EP3268954B1

EP3268954B1 - Anordnung und feldgerät der prozessmesstechnik

Info

Publication number: EP3268954B1
Application number: EP16704442.9A
Authority: EP
Inventors: Yaoying Lin; Alfred Rieder; Wolfgang Drahm; Michal Bezdek; Pierre Ueberschlag
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: CN107430845B; WO2016142127A1; EP3268954A1; US10269336B2; DE102015103486A1; CN107430845A; US20180061390A1

Description

Es ist eine Anordnung eines Ultraschallwandlers mit einem Filterelement aus der EP 1 340 964 B1 bekannt. Diese Anordnung weist allerdings eine signalabstrahlende Biegeplatte auf, welche randseitig den Körperschall in das Filterelement einspeist. Dadurch wird das Ultraschallsignal zwar in der Mitte zentriert, allerdings ist die abstrahlende Fläche sehr gering. Der konstruktive Gesamtaufbau der Anordnung in dieser Druckschrift zeigt zudem ein Frequenzspektrum, in welchem Rotations- und Axialmoden sehr nahe beieinander liegen und unterhalb eines Frequenzbereichs von 80000 Hz, dem üblichen Frequenzbereich des Nutzsignals. Das bedeutet, dass die Wahl der Frequenz für das Nutzsignal äußerst eingeschränkt ist oder man einen Messfehler, hervorgerufen durch die Eigenfrequenzen, kompensieren muss.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung bereitzustellen, mit einem breiten Frequenzbereich für das Nutzsignal, ohne dass eine Kompensation eines Messfehlers notwendig ist.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen Ultraschallwandler und ein Dämpfungselement, bzw. einen Bandpassfilter, mit einer Längsachse L. Ein Ultraschallwandler beschränkt sich diesbezüglich nicht ausschließlich auf Piezoelemente oder andere ultraschallerzeugende Elemente sondern kann auch den Bereich der Anordnung umfassen, welchen das Ultraschallsignal vor Eintritt in das Medium durchqueren muss. Dies kann z.B. eine oder mehrere Koppelschichten oder Anpassungsschichten umfassen. Besonders bevorzugt kann z.B. ein metallischer Aufsatz Teil des Ultraschallwandlers sein, von welchem aus ein Ultraschallsignal in ein gasförmiges oder flüssiges Medium ausgesandt wird. Besonders bevorzugt ist dieser metallische Aufsatz mittels einer Fügestelle mit dem Dämpfungselement verbunden.
Weiterhin erfindungsgemäß verbindet das Dämpfungselement den Ultraschallwandler mit einer Gehäuse- oder Messrohrwandung. Diese Wandung ist dabei jedoch nicht Teil der Anordnung. Der Wandler weist einen Aufsatz mit einer mediumsberührenden Oberfläche auf.
Von der Oberfläche werden Ultraschallsignale in ein gasförmiges oder flüssiges Medium ausgesandt. Dies kann im Fall eines Durchflussmessgerätes ein Messmedium sein oder bei der Füllstandsmessung z.B. Luft.
Das Dämpfungselement weist zumindest zwei Ringnuten und ein dazwischen angeordnetes Ringmassesegment auf. Ein Ringmassesegment ist ein ringförmig ausgebildeter umlaufender Vorsprung. In einer bevorzugten Ausführungsvariante weist das Ringmassesegment entlang seines Umfangs stets die gleiche Wandstärke auf.
Weiterhin erfindungsgemäß weist Dämpfungselement eine erste Eigenfrequenz f_a aufweist, in welcher das Ringmassesegment eine Axialbewegung parallel zur Längsrichtung des Dämpfungselements ausführt. Dies kann auch Axialmode genannt werden. Falls das Dämpfungselement mehrere Axialmoden aufweist, so ist als erste Eigenfrequenz die höchste Eigenfrequenz zu verstehen, bei welcher das Ringmassesegment eine Axialbewegung parallel zur Längsrichtung des Dämpfungselements ausführt.
