NO327799B1 - Ultralydbolgeleder og ultralydgjennomstromningsmaleapparat med sadan ultralydbolgeleder - Google Patents

Description

Oppfinnelsen gjelder en ultralydbølgeleder for overføring av ultralydsignaler som ligger i et forutbestemt frekvensområde. Oppfinnelsen gjelder også et ultralydmåleapparat for måling av gjennomstrømning, hvor det er anvendt en sådan ultralydbølgeleder. I ultra-lydgjennomstrømningsmåleapparater av denne art utnyttes typisk et piezokrystall som ultralydtransduser, ved hjelp av hvilken ultralydsignaler blir generert eller detektert.

Over en bestemt temperatur, dvs. den såkalte Curie-temperatur (T^, kan piezokrystaller ikke lenger anvendes, da krystaller over temperaturen Tc ikke har noen ferroelektrisk eller ferromagnetisk fase, hvilket er en forutsetning for deres piezoelektriske egenskap. Er imidlertid det strømmende medium hvis gjennomstrømning skal måles med ultralyd-gjennomstrømningsmåleapparatet meget varmt, slik at dets temperatur ligger over piezokrystallets Curie-temperatur, er det nødvendig med en viss termisk isolering av ultralydtransduseren mot det varme medium for å oppnå pålitelig drift av ultralyd-gjennomstrømningsmåleapparatet. Som en sådan termisk isolering benyttes en ultra-lydbølgeleder som på den ene side skal sikre en best mulig varmeisolasjon av ultralydtransduseren mot det varme medium og på den annen side en mest mulig tapsfri og uforstyrret overføring av ultralydsignaler. Med en sådan ultralydbølgeleder kan da et ultralydsignal generert av en ultralydtransduser kobles inn i det strømmende medium mens den egentlige ultralydtransduser befinner seg fjernt fra det varme medium og er termisk isolert fra dette.

I dagens ultralydgjennomstrømningsmåleapparater anvendes det som ultralydbølgeleder f.eks. sådanne konstruksjoner som dem beskrevet i WO 96/41157. Som ultralydbølge-leder anvendes da flere meget tynne, innbyrdes parallelle staver, idet de enkelte stavdiametre er vesentlig mindre enn bølgelengden av det ultralydsignal som skal overføres. Stavene er da typisk ført inn i et rør hvor de ligger tett inntil hverandre, idet røret holder stavene sideveis sammen og derved gir en kompakt ultralydbølgeleder. Denne eksisterende konstruksjon er imidlertid problematisk i den grad det for overføring av ultralydsignaler med meget høye frekvenser på over 1 MHz fordres en stavdiameter på betydelig mindre enn 0,1 mm. Fremstilling av sådanne tynne staver er imidlertid meget komplisert, krevende og kostbar.

Publikasjonen US 3 352 376 beskriver en stabel av folier, som virker som ultralydbølge-leder. I en utførelse har disse ultralydbølgeledere en sjikttykkelse på 0,1 mm

Oppfinnelsen har da som oppgave å angi en prisgunstig ultralydbølgeleder som er lett å produsere og ved hjelp av hvilken også høyfrekvente ultralydsignaler med en frekvens på inntil 20 MHz kan overføres med liten demping og liten forstyrrelse.

I henhold til oppfinnelsen løses denne oppgave ved hjelp av en ultralydbølgeleder for overføring av ultralydsignaler som ligger i et forutbestemt frekvensområde, og hvor ultralydbølgelederen oppviser en folie, hvis sjikttykkelse er vesentlig mindre enn de minste bølgelengder av de ultralydbølgesignaler som ligger i det forutbestemte frekvensområde i foliematerialet. På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk har da ultralyd-bølgeleder i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at folien er sammenrullet.

Oppfinnelsen gjelder også et ultralydgjennomstrømningsmåleapparat som har en sådan ultralydbølgeleder hvor folien er sammenrullet, slik som angitt i patentkrav 11.

Ifølge oppfinnelsen blir da det faktum utnyttet at dempingen og forstyrrelsen av et ultralydsignal i en ultralydbølgeleder er avhengig av dennes dimensjoner. Dempingen og forstyrrelsen av ultralydsignaler i en ultralydbølgeleder kommer i det vesentlige av ultralydsignalets diffusjon (lekkasje) og dispersjon (utbredelsestap). Disse virkninger trer likevel tydelig i bakgrunnen når ultralydbølgelederens geometriske dimensjoner, dvs. dens bredde og høyde, blir vesentlig mindre enn bølgelengden av ultralydsignalet i ultra-lydbølgelederens material. Det forventes således ingen diffusjon og ingen dispersjon av ultralydsignalet når ultralydbølgelederen har praktisk talt uendelig bred utstrekning.

Med en folie som i sitt utbredelsesplan kan anses å ha nærmest uendelig bred utstrekning, må i samsvar med dette foliens avgjørende sjikttykkelsesdimensjon velges tilsvarende liten. Blir en sådan folie rullet sammen, får man en stavformet ultralydbølgeleder som oppfyller fordringene om en praktisk talt diffusjons- og dispersjonsfri ultralydledning. Skjønt nabofoliesjikt i en sammenrullet folie ligger direkte an mot hverandre, tilsvarer en sådan sammenrullet folies ultralydledeegenskaper ikke dem for en tilsvarende stav av massivt material. På grunn av grenseflaten mellom de enkelte sjikt kan hvert sjikt i folien med hensyn til en sådan sammenrullet folies ultralydledeegenskaper, betraktes hver for seg, idet det mellom sjiktene som ligger mot hverandre finner sted et impedanssprang som "isolerer" de enkelte sjikt fra hverandre mot ultralydledning og derved mot overfør-ing av ultralydsignaler For en tilnærmet diffusjons- og dispersjonsfri ledning av ultralydsignaler i ultralydbølgelederen er det i dette henseende tilstrekkelig at de ovenfor nevnte geometriske fordringer oppfylles når hvert sjikt tas hver for seg, altså i hovedsak at deres sjikttykkelse er betraktelig mindre enn bølgelengden av de ultralydsignaler som skal overføres i ultralydbølgelederens material.

Ved dimensjonering av en ultralydbølgeleder i henhold til oppfinnelsen med en sammenrullet folie, undersøkes det derfor først hvilken største frekvens et ultralydsignal som skal føres gjennom ultralydbølgelederen har, slik at sjikttykkelsen av den folie som skal anvendes, kan velges tilsvarende liten og at diffusjon og dispersjon av ultralydsignaler i ultralydbølgelederen i stor grad undertrykkes.

Ultralydbølgelederen i henhold til oppfinnelsen kan anvendes i alle bølgelengdeområder fra det hørbare spekter til frekvenser over 20 MHz. Det forutses imidlertid at en ultralyd-bølgeleder i henhold til oppfinnelsen fortrinnsvis kommer til anvendelse i et frekvensområde på fra 15 kHz til 20 MHz, hvorved foliens sjikttykkelse beløper seg til mindre enn 0,1 mm.

Som material for den sammenrullede folie for ultralydbølgeledere i henhold til oppfinnelsen kan det anvendes diverse materialer, men fortrinnsvis består folien av metall og/eller keramikk og/eller plast.

Selv med en sammenrullet folie alene kan en ultralydbølgeleder i henhold til oppfinnelsen, som har de angitte gode ledningsegenskaper, oppnås. Det forutses imidlertid at folien fortrinnsvis stikkes inn i et rør og da med fordel med finpasning. Røret stabiliserer da ultralydbølgelederen og letter dens innbygning i f.eks. en anordning for et ultralyd-gjennomstrømningsmåleapparat. Også for selve røret kan det anvendes en mengde materialer, men fortrinnsvis består røret av metall. På en ende av den sammenrullede folie er det typisk anordnet en ultralydtransduser, slik at ultralydsignaler kan kobles inn i ultralydbølgelederen eller ultralydsignaler kan mottas fra ultralydbølgelederen. Ultralydtransduseren som generelt oppviser et piezokrystall, kan da anbringes direkte på en ubearbeidet endeflate av foliesjiktene. Det forutses imidlertid at endene av ultralyd-bølgelederen som oppviser den sammenrullede folie, fortrinnsvis sveises. Særlig fore-trekkes sammensveising ved hjelp av en TIG-metode (Tungsten Inert Gas), dvs. med en wolfram/inert gass-sveising. En særlig glatt flate og derved en optimal innkoblingsevne for ultralydsignaler i en ultralydbølgeleder i henhold til oppfinnelsen oppnås når de sveisede ender plandreies etter sammensveisingen.

I henhold til en foretrukket videreutvikling av oppfinnelsen er det forutsett at sjikttykkelsen av folien endres innenfra og utover. Det kan likeledes forutses at ultralydbølgeleder-en oppviser flere sammenrullede folier med ulike sjikt og/eller ulike materialer. Med disse tiltak oppnås det at det ultralydsignal som avgis fra ultralydbølgelederen kan tilformes på en forutbestemt måte og derved f.eks. tilsvarende ledes eller fokuseres på bestemte anvendelser. Denne mulighet kommer av at ultralydsignalets utbredelses-hastighet i ultralydbølgelederen er avhengig av den respektive impedans og derved bl.a. sjikttykkelsen av det enkelte foliesjikt i hvilke den tilsvarende andel av ultralydsignalet blir overført. Det samme gjelder ultralydsignalets forskjellige utbredelseshastigheter i ulike materialer.

Ultralydbølgelederen i henhold til oppfinnelsen har mangfoldige anvendelser. Fortrinnsvis finner det imidlertid sted en innbygning av ultralydbølgelederen i henhold til oppfinnelsen i et ultralydgjennomstrømningsmåleapparat ved hjelp av hvilket gjennomstrøm-ningen av et medium som har høy temperatur, skal bestemmes.

Med hensyn til detaljer finnes det nå en mengde muligheter for utforming og videreutvikling av en ultralydbølgeleder i henhold til oppfinnelsen. På den ene side henvises det da til de patentkrav som er underordnet krav 1 og på den annen side til den etter-følgende detaljerte beskrivelse av foretrukne utførelseseksempler på oppfinnelsen sett i sammenheng med den vedføyde tegning, på hvilken: Fig. 1 skjematisk viser en ultralydbølgeleder i henhold til et foretrukket utførelses-eksempel på oppfinnelsen, og

fig. 2 skjematisk viser i snitt, en ultralydbølgeleder i henhold til et foretrukket utfør-elseseksempel på oppfinnelsen sammen med en tilkoblet ultralydtransduser.

I fig. 1 er det skjematisk vist en ultralydbølgeleder i henhold til et foretrukket utførelses-eksempel på oppfinnelsen, som oppviser en sammenrullet folie 1 som med fintilpasning er stukket inn i et rør 2. Ifølge det foretrukne utførelseseksempel av oppfinnelsen som er vist i fig. 1 består såvel folien 1 som røret 2 av edelstål. Illustrasjonen av ultralyd-bølgelederen i fig. 1 er ikke vist i målestokk. Foliens sjikttykkelse beløper seg nemlig til 0,1 mm, slik at også ultralydsignaler med en frekvens som klart overstiger 1 MHz kan overføres uten graverende diffusjons- og dispersjonsvirkninger. Lengden av ultralyd-bølgelederen i henhold til det første foretrukne utførelseseksempel på oppfinnelsen beløper seg til 0,6 m mens røret 2 oppviser en veggtykkelse på 1 mm ved en inner-diameter på 14 mm. Med denne ultralydbølgeleder lar det seg oppnå en demping på mindre enn 5 dB/m for et ultralydsignal med en frekvens på 1 MHz.

Fig. 2 viser en ultralydbølgeleder i henhold til et foretrukket utførelseseksempel på oppfinnelsen med sveisede og plandreide ender 3 såvel som en ultralydtransduser 4 tilkoblet en ende. Med TIG-sveising og påfølgende plandreining av endene av ultralyd-bølgelederen oppnås en ytterst glatt overflate, slik at en optimal overføring til ultralyd-bølgelederen av et ultralydsignal generert i ultralydtransduseren 4 eller uforstyrret mottagning av ultralydsignaler fra ultralydbølgelederen med ultralydtransduseren 4, er mulig.

Claims (11)

1. Ultralydbølgeleder for overføring av ultralydsignaler som ligger i et forutbestemt frekvensområde, og hvor ultralydbølgelederen oppviser en folie (1), hvis sjikttykkelse er vesentlig mindre enn de minste bølgelengder av de ultralydbølgesignaler som ligger i det forutbestemte frekvensområde i foliematerialet, karakterisert ved at folien er sammenrullet.

2. Ultralydbølgeleder som angitt i krav 1, og hvor foliens sjikttykkelse er valgt så liten at ved overføring av ultralydsignaler i ultralydbølgelederen blir ultralydsignalets diffusjon og dispersjon i stor grad undertrykket.

3. Ultralydbølgeleder som angitt i krav 1 eller 2, og hvor frekvensområdet er fra 15 kHz til 20 MHz.

4. Ultralydbølgeleder som angitt i krav 3, og hvor sjikttykkelsen av folien (1) er mindre enn 0,1 mm.

5. Ultralydbølgeleder som angitt i et av kravene 1 - 4, og hvor folien (1) består av metall og/eller keramikk og/eller plast.

6. Ultralydbølgeleder som angitt i et av kravene 1 - 5, og hvor folien (1) fortrinnsvis med Anpasning, er stukket inn i et rør (2) som fortrinnsvis består av metall.

7. Ultralydbølgeleder som angitt i krav 6, og hvor endene av ultralydbølgelederen er sveiset sammen, fortrinnsvis ved TIG-sveising, og plandreiet.

8. Ultralydbølgeleder som angitt i et av kravene 1 - 7, og hvor foliens sjikttykkelse endrer seg innenfra og utover.

9. Ultralydbølgeleder som angitt i et av kravene 1 - 8, og hvor ultralydbølgelederen oppviser flere sammenrullede folier (1) med ulik sjikttykkelse og/eller ulike materialer.

10. Ultralydbølgeleder som angitt i et av kravene 1 - 9, og hvor det på en av de to ender av den sammenrullede folie (1) er anordnet en ultralydtransduser (4) på en slik måte at med denne kan ultralydsignaler kobles inn i ultralydbølgelederen og/eller mottas fra ultralydbølgelederen.

11. Ultralydgjennomstrømningsmåleapparat med en ultralydbølgeleder for overføring av ultralydsignaler som ligger i et forutbestemt frekvensområde, og hvor ultralydbølgeleder-en oppviser en folie (1), hvis sjikttykkelse er vesentlig mindre enn de minste bølge-lengder av de ultralydbølgesignaler som ligger i det forutbestemte frekvensområde i foliematerialet, karakterisert ved at folien er sammenrullet.