Die Erfindung bezieht sich auf einen Schall- oder Ultraschallwandler mit einer scheibenförmigen piezo-elektrischen Einheit, einem ringförmigen Koppelelement, das die piezo-elektrische Einheit form- und kraftschlüssig umgibt, einer Anpaßschicht, die in Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallwellen vor der piezoelektrischen Einheit angeordnet ist, und einer Sende-/Empfangseinheit, die die piezoelektrische Einheit zu Radialschwingungen anregt. Bei der piezoelektrischen Einheit handelt es sich bevorzugt um eine Piezokeramikscheibe. Der Ultraschallwandler ist bevorzugt Teil eines Sensors zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands eines Prozeßmediums, welches in einem Behälter angeordnet ist.
Der zuvor beschriebenen Schall- oder Ultraschallwandler ist bereits aus der
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere einen als Radialschwinger ausgebildeten Schall- oder Ultraschallwandler für den Einsatz im Hochtemperaturbereich auszulegen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Anpaßschicht aus einem Material gefertigt ist, das eine Wärmeformfestigkeit bis zu einer Temperatur aufweist, die über der Temperatur am Einbauort des Schall- oder Ultraschallwandlers liegt, daß der materialspezifische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Anpaßschicht größer ist als der Ausdehnungskoeffizient der Materialien der piezoelektrischen Einheit und/oder des Koppelrings und daß der E-Modul des Materials der Anpaßschicht um mindestens eine Größenordnung geringer ist als der E-Modul der piezoelektrischen Einheit und/oder des Koppelrings.
Bevorzugt ist die Anpaßschicht aus Hartschaumstoff gefertigt. Als Hartschaumstoff mit niedriger Dichte kann beispielsweise der PMI-Hartschaumstoff Rohacell der Firma Röhm eingesetzt werden. Dieser Hartschaumstoff ist mit Dichten zwischen 30 bis 200 kg/m3 lieferbar. Durch die Verwendung eines Schaumstoffes mit geringer Dichte kann eine effektive lmpedanzanpassung an die Luft bzw. an die Atmosphäre, in der der Schall-/Ultraschallwandler eingesetzt wird, erzielt werden. Da der Schaumstoff eine relativ hohe Eigendämpfung besitzt, trägt die Anpaßschicht zur Verringerung des Nachschwingens des Schall- oder Ultraschallwandlers bei. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schall- oder Ultraschallwandlers ist vorgesehen, daß die Anpaßschicht sich aus mehreren Lagen mit zumindest teilweise unterschiedlichen Dichten zusammensetzt. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, daß die Lage der Anpaßschicht mit der höchsten Dichte in unmittelbarer Umgebung zum Radialschwinger angeordnet ist, während die Lage der Anpaßschicht mit der geringsten Dichte den größten Abstand zum Radialschwinger aufweist. Durch eine derartige Ausgestaltung läßt sich eine Verbesserung des Verhältnisses zwischen dem eigentlichen Echosignal und den durch das Nachschwingen hervorgerufenen Störsignalen erreichen.
Hat der Schaumstoff beispielsweise eine Wärmeformfestigkeit bis 180° C, so arbeitet der Schall- oder Ultraschallwandler über einen Bereich von -40° C bis 150° C gleichmäßig. Da der materialspezifische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Anpaßschicht größer ist als der Ausdehnungskoeffizient der Materialien der piezoelektrischen Einheit und/oder des Koppelrings und da der E-Modul des Materials der Anpaßschicht um mindestens eine Größenordnung geringer ist als der E-Modul der piezoelektrischen Einheit und/oder des Koppelrings, wird eine sehr gute Verbindung zwischen der Anpaßschicht und dem Radialschwinger über einen großen Temperaturbereich sichergestellt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Koppelring aus Metall oder aus Keramik gefertigt. Ist der Koppelring aus Metall gefertigt, so ist es möglich, die Verbindung zwischen der Mantelfläche der Piezokeramikscheibe und dem Koppelring über einen Schrumpfprozeß zu realisieren.
Infolge der hohen Feuchteempfindlichkeit des Schaumstoffs, aus dem die Anpaßschicht bevorzugt gebildet ist, ist es erforderlich, diesen effektiv vor Umwelteinflüssen, insbesondere vor der Diffusion von Wasserdampf und vor Verschmutzungen zu schützen. Erreicht wird die erforderliche Kapselung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung über eine Kombination: Diese besteht aus dem bereits zuvor erwähnten Metallring, der im Außenbereich der Piezokeramikscheibe angeordnet ist, und einer dünnen Schutzfolie, die die Anpaßschicht in Abstrahlrichtung abdeckt. Bevorzugt handelt es sich bei der Schutzfolie um eine Metallfolie, die beispielsweise aus Edelstahl gefertigt ist. Bevorzugt ist die Schutzfolie auf die Anpaßschicht geklebt bzw. in anderer Weise fest mit ihr verbunden und erhöht damit gleichzeitig deren mechanische Festigkeit.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt ein Gehäuse vor, in dem die piezoelektrische Einheit mit dem Koppelring und der Anpaßschicht angeordnet ist. Weiterhin ist eine Vergußmasse vorgesehen, die zumindest in einigen Teilbereichen zwischen der Anpaßschicht, der piezoelektrischen Einheit, dem Koppelring und der Innenwand des Gehäuses angeordnet ist. Mit anderen Worten: Die Vergußmasse füllt den Rückraum des Gehäuses vollständig oder zumindest weitgehend aus. Bei der Vergußmasse handelt es sich beispielsweise um eine Elastomervergußmasse.