Zudem weist Dämpfungselement erfindungsgemäß ein zweite Eigenfrequenz f_r auf, in welcher das Ringmassesegment eine Rotationsbewegung, vorzugsweise um seinen Masseschwerpunkt, ausführt. Dies kann auch Rotationsmode genannt werden. Falls das Dämpfungselement mehrere Rotationsmoden aufweist, so ist als erste Eigenfrequenz die niedrigste Eigenfrequenz zu verstehen, bei welcher das Ringmassesegment eine Rotationsbewegung ausführt.
Das Verhältnis der ersten Eigenfrequenz f_a zur zweiten Eigenfrequenz f_r ist erfindungsgemäß kleiner als 0,75.
Diese Anordnung ermöglicht eine Auswahl der Nutzfrequenz über einen sehr breiten Frequenzbereich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn das Verhältnis der ersten Eigenfrequenz f_a zur zweiten Eigenfrequenz f_r kleiner ist als 0,55, besonders bevorzugt kleiner ist als 0,4.
Das Dämpfungselement weist zumindest im Bereich einer ersten der zumindest zwei Ringnuten einen ersten mittleren Abstand r₂ von der Außenwandung eines hohlzylindrischen Teilbereichs bis zur Längsachse L auf. Die Mittelung des Abstandes bezieht sich auf einen Abstand gemittelt über den Umfang und die Länge der Ringnut. So können einzelne Bereiche vom Mittelwert abweichen.
Das Dämpfungselement weist zumindest im Bereich der ersten der zumindest zwei Ringnuten einen zweiten mittleren Abstand r₁ von der Innenwandung des hohlzylindrischen Teilbereichs bis zur Längsachse L auf. Auch hierbei bezieht sich die Mittelung des Abstandes auf einen Abstand der Innenwandung zur Längsachse gemittelt über den Umfang und die Länge der Ringnut.
Außerdem weist das Ringmassesegment zwischen den beiden Ringnuten eine gewisse Länge l₃ in axialer Richtung auf. Diese Länge ist ebenfalls über die Länge und den Umfang gemittelt.
Diese Größen sind in einem mathematischen Ausdruck zusammengefasst und zueinander ins Verhältnis gesetzt. Nach der vorliegenden Erfindung ist dieser Ausdruck $\frac{0,093 (r_{2} - r_{1})}{1 mm} + 0,0016 {[(\frac{l_{3}}{1 mm}) - 12,5]}^{2} + 0,057$
kleiner als 0,55, und ist vorteilhaft besonders bevorzugt kleiner als 0,40. Die Angaben für r₁, r₂ und l₃ sind in Millimeter anzugeben.
Durch diese bauliche Abstimmung einzelner Segmente des Dämpfungselements kann eine weitere Optimierung des Frequenzspektrums der Anordnung erreicht werden.
Es ist zudem von Vorteil wenn der hohlzylindrische Teilbereich rotationssymmetrisch ist. Dadurch erfolgt eine gleichmäßige Belastung und Auslöschung des Körperschalls.
Es ist von Vorteil, wenn der Ultraschallwandler und das Dämpfungselement stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Es sind zwar auch Schraubvarianten für Ultraschallwandler und Dämpfungselemente bekannt, diese können sich allerdings unter Schwingungen lösen oder verformen und sind meist keine hygienische Lösung.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn das Dämpfungselement weniger als 5 Ringnuten aufweist. Eine zunehmende Anzahl von Ringnuten bedeutet eine zunehmende Gefahr von Schwachstellen welche bei Druckbelastungen und unter Körperschallschwingungen versagen können.
Es ist von Vorteil, wenn die Länge der zumindest zwei Ringnuten in axialer Richtung gleich lang ist und dass die Länge des Ringmassesegments größer, vorzugsweise zumindest 1,5 mal so groß ist, wie die Länge einer der zwei Ringnuten. Durch die Ausgestaltung des Ringmassesegments über einen großen Längsbereich hinweg kann der Körperschall besser ausgelöscht werden und zugleich eine bessere Aufspaltung zwischen Axialmoden und Rotationsmoden im Frequenzspektrum erfolgen.
