DE10021187C1 - Ultraschallwellenleiter - Google Patents

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Ultraschallwellenleiter zum Führen eines in einem vorbestimmten Frequenzbereich liegenden Ultraschallsignals. DOLLAR A Der erfindungsgemäße Ultraschallwellenleiter zeichnet sich dadurch aus, daß er eine zusammengerollte Folie (1) aufweist, deren Schichtdicke wesentlich geringer als die geringste Wellenlänge des in dem vorbestimmten Frequenzbereich liegenden Ultraschallsignals in dem Folienmaterial ist. Dadurch wird erreicht, daß Störungen und Dämpfungen des Ultraschallsignals in dem Ultraschallwellenleiter aufgrund von Streuung und Dispersion weitgehend vermieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwellenleiter zum Führen eines in einem vorbe­ stimmten Frequenzbereich liegenden Ultraschallsignals. Solche Ultraschallwellenleiter werden z. B. in Ultraschalldurchflußmeßgeräten verwendet. In diesen Ultraschall­ durchflußmeßgeräten wird typischerweise für einen Ultraschallwandler ein Piezokri­ stall verwendet, mit dem Ultraschallsignale erzeugt bzw. Ultraschallsignale detektiert werden.

Piezokristalle können oberhalb einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Curie- Temperatur (T_c), nicht mehr verwendet werden, da oberhalb von T_c keine ferroelektri­ sche bzw. ferromagnetische Phase des Kristalls existiert, die Voraussetzung für dessen piezoelektrische Eigenschaft ist. Ist jedoch das strömende Medium, dessen Durchfluß mit dem Ultraschalldurchflußmeßgrät gemessen werden soll, sehr heiß, so daß dessen Temperatur über der Curie-Temperatur des Piezokristalls liegt, so ist für einen verläßli­ chen Betrieb das Ultraschalldurchflußmeßgeräts eine gewisse thermische Isolierung des Ultraschallwandlers von dem heißen Medium erforderlich. Eingesetzt werden für eine solche thermische Isolierung Ultraschallwellenleiter, die einerseits eine möglichst gute Wärmeisolation des Ultraschallwandlers von dem heißen Medium und andererseits eine möglichst verlustfreie und ungestörte Übertragung des Ultraschall­ signals gewährleisten sollen. Mit einem solchen Ultraschallwellenleiter kann dann das von einem Ultraschallwandler erzeugte Ultraschallsignal in das strömende Medium einkgekoppelt werden, während der eigentliche Ultraschallwandler von dem heißen Medium räumlich entfernt und thermisch von diesem isoliert ist.

In herkömmlichen Ultraschalldurchflußmeßgeräten werden als Ultraschallwellenleiter z. B. Konstruktionen verwendet, wie sie in der WO 96/41157 beschrieben sind. Dabei wird als Ultraschallwellenleiter z. B. eine Mehrzahl von zueinander parallelen, sehr dünnen Stäben verwendet, wobei die einzelnen Stabdurchmesser jeweils wesentlich geringer als die Wellenlänge des zu führenden Ultraschallsignals sind. Typischerweise werden dabei die Stäbe eng aneinander anliegend in eine Röhre eingepaßt, die den Stäben seitlich Halt bietet und somit einen kompakten Ultraschallwellenleiter liefert. Diese herkömmliche Konstruktion ist jedoch insofern problematisch, als daß für das Führen von Ultraschallsignalen mit sehr hohen Frequenzen von über 1 MHz Durchmesser der Stäbe von deutlich unter 0,1 mm erforderlich sind. Die Herstellung solcher dünnen Stäbe ist jedoch sehr kompliziert, aufwendig und kostspielig. Ferner ist in der WO 96/41157 beschrieben, zur Bildung eines Ultraschallwellenleiters röhrenförmige Körper konzentrisch zueinander ineinanderzuschachteln, wobei einan­ der benachbarte Körper jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind.

Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, einen einfach herstellbaren und preisgünstigen Ultraschallwellenleiter anzugeben, mit dem auch hochfrequente Ultraschallsignale mit einer Frequenz bis zu 20 MHz mit geringer Dämpfung und geringen Störungen über­ tragbar sind.

Erfindungsgemäß ist die zuvor hergeleitet und aufgezeigte Aufgabe durch einen Ul­ traschallwellenleiter gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Ultraschallwel­ lenleiter eine zusammengerollte Folie aufweist, deren Schichtdicke wesentlich gerin­ ger als die geringste Wellenlänge des in dem vorbestimmten Frequenzbereich liegen­ den Ultraschallsignals in dem Folienmaterial ist. Somit wird erfindungsgemäß die Tat­ sache ausgenutzt, daß die Dämpfungen und Störungen eines Ultraschallsignals in ei­ nem Ultraschallwellenleiter abhängig von dessen Abmessungen sind. Dämpfungen und Störungen des Ultraschallsignals in dem Ultraschallwellenleiter rühren im we­ sentlichen von Streuung und Dispersion des Ultraschallsignals her. Diese Effekte tre­ ten jedoch dann deutlich m den Hintergrund, wenn die geometrischen Abmessungen, d. h. die Breite und die Höhe, des Ultraschallwellenleiters wesentlich geringer als die Wellenlänge des Ultraschallsignals in dem Material des Ultraschallwellenleiters wird. Keine Streuung und keine Dispersion des Ultraschallsignals sind ebenfalls dann zu erwarten, wenn der Ultraschallwellenleiter praktisch unendlich weit ausgedehnt ist.

Bei einer Folie, die in ihrer Ausbreitungsebene quasi als unendlich weit ausgedehnt angesehen werden kann, ist dementsprechend die maßgebliche Abmessung die Schichtdicke der Folie, die somit entsprechend klein gewählt werden muß. Wird eine solche Folie zusammengerollt, erhält man einen stabförmigen Ultraschallwellenleiter, der die Anforderungen an eine praktisch streuungs- und dispersionsfreie Ultraschall­ leitung erfüllt. Obwohl bei einer zusammengerollten Folie einander benachbarte Fo­ lienschichten direkt aufeinanderliegen, entsprechen die Ultraschalleitungseigenschaf­ ten einer solchen zusammengerollten Folie nicht denen eines entsprechenden Stabes aus einem Vollmaterial. Aufgrund der Grenzflächen zwischen den einzelnen Schich­ ten kann für die Ultraschalleitungseigenschaften einer solchen zusammengerollten Folie jede Schicht der Folie einzeln betrachtet werden; zwischen den aufeinanderlie­ genden Schichten findet ein Impedanzsprung statt, der die einzelnen Schichten für die Ultraschalleitung somit betreffend die Leitung des Ultraschallsignals voneinander "isoliert". Insofern ist es für eine annähernd streuungs- und dispersionsfreie Leitung des Ultraschallsignals in dem Ultraschallwellenleiter ausreichend, wenn jede Schicht für sich genommen die oben angegebenen geometrischen Anforderungen erfüllt, im wesentlichen also, daß ihre Schichtdicke wesentlich geringer als die Wellenlänge des zu übertragenden Ultraschallsignals in dem Material des Ultraschallwellenleiters ist.

Bei der Dimensionierung des erfindungsgemäßen Ultraschallwellenleiters mit einer zusammengerollten Folie ist somit zuerst zu prüfen, welche maximale Frequenz ein durch den Ultraschallwellenleiter zu führendes Ultraschallsignal aufweist, so daß die Schichtdicke der zu verwendenden Folie entsprechend gering gewählt werden kann, so daß Streuung und Dispersion des Ultraschallsignals in dem Ultraschallwellenleiter weitgehend unterdrückt werden.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwellenleiter kann in allen Wellenlängenbereichen vom hörbaren Spektrum bis zu Frequenzen über 20 MHz verwendet werden. Vor­ zugsweise ist jedoch vorgesehen, den erfindungsgemäßen Ultraschallwellenleiter in einem Frequenzbereich von 15 kHz bis 20 MHz einzusetzen, wobei dann die Schichtdicke der Folie weniger als 0,1 mm beträgt.