Um das Eindringen von Feuchtigkeit oder von Verschmutzungen durch den Rückraum des Sensors zu verhindern, ist eine Diffusionssperre vorgesehen, die entgegen der Abstrahlrichtung auf der Vergußmasse angeordnet ist. Bei der Diffusionssperre handelt es sich wiederum bevorzugt um eine Metallfolie.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden
Der in
Über die Verbindungsleitungen 10 wird eine Wechselspannung an die piezoelektrische Einheit 2 angelegt, wodurch diese und der mit ihr verbundene Koppelring 3 zu Radialschwingungen angeregt wird. Der Radialschwinger wird somit aus zwei Komponenten gebildet. Selbstverständlich könnte es sich bei dem Radialschwinger auch einfach um einen Piezokeramikscheibe handeln. Die Dicke der Anpaßschicht 4, die in Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallen auf dem Radialschwinger, gebildet aus piezoelektrischer Einheit 2 und Koppelring 3, angeordnet ist, ist so gewählt, daß die Schall- oder Ultraschallwellen im wesentlichen nur in die gewünschte Abstrahlrichtung abgestrahlt werden.
Weiterhin ist die Anpaßschicht 4 so ausgelegt, daß der Schall- oder Ultraschallwandler 1 bzw. der zugehörige Sensor für den Einsatz im Hochtemperaturbereich geeignet ist. Hierzu ist die Anpaßschicht 4 aus einem Material gefertigt, das eine Wärmeformfestigkeit bis zu einer Temperatur aufweist, die über der Temperatur am Einbauort des Schall- oder Ultraschallwandlers 1 liegt. Weiterhin ist der materialspezifische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Anpaßschicht 4 größer als der Ausdehnungskoeffizient der Materialien der piezoelektrischen Einheit 2 und/oder des Koppelrings 3. Auch ist der E-Modul des Materials der Anpaßschicht 4 um mindestens eine Größenordnung geringer als der E-Modul der piezoelektrischen Einheit 2 und/oder des Koppelrings 3. Wie bereits gesagt, besteht die Anpaßschicht 4 bevorzugt aus Hartschaumstoff.
Der Radialschwinger mit piezoelektrischer Einheit 2, Koppelring 3 und Anpaßschicht 4 ist in einem Gehäuse 8 angeordnet. Der Bereich zwischen der Mantelfläche des Radialschwingers und der Innenwand des Gehäuses 8 sowie der Bereich über dem Radialschwinger, der entgegen der Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallwellen orientiert ist, ist mit einer Vergußmasse 7 aufgefüllt. Neben der Funktion, daß der Radialschwinger vor eindringender Feuchigkeit oder vor eindringendem Schmutz geschützt wird, kommt der Vergußmasse 7 die Aufgabe zu, das Abklingverhalten des Radialschwingers zu optimieren. Insbesondere handelt es sich bei der Vergußmasse 7 um einen Silikonverguß, in den Keramikteilchen und/oder Lufteinschlüsse eingebettet sind. Hierbei dient der Lufteinschluß der Verringerung der Dichte der Vergußmasse 7, was zu einem besseren Dämpfungsverhalten des Radialschwingers führt.
Als Diffusionssperre in Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallwellen dient die Schutzfolie 5, bei der es sich bevorzugt um eine Edelstahlfolie handelt. Durch eine weitere Diffusionssperre 6, die entgegen der Abstrahlrichtung der Schall- oder Ultraschallwellen angeordnet ist, wird eine optimale Kapselung des Radialschwingers gegen die Atmosphäre bzw. gegen den Prozeß erreicht. Der Radialschwinger ist nach allen Richtungen gekapselt und wird so effektiv vor Feuchtigkeit und Schmutz geschützt.
Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf die hier beschriebene Form des Radialschwingers, gebildet aus Piezokeramikscheibe und Koppelring beschränkt ist. Im Prinzip kann die erfindungsgemäße Anpaßschicht in Verbindung mit beliebigen Radialschwingern verwendet werden, also auch beispielweise mit dem Schall- oder Ultraschallwandler, der in der
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