AT523023A1 - COOLED ULTRASONIC SENSOR - Google Patents

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AT523023A1 ATA50831/2019A AT508312019A AT523023A1 AT 523023 A1 AT523023 A1 AT 523023A1 AT 508312019 A AT508312019 A AT 508312019A AT 523023 A1 AT523023 A1 AT 523023A1
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Abstract

Es wird eine neue Sensorbaugruppe mit einem Ultraschallsensor (9) beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Sensorbaugruppe einen Trägerblock (18, 28) auf, in den der Ultraschallsensor (9), eingeführt ist, sodass der Ultraschallsensor (9) thermisch mit dem Trägerblock (18, 28) gekoppelt ist. Die Sensorbaugruppe weist weiter Befestigungsmittel (16), die dazu ausgebildet sind den Trägerblock (18,28) an einer heißen Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts (11) zu fixieren, sowie eine thermische Isolation (15) auf, die zwischen dem Trägerblock (18, 28) und der heißen Oberfläche angeordnet ist. Die thermische Isolation (15) weist eine zentrale Öffnung auf, durch die entweder der Ultraschallsensor (9) der ein Teil einer durch den Trägerblock (18, 28) gebildeten Vorlaufstrecke (28a) verläuft.A new sensor assembly with an ultrasonic sensor (9) is described. According to one embodiment, the sensor assembly has a carrier block (18, 28) into which the ultrasonic sensor (9) is inserted so that the ultrasonic sensor (9) is thermally coupled to the carrier block (18, 28). The sensor assembly also has fastening means (16) which are designed to fix the carrier block (18, 28) on a hot surface of an object (11) to be examined, as well as thermal insulation (15) which is provided between the carrier block (18, 28) and the hot surface. The thermal insulation (15) has a central opening through which either the ultrasonic sensor (9) or part of a feed path (28a) formed by the carrier block (18, 28) runs.

Description

GEKÜHLTER ULTRASCHALLSENSOR COOLED ULTRASONIC SENSOR

TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA

[0001] Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet der Ultraschallsensoren für industrielle Anwendungen, insbesondere einen Ultraschallsensor mit einer Kühlvorrichtung, The present description relates to the field of ultrasonic sensors for industrial applications, in particular an ultrasonic sensor with a cooling device,

um den Ultraschallsensor an heißen Oberflächen betreiben zu können. in order to be able to operate the ultrasonic sensor on hot surfaces.

HINTERGRUND BACKGROUND

[0002] Zur Durchführung von Ultraschallmessungen mittels piezoelektrischer Sensoren an heißen Oberflächen (z.B. von kunststoffverarbeitende Maschinen, in der Lebensmittelund Stahlindustrie) müssen eine Reihe von Herausforderungen gemeistert werden. Ein Problem ist beispielsweise die piezoelektrische Curie-Temperatur der verwendeten piezoelektrischen Keramiken. Die Erwärmung der Piezokeramik über diese Curie-Temperatur hinaus führt durch Depolarisation zum Verlust der piezoelektrischen Eigenschaften. Oft wird von den Herstellern der Piezokeramiken empfohlen/spezifiziert, die Piezokeramik nicht oberhalb der halben Curie-Temperatur einzusetzen. Die am häufigsten verwendeten Piezokeramiken in Ultraschallsensoren basieren auf Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Die Curie-Temperatur von PZT liegt bei etwa 350° Celsius und die empfohlenen Maximaltemperatur liegt üblicherweise im Bereich von 150° bis 200° Celsius. Es sind beispielsweise auch Einkristalle mit höheren Curie-Temperaturen verfügbar (wie z.B. Quarz, Zinkoxid, Lithiumsulfat und Lithiumniobat), allerdings haben diese Materialien im Vergleich zu PZT To carry out ultrasonic measurements by means of piezoelectric sensors on hot surfaces (e.g. of plastics processing machines, in the food and steel industries), a number of challenges must be overcome. One problem is, for example, the piezoelectric Curie temperature of the piezoelectric ceramics used. The heating of the piezoceramic above this Curie temperature leads to the loss of the piezoelectric properties due to depolarization. The manufacturers of piezoceramics often recommend / specify that the piezoceramics should not be used above half the Curie temperature. The most frequently used piezoceramics in ultrasonic sensors are based on lead zirconate titanate (PZT). The Curie temperature of PZT is around 350 ° Celsius and the recommended maximum temperature is usually in the range of 150 ° to 200 ° Celsius. For example, there are also single crystals with higher Curie temperatures available (such as quartz, zinc oxide, lithium sulfate and lithium niobate), but these materials have higher Curie temperatures than PZT

deutlich geringere piezoelektrische Koeffizienten. significantly lower piezoelectric coefficients.

