut in der Außenwand des Behälters begrenzt ist und nur in Kontakt mit der Piezoscheibe ist, wird, jedenfalls im Bereich der Nut, von vornherein die Entstehung von sich quer zur Wanddicke des Behälters ausdehnenden Schallwellen verhindert. Bei dem oben bereits erwähnten Stand der Technik wurde dagegen nicht die Entstehung solcher störender Schallwellen verhindert, sondern lediglich deren Ausbreitung gedämpft. Bei dem erfindungsgemäßen Schallkopf ist die Möglichkeit der Entstehung quer zur Wanddicke verlaufender Schallwellen auf den zwischen dem Boden der Nut und der Innenwand des Behälters liegenden Wandbereich beschränkt, wobei dieser Wandbereich durch eine entsprechende Nuttiefe vergleichsweise dünn gehalten werden kann. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Entstehung von quer verlaufenden Schallwellen in diesem Bereich durch eine geeignete Struktur- oder Formgebung der Nut, insbesondere des Nutbodens, zu reduzieren.

[0007] Um die Dämpfung der Schallwellen innerhalb der Behälterwand möglichst gering zu halten, ist die Wanddicke zwischen der Anlagefläche für die Piezoscheibe und der Innenwand des Behälters möglichst so gering, wie dies ohne Beeinträchtigung der mechanischen Stabilität des Behälters zulässig ist. Darüber hinaus ist die Wanddicke in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Schallwellen möglichst so bemessen, daß die Reflexion der Schallwellen am Übergang von der Behälterwand in das Innere des Behälters minimal ist. Zur Einstellung der erforderlichen Wanddicke ist die Anlagefläche für die Piezoscheibe vorzugsweise als Vertiefung in der Außenwand des Behälters ausgebildet.

[0008] Es hat sich herausgestellt, dass eine besonders wirksame Unterdrückung der Entstehung von quer zur Wanddicke verlaufenden Schallwellen dadurch erreicht werden kann, dass die Tiefe der Nut bezogen auf die Anlagefläche für die Piezoscheibe ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der von dem Schallkopf zu erzeugenden oder zu empfangenden Schallwellen beträgt.

[0009] Das Gehäuseteil des Schallkopfes kann auf seiner dem Behälter zugewandten Seite ohne weiteres in die Nut hineinragen, solange es nicht in Kontakt mit der an die Anlagefläche für die Piezoscheibe angrenzenden Nutinnenwand kommt. In diesem Zusammenhang liegt das Gehäuseteil vorzugsweise zumindest bereichsweise an der Nutaußenwand an, wodurch das Gehäuseteil mit der darin enthaltenen Piezoscheibe exakt in Bezug auf die Anlagefläche zentriert wird.

[0010] Die Nutaußenwand kann dabei ein Innengewinde aufweisen, in das das mit einem entsprechenden Außengewinde versehene Gehäuseteil des Schallkopfes einschraubbar ist.

[0011] Darüber hinaus oder alternativ ist das Gehäuseteil an seiner Außenseite, insbesondere über ein Flanschteil, vorzugsweise mit der Außenwand des Behälters gasdicht verschweißt.

[0012] Wie bereits erwähnt, wird bei dem erfindungsgemäßen Schallkopf die Entstehung von quer zur Wanddicke des Behälters verlaufenden Schallwellen weitestgehend unterdrückt. Um auch die noch verbleibenden, quer verlaufenden Schallwellen wirksam dämpfen zu können, ist vorzugsweise in an sich bekannter Weise in der Außenwand des Behälters außerhalb des Gehäuseteils des Schallkopfes mindestens eine weitere Nut enthalten, die gegebenenfalls mit einem dämpfenden Material, z. B. einem Kunststoff, gefüllt sein kann. Diese weitere Nut kann um das Gehäuseteil herum oder um den Behälter herum oder nur im Bereich zwischen dem Schallkopf und einem an dem Behälter ausgebildeten weiteren Schallkopf verlaufen.