Als Materialien für die zusammengerollte Folie des erfindungsgemäßen Ultraschall­ wellenleiters ist eine Vielzahl von Materialien verwendbar, vorzugsweise besteht die Folie jedoch aus Metall und/oder Keramik und/oder Kunststoff.

Mit einer zusammengerollten Folie alleine kann schon ein erfindungsgemäßer Ultra­ schallwellenleiter mit den angegebenen guten Leitungseigenschaften erzielt werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, daß die Folie - bevorzugt mit Paßsitz - in eine Röhre eingesteckt ist. Die Röhre stabilisiert dabei den Ultraschallwellenleiter und er­ leichtert dessen Einbau in z. B. eine Vorrichtung eines Ultraschalldurchflußmeßgeräts. Für die Röhre selbst ist wiederum eine Vielzahl von Materialien verwendbar, vor­ zugsweise besteht die Röhre jedoch aus Metall.

An einem Ende der zusammengerollten Folie ist typischerweise ein Ultraschallwand­ ler vorgesehen, so daß Ultraschallsignale in den Ultraschallwellenleiter einkoppelbar sind bzw. Ultraschallsignale aus dem Ultraschallwellenleiter empfangbar sind. Der Ultraschallwandler, der im allgemeinen einen Piezokristall aufweist, kann dazu direkt auf eine unbearbeitete Endfläche der Folienschichten aufgebracht sein. Vor­ zugsweise ist jedoch vorgesehen, daß die Enden des die zusammengerollte Folie auf­ weisenden Ultraschallwellenleiters verschweißt sind. Besonders bevorzugt ist eine Verschweißung mit einem TIG-Verfahren (Tungsten Inert Gas), also durch Wolfram- Inertgas-Schweißen. Eine besonders glatte Fläche und somit eine optimale Einkop­ pelbarkeit des Ultraschallsignals in den erfindungsgemäßen Ultraschallwellenleiter wird dann erzielt, wenn die verschweißten Enden nach dem Verschweißen plange­ dreht werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich die Schichtdicke der Folie von innen nach außen verändert. Es kann jedoch auch vorge­ sehen sein, daß der Ultraschallwellenleiter mehrere zusammengerollte Folien mit un­ terschiedlichen Schichten und/oder unterschiedlichen Materialien aufweist. Mit die­ sen Maßnahmen wird erreicht, daß das von dem Ultraschallwellenleiter abgegebene Ultraschallsignal auf eine vorbestimmte Weise geformt und somit z. B. bestimmten Anwendungen entsprechend geleitet bzw. fokussiert werden kann. Diese Möglich­ keit beruht darauf, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschallsignals in dem Ultraschallwellenleiter von der jeweiligen Impedanz und somit unter anderem von der Schichtdicke der jeweiligen Folienschicht abhängt, in dem der entsprechende Anteil des Ultraschallsignals geführt wird. Entsprechendes gilt für die verschiedenen Ausbreitungsgeschwindigkeiten des Ultraschallsignals in unterschiedlichen Materia­ lien.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwellenleiter ist vielseitig verwendbar. Bevorzugt findet jedoch ein Einbau des erfindungsgemäßen Ultraschallwellenleiters in ein Ultra­ schalldurchflußmeßgerät statt, mit dem der Durchfluß eines Mediums mit hoher Tem­ peratur bestimmt werden soll.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Ultraschallwellenleiter auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die folgende detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Er­ findung in Verbindung mit der Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch einen Ultraschallwellenleiter gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 2 schematisch einen Ultraschallwellenleiter gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit angekoppeltem Ultraschall­ wandler im Schnitt.