[0003] Ein weiteres bei höheren Temperaturen auftretendes Problem sind die Temperaturbeständigkeit der Kabelisolationen, der Lötstellen und weitere Komponenten von Ultraschallsensoren, die üblicherweise bei Temperaturen über 100° Celsius Probleme und Fehlfunktionen verursachen können. Die Temperaturbeständigkeit dieser Komponenten ist zwar technisch möglich, jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden. Des Weiteren können die verschiedenen Wärmeausdehnungen der Komponenten eines Ultraschallsensors bei höheren Temperaturen zur Zerstörung des Sensors führen (z.B. durch Lösen von Verbin-Another problem that occurs at higher temperatures is the temperature resistance of the cable insulation, the soldered joints and other components of ultrasonic sensors, which can usually cause problems and malfunctions at temperatures above 100 ° Celsius. The temperature resistance of these components is technically possible, but involves considerable effort. Furthermore, the various thermal expansions of the components of an ultrasonic sensor can lead to the destruction of the sensor at higher temperatures (e.g. by loosening connections

dungen, Bruch der Piezokeramik). connections, breakage of the piezoceramic).

2/20 ı 2/20 ı

[0004] Darüber hinaus muss der Ultraschallsensor an eine heiße Oberfläche eines Objekts akustisch angekoppelt werden. Im Raumtemperaturbereich werden hier z.B. Wasser, Pasten, Gele oder Öle verwendet, insbesondere um die Rauigkeit zwischen Sensor und Oberfläche auszugleichen und eine möglichst gute Einkopplung des Ultraschalls in das jeweilige Objekt zu gewährleisten. Bei höheren Temperaturen kommt es bei diesen oben erwähnten Koppelmittel zum Verdunsten oder Austrocknen und eine stabile Messung ist nur während einer sehr kurzen Zeitpanne möglich. Bei höheren Temperaturen kann die Ankopplung über Folien aus beispielsweise Aluminium oder Gold erfolgen. Allerdings sind dabei sehr hohe Kräfte nötig, um die Ultraschallsensoren an die Oberfläche des Objekts anzu-In addition, the ultrasonic sensor must be acoustically coupled to a hot surface of an object. In the room temperature range, e.g. water, pastes, gels or oils are used here, in particular to compensate for the roughness between the sensor and the surface and to ensure the best possible coupling of the ultrasound into the respective object. At higher temperatures, these coupling agents mentioned above evaporate or dry out and a stable measurement is only possible for a very short period of time. At higher temperatures, the coupling can take place via foils made of, for example, aluminum or gold. However, very high forces are required to attach the ultrasonic sensors to the surface of the object.

pressen. press.

[0005] Um mit für vergleichsweise niedrige Temperaturen ausgelegte Ultraschallsensoren arbeiten zu können, werden z.B. Verzögerungsstrecken (sogenannte Pufferstangen, buffer rods) zwischen der heißen Oberfläche des zu untersuchenden Objekts und dem Ultraschallsensor angeordnet. Jedoch sind damit üblicherweise auch nur Ultraschallmessungen über eine sehr kurze Zeitspanne möglich, und oft muss der Ultraschallsensor nach der Messung gekühlt werden. Eine weitere für länger andauernde Messungen verwendete Möglichkeit ist die aktive Kühlung der Pufferstangen mittels eines Kühlmediums, was In order to be able to work with ultrasonic sensors designed for comparatively low temperatures, delay sections (so-called buffer rods) are arranged between the hot surface of the object to be examined and the ultrasonic sensor, for example. However, only ultrasonic measurements are usually possible over a very short period of time, and the ultrasonic sensor often has to be cooled after the measurement. Another possibility used for longer-lasting measurements is the active cooling of the buffer rods by means of a cooling medium, what

wiederum eine dauerhafte Versorgung mit Kühlmedium erfordert. in turn requires a permanent supply of cooling medium.