[0013] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:

Figur 1

ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schallkopfes und die

Figuren 2 und 3

unterschiedliche Varianten der in der Außenwand des Behälters ausgebildeten und die Anlagefläche für die Piezoscheibe begrenzenden Nut.

[0014] An der Außenwand 1 eines Behälters 2, z. B. eines Rohres, ist ein Schallkopf 3 ausgebildet. Dieser weist ein Gehäuseteil 4 auf, in dessen Innerem eine Piezoscheibe 5 angeordnet ist. Das über einen umlaufenden Flansch 6 durch Verschweißen mit der Behälterwand 7 an dem Behälter 2 befestigte Gehäuseteil 4 ist zu dem Behälter 2 hin offen, wobei die Piezoscheibe 5 unter Zwischenlage eines Koppelmediums 8, z. B. eines temperaturstabilen Fettes mit niedrigem Dampfdruck, unmittelbar an einer in der Außenwand 1 des Behälters 2 ausgebildeten planen Anlagefläche 9 anliegt. Dabei wird die Piezoscheibe 5 mittels einer Andruckvorrichtung 10 gegen die Anlagefläche 9 gepresst. Die Andruckvorrichtung 10 weist einen Andruckkörper 11 auf, der im Inneren des Gehäuseteils 4 angeordnet ist und auf seiner der Piezoscheibe 5 zugewandten Seite eine Aussparung 12 aufweist, die die Piezoscheibe 5 seitlich teilweise umschließt und dabei in dem Gehäuseteil 4 positioniert. In der Aussparung 12 ist ferner eine mehrteilige Tellerfeder 13 angeordnet, die sich gegen die Piezoscheibe 5 und eine dazu parallele Innenfläche 14 der Aussparung 12 abstützt. Auf seiner von der Piezoscheibe 5 abgewandten Seite weist der Andruckkörper 11 eine umlaufende schräge Andruckfläche 15 auf, die zusammen mit der Innenwand 16 des Gehäuseteils 4 und einer auf dem Andruckkörper 11 aufliegenden Ringscheibe 17 eine Nut zur Aufnahme eines Dichtungsringes 18 bildet. Die Ringscheibe 17 ist unter dem Druck der Tellerfeder 13 gegen einen Sicherungsring 19 abgestützt, der in einer Nut in der Innenwand des Gehäuseteils 4 eingesetzt ist. Damit ist das die Piezoscheibe 5 enthaltende Innere des Gehäuseteils 4 nach außen hermetisch abgedichtet.

[0015] Die plane Auflagefläche 9 für die Piezoscheibe 5 ist als Vertiefung in der Außenwand 1 des Behälters 2 ausgebildet, wobei die daraus resultierende Dicke der Behälterwand 7 zwischen der Anlagefläche 9 und der Innenwand 20 des Behälters 2 in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Schallwellen so bemessen ist, daß die Schallwellen an der Innenwand 20 nur minimal zurück reflektiert werden; dabei ist die Wanddicke möglichst so gering, wie es die Anforderungen an die mechanische Stabilität der Behälterwand 7 zulassen. Die Anlagefläche 9 für die Piezoscheibe 5 ist durch eine umlaufende Nut 21 in der Außenwand 1 des Behälters 2 begrenzt, wobei die Anlagefläche 9 nur in Kontakt mit der Piezoscheibe 5 ist. Die Nut 21 ist unter Berücksichtigung der Anforderungen an die Stabilität der Behälterwand 7 so tief wie möglich, wobei die Tiefe der Nut 21 bezogen auf die Anlagefläche 9 vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der von dem Schallkopf 3 zu erzeugenden oder zu empfangenden Schallwellen beträgt. Das Gehäuseteil 4 ragt auf seiner dem Behälter 2 zugewandten Seite in die Nut 21 hinein, ohne aber dabei in Kontakt mit der an die Anlagefläche 9 angrenzenden Nutinnenwand 22 zu kommen. Stattdessen liegt das Gehäuseteil 4 an der Nutaußenwand 23 an und wird so zusammen mit der Piezoscheibe 5 gegenüber der Auflagefläche 9 zentriert. Es ist möglich, dass die Nutaußenwand 23 ein hier nicht gezeigtes Innengewinde aufweist, in das das mit einem entsprechenden Außengewinde versehene Gehäuseteil 4 einschraubbar ist.

