DE3149933A1

DE3149933A1 - Schallimpuls-echogeraet

Info

Publication number: DE3149933A1
Application number: DE19813149933
Authority: DE
Inventors: Leigh Roy 02906 Providence R.I. Abts
Original assignee: Micro Pure Systems Inc
Current assignee: Micro Pure Systems Inc
Priority date: 1980-12-16
Filing date: 1981-12-16
Publication date: 1982-07-15
Also published as: GB2089617B; CA1172347A; FR2496267B1; US4398424A; FR2496267A1; JPS57128843A; GB2089617A; KR830008172A

Description

-A-

üS-Ser.No. 217,088
AT: 16. Dezember 1980
Envelope Foreign 11154/Dr.v.B/Ro.

Micro Pure Systems, Inc.

14 Cedar Swamp Road, Smithfield, Rhode Island,

V.St.A.

Schallimpuls-Echogerät

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schallimpuls-Echogerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung Ultraschallimpuls-Echogeräte zum Erzeugen von Information über ein strömendes Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, z.B. zum Feststellen von Diskontinuitäten im Fluid oder der Zusammensetzung des Fluids.

Geräte zum Feststellen von Diskontinuitäten in einem Fluidstrom sind aus den ÜS-PSen 4 112 773 und 4 214 bekannt. Ein Gerät zur Gewinnung von Information über die Zusammensetzung eines Fluids ist in der US-PA 136 beschrieben. Auf diesen Stand der Technik und Vorschlag wird hier ausdrücklich Bezug genommen. 25

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verhältnis von Signal zu Rauschen (Störabstand) von Impulsecho-Untersuchungsgeräten zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 und die im Patentanspruch 10 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen· 35

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Bei dem Impuls-Echogerät gemäß der Erfindung werden akustische Störsignale unterdrückt, die sonst vom Gerät erfaßt würden. Eine Quelle solcher Störsignale sind unregelmäßige Schallschwingungen, die durch das Gerät selbst erzeugt werden, in das benachbarte Material eintreten und schließlich zum Gerät reflektiert werden, wo sie den Empfang von Nutzsignalen durch das Gerät stören.

Bei dem vorliegenden Gerät wird der Störabstand dadurch verbessert, daß das benachbarte schälleitende Material mit einer schallabsorbierenden Schicht überzogen wird, deren Schallimpedanz an die des schalleitenden Materials wenigstens annähernd angepaßt ist, so daß die Schallschwingungen, insbesondere Ultraschallschwingungen, die sich in dem Material ausbreiten, in die schallabsorbierende Schicht eintreten, wo sie absorbiert oder vernichtet werden anstatt zum Impuls-Echogerät zurückzugelangen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Gerätes hat einen aus Metall bestehenden Halter für einen Ultraschall-Sende-Empfänger und dieser Halter ist mit einer schallabsorbierenden Epoxyschicht überzogen. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist ein Teil eines Rohres, bei dem ein Ultraschall-Sende-Empfanger angeordnet ist, mit einer Epoxyschicht umgeben.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines an einem Rohr angebrachten Ultraschall-Sende-Empfängers eines Gerätes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Ι Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Ultraschall-Sende-Empfängers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine nochmals vergrößerte Schnittansicht eines Teiles der Fig. 2;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines an einem Rohr angebrachten anderen Ultraschall-Sende-Empfängers eines Gerätes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und 10

Fig. 5 ein vergrößerter Querschnitt in einer Ebene 5-5 der Fig. 4.

In Fig. 1 ist ein Rohr 10 mit einer Seitenwand 12 und einem Lumen oder einer Innenbohrung 14 dargestellt. An der Seitenwand 12 ist ein Ultraschall-Sende-Empfanger 16 angebracht. Das Rohr 10 besteht aus Stahl und kann beispielsweise einen Durchmesser von 250 mm haben.

Wie Fig. 2 zeigt, enthält der Ültraschall-Sende-Empfanger 16 einen Halter 18 und eine Kappe 30. Der Halter 18, der aus Stahl hergestellt ist, hat einen zylinderischen, konkaven Boden 20 und ist mit einem mittigen Sackloch 22 versehen. Der Boden des Sackloches 22 befindet sich 0,5 mm über dem konkaven Boden 20. An entgegengesetzten Enden des Halters 18 sind in der Nähe des konkaven Bodens 20 zwei Magnete 24 angeordnet. Die Magnete haben jeweils eine Zugkraft von etwa 5 Ib oder 22,25 N.