[0006] Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, eine gekühlte Ultraschallvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche für eine (bevorzugt dauerhafte) Ankopplung eines Ultraschallsensors an Metalloberflächen mit erhöhter Temperatur (z.B. über 100° Celsius) geeignet ist. Es wäre wünschenswert, mit Hilfe einer solchen Vorrichtung im Puls- oder Dauerstrichbetrieb (z.B. mittels Reflexions- oder Transmissionsmessungen) Signallaufzeiten, Signalamplituden und andere akustische Kenngrößen messen zu können. Derartige Messungen können Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Objekts ermöglichen (z.B. Wandstärken, Korrosion, Temperatur, Verschleiß) und/oder auch genützt werden, um messtechnische Informationen aus einem flüssigen oder gasförmigen Medium (z.B. Fremdmaterial, Dichte, Temperatur), das innerhalb des Objekts verarbeitet wird zu erlangen und/oder Informationen (z.B. Verschleiß, Positionen, Drehzahlen) betreffend Maschinenelemente wie z.B. Kolben, Förderelementen, welches von dem Medium umschlossen The inventors have set themselves the task of providing a cooled ultrasonic device which is suitable for a (preferably permanent) coupling of an ultrasonic sensor to metal surfaces with an elevated temperature (e.g. over 100 ° Celsius). It would be desirable to be able to measure signal transit times, signal amplitudes and other acoustic parameters with the help of such a device in pulse or continuous wave operation (e.g. by means of reflection or transmission measurements). Such measurements can enable conclusions to be drawn about the properties of the object (e.g. wall thickness, corrosion, temperature, wear) and / or can also be used to obtain metrological information from a liquid or gaseous medium (e.g. foreign material, density, temperature) that is processed within the object is to obtain and / or information (e.g. wear, positions, speeds) regarding machine elements such as pistons, conveying elements, which are enclosed by the medium

ist, zu ermitteln. is to determine.

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ZUSAMMENFASSUNG SUMMARY

[0007] Die oben erwähnte Aufgabe wird durch die Baugruppe gemäß Anspruch 1 und den Sensor gemäß Anspruch 9 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterent-The above-mentioned object is achieved by the assembly according to claim 1 and the sensor according to claim 9. Various embodiments and further developments

wicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. windings are the subject of the dependent claims.

[0008] Im Folgenden wird eine Sensorbaugruppe mit einem Ultraschallsensor beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Sensorbaugruppe einen Trägerblock auf, in den der Ultraschallsensor, eingeführt ist, sodass der Ultraschallsensor thermisch mit dem Trägerblock gekoppelt ist. Die Sensorbaugruppe weist weiter Befestigungsmittel, die dazu ausgebildet sind den Trägerblock an einer heißen Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts zu fixieren, sowie eine thermische Isolation auf, die zwischen dem Trägerblock und der heißen Oberfläche angeordnet ist. Die thermische Isolation weist eine zentrale Öffnung auf, durch die entweder der Ultraschallsensor oder ein Teil einer durch den Trägerblock 28 A sensor assembly with an ultrasonic sensor is described below. According to one embodiment, the sensor assembly has a carrier block into which the ultrasonic sensor is inserted, so that the ultrasonic sensor is thermally coupled to the carrier block. The sensor assembly furthermore has fastening means which are designed to fix the carrier block on a hot surface of an object to be examined, as well as a thermal insulation which is arranged between the carrier block and the hot surface. The thermal insulation has a central opening through which either the ultrasonic sensor or part of a through the carrier block 28

gebildeten Vorlaufstrecke verläuft. formed pre-run line runs.

[0009] Als Befestigungsmittel können Schrauben verwendet werden, die aus Kunststoff, beispielsweise aus Polyetheretherketon (PEEK) bestehen und die in das zu untersuchende Objekt eingeschraubt sind. Die Schrauben können Schraubenköpfe aufweisen, wobei zwischen den Schraubenköpfen und dem Trägerblock Federelemente angeordnet sind. In einem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Ultraschallsensor und der heißen Oberfläche oder zwischen der Vorlaufstrecke und der heißen Oberfläche als Koppelmedium eine Polyvinylfolie angeordnet. Der Trägerblock kann leere Bohrungen und/oder an seiner Außenseite Rippen aufweisen, beispielsweise in der Form von Gewindewindungen. Alternativ kann der Trägerblock Bohrungen aufweisen, in denen wärmeleitfähige Stäbe/Rohre (Heat Pipes), beispielsweise aus Kupfer, angeordnet sind, die aus dem Trägerblock herausragen. Die Sensorbaugruppe kann weiter eine auf dem Trägerblock angeordnete thermische Isolation mit Öffnungen aufweisen, durch die die Stäbe hindurch verlaufen. Des Weiteren kann die Sensorbaugruppe eine Hülle aufweisen, welche mit dem Trägerblock so verbunden ist, dass die aus dem Trägerblock herausragenden Teile der Stäbe innerhalb der Hülle liegen. In einem Ausführungsbeispiel besteht die Hülle aus thermisch isolierendem Material und weist mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass (z.B. mehrere Löcher) auf, As fastening means, screws can be used which are made of plastic, for example polyetheretherketone (PEEK) and which are screwed into the object to be examined. The screws can have screw heads, spring elements being arranged between the screw heads and the carrier block. In one embodiment, a polyvinyl film is arranged as a coupling medium between the ultrasonic sensor and the hot surface or between the feed path and the hot surface. The carrier block can have empty bores and / or ribs on its outside, for example in the form of thread turns. Alternatively, the carrier block can have bores in which thermally conductive rods / pipes (heat pipes), for example made of copper, are arranged, which protrude from the carrier block. The sensor assembly can furthermore have a thermal insulation arranged on the carrier block with openings through which the rods run. Furthermore, the sensor assembly can have a cover which is connected to the carrier block in such a way that the parts of the rods protruding from the carrier block lie within the cover. In one embodiment, the shell is made of thermally insulating material and has at least one inlet and at least one outlet (e.g. several holes),