[0016] Die Behälterwand 7 bildet im Bereich zwischen der Anlagefläche 9 für die Piezoscheibe 5 und der Innenwand 20 einen Bestandteil des Schallkopfes 3, der das Innere des Schallkopfes 3 mit der Piezoscheibe 5 gegen ein Messmedium im Inneren des Behälters 2 abdichtet und die von der Piezoscheibe 5 erzeugten Schallwellen in das Innere des Behälters 2 einkoppelt. Im Bereich der Nut 21 wird die Entstehung von quer zur Dicke der Behälterwand 7 verlaufenden Schallwellen von vornherein verhindert, so dass die Entstehung solcher störender Schallwellen nur noch in dem dickenreduzierten Bereich zwischen dem Boden 24 der Nut 21 und der Innenwand 20 des Gehäuses 2 möglich ist. Diese aufgrund der Nut 21 auf ein geringstmögliches Maß reduzierten störenden Schallwellen werden in ihrer Ausbreitung quer zur Dicke der Behälterwand 7 durch eine in der Außenwand 1 des Behälters 2 außerhalb des Gehäuseteils 4 enthaltene weitere Nut 25 gedämpft. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die weitere Nut 25 im Bereich zwischen dem Schallkopf 3 und einem rechts davon ebenfalls an dem Behälter 2 ausgebildeten, hier nicht gezeigten, weiteren Schallkopf; sie kann aber auch um das Gehäuseteil 4 des Schallkopfes 3 oder um den Behälter 2 herum verlaufen.

[0017] Die Figuren 2 und 3 zeigen von der in Figur 1 gezeigten Rechteckform abweichende Querschnittsformen der Nut 21.

Ansprüche

1. An der Außenwand (1) eines Behälters (2) ausgebildeter Schallkopf (3), insbesondere Ultraschallkopf, mit einem außen an dem Behälter (2) befestigten und zu dem Behälter (2) hin offenen Gehäuseteil (4), in dessen Innerem eine Piezoscheibe (5) und eine die Piezoscheibe (5) gegen eine in der Außenwand (1) des Behälters (2) ausgebildete plane Anlagefläche (9) drückende Andruckvorrichtung (10) angeordnet sind, wobei die Anlagefläche (9) nur in Kontakt mit der Piezoscheibe (5) ist und durch eine umlaufende Nut (21) in der Außenwand (1) des Behälters (2) begrenzt ist.

2. Schallkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagefläche (9) als Vertiefung in der Außenwand (1) des Behälters (2) ausgebildet ist.

3. Schallkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nut (21) bezogen auf die Anlagefläche (9) ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der von dem Schallkopf (3) zu erzeugenden oder zu empfangenden Schallwellen beträgt.

4. Schallkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (4) auf seiner dem Behälter (2) zugewandten Seite ohne Kontakt mit der an die Anlagefläche (9) angrenzenden Nutinnenwand (22) in die Nut (21) hineinragt.

5. Schallkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (4) zumindest bereichsweise an der Nutaußenwand (23) anliegend zentriert ist.

6. Schallkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutaußenwand (23) ein Innengewinde aufweist, in das das mit einem entsprechenden Außengewinde versehene Gehäuseteil (4) einschraubbar ist.

7. Schallkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (4) an seiner Außenseite, insbesondere über ein Flanschteil (6), mit der Außenwand (1) des Behälters (2) verschweißt ist.

8. Schallkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Außenwand (1) des Behälters (2) außerhalb des Gehäuseteils (4) mindestens eine weitere Nut (25) enthalten ist.

Zeichnung