專利名稱：超聲轉(zhuǎn)換器及超聲流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲轉(zhuǎn)換器，且本發(fā)明還涉及一種超聲流量計(jì)。
這類超聲轉(zhuǎn)換器用于分別將超聲波衍射束到媒質(zhì)之中，并接收從媒質(zhì)內(nèi)來的超聲波束。它們尤其是被使用于在流量計(jì)中記錄媒質(zhì)的流量。流量計(jì)測(cè)定在管道系統(tǒng)中接收的流動(dòng)媒質(zhì)的數(shù)量，由此測(cè)定媒質(zhì)所傳送的能量，特別是熱能。流量計(jì)使管子系統(tǒng)的操作人員可以為接收的客戶開出帳單請(qǐng)客戶付款，數(shù)量根據(jù)流量表讀數(shù)計(jì)算。
WO 86/02723描述了一種在流動(dòng)媒質(zhì)中成對(duì)安排的超聲轉(zhuǎn)換器。超聲轉(zhuǎn)換器能激發(fā)出平行于流體流動(dòng)方向的超聲波，也能接收相對(duì)方向的轉(zhuǎn)換器所發(fā)出的超聲波。在上游發(fā)射的脈沖在媒質(zhì)中的傳送時(shí)間和在下游方向發(fā)射的脈沖在媒質(zhì)中的傳送時(shí)間不同，因?yàn)槁暡ㄔ诿劫|(zhì)中經(jīng)過，此傳送時(shí)間可以用于計(jì)算流量或流率。超聲波轉(zhuǎn)換器的表面結(jié)構(gòu)影響聲波的發(fā)射，特別是影響聲波的成束的程度。超聲轉(zhuǎn)換器的這種簡(jiǎn)單的安排的缺點(diǎn)是對(duì)流動(dòng)的阻力很大。
DE-OS 40 10 148 A1描述了一種用于氣體及液體的流量計(jì)，它對(duì)流體流動(dòng)的阻力要小得多。超聲轉(zhuǎn)換器位于管子直徑之外測(cè)量管管壁之內(nèi)的凹進(jìn)部分之中。這種安排要求超聲束橫向于測(cè)量管子的軸線，它只有多次在測(cè)量管壁上被反射后才能遇上接收的轉(zhuǎn)換器。超聲波波束以V字或W字形在測(cè)量管中經(jīng)過。這可以獲得一個(gè)非均勻的流量的較好的平均值。但是，要衍射波束以直線形式通過窗口，需要精確對(duì)齊超聲波轉(zhuǎn)換器，這使得流量計(jì)的成本提高。
DE 30 20 282 A1中揭示了一種間隔插入式轉(zhuǎn)換器，它成功地克服了上述缺點(diǎn)。所述間隔插入式轉(zhuǎn)換器是一種兩維的陶瓷壓電材料件，其特點(diǎn)是，在陶瓷材料件的一側(cè)上設(shè)置具有間隔插入式結(jié)構(gòu)的兩個(gè)電極，電極由交流電壓充電。這種間隔插入式結(jié)構(gòu)的電極彼此安排成像兩個(gè)互相不接觸反向梳子的齒那樣彼此偏移設(shè)置。面向媒質(zhì)的另一側(cè)上整個(gè)地覆蓋上整片電極。當(dāng)兩個(gè)具有180°相位差的相同頻率f的交流電壓加在兩電極及整片電極之間時(shí)，其上覆蓋著間隔插入式結(jié)構(gòu)的壓電材料的區(qū)域產(chǎn)生厚度方向的振蕩，超聲波通過另一側(cè)上的整片電極以垂直于整片電極的角度發(fā)送出超聲波。該衍射角取決于頻率f，交流電壓的相位差以及插入式結(jié)構(gòu)的周期性。這種插入式轉(zhuǎn)換器使流量計(jì)的成本提高得很多。
另外，GB2011219揭示了一種超聲探頭，它用于以影像技術(shù)作為協(xié)助檢查身體的醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域。使超聲探頭和身體表面之間的接觸點(diǎn)起縐紋以壓制探頭/身體接觸面處不希望的反射。
為了能生產(chǎn)真正廉價(jià)的超聲波流量計(jì)，超聲轉(zhuǎn)換器的問題的解決是一個(gè)前提性的基本的條件。