um eine Strömung eines Kühlmediums innerhalb der Hülle zu ermöglichen. to allow a flow of a cooling medium within the envelope.

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[0010] Der Ultraschallsensor weist gemäß einem Ausführungsbeispiel folgendes auf: ein Gehäuse; ein im Inneren des Gehäuses an einem Gehäuseboden befestigtes piezoelektrisches Element; ein akustisch dämpfendes Material, welches im Inneren des Gehäuses das piezoelektrischen Element bedeckt; eine Vergussmasse, welche im Inneren des Gehäuses das akustisch dämpfende Material bedeckt; zwei mit dem piezoelektrischen Element elektrisch verbundene Leitungen, die von einer hochtemperaturbeständigen Isolation umgeben sind, welche durch das akustisch dämpfende Material und die Vergussmasse hindurch verläuft; und ein Zugentlastungselement, welches in einer Öffnung des Gehäuses According to one exemplary embodiment, the ultrasonic sensor has the following: a housing; a piezoelectric element attached to a housing base inside the housing; an acoustic damping material which covers the piezoelectric element inside the housing; a potting compound which covers the acoustically damping material in the interior of the housing; two lines electrically connected to the piezoelectric element, which are surrounded by a high-temperature-resistant insulation, which runs through the acoustically damping material and the potting compound; and a strain relief element which is located in an opening of the housing

angeordnet ist und durch das die Leitungen hindurch verlaufen. is arranged and through which the lines run.

[0011] Ein Bespiel einer Messanordnung umfasst einen akustisch mit einer heißen Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts gekoppelten Ultraschallsensor und eine zwischen der heißen Oberfläche und dem Ultraschallsensor angeordnete temperatorbeständige Folie, An example of a measuring arrangement comprises an ultrasonic sensor acoustically coupled to a hot surface of an object to be examined and a temperature-resistant film arranged between the hot surface and the ultrasonic sensor,

insbesondere aus Polyvinyl. especially made of polyvinyl.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0012] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Ausführungsbeispiele sind nicht nur auf die dargestellten Aspekte beschränkt. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den In the following, exemplary embodiments are explained in more detail with reference to figures. The illustrations are not necessarily true to scale and the exemplary embodiments are not limited to the aspects shown. Rather, emphasis is placed on illustrating the principles on which the exemplary embodiments are based. In the

Abbildungen zeigt: Pictures shows:

[0013] Figur 1 zeigt einen Längsschnitt eines Beispiels eines Ultraschallsensors. FIG. 1 shows a longitudinal section of an example of an ultrasonic sensor.

[0014] Figur 2 illustriert Geweils in einem Längsschnitt) vier verschiedene Varianten Figure 2 illustrates Geweils in a longitudinal section) four different variants

einer Baugruppe mit einem Ultraschallsensor und einer Montagevorrichtung. an assembly with an ultrasonic sensor and a mounting device.

[0015] Figur 3 illustriert verschiedene Alternative Ausführungsbeispiele, bei denen der Figure 3 illustrates various alternative embodiments in which the

die Baugruppe eine Vorlaufstrecke für den Ultraschall aufweist. the assembly has a feed line for the ultrasound.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION

[0016] Fig. 1 illustriert in einem Längsschnitt ein Beispiel eines Ultraschallsensors 9. Dieser weist ein z.B. zylindrisches Gehäuse 1 auf, das beispielsweise aus Aluminium ge-1 illustrates in a longitudinal section an example of an ultrasonic sensor 9. This has a, for example, cylindrical housing 1 made of aluminum, for example.

fertigt sein kann. Alternativ zu Aluminium können auch andere Materialien verwendet can be made. As an alternative to aluminum, other materials can also be used

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werden, die ähnliche thermische Eigenschaften (z.B. Wärmeausdehnungskoeffizient), und akustischen Eigenschaften (z.B. Schallgeschwindigkeit oder Laufzeit eines Ultraschallpulses durch die Gehäusewand mit Dicke L) und Materialeigenschaften (Dichte) wie Alumi-that have similar thermal properties (e.g. coefficient of thermal expansion) and acoustic properties (e.g. speed of sound or the transit time of an ultrasonic pulse through the housing wall with thickness L) and material properties (density) such as aluminum

nium aufweisen. exhibit nium.