Es ist von Vorteil, wenn der Ultraschallwandler endständig eine Biegeplatte, welche eine Oberfläche aufweist, von welcher das Ultraschallsignal in das Medium ausgesandt wird, welche Biegeplatte randseitig frei schwingend ausgebildet ist. In der EP 1 340 964 B1 wird die Biegeplatte als eine Platte mit der Oberfläche beschrieben, von welcher aus das Ultraschallsignal in ein Medium abgestrahlt wird. Im Unterschied zur EP 1 340 964 B1 erfolgt bei dieser Ausgestaltung keine randseitige Einspeisung des Körperschalls durch eine Biegeplatte in das Dämpfungselement, sondern die Biegeplatte ist randseitig frei schwingend. Dadurch kann das Ultraschallsignal in vorteilhafter Weise großflächig in das gasförmige oder flüssige Medium übertragen werden.
Es ist von Vorteil, wenn die Anordnung in einem Frequenzbereich, in welchem das Verhältnis der Nutzfrequenz zur ersten Eigenfrequenz größer ist als 1,6 und in welchem das Verhältnis der Nutzfrequenz zur zweiten Eigenfrequenz kleiner ist als 0,7 keine axiale oder Rotations-Eigenfrequenz aufweist. Die Anordnung kann insbesondere im Bereich zwischen 50000 und 120000 Herz keine axiale oder Rotations-Eigenfrequenz aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Feldgerät der Prozessmesstechnik, insbesondere Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung von gasförmigen Medien, weist ein Messrohr auf, an welchem eine Anordnung nach Anspruch 1 angebracht ist.
Alternativ kann die Anordnung auch in einem Füllstandsmessgerät eingesetzt werden, wobei das Messrohr dabei jedoch meist durch ein Vorratsgefäß - z.B. einen Tank oder ein Silo ersetzt ist.
Auch andere Feldgeräte aus dem Bereich der Prozessmesstechnik sind für den Einsatz der Anordnung sind denkbar.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäße Anordnung umfassend einen Ultraschallwandler und ein Dämpfungselement;
Fig. 2 eine Anordnung gemäß dem Stand der Technik
Fig. 3 ein Frequenzspektrum der Anordnung aus Fig. 1 und der Anordnung gemäß Fig. 2
Fig. 4 eine Darstellung des Schwingungsverhaltens der erfindungsgemäßen Anordnung bei einer Anregungsfrequenz bei der Nutzfrequenz
Fig. 5 eine Darstellung des Schwingungsverhaltens der erfindungsgemäßen Anordnung bei einer Anregungsfrequenz im Bereich einer Axialmode; und
Fig. 6 eine Darstellung des Schwingungsverhaltens der erfindungsgemäßen Anordnung bei einer Anregungsfrequenz im Bereich einer Rotationsmode.

Die vorliegende Anordnung kann sowohl bei Füllstandmessgeräten als auch bei Durchflussmessgeräten eingesetzt werden. Nachfolgend wird jedoch der Aufbau, die Funktionsweise und die daraus resultierenden Vorteile vorwiegend für ein Ultraschall-Durchflussmessgerät beschrieben. Die Argumente lassen sich jedoch überwiegend auch auf die Ultraschall-Füllstandsmessung übertragen.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss eines Messmediums in einer Rohrleitung zu bestimmen. Die bekannten Ultraschall-Durchflussmessgeräte arbeiten häufig nach dem Laufzeitdifferenz Prinzip. Beim Laufzeitdifferenz-Prinzip werden die unterschiedlichen Laufzeiten von Ultraschallwellen, insbesondere Ultraschallimpulsen, so genannten Bursts, relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit ausgewertet. Hierzu werden Ultraschallimpulse in einem bestimmten Winkel zur Rohrachse sowohl mit als auch entgegen der Strömung gesendet. Aus der Laufzeitdifferenz lässt sich die Fliessgeschwindigkeit und damit bei bekanntem Durchmesser des Rohrleitungsabschnitts der Volumendurchfluss bestimmen.
Die Ultraschallwellen werden mit Hilfe so genannter Ultraschallwandler erzeugt bzw. empfangen. Hierfür sind Ultraschallwandler mit der Rohrwandung des betreffenden Rohrleitungsabschnitts fest verbunden. Dieser Gerätetyp ist in Fachkreisen auch als Inline-Ultraschalldurchflussmessgerät bekannt. Es sind auch Clamp-on-Ultraschall-Durchflussmesssysteme erhältlich, welche von außen an das Messrohr angebracht, z.B. aufgeschnallt, werden. Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräte sind jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung
Die Ultraschallwandler weisen normalerweise aus einem elektromechanischen Wandlerelement, z.B. ein oder mehrere piezoelektrische Elemente auf
Sowohl bei Clamp-On-Systemen, als auch bei Inline-Systemen sind die Ultraschallwandler in einer gemeinsamen Ebene am Messrohr angeordnet, entweder auf gegenüberliegenden Seiten des Messrohrs, dann verläuft das akustische Signal, projiziert auf einen Rohrquerschnitt, einmal entlang einer Sekante durch das Messrohr, oder auf derselben Seite des Messrohrs, dann wird das akustische Signal an der gegenüberliegenden Seite des Messrohrs reflektiert, wodurch das akustische Signal zweimal das Messrohr entlang der auf den Querschnitt durch das Messrohr projizierten Sekante durchquert.
Im konkreten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist eine Anordnung mit einem entsprechenden Ultraschallwandler 1 mit zwei übereinander-angeordneten elektromechanischen Wandlerelementen 2, insbesondere mit zwei Piezoelementen, ausgestaltet. Der Ultraschallwandler 1 weist zudem einen Aufsatz 4 mit einer mediumsberührenden Oberfläche 5 auf. An dieser Oberfläche 5 werden die durch das oder die elektromechanischen Wandlerelemente 2 erzeugten Ultraschallwellen an das Messmedium abgegeben.
Der in Fig. 1 dargestellte Aufsatz 4 weist einen Sockel 6 auf, welcher in Kontakt, insbesondere in formschlüssigen Kontakt, mit den elektromechanischen Wandlerelementen 2 steht. Weiterhin weist der Aufsatz 4 eine Biegeplatte 7 auf mit der mediumsberührenden Oberfläche 5 auf.
Der Sockel 6 des Aufsatzes 4 weist eine Schnittstelle 16 zu einem Dämpfungselement 15 auf. Dieses Dämpfungselement 15 ist als ein zylindrischer Körper ausgebildet mit zumindest zwei parallel zueinander verlaufenden Ringnuten 10 und 12. Die Schnittstelle 16 kann z.B. als eine Schweißverbindung ausgebildet sein.
Zwischen der Schnittstelle 16 und einer ersten der beiden Ringnuten 10 ist ein erstes Ringmassesegment 9 angeordnet, welches eine größere Wanddicke, insbesondere zumindest eine doppelt so starke Wanddicke aufweist, wie die Ringnut 10.
Zwischen diesen beiden Ringnuten 10 und 12 ist zudem ein zweites Ringsegment 11 angeordnet, welches eine größere Wanddicke, insbesondere zumindest eine doppelt so starke Wanddicke aufweist, wie die Ringnuten 10 und 12.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das Dämpfungselement 15 im Wesentlichen durch drei Radien definiert. Es ist ein erster Radius r₁ vorgesehen, welcher sich von einer Längsachse L des Dämpfungselements 15 bis zu einer Innenwandung des zylindrischen Körpers erstreckt. Des Weiteren ist ein zweiter Radius r₂ vorgesehen, welcher den Abstand der Außenwandung im Bereich der Ringnuten 10, 12 zur Längsachse beschreibt. Schließlich ist ein dritter Radius r₃ vorgesehen, welcher den radialen Abstand zwischen der Längsachse und dem äußersten Punkt des zweiten Ringmassesegments 11 beschreibt.
Nach der zweiten Ringnut 12 wird das Dämpfungselement 15 über eine Schnittstelle 17 im Bereich des dritten Radius r₃ mit einer Gehäusewandung 14 verbunden. Auch hier kann die Schnittstelle 17 als Schweißverbindung ausgebildet sein. Die Schnittstelle ist in Fig. 1 auf radial außerhalb des zweiten Radius r₂ und im Bereich des dritten Radius r₃ angeordnet.