為此，一相位衍射柵設(shè)置在超聲轉(zhuǎn)換器處，此相位衍射柵可以允許超聲波作橫向衍射。通過相應(yīng)地設(shè)計(jì)區(qū)域的尺寸或選擇恰當(dāng)?shù)牟牧?，可以確保超聲波以一預(yù)定的衍射角衍射。
該區(qū)域形成為交替的突出部和槽。突出部由一高度h和一距離d并由槽所隔開。由超聲發(fā)生器發(fā)送入媒質(zhì)的超聲波被該相位衍射柵所衍射。該衍射柵近似地垂直于發(fā)射表面以一預(yù)定的衍射角度±α衍射。殼體壁的材料，尤其是突出部和槽的材料以及柵的常數(shù)(距離d及高度h等)決定了相位衍射柵(14)的衍射角度±α，這在與媒質(zhì)直接接觸的情況下是很重要的。
下列各節(jié)結(jié)合附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明的設(shè)計(jì)、其他的優(yōu)點(diǎn)及其細(xì)節(jié)附圖的簡(jiǎn)單介紹

圖1是一超聲轉(zhuǎn)換器的截面視圖。
圖2是一對(duì)稱相位衍射柵的截面視圖。
圖3是一超聲轉(zhuǎn)換器的頂視圖。
圖4是一非對(duì)稱相位衍射柵的截面視圖。
圖5是多級(jí)相位衍射柵的截面視圖。
圖6是聚焦相位衍射柵的頂視圖。
圖7是超聲轉(zhuǎn)換器中的相位衍射柵的另一種設(shè)置的視圖。
圖8是流量計(jì)的截面視圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1示出了一位于測(cè)量管內(nèi)的超聲轉(zhuǎn)換器1a。在超聲轉(zhuǎn)換器內(nèi)有作為其特征的一超聲發(fā)生器的壓電元件。
在圖1中，1是壓電元件，2和3是電極，4是供給電極2和3的電的供給線，5是轉(zhuǎn)換器殼體，6是轉(zhuǎn)換器殼體的內(nèi)部空間，7是轉(zhuǎn)換器殼體5的凸緣，8是流量計(jì)8a的測(cè)量管子的截面視圖，9是測(cè)量管8的一個(gè)開口，10是所謂的超聲可透過的窗口。在窗口10的一側(cè)(面向媒質(zhì)13的一側(cè))，突出部11及槽12形成一聲衍射柵14。媒質(zhì)的聲速是CM。
在這一情況下，轉(zhuǎn)換器殼體5的形狀就像一只盒子，它由一圓的或多角形表面作為底部與媒質(zhì)隔開。此圓的或多角形底部表面是超聲波可透過的窗口10。其外表面10a與媒質(zhì)13相接觸。窗口10由轉(zhuǎn)換器殼體5的殼體壁10b形成。衍射柵14位于窗口10的兩個(gè)表面之一處(前面或后面)。在圖1中，該衍射柵位于窗口10的一側(cè)，此側(cè)是面向媒質(zhì)13的。
轉(zhuǎn)換器殼體5置于測(cè)量管8的開口9內(nèi)，窗口10及衍射柵14先進(jìn)入。這樣衍射柵14就直接和媒質(zhì)13有聲波相接觸。凸緣7將轉(zhuǎn)換器殼體5定位在開孔9內(nèi)，緊緊地(密閉地)與測(cè)量管8的凸緣相連，這樣，與測(cè)量管軸線16平行地流動(dòng)的媒質(zhì)13，當(dāng)它在流動(dòng)方向15流動(dòng)時(shí)，就不能從測(cè)量管8逸出。
壓電元件1(它在這里作為超聲發(fā)生器的一個(gè)較好的例子)，是一個(gè)兩維的材料片，可以是圓形或多邊形的。它由電極化陶瓷或電極化塑料制成，例如PVF(聚氟乙烯)或PVDF(聚偏1，1-二氟乙烯)。壓電材料件的相對(duì)平行表面上覆蓋著電極2及3，例如把金、鋁或其他導(dǎo)電材料通過真空金屬化覆蓋在壓電材料件的兩個(gè)平行表面上。壓電元件1，與第一電極2一起緊貼在面向離開媒質(zhì)13的一面的一側(cè)上。這就確保了超聲波可以毫無(wú)問題地從壓電元件1通過窗口10及衍射柵14而進(jìn)入媒質(zhì)13。