[0017] Im Inneren des Gehäuses 1 (z.B. an der Innenseite der stirnseitigen Gehäusewand) ist eine piezoelektrische Element 2 (Piezokeramik, z.B. PZT) angeordnet und z.B. mittels eines Klebstoffs 3 an der Gehäusewand befestigt. Mit den beiden Hauptflächen (Vorderseite und Rückseite) des piezoelektrischen Elements 2 sind zwei Leitungen 4a und 4b elektrisch verbunden. Die beiden Leitungen 4a, 4b sind von einer hochtemperaturbeständigen Isolation 5 umgeben. In dem dargestellten Beispiel bezeichnet die Leitung 4a die Signalleitung und die Leitung 4b die Messeleitung. Die Leitungen 4a und 4b können jedoch auch differentielle Signalleitungen sein. An der Rückseite des piezoelektrischen Elements 2 befindet sich üblicherweise ein akustisch dämpfendes Material 6, welches eine Erhöhung der Bandbreite des elektroakustischen Systems (Ansteuerelektronik plus piezoelektrische Element) bewirkt. Das Dämpfungsmaterial 6 ist in dem dargestellten Beispiel mit einer hochtemperaturbeständigen Vergussmasse 7 abgedeckt, wobei die von der Isolation 5 umgebenen Leitungen 4a und 4b durch das Dämpfungsmaterial 6 und die Vergussmasse 7 hindurch verlaufen. „Hochtemperaturbeständig‘“ bedeutet in diesem Zusammenhang beständig bei Temperaturen bis zu mindestens 500° Celsius. Die von der hochtemperaturbeständigen Isolation 5 umgebenen Leitungen 4a und 4b können durch ein Zugentlastungselement 8, das in einer Gehäuseöffnung angeordnet ist, aus dem Gehäuse 1 herausgeführt Inside the housing 1 (e.g. on the inside of the front housing wall) a piezoelectric element 2 (piezoceramic, e.g. PZT) is arranged and fastened to the housing wall, e.g. by means of an adhesive 3. Two lines 4a and 4b are electrically connected to the two main surfaces (front and rear) of the piezoelectric element 2. The two lines 4a, 4b are surrounded by high temperature-resistant insulation 5. In the example shown, the line 4a designates the signal line and the line 4b the measurement line. The lines 4a and 4b can, however, also be differential signal lines. On the back of the piezoelectric element 2 there is usually an acoustically damping material 6 which increases the bandwidth of the electroacoustic system (control electronics plus piezoelectric element). In the example shown, the damping material 6 is covered with a high-temperature-resistant potting compound 7, the lines 4a and 4b surrounded by the insulation 5 running through the damping material 6 and the potting compound 7. In this context, “high temperature resistant‘ ”means resistant to temperatures of up to at least 500 ° Celsius. The lines 4a and 4b surrounded by the high-temperature-resistant insulation 5 can be led out of the housing 1 through a strain relief element 8 which is arranged in a housing opening

werden. become.

[0018] Der in Fig. 1 dargestellte Ultraschallsensor 9 ist für den Einsatz in industriellen Anwendungen bei hohen Temperaturen (z.B. bis zu 150° Celsius geeignet. Die Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aluminiums, aus dem das Gehäuse 1 besteht, und den üblicherweise verwendeten Piezokeramiken (wie z.B. PZT) sind ausreichend klein. Dadurch sind die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten induzierten Scherkräfte, welche das piezoelektrische Element 2 beschädigen oder zerstören können ebenfalls akzeptable klein. Die Sensorkonstruktion gemäß Fig. 1 und insbesondere das Verschließen des Gehäuses 1 mit der hochtemperaturbeständigen Vergussmasse 7 ermöglicht einen gut korrosionsbeständigen und dichten Sensor, der aufgrund seiner Bauweise geeignet ist, einen guten Wärmeabtransport (weg vom piezoelektrischen Ele-The ultrasonic sensor 9 shown in Fig. 1 is suitable for use in industrial applications at high temperatures (for example up to 150 ° Celsius. The differences in the coefficient of thermal expansion of the aluminum from which the housing 1 is made, and the commonly used piezoceramics ( such as PZT) are sufficiently small. As a result, the shear forces induced by the different thermal expansion coefficients, which can damage or destroy the piezoelectric element 2, are also acceptably small. The sensor construction according to FIG a good corrosion-resistant and leak-proof sensor, which, due to its design, is suitable for good heat dissipation (away from the piezoelectric element

ment 2) zu ermöglichen. ment 2).