Aus Fig. 1 ist schematisch ein Ultraschallwellenleiter gemäß einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung ersichtlich, der eine zusammengerollte Folie 1 auf­ weist, die in eine Röhre 2 mit Paßsitz eingesteckt wird. Gemäß dem in Fig. 1 darge­ stellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen sowohl die Folie 1 als auch die Röhre 2 aus Edelstahl. Die Darstellung des Ultraschallwellenleiters in der Fig. 1 ist nicht maßstabsgemäß. Die Schichtdicke der Folie 1 beträgt vorliegend näm­ lich 0,1 mm, so daß auch Ultraschallsignale mit einer Frequenz, die 1 MHz deutlich übersteigt, noch ohne gravierende Streuungs- und Dispersionseffekte geführt werden können. Die Länge des Ultraschallwellenleiters gemäß dem ersten bevorzugten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung beträgt 0,6 m, und die Röhre 2 weist eine Wandstärke von 1 mm bei einem Innendurchmesser von 14 mm auf. Mit diesem Ultraschallwellen­ leiter läßt sich bei einem Ultraschallsignal mit einer Frequenz von 1 MHz eine Dämp­ fung von weniger als 5 dB/m erreichen.

Aus Fig. 2 ist ein Ultraschallwellenleiter gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung mit verschweißten und plangedrehten Enden 3 sowie einem an ei­ nem dieser Enden 3 angekoppelten Ultraschallwandler 4 ersichtlich. Durch TIG- Verschweißen und nachfolgendes Plandrehen der Enden des Ultraschallwellenleiters wird eine äußerst glatte Oberfläche erzielt, so daß eine optimale Übertragung der im Ultraschallwandler 4 erzeugten Ultraschallsignale in den Ultraschallwellenleiter bzw. ein ungestörtes Empfangen von Ultraschallsignalen aus dem Ultraschallwellenleiter mit dem Ultraschallwandler 4 möglich ist.

Claims (11)

1. Ultraschallwellenleiter zum Führen eines in einem vorbestimmten Frequenzbereich liegenden Ultraschallsignals, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwellenleiter eine zusammengerollte Folie (1) aufweist, deren Schichtdicke wesentlich geringer als die geringste Wellenlänge des in dem vorbestimmten Frequenzbereich liegenden Ul­ traschallsignals in dem Folienmaterial ist.

2. Ultraschallwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht­ dicke der Folie (1) derart gering gewählt ist, daß beim Führen des Ultraschallsignals in dem Ultraschallwellenleiter Streuung und Dispersion des Ultraschallsignals weitge­ hend unterdrückt werden.

3. Ultraschallwellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzbereich 15 kHz bis 20 MHz beträgt.

4. Ultraschallwellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht­ dicke der Folie (1) weniger als 0,1 mm beträgt.

5. Ultraschallwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (1) aus Metall und/oder Keramik und/oder Kunststoff besteht.

6. Ultraschallwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (1) - vorzugsweise mit Paßsitz - in eine - vorzugsweise metallische - Röh­ re (2) eingesteckt ist.

7. Ultraschallwellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Ultraschallwellenleiters verschweißt - vorzugsweise TIG-verschweißt - und plan­ gedreht sind.

8. Ultraschallwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schichtdicke der Folie (1) von innen nach außen ändert.

9. Ultraschallwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwellenleiter mehrere zusammengerollte Folien (1) mit unterschiedli­ chen Schichtdicken und/oder unterschiedlichen Materialien aufweist.

10. Ultraschallwellenleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß an einem der beiden Enden der zusammgenrollten Folie (1) ein Ultraschall­ wandler (4) derart vorgesehen ist, daß mit diesem Ultraschallsignale in den Ultraschall­ wellenleiter einkoppelbar und/oder aus dem Ultraschallwellenleiter empfangbar sind.

11. Ultraschalldurchflußmeßgerät mit einem Ultraschallwellenleiter nach einem der An­ sprüche 1 bis 10.