在具有超聲速度C的材料中，超聲波可以以λ＝c/f的波長(zhǎng)傳播。超聲波以垂直于壓電元件1的表面的方向成直線發(fā)射，這個(gè)面面向窗口10并且被第一電極2覆蓋著。內(nèi)部空間6充滿著空氣或絕緣材料。因此，基本上沒有超聲波被第二電極3所發(fā)射。
電源線4把電極2及3連接到一位于轉(zhuǎn)換器殼體9外的評(píng)定裝置(圖中未示出)。此評(píng)定裝置基本上是根據(jù)已有技術(shù)設(shè)計(jì)的。在傳送階段，此定值裝置把一頻率為f的交流電壓通過電源線4加到電極2和3上以使壓電元件1在頻率為f的交流場(chǎng)中發(fā)生厚度方向的振蕩。
在緊接著發(fā)射階段后的接收階段中，從通過窗口10進(jìn)入壓電元件1的媒質(zhì)13來的超聲波在電勢(shì)上產(chǎn)生了變化(與電極2和電極3之間頻率為f的超聲波不同)。
電勢(shì)的變化通過電源線4以電信號(hào)的形式達(dá)到定值裝置。用于產(chǎn)生超聲波的頻率一般在50KHz到10MHz左右。當(dāng)流動(dòng)的媒質(zhì)是水時(shí)，較佳的頻率f在約1MHz(0.9MHz～1.1MHz)。
面向媒質(zhì)1 3的窗口10的那一側(cè)具有突出部11，其高度等于H。突出部11以距離d均勻地間隔開。在一種設(shè)計(jì)中，位于突出部11之間的呈鋸齒形的槽12內(nèi)充滿著媒質(zhì)13，在另一種設(shè)計(jì)中，它們充滿了固體物質(zhì)。在衍射柵14的一種設(shè)計(jì)中，突出部11和槽12的縱斷面呈矩形或不規(guī)則四邊形，其中脈沖占空系數(shù)是突出部11的橫截面表面與槽12的橫截面表面的因數(shù)之比為1∶1。
在槽12內(nèi)的聲速CM和/或C2，與突出部11中的聲速C1不同。對(duì)超聲波，突出部11與槽12形成位于窗口10前面的相位衍射柵14，下文就稱之為衍射柵14，其柵形常數(shù)是如聲速C1，CM和/或C2，斷面形狀，高度h，距離d。充有固體物質(zhì)的槽12的衍射柵14的結(jié)構(gòu)面向媒質(zhì)13的是一平的接觸面，因此突出部11不影響媒質(zhì)13的流動(dòng)。
圖2示出了位于窗口10和一保護(hù)層17之間的衍射柵14。衍射柵14的接觸表面18，19(它們面對(duì)窗口10及保護(hù)層17)最好是平行的。窗口10和保護(hù)層17的厚度是一致的。接觸面18，19是純理論上的結(jié)構(gòu)用以在圖2中把衍射柵14與窗口10和保護(hù)層17分開。
為了獲得突出部11及窗口10的最佳聲接觸，槽12最好直接接入窗口10的材料之中。在一種衍射柵的設(shè)計(jì)中，衍射柵14在面向媒質(zhì)13的一側(cè)(圖1)涂上了一保護(hù)層17，保護(hù)層覆蓋了突出部11及槽12。
最好保護(hù)層的材料與填充槽12的材料是相同的。由于平的保護(hù)層17的聲速不影響衍射性能，因此，保護(hù)層17也可以用不同的材料制成，例如以調(diào)節(jié)超聲轉(zhuǎn)換器對(duì)媒質(zhì)13的聲阻抗，例如調(diào)節(jié)對(duì)氣體媒質(zhì)的阻抗。
在一種設(shè)計(jì)中，保護(hù)層17的厚度(在突出部11上面測(cè)得的厚度)低于在保護(hù)層材料內(nèi)超聲波的波長(zhǎng)λ的1/4以避免超聲波在進(jìn)入媒質(zhì)13時(shí)產(chǎn)生另外的超聲波的衍射。在圖2的右側(cè)，槽12內(nèi)充滿了材料以使面向媒質(zhì)13的充填材料的露出表面與突出部11的露出表面互相齊平。
在突出部11的區(qū)域中，材料的聲速是C1，而在槽12的區(qū)域中，媒質(zhì)13的聲速CM或填充槽12的材料的聲速C2都是可用的，它取決于衍射柵14的設(shè)計(jì)。通過窗口10的超聲波的波前是均勻的，在行經(jīng)衍射柵14時(shí)，經(jīng)受到由在由高度h決定的截面處聲速C1及CM和/或C2預(yù)定的不同的相位衍射。當(dāng)超聲波從衍射柵14出來時(shí)，它們就不再有均勻的波前了。
相位差是根據(jù)在突出部11中的超聲波的相位衍射相對(duì)槽12中的超聲波的相位衍射之間的差而計(jì)算的。它取決于超聲頻率f、突出部11的高度h及聲速C1及CM和/或C2。當(dāng)超聲波從衍射柵14出來時(shí)，在突出部11的區(qū)域和槽12的區(qū)域之間的超聲波的相位差是＝2πhf·(1/C1-1/CM)或 [1]＝2πhf·(1/C1-1/C2) [2]因?yàn)橥怀霾?1的區(qū)域及槽12的區(qū)域是交替的，并且是均勻地隔開一空間頻率d-1，所以衍射就發(fā)生了。
在圖3中，窗口10及轉(zhuǎn)換器殼體5具有正方形的輪廓。衍射柵14(圖2)位于窗口10和媒質(zhì)13(圖1)之間。媒質(zhì)13充滿著槽12并具有橫向于槽12的流動(dòng)方向。圖3中示出了用點(diǎn)畫出的衍射平面20，它以直角穿過突出部11及槽12并包含一垂直于窗口10的平面的垂線21。
如果相位差＝(2n+1)·π，其中n＝0，1，2等等，沿著垂線21定向的超聲波成直線形(直線省略)。依賴于距離d及頻率f，超聲波強(qiáng)度將增加，也就是說超聲波將在總相位差＝2nπ的方向衍射，這些密度增加的超聲波的方向與垂線21成一衍射角±α。此衍射角是由下式?jīng)Q定的sin(α)＝m·λ/d [3]其中，m是一奇數(shù)，例如m＝±1，3，5等等。當(dāng)考慮相位差時(shí)，對(duì)第一級(jí)(m＝±1)的衍射柵14，式[3]成為sin(α)＝2h/d·CH|1/C1-1/CM|＝2h/d·|CM/1/C1-1| [4]對(duì)于充滿媒質(zhì)13的槽12和/或如果充滿槽12的材料的聲速是C2，sin(α)＝±| /π·λ/d|＝2h/d·CM|C1-1/C2| [5]衍射角α與超聲波的頻率f無(wú)關(guān)。但是此角α與媒質(zhì)13內(nèi)的聲速CM有關(guān)。表I中列出了縱向振動(dòng)的部分材料的聲速C。聲速，特別是氣體或液體媒質(zhì)13的聲速，隨著溫度而變化。對(duì)于水來說，在溫度為10℃～100℃范圍內(nèi)，聲速?gòu)?0℃時(shí)的1450m/s上升到67℃時(shí)的1550m/s，達(dá)到最大，溫度再高時(shí)，聲速下降。
此后，衍射角將被定義為衍射角±α。
例1衍射柵14如圖3所示。此衍射柵具有鋁制的突出部11，聲速為C1＝6300m/s，平行且直的槽12充滿媒質(zhì)13(水，在20℃時(shí)，CM-1480m/s)，柵具有45°的衍射角。根據(jù)式[4]，45°衍射角的高度h/距離d之比為0.462。當(dāng)頻率f為1MHz時(shí)，超聲波在20℃水中的波長(zhǎng)λ＝1.48mm。根據(jù)式[1]，相位衍射＝π時(shí)，高度h＝0.97mm，距離d＝2.10mm。當(dāng)水溫從20℃改變到67℃時(shí)，衍射角從45°改變到47.6°。當(dāng)相位衍射＝(2n+1)·π時(shí)，h/d之比及高度h也將增加系數(shù)(2n+1)。
例2衍射柵示于圖2。突出部11由非合金鋼制成(C1＝5940m/s)，槽12中充滿Plexiglas(有機(jī)玻璃)(C2＝2730m/s)。衍射角分別是45°和63.4°。超聲頻率f＝1MHz，媒質(zhì)13是20℃的水。表2中的規(guī)定的值(相位衍射＝π)，按式[2]和[5]算出。
圖4示出了一個(gè)非對(duì)稱衍射柵14，它位于窗口10的前面。突出部11和槽12具有楔狀的輪廓。圖4示出了楔狀輪廓的兩個(gè)形狀。與例1及例2中的兩個(gè)對(duì)稱的衍射柵14不同，以衍射角±α輻射的超聲波不是在箭頭22，23方向從垂線21以相等強(qiáng)(密度)衍射開的，相反，衍射的超聲波在兩個(gè)衍射方向之一的方向上衍射。在圖4中，被衍射的超聲波的強(qiáng)度的量度是通過兩箭頭22，23的長(zhǎng)度差來表示的。
衍射柵14的這一設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是把衍射超聲的能量集中在較長(zhǎng)箭頭23方向上通過測(cè)量段的路徑上。由于插置了衍射柵14，當(dāng)接收來自較長(zhǎng)箭頭23方向上的超聲波時(shí)，其靈敏度大于接收從箭頭22的方向上來的超聲波的靈敏度。在這里，超聲轉(zhuǎn)換器具有非對(duì)稱接收的特點(diǎn)。
圖5示出了非對(duì)稱衍射柵14的另一種設(shè)計(jì)。在突出部11的一側(cè)，在窗口10上有一個(gè)高度為h的單級(jí)。在另一側(cè)，高度h降低，但降低不是連續(xù)的而是分幾個(gè)梯狀級(jí)。
在圖5中，具有距離d的每一衍射周期包含6級(jí)a到f。超聲波的相位衍射角在槽12附近區(qū)域從＝0(單級(jí)a)逐漸改變一直到最大值(在級(jí)f)，其中，例如＝π，在每一級(jí)，此對(duì)應(yīng)于留在每一級(jí)上的填滿槽的第二材料的各自適用的高度。其衍射特征基本上與圖4的衍射柵14的特征相同。
除了以上的衍射柵14的突出部11的作為例子的輪廓形狀以外，突出部11還可以用其他的輪廓形狀，即其他的對(duì)稱或非對(duì)稱功能來限制突出部11或槽12的表面。
除了直的平行突出部11及槽12外，如圖6所示，也可以用有彎曲面的突出部11和槽12，在這種情況下，超聲波被突出部11和/或槽12的曲面所聚焦。在超聲波從一個(gè)超聲轉(zhuǎn)換器到下一個(gè)超聲轉(zhuǎn)換器必須經(jīng)過一段很長(zhǎng)的距離的情況下，這種設(shè)計(jì)是有利的。
超聲轉(zhuǎn)換器的另一種設(shè)計(jì)示于圖7。衍射柵14位于窗口10的側(cè)部，這一側(cè)部是離開媒質(zhì)的側(cè)部，柵在轉(zhuǎn)換器殼體5的內(nèi)部空間壓電元件1及窗口10之間。突出部11之間的槽12充滿著固體物質(zhì)(材料)，材料的聲速為C2。設(shè)計(jì)的概念與例2的相同。在壓電元件1和/或電極2之間的接觸面18(圖2)，19(圖2)處、衍射柵14的一個(gè)表面在一邊上、衍射柵14的另一個(gè)表面以及窗口10的內(nèi)部在另一邊上，獲得了良好的接觸。
圖8a及圖8b示出了在測(cè)量管8中兩個(gè)超聲轉(zhuǎn)換器24，25的設(shè)置情況。它們的不同之處在于流量計(jì)8a用橫向超聲波檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)有所不同。在圖2中，兩個(gè)超聲轉(zhuǎn)換器面向媒質(zhì)13的衍射柵14的設(shè)計(jì)是相同的。圖3中的兩個(gè)衍射柵14的衍射矢量26(圖3)位于同一個(gè)衍射平面20上(圖3)。衍射柵14中的一個(gè)的衍射矢量26與另一個(gè)衍射柵14的衍射矢量26是相反的。
測(cè)量管8用超聲波檢驗(yàn)是在橫向于測(cè)量管軸線16的方向進(jìn)行的，其中超聲波以一個(gè)角度α衍射到垂線21，并從第一超聲轉(zhuǎn)換器24的測(cè)量管的軸線16以一橫向線的形式到達(dá)第二超聲轉(zhuǎn)換器25。
而在圖8a中，由第一超聲轉(zhuǎn)換器24送到第二超聲波轉(zhuǎn)換器25的超聲波不從測(cè)量管8的壁上被反射，因?yàn)樗桥c它們相對(duì)設(shè)置的。在圖8b中，超聲波的通道27，28在測(cè)量管8(圖8a)內(nèi)部被反射一次(點(diǎn)線27)和/或三次(虛線)。
如果，如此例子所示，超聲轉(zhuǎn)換器24，25以相同的距離D安置在測(cè)量管8上，不管它們是否被反射一次或三次，那么超聲轉(zhuǎn)換器24，25被相應(yīng)地調(diào)節(jié)，從而使超聲波可以所需的衍射角α和/或β被衍射。
然而，如果兩衍射柵14的衍射平面20(圖3)是平行的，且與測(cè)量管軸線16(圖8a)成一方向角，則超聲波在它們的路徑27上，即通過測(cè)量管的路徑27中再?gòu)臏y(cè)量管8的壁表面29，30被反射而形成螺旋形多角形路徑。與測(cè)量管軸線16平行的衍射柵之一的衍射矢量26(圖3)的一個(gè)分量與平行于測(cè)量管軸線16的另一個(gè)衍射柵14的衍射矢量26的一個(gè)分量相對(duì)設(shè)置，以使接收超聲波的超聲轉(zhuǎn)換器得以高度靈敏，尤其是使用非對(duì)稱衍射柵14的時(shí)候。
圖8b通過用點(diǎn)線表示的通道27示出了這種情況。第一超聲轉(zhuǎn)換器24的超聲波以角度β從壁29反射到垂線21(圖3)。這可以在截面視圖中看出。當(dāng)從測(cè)量管8的底面被反射后，超聲波從那里撞在壁30上，它在剖視圖中是看不見的。并且它使超聲波向第二超聲轉(zhuǎn)換器25反射。以這種方式引導(dǎo)超聲波具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是流量可以更精確地測(cè)得。因?yàn)樵跍y(cè)量管8中的媒質(zhì)13(圖8a)中流動(dòng)輪廓可以更全面地被測(cè)量。
表2示出了衍射常數(shù)d，h以及在20℃水中的有關(guān)的空間頻率d-1(對(duì)衍射角α＝45.00°及β＝63.4°[arctg(1)和/或arctg(2)的]以及在測(cè)量管8中的三次(路徑28)和/或一次(路徑27)反射的有關(guān)空間頻率d-1。其中，較大衍射角的衍射柵14具有較大的空間頻率d-1。通常，測(cè)量管8(sic)只設(shè)計(jì)一個(gè)預(yù)定數(shù)量的反射。衍射角取決于在測(cè)量管8中的反射次數(shù)以及兩超聲轉(zhuǎn)換器之間的距離D。衍射角在40°到60°之間是比較好的。
當(dāng)使用其它媒質(zhì)13時(shí)，但衍射柵14的柵常數(shù)d、h必須是可調(diào)整的以與媒質(zhì)13相匹配，為此，表2示出了對(duì)45度衍射角下媒質(zhì)13為甘油的衍射柵14的參數(shù)。
表1縱向聲速數(shù)據(jù)源自Lehfeldt，Ultraschall，Vogel-Verlag 1973，Table pg.172，ISBN 3-8023-0060-2

表2

在圖中沒有詳細(xì)示出的另一種形式可以是這樣的槽12，例如本來是如圖2及圖5那樣充滿材料的，現(xiàn)在充以聲吸收材料，例如橡膠，PVC，PVDF或一種聲阻抗材料，它與媒質(zhì)的聲阻抗有很大的不同，和突出部和/或槽材料也不相同(例如突出部用黃銅制成，槽中充的是空氣)。這就形成了一個(gè)衍射柵，其中加到所有柵點(diǎn)的都是相同的相，但是沒有從衍射柵內(nèi)部發(fā)出的聲波。
除了聲束以垂直線發(fā)射以外，還形成了一個(gè)聲束，它是以角α＝0發(fā)射的，不論其衍射常數(shù)是如何。在光柵中，這稱之為零級(jí)(或零階)衍射最大，而橫向束叫做第一級(jí)衍射最大。取決于衍射常數(shù)，也可能產(chǎn)生較大級(jí)的衍射最大值。這對(duì)應(yīng)于上述相位衍射≠π的情況。
這種現(xiàn)象一般不希望用于超聲流量計(jì)，因?yàn)榱慵?jí)束會(huì)造成能量損失，還會(huì)產(chǎn)生干涉反射。但是，在某些情況下，當(dāng)使用于Clamp-0N-US流量計(jì)(夾上美國(guó)流量計(jì))時(shí)，(即一種不是永久性地設(shè)置于管子內(nèi)而是夾在任何一根管子上的)，就有可能在測(cè)量管子直徑時(shí)由此得到，因?yàn)槌曋睆揭话阒粶y(cè)量流量而且是根據(jù)管子直徑計(jì)算流動(dòng)體積的。而管子直徑通常是已知的。上述式[3]也可以用于這一情況，從而m可以是任何整數(shù)(m＝0，1，2，3±)。
當(dāng)然，各種設(shè)計(jì)的種種細(xì)節(jié)都可以以有利的方法結(jié)合起來使用，從而如果需要的話，可以得到彼此相協(xié)作的效果。特別是衍射柵的形式和結(jié)構(gòu)可以得到很大的改進(jìn)。圖3所示的突出部及槽例如可以設(shè)計(jì)成圓形的、波浪形的或間斷的。甚至類似山脈的柱形結(jié)構(gòu)也可以形成以使超聲的衍射達(dá)到最佳化。
使用氣體時(shí)，也可以設(shè)想把衍射柵直接設(shè)置在超聲發(fā)生器上，具體地說是設(shè)置在壓電元件上。為此，電極2可以例如具有上述的那種表面結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明后面的基本思想是為了用橫向超聲波檢驗(yàn)一測(cè)量通道，不再需要把超聲頭/超聲轉(zhuǎn)換器進(jìn)行橫向設(shè)置，相反，當(dāng)轉(zhuǎn)換器以直線位置安裝時(shí)，轉(zhuǎn)換器沿著一預(yù)定的角度使超聲波沿著橫向發(fā)送。這樣可以實(shí)現(xiàn)廉價(jià)的流量計(jì)。尤其是用于氣體介質(zhì)時(shí)，還可以設(shè)想例如只是把超聲波發(fā)生器及衍射柵直接設(shè)置在媒質(zhì)內(nèi)部。從而不再需要在測(cè)量管的壁上進(jìn)行復(fù)雜的安裝工序。如果需要，也可以使用壓電元件以外的其他元部件作為超聲波發(fā)生器。
權(quán)利要求
1.一種超聲轉(zhuǎn)換器，它用于將超聲波衍射入媒質(zhì)(13)，它具有超聲發(fā)生器及一外表面(10a)以與媒質(zhì)(13)相接觸，其特征在于，在超聲發(fā)生器和外表面(10a)之間或在外表面上，具有聲速不同的區(qū)域，這些區(qū)域形成一相位衍射柵(14)。
2.權(quán)利要求1所述的超聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，超聲發(fā)生器位于一轉(zhuǎn)換器殼體(5)內(nèi)，并與殼體壁(10b)進(jìn)行聲接觸，此殼體壁(10b)帶有該外表面(10a)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的超聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述具有聲速不同的區(qū)域，設(shè)計(jì)成交替的突出部(11)和槽(12)，它們制入或接入外表面(10a)的材料之中。
4.如權(quán)利要求1，2，3或4所述的超聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，這些區(qū)域是用不同材料制成的。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的超聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該超聲發(fā)生器采用壓電元件(1)的形式，它與殼體壁(10b)相接觸，特別是在一平面上。
6.如權(quán)利要求5所述的超聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，該壓電元件(1)位于兩分開的電極(2，3)之間。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的超聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，相位衍射柵(14)具有平行的、曲面的槽(12)。
8.如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的超聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，相位衍射柵(14)具有平行的、直的槽(12)。
9.如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的超聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，相位衍射柵(14)是對(duì)稱的。
10.如權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的超聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述相位衍射柵(14)是非對(duì)稱的。
11.如與權(quán)利要求3相聯(lián)系的權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的超聲轉(zhuǎn)換器，其特征在于，槽(12)中充有與突出部(11)中不同的材料。
12.如權(quán)利要求1至11任一項(xiàng)所述的超聲轉(zhuǎn)換器的使用，其特征在于，在一流量計(jì)(8a)中通過用橫向超聲波檢驗(yàn)一測(cè)量管(8)而測(cè)量媒質(zhì)(13)的流量。
13.權(quán)利要求12的使用，其特征在于，超聲轉(zhuǎn)換器(24，25)的衍射柵(14)具有一共同的衍射平面(20)，此平面平行于測(cè)量管(8)的測(cè)量管軸線(16)，并且，衍射柵(14)中一個(gè)的衍射矢量(26)與另一衍射柵(14)的衍射矢量(26)相反。
14.一種權(quán)利要求12的使用，其特征在于，衍射柵(14)具有平行的衍射平面(20)，該平行的衍射平面(20)與測(cè)量管(8)的測(cè)量管軸線(16)具有一方位角，并且一個(gè)衍射柵(14)的衍射矢量(26)的一個(gè)與測(cè)量管軸線(16)平行的分量與平行于測(cè)量管軸線的另一個(gè)衍射柵(14)的衍射矢量(26)的一個(gè)分量是相反的。
15.一種超聲流量計(jì)(8a)，它具有其上至少有一個(gè)超聲轉(zhuǎn)換器(1a)的測(cè)量管(8)，用于將超聲波衍射入媒質(zhì)(13)之中，其中，超聲轉(zhuǎn)換器具有一超聲發(fā)生器，此生產(chǎn)發(fā)生器有一與媒質(zhì)建立接觸的外表面，其特征在于，超聲發(fā)生器具有不同聲速的區(qū)域，它們形成一衍射柵(14)，用于使超聲波在一預(yù)定的方向進(jìn)行有目的的衍射。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種超聲轉(zhuǎn)換器(1a)，該轉(zhuǎn)換器允許通過橫向超聲波檢驗(yàn)測(cè)量管(8)。為此目的，轉(zhuǎn)換器(1a)包括一置入在媒質(zhì)和超聲波發(fā)生器之間的相位衍射柵(14)。所述相位衍射柵包含不同的聲速的區(qū)域。超聲轉(zhuǎn)換器(1a)最好用于流量計(jì)上。
文檔編號(hào)G10K11/00GK1479917SQ01820174
公開日2004年3月3日 申請(qǐng)日期2001年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月30日
發(fā)明者D·佩普, D 佩普 申請(qǐng)人:蘭迪斯+Gyr有限公司