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[0019] Um die von dem piezoelektrischen Element in das zu untersuchenden Objekts, welches z.B. aus Stahl besteht, transferierte akustische Energie zu maximieren, muss fol-In order to maximize the acoustic energy transferred from the piezoelectric element into the object to be examined, which for example consists of steel, the following must

gende Bedingung erfüllt sein condition must be met

ZaLu AV Zpiezo * ZstaHL- (D) ZaLu AV Zpiezo * ZstaHL- (D)

wobei Zaiu> Zpriezo Und Zsrayr die akustischen Impedanzen des Aluminiumgehäuses 1, des piezoelektrischen Elements 2 bzw. des zu untersuchenden Objekts bezeichnen. Gleich-where Zaiu> Zpriezo and Zsrayr denote the acoustic impedances of the aluminum housing 1, the piezoelectric element 2 or the object to be examined. Equal-

zeitig muss für die Dicke L der Gehäusewand folgendes gelten Z = nA/4, the following must apply to the thickness L of the housing wall in advance: Z = nA / 4,

wobei n eine ganze Zahl größer 0 und A die Wellenlänge des Ultraschalls bezeichnen. Die akustischen Impedanzen sind das Produkt der Schallgeschwindigkeit und der Dichte des jeweiligen Materials. Erwähnenswert ist es, dass geeignete piezoelektrische Materialien existieren, deren akustische Impedanz Zp;gzo die Bedingung aus Gleichung (1) näherungsweise erfüllen, wodurch für zu untersuchende Objekte aus Stahl ein hoher Transmissionsgrad der akustischen Energie erreicht werden kann. Al geeignete piezoelektrische Materialien kommen z.B. 1-3 Piezocomposite (PZT+Polymer) in Betracht, welche die ge-where n is an integer greater than 0 and A denotes the wavelength of the ultrasound. The acoustic impedances are the product of the speed of sound and the density of the respective material. It is worth mentioning that suitable piezoelectric materials exist whose acoustic impedance Zp; gzo approximately fulfill the condition from equation (1), as a result of which a high degree of transmission of the acoustic energy can be achieved for objects made of steel to be examined. Al suitable piezoelectric materials come into consideration, e.g. 1-3 piezo composites (PZT + polymer), which

wünschten niedrigen akustischen Impedanzen von unter 10- 10° Ns/m* aufweisen. have the desired low acoustic impedances of less than 10-10 ° Ns / m *.

[0020] Der in Fig. 1 dargestellte Ultraschallsensor 9 kann in den im Folgenden (siehe Fig. 2 und 3) beschriebenen Anordnungen/Systemen verwendet werden. Alternativ können auch andere, handelsübliche Ultraschallsensoren verwendet werden (mit damit verbunde-The ultrasonic sensor 9 shown in FIG. 1 can be used in the arrangements / systems described below (see FIGS. 2 and 3). Alternatively, other commercially available ultrasonic sensors can also be used (with associated

nen Einschränkungen betreffend die Maximaltemperatur). restrictions regarding the maximum temperature).

[0021] Fig. 2 zeigt in den Diagrammen (a), (b), (c) und (d) vier verschiedene Varianten einer Baugruppe (assembly) mit einem Ultraschallsensor 9 und einer Montagevorrichtung, Fig. 2 shows in the diagrams (a), (b), (c) and (d) four different variants of an assembly with an ultrasonic sensor 9 and a mounting device,

die auch dazu ausgebildet sein kann, den Ultraschallsensor 9 zu kühlen. which can also be designed to cool the ultrasonic sensor 9.