Am Boden des Sackloches 22 ist ein kreisförmiger Kristall 26 durch eine dünne Schicht 28 aus Epoxidharz befestigt. Der Kristall 26 ist hier ein für 3 MHz bemessener Lithiumniobat-Kristall, der einen Durchmesser von 12,7 mm hat und oben eine nicht dargestellte Elektrode mit einem Durchmesser von etwa 9,5 mm trägt. Ein solcher Kristall

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ist im Handel erhältlich (Valpey-Fisher Company,

Hopkington, Massachusetts). Als Epoxidharz kann z.B. ein bekannter Zweikomponenten-Epoxidharzkleber verwendet werden, wie 3M Scotch Weld Structural Adhesive 2214. 5

Die Aluminiumkappe 30 paßt in das Sackloch 22 und deckt den Kristall 26 ab. An der Kappe 30 ist ein Kabel 32 angebracht. Der nicht dargestellte elektrische Anschluß des Kristalles 26 an das Kabel 32 kann in konventioneller Weise oder wie in der US-PA 187 615 vom 15.9.1980 ausgebildet sein. Der Kristall 26 ist mit Epoxidharz 34 vergossen oder hinterlegt. Das Kabel 32 ist an eine elektronische Einrichtung angeschlossen, die konventionell oder gemäß US-PA 136 169 vom 31. März 1980 beschrieben ist.

Nachdem die Kappe 30 an dem vorgesehenen Platz angeordnet worden ist, wird die Außenseite des Halters 18 mit der Ausnahme des konkaven Bodens 20 mit einer etwa 3 mm dicken Schicht 36 aus Epoxidharz überzogen. Als Epoxidharz kann ein konventionelles Zweikomponenten-Epoxidharz verwendet werden, z.B. 3M Scotch Weld Structural Adhesive 2214, und es wird 40 Minuten bei etwa 120°C polymerisiert oder ausgehärtet.

Nach dem Aushärten der Epoxidharzschicht 36 wird der Bereich zwischen dem konkaven Boden 20 des Halters und der Seitenwand 12 des Rohres 10 mit Hahnfett bedeckt, um eine einwandfreie akustische Kopplung zu gewährleisten, und der Ultraschall-Sende-Empfanger 16 wird dann mit den Magneten 24 am Stahlrohr 10 angebracht. Wenn das Rohr nicht magnetisch ist, z.B. aus Titan besteht, kann ein Band oder eine Bride zur Befestigung des Sende-Empfängers verwendet werden.

Arbeitsweise: Der Ultraschall-Sende-Empfänger 16 wird dann in Betrieb gesetzt, wobei der konkave Boden 20 und die Krümmung der Seitenwand 12 des Rohres als Linsen wirken, die das Ultraschall-Strahlungsbündel über die Strömung fokussieren.

Wie in Fig. 3 vergrößert dargestellt ist, breitet sich Streu-Ultraschall-Strahlung vom Kristall 26 durch den aus Stahl bestehenden Halter 18 aus, wie durch einen Pfeil dargestellt ist. Wegen der schlechten Schallimpedanzanpassung zwischen Metall und Luft würde dieser Störschall· an der Grenzfläche zwischen dem Halter-und der Luft praktisch vollständig in das Metall reflektiert und schließlich wieder zurück zum Kristall 16 gelangen, wo er dem empfangenen Nutzsignal· ein erhebliches Rauschen überlagern würde. Die Schallimpedanz der Epoxyschicht 36 ist jedoch wesentlich besser an die des Haiters 18 angepaßt und, wie in Fig. 3 dargesteMt ist, wird daher der überwiegende Teil· des Storscha^es vom Harter 18 in die Schicht 36 übertreten anstatt an der Schicht-Haiter-Grenz^äche re^ektiert zu werden. Da die Epoxyschicht Schail· absorbiert oder dämpft und eine beträchtliche Dicke hat, wird der größte Teil des Störschalles in der Schicht vernichtet, bevor er zum Halter 18 zurückkehren kann. Es gelangt daher nur sehr wenig Störsignal zum Kristall zurück und es ergibt sich ein wesentlich besseres Verhältnis von Nutzsignal zu Rauschen.

Andere Ausführungsformen: In den Fig. 4 und 5 ist eine Röhre 40 dargesteirt, die einen Innendurchmesser von etwa 12,6 mm hat, aus Titan besteht und eine Seitenwand 42 mit einem Sackioch 44 aufweist. Im Sackioch 44 ist ein ^trascha^-Sende-Err^fanger 46 angeordnet. Der Sende-Empfanger 46 enthä^ einen Kristail· 48, der am Boden des Loches 44 in der gieichen Weise befestigt ist, wie bei

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dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, und eine Kappe 50, die ebenfalls wie oben angebracht und angeschlossen ist.

Bei dem Kristall 48 handelt es sich hier um 10 MHz-Lithiumniobat-Kristall mit einem Durchmesser von 6,35 mm und einer nicht dargestellten oberen Elektrode mit einem Durchmesser von etwa 1 mm. Ein solcher kleinerer Kristall wird für kleinere Röhren verwendet. Anstatt einen Halter zu verwenden, wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, kann das Sackloch 44 direkt in die Seitenwand 42 der Röhre 40 gebohrt werden, wenn das durch die Röhre fließende Fluid nicht zu heiß ist oder unter keinem zu hohen Druck steht. Die Röhre 40 ist mit einer Epoxyschicht 52 des beim obigen Beispiel beschriebenen Typs umgeben. Die Schicht 52 ist etwa 3 mm dick.

Im Betrieb treten durch Pfeile dargestellte Störsignale vom Kristall 48 in die Seitenwand 42 der Röhre 40 ein.

Normalerweise würden diese Signale, wie oben erläutert, wegen der Metall-Luft-Grenzfläche in der Seitenwand 42 bleiben und sich um die Röhre 40 herum ausbreiten, so daß sie schließlich mit fast der gleichen Stärke wie am Anfang wieder am Kristall 42 angelangen. In Abhängigkeit von einer Anzahl von Faktoren, einschließlich der Art der Strömung und der Zeitspanne zwischen den Ultraschall-Impulszügen vom Kristall können bei der kleineren Halbzoll-Röhre die Störsignale so rechtzeitig zum Kristall 48 zurückkehren, daß sie mit dem von der Strömung zurückkehrenden Echo interferieren. Bei der größeren Röhre des obigen bevorzugten Ausführungsbeispieles, die einen Durchmesser von etwa 25 cm hat, würden diese Störsignale zu spät zurückkehren, um interferieren zu können, und es ist daher bei normalen Betriebsverhältnissen nicht nötig, eine solche größere Röhre zu beschichten.

-ΙΟΙ Bei der beschichteten Röhre, die in Fig. 5 dargestellt ist, wird der Störschall bei jedem Auftreffen auf die Grenzfläche zwischen der Röhre und dem Epoxidharz zu einem Teil absorbiert, so daß nur sehr wenig Störsignal übrig bleibt, um wieder in den Kristall einzutreten, wenn das Störsignal um die ganze Röhre herumgelaufen ist.

Der Begriff "Schallimpedanzanpassung" ist hier in weiterem Sinne auszulegen und nicht auf eine exakte Anpassung zwischen den schalleitenden Materialien und der absorbierenden Schicht, z.B. Epoxidharzschicht, beschränkt. Die Erfindung läßt sich auch bei anderen Schallimpuls-Echogeräten verwenden als bei den erwähnten Geräten zur Überwachung von Flüssigkeiten oder anderen strömenden Medien.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE - -DR. DIETER V. BEZOLD DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER MARIA-THERES1A-STRASSE 22 POSTFACH 86 02 60 D-8OOO MUENCHEN 86 3U9933 ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEENS TELEFON 089/4 70 60 TELEX 522 638 TELEGRAMM SOMBEZ 10 15 US-Ser.No. 217,088 AT; 16. Dezember 1980 Envelope Foreign 11154/Dr.v.B/Ro. 20 Micro Pure Systems, Inc. Cedar Swamp Road, Smithfield, Rhode Island, V.St.A. 25 Schallimpuls-Echogerät Patentansprüche

1. )J Impuls-Echogerät zum Gewinnen von Information über ein strömendes Fluid, mit einem zum Erzeugen von Schallschwingungen dienenden Wandler, der in akustischer Verbindung mit einem schalleitenden Material steht, dadurch gekennzeichnet , - daß das schalleitende Material (18, 42) mit einer schallabsorbierenden Schicht (36, 52) überzogen ist, deren Scha11impedanz an die des

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Materials derart angepaßt ist, daß der Großteil von etwaigen, sich im Material ausbreitenden Störschallschwingungen in die Schicht gelangt und dort vernichtet wird.

2.) Gerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht aus einem Epoxidharz und das Material aus Metall bestehen.

3.) Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Epoxidharzschicht nach dem Aufbringen bei 120⁰C (25O°F) gehärtet ist.

4.) Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht 3 mm dick ist.

5.) Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Rohr (40) bildet, welches ein strömendes Fluid führt.

6.) Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Material (18) einen Halter für den Wandler (26) bildet.

7.) Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Halter (18) ein Sackloch (22) aufweist, in dem der Wandler (26) angeordnet ist und daß der Halter (18) mit einer Einrichtung (12) verbunden ist, welche ein strömendes Fluid führt.

8.) Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Halter (18) einen konkaven Boden (20) aufweist, welcher auf die Seitenwand eines Rohrs (12) paßt.

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9.) Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Halter (18) mindestens einen Magneten (20) zur Befestigung an einem Metallrohr (12) aufweist.
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10.) Halter für ein in Verbindung mit einem Rohr verwendbaren Impuls-Echogerät, dadurch g e kennzeichnet , daß der Halter (18) einen Teil aufweist, der ein Sackloch (22) enthält, das sich über einem Boden (20) befindet; daß der Boden auf ein Rohr (12) paßt; daß im Sackloch ein Wandler (26) angeordnet ist und daß eine Vorrichtung (24) zum Befestigen des Halters am Rohr (16) vorgesehen ist.

11.) Halter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr aus Metall besteht und daß die Vorrichtung zum Anbringen des Halters mindestens einen Magneten (24) enthält.

12.) Halter nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine den Wandler (26) abschirmende Kappe (30).

13.) Halter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Ausnahme des Bodens mit einer Schicht aus einem schallabsorbierenden Epoxidharz überzogen ist.