Die Ringnuten 10 und 12 erstrecken sich über einen jeweiligen Längenabschnitt l₁ und l₂ entlang der Längsachse L. Diese Längenabschnitte l₁ und l₂ sind in Fig. 1 gleich groß dimensioniert. Das zweite Ringmassensegment 11 erstreckt sich über einen Längenabschnitt l₃, welcher im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 größer ist als die Längenabschnitte l₁ und l₂.
Das erste Ringmassesegment 9 ist an seinem radial äußersten Punkt mit einem Ringsegment 8 verbunden, welches sich von der Schnittstelle 16 bis zur Ringmasse 9 erstreckt. Dieses Ringsegment 8 weist eine geringere, vorzugsweise zumindest doppelt so kleine Wanddicke auf wie das erste Ringmassesegment 9.
Das Ringmassesegment 9 geht an seinem radial innersten Punkt in die Ringnut über. Dadurch erfolgt bei Einwirken einer axialen Kraft eine Umlenkung dieser Kraft durch das Ringmassesegment von außen nach innen.
Fig. 2 zeigt ein Dämpfungselement aus dem Stand der Technik der EP 1 340 964 B1 . Das Dämpfungsverhalten dieses Dämpfungselements wurde untersucht und mit dem Dämpfungsverhalten des Dämpfungsverhalten der Anordnung der Fig. 1 verglichen.
Fig. 3 zeigt anhand des Spektrums S1 mit der durchgezogenen Linie Schwingungsspektren das Dämpfungsverhaltens der Anordnung der Fig. 1 in Gegenüberstellung mit dem Spektrum S2 mit der gestrichelten Linie zum Dämpfungsverhalten der Anordnung der Fig. 2.
Ein Nutzsignal A-n, welches zur Bestimmung des Füllstandes oder des Durchflusses benötigt wird, liegt im Spektrum S1 bei etwa 8200 Hz. Wie sich aus Fig. 3 ergibt kann der Frequenzbereich des Nutzsignals A-n für die Anordnung der Fig. 1 in einem sehr breiten Bereich gewählt werden. Der Frequenzbereich des Nutzsignals kann beliebig im Bereich zwischen 45000 bis etwa 120000 Hz gewählt werden, ohne dass es zu größeren Überlagerungen des Nutzsignals A-n mit den Eigenfrequenzen A-a1, A-a2, A-r1 des Dämpfungselements 15 kommt. Die Peaks im Spektrum S1 bei 28000 und bei 35000 Hz stellen Axialschwingungen dar, während der Peak bei etwa 136000 Hz eine Rotationsschwingung darstellt.
Demgegenüber weist das Spektrum des Dämpfungselements der Fig. 2 bei maßstabsgetreuer Umsetzung eine ganze Reihe von Eigenschwingungen auf, welche sich mit einem Nutzsignal bei etwa 82000 Hz überlagern. Die Peaks bei 25000 und bei 55000 Hz stellen dabei Axialschwingungen B-a1 und B-a2 dar. Die Peaks bei 71000 und 73000 Hz hingegen stellen Rotationsschwingungen B-r1 und B-r2 dar. Sowohl die Axial- als auch die Rotationsschwingungen liegen bei der in Fig. 3 dargestellten Variante unterhalb der Nutzfrequenz von 82000 Hz.
Fig. 4 zeigt das Schwingungsverhalten des Dämpfungselements beim Senden und/oder Empfangen eines Ultraschallsignals im Nutzfrequenzbereich. Man erkennt, dass sich vorwiegend der Ultraschallwandler 1, also die elektromechanischen Wandlerelemente 2 und 3 und der Aufsatz 4 mit dem Sockel 6 und der Biegeplatte 7, in Schwingung befinden. Die Biegeplatte 7 weist im Betrieb des Ultraschalldurchflussgerätes eine radiale Auslenkung A1 auf. Diese Auslenkung A1 wird jedoch nicht auf eine nachfolgende Dämpfungsstruktur übertragen, sondern die Biegeplatte 7 ist freischwingend und ist in ihrer radialen Auslenkung nicht durch eine dämpfende Struktur gestört. Dadurch wird das abgestrahlte Ultraschallsignal besonders gut und ungehindert an das Medium übertragen.
Fig. 5 zeigt das Schwingungsverhalten der erfindungsgemäßen Anordnung in der dargestellten Ausführungsvariante gemäß Fig. 1 im Zustand der Eigenfrequenz A-a2 (Axialmode bei ca. 35000 Hz.). In erster Linie führt das Ringmassesegment 11 zwischen den beiden parallelen Ringnuten 10 und 12 eine Axialbewegung aus. Durch die Auf- und Ab-Bewegung des Ringmassesegments 11 kommt es zu einer temporären Materialwandverformung im Bereich der der Ringnuten 10 und 12 in Form einer temporären Ausdünnung oder Verdickung.
Fig. 6 zeigt das Schwingungsverhalten der erfindungsgemäßen Anordnung in der dargestellten Ausführungsvariante gemäß Fig. 1 im Zustand der Eigenfrequenz A-r1 (Rotationsmode bei ca. 137000 Hz.). In erster Linie führt das Ringmassesegment 11 zwischen den beiden parallelen Ringnuten 10 und 12 eine Rotationsbewegung aus. Durch die Schwingungsbewegung des Ringmassesegments 11 kommt es zu einer temporären Materialwandverformung im Bereich der der Ringnuten 10 und 12 in Form eines wellenförmigen Verbiegens der Materialwand.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsvariante lässt sich im Rahmen der Erfindung auch weiter abwandeln. So ist anstelle einer zylindrischen Grundstruktur auch eine prismatische Grundstruktur vorzugsweise mit einheitlichen Prismenflächen möglich. Auch einzelne Segmente der Grundstruktur, so insbesondere auch das Ringmassesegment 11, können im zweidimensionalen Schnitt senkrecht zur Längsachse L vieleckig ausgestaltet werden.
Aufgrund der Abfolge aus Ringmassesegmente 9 und 11 und Ringnuten 10 und 12 kann eine Entkopplung des oder der Rotationsmodi von den Axialmodi erreicht werden, so dass ein breiter Frequenzbereich zwischen diesen einzelnen Eigenfrequenzen für das Nutzsignal zur Verfügung steht.

Insgesamt kann die Anordnung ein- oder mehrstückig aufgebaut sein. Das Dämpfungselement und der Aufsatz sind rotationssymmetrisch und bestehen aus Metall. Dabei kann der Aufsatz vorzugsweise aus Edelstahl oder Titan bestehen. Das Dämpfungselement besteht vorzugsweise aus Edelstahl.

Bezugszeichenliste

1	Ultraschallwandler
2	Wandlerelement
4	Aufsatz
5	Oberfläche
6	Sockel
7	Biegeplatte
8	Ringsegment
9	Ringmassesegment
10	Ringnut
11	Ringmassesegment
12	Ringnut
13	Abschnitt
14	Gehäusewandung
15	Dämpfungselement
16	Schnittstelle
17	Schnittstelle
L	Längsachse
r₁	Radius Längsachse bis Innenwand	l₃	Länge Ringmassensegment
r₂	Radius Längsachse bis Außenwand (Ringnut)	f_a	Axialmode
r₃	Radius Längsachse bis Außenwand (Ringmassesegment)	f_r	Rotationsmode
l₁	Länge Ringnut	f_n	Nutzfrequenz
l₂	Länge Ringnut

Claims

Anordnung umfassend einen Ultraschallwandler (1) und ein Dämpfungselement (15) mit einer Längsachse (L), welches Dämpfungselement (15) den Ultraschallwandler (1) mit einer Gehäuse- oder Messrohrwandung (14) verbindet, wobei der Ultraschallwandler (1) einen Aufsatz (4) mit einer mediumsberührenden Oberfläche (5) aufweist, von welcher Ultraschallsignale in ein gasförmiges oder flüssiges Medium ausgesandt werden, und wobei das Dämpfungselement (15) zumindest zwei Ringnuten (10, 12) und ein dazwischen angeordnetes Ringmassesegment (11) aufweist,
wobei
das Dämpfungselement (15) eine erste Eigenfrequenz (f_a) aufweist, in welcher das Ringmassesegment (11) eine Axialbewegung parallel zur Längsrichtung des Dämpfungselements (15) ausführt,
wobei diese erste Eigenfrequenz die höchste Eigenfrequenz ist, im Fall dass eine Mehrzahl von Eigenfrequenzen vorliegen, bei welchen das Ringmassesegment (11) eine Axialbewegung parallel zur Längsrichtung des Dämpfungselements (15) ausführt,
und
wobei das Dämpfungselement (15) eine zweite Eigenfrequenz (f_r) aufweist, in welcher das Ringmassesegment eine Rotationsbewegung ausführt;
wobei diese zweite Eigenfrequenz die niedrigste Eigenfrequenz ist, im Fall dass eine Mehrzahl von Eigenfrequenzen vorliegen, bei welchen das Ringmassesegment (11) eine Rotationsbewegung ausführt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der ersten Eigenfrequenz (f_a) zur zweiten Eigenfrequenz (f_r) kleiner ist als 0,75,
und dass das Dämpfungselement (15) zumindest im Bereich einer ersten der zumindest zwei Ringnuten (10) einen ersten mittleren Abstand r₂ von der Außenwandung eines hohlzylindrischen Teilbereichs bis zur Längsachse (L) aufweist,
wobei das Dämpfungselement (15) zumindest im Bereich der ersten der zumindest zwei Ringnuten (10) einen zweiten mittleren Abstand r₁ von der Innenwandung des hohlzylindrischen Teilbereichs bis zur Längsachse (L) aufweist,
wobei das Dämpfungselement (15) im Bereich des Ringmassesegments (11) zwischen den Ringnuten (10, 12) eine mittlere Länge l₃ aufweist,
wobei der Ausdruck $\frac{0,093 (r_{2} - r_{1})}{1 mm} + 0,0016 {[(\frac{l_{3}}{1 mm}) - 12,5]}^{2} + 0,057$
kleiner ist als 0,55, wobei die Angaben für r_t, r₂ und l₃ in Millimeter anzugeben sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der ersten Eigenfrequenz (f_a) zur zweiten Eigenfrequenz (f_r) kleiner ist als 0,55, besonders bevorzugt kleiner ist als 0,4.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Ausdruck $\frac{0,093 (r_{2} - r_{1})}{1 mm} + 0,0016 {[(\frac{l_{3}}{1 mm}) - 12,5]}^{2} + 0,057$
kleiner ist als 0,40, wobei die Angaben für r₁, r₂ und l₃ in Millimeter anzugeben sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylindrische Teilbereich rotationssymmetrisch ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (1) und das Dämpfungselement (15) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (15) weniger als fünf Ringnuten (10, 12) aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen l₁, l₂ der zumindest zwei Ringnuten (10, 12) in axialer Richtung gleich lang sind und dass die Länge l₃ des Ringmassesegments (11) größer, vorzugsweise zumindest 1,5 mal so groß ist, wie die Länge l₁ oder l₂ einer der zwei Ringnuten (10, 12).
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (1) endständig eine Biegeplatte (7) aufweist, welche die Oberfläche (5) aufweist von welcher das Ultraschallsignal in das Medium ausgesandt wird, welche Biegeplatte (7) randseitig frei schwingend ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung in einem Frequenzbereich, in welchem das Verhältnis der Nutzfrequenz f_n zur ersten Eigenfrequenz f_a größer ist als 1,6 und in welchem das Verhältnis der Nutzfrequenz f_n zur zweiten Eigenfrequenz f_r kleiner ist als 0,7 keine axiale Eigenfrequenz oder Rotationseigenfrequenz aufweist.
Feldgerät der Prozessmesstechnik, insbesondere Ultraschall-Durchflussmessgerät zur Messung von gasförmigen Medien, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät ein Messrohr oder ein Vorratsgefäß aufweist, an welchem eine Anordnung nach Anspruch 1 angebracht ist.