[0022] Fig. 2 (a) illustriert ein erstes Beispiel einer Baugruppe / eines Systems mit einem Ultraschallsensor 9 und einer Montagevorrichtung zur Montage des Ultraschallsensors 9 an der (Stahl-) Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts 11. Im dargestellten Beispiel um-2 (a) illustrates a first example of an assembly / a system with an ultrasonic sensor 9 and a mounting device for mounting the ultrasonic sensor 9 on the (steel) surface of an object 11 to be examined.

fasst die Montagevorrichtung im Wesentlichen eine Platte 12 mit der der Ultraschallsensor the assembly device essentially holds a plate 12 with which the ultrasonic sensor

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9 an die Oberfläche des Objekts 11 angedrückt werden kann. Die notwendige Anpresskraft wird durch das Anziehen der Schrauben 13 bereitgestellt, welche durch Löcher in der Platte 12 hindurchgeführt sind und in das Objekt 11 eingeschraubt sind. Die isolierten Leitungen 4a und 4b können ebenfalls durch ein Loch in der Platte 12 hindurchgeführt sein. Der Ultraschallsensor 9 wird jedoch nicht direkt gegen die Oberfläche des Objekts 11 gepresst, sondern zwischen der Vorderseite des Ultraschallsensors 9 und der Oberfläche ist ein Koppelmaterial angeordnet. Anders als bei herkömmlichen Anwendungen kann als Koppelmaterial z.B. eine Schicht 10 aus einer Keramikpaste oder eine Polyvinylfolie verwendet werden, welche für höhere Temperaturen geeignet ist als Keramikpaste. Die Kühlung des Ultraschallsensors 9 erfolgt in dem Beispiel aus Fig. 2 (a) durch die Luft, die das Sensorge-9 can be pressed against the surface of the object 11. The necessary contact pressure is provided by tightening the screws 13, which are passed through holes in the plate 12 and screwed into the object 11. The insulated lines 4a and 4b can also be passed through a hole in the plate 12. However, the ultrasonic sensor 9 is not pressed directly against the surface of the object 11, but a coupling material is arranged between the front side of the ultrasonic sensor 9 and the surface. In contrast to conventional applications, a layer 10 made of a ceramic paste or a polyvinyl film, for example, which is suitable for higher temperatures than ceramic paste, can be used as the coupling material. In the example from FIG. 2 (a), the ultrasonic sensor 9 is cooled by the air that the sensor

häuse umgibt. housing surrounds.

[0023] Fig. 2 (b) illustriert ein zweites Beispiel einer Baugruppe / eines Systems mit einem Ultraschallsensor 9 und einer Montagevorrichtung, wobei die Baugruppe aus Fig. FIG. 2 (b) illustrates a second example of an assembly / a system with an ultrasonic sensor 9 and a mounting device, the assembly from FIG.

2 (b) im Dauerbetrieb für etwas höhere Temperaturen (z.B. 80° - 150°Celsius) geeignet ist, als das vorherige Beispiel. Anstatt der Platte 12 ist gemäß Fig. 2 (b) ein Trägerblock 18 vorgesehen, dessen äußere Form annähernd rotationssymmetrisch sein kann (was aber nicht notwendigerweise der Fall sein muss). Der Trägerblock 18 weist eine zentrale Bohrung auf, in der der Ultraschallsensor 9 bis zu einem Anschlag (der aufgrund einer Durchmesserreduktion der zentralen Bohrung gebildet wird) eingesteckt ist. Der Trägerblock 18 kann aus Aluminium, Kupfer oder einem anderen, gut wärmeleitfähigen Material gefertigt sein. Um einen guten Wärmetransport zwischen dem Ultraschallsensor 9 und dem Trägerblock 18 zu gewährleisten kann dazwischen eine Wärmeleitpaste angeordnet sein. Die 1solierten Leitungen 4a und 5b werden in der zentralen Bohrung durch den Trägerblock 18 2 (b) is suitable for slightly higher temperatures (e.g. 80 ° - 150 ° Celsius) in continuous operation than the previous example. Instead of the plate 12, a support block 18 is provided according to FIG. 2 (b), the outer shape of which can be approximately rotationally symmetrical (but this does not necessarily have to be the case). The carrier block 18 has a central bore in which the ultrasonic sensor 9 is inserted up to a stop (which is formed due to a reduction in the diameter of the central bore). The carrier block 18 can be made of aluminum, copper or some other material with good thermal conductivity. In order to ensure good heat transport between the ultrasonic sensor 9 and the carrier block 18, a heat-conducting paste can be arranged between them. The isolated lines 4a and 5b are in the central bore through the support block 18

hindurchgeführt. passed through.

[0024] Damit der Trägerblock 18 die Funktion eines Kühlkörpers erfüllen kann, wird ein direkter Kontakt zwischen dem Trägerblock 18 und der heißen Oberfläche des zu untersuchenden Objekts vermieden. In dem dargestellten Beispiel ist zwischen der heißen Oberfläche eine Isolierschicht 15 zur thermischen Isolierung angeordnet, welche eine direkte Wärmeübertragung von der heißen Oberfläche hin zum Trägerblock mittels Wärmestrahlung verhindern und eine indirekte Wärmeübertragung durch Konvention signifikant reduzieren soll. Um eine indirekte Wärmeübertragung aufgrund der Wärmeleitung über die Schrauben 16, mit denen der Trägerblock 18 an der heißen Oberfläche befestigt ist, zu be-So that the carrier block 18 can fulfill the function of a heat sink, direct contact between the carrier block 18 and the hot surface of the object to be examined is avoided. In the example shown, an insulating layer 15 for thermal insulation is arranged between the hot surface, which is intended to prevent direct heat transfer from the hot surface to the carrier block by means of heat radiation and to significantly reduce indirect heat transfer by convention. In order to achieve an indirect heat transfer due to the conduction of heat via the screws 16 with which the support block 18 is attached to the hot surface.

hindern, können die Schrauben 16 aus einem hitzebeständigen, jedoch schlecht wärmeleit-prevent the screws 16 from a heat-resistant, but poorly thermally conductive

8/20 7 8/20 7

fähigen Kunststoff gefertigt sein, beispielsweise aus PEEK (Polyetheretherketon). Durch diese Maßnahmen wird erreicht, dass die heiße Oberfläche den Trägerblock 18 möglichst wenig erwärmt und folglich der Trägerblock 18 den Ultraschallsensor 9 und das Koppel-capable plastic, for example from PEEK (polyetheretherketone). These measures ensure that the hot surface heats the carrier block 18 as little as possible and consequently the carrier block 18 heats the ultrasonic sensor 9 and the coupling

mittel 14 (in diesem Beispiel eine Polyvinylfolie) ausreichend kühlen kann. medium 14 (in this example a polyvinyl film) can cool sufficiently.

[0025] Die als Koppelmittel 14 verwendete Polyvinylfolie kann eine Dicke im Bereich von z.B. 20-100um aufweisen. Diese Folie isoliert die Sensoranordnung 9 thermisch und elektrisch gegenüber der heißen Oberfläche des zu untersuchenden Objekts 11 und ist in der Lage, Unebenheiten zwischen der Stirnseite des Ultraschallsensors und der heißen Oberfläche auszugleichen, um eine gute akustische Kopplung zu erreichen. Zwischen den Köpfen der erwähnten Kunststoffschrauben 16 und dem Trägerblock 18 können Federelemente 17 (z.B. Spiral- oder Tellerfedern) angeordnet sein, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen des Trägerblocks 18 und des Kunststoffs (z.B. PEEK) durch Verformung der Federelemente 17 auszugleichen. Im vorliegenden Beispiel sind die Schrauben 16 durch Löcher in dem Trägerblock 18 und der darunterliegenden Isolier-The polyvinyl film used as coupling agent 14 can have a thickness in the range of, for example, 20-100 µm. This film thermally and electrically isolates the sensor arrangement 9 from the hot surface of the object 11 to be examined and is able to compensate for unevenness between the end face of the ultrasonic sensor and the hot surface in order to achieve good acoustic coupling. Spring elements 17 (e.g. spiral or disc springs) can be arranged between the heads of the aforementioned plastic screws 16 and the carrier block 18 in order to compensate for different thermal expansions of the carrier block 18 and the plastic (e.g. PEEK) by deforming the spring elements 17. In the present example, the screws 16 are through holes in the support block 18 and the underlying insulating

schicht 17 hindurchgeführt und in das Objekt 11 eingeschraubt. layer 17 passed through and screwed into object 11.

[0026] Der Trägerblock 18 kann Strukturen aufweisen, welche die Wärmeableitung (durch Wärmestrahlung und Konvektion) hin zur kühleren Umgebung verbessern. Beispielsweise können in dem Trägerblock 18 eine oder mehrere Bohrungen 18a vorgesehen sein, des Weiteren können außen an dem Trägerblock (Kühl-) Rippen 18b angeordnet sein, die beispielsweise auch durch das Windungen eines Gewindes gebildet sein können. Die Bohrungen 18a und die Rippen 18b vergrößern die Gesamtoberfläche des Trägerblock 18 und verbessern somit die Wärmeableitung hin zur kühleren Umgebung. Die Bohrungen 18a verlaufen innerhalb des Trägerblocks 18 zumindest teilweise neben dem Ultraschallsensor 9 in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesem, um einen guten Wärmeabtrans-The carrier block 18 can have structures that improve the dissipation of heat (through thermal radiation and convection) towards the cooler environment. For example, one or more bores 18a can be provided in the carrier block 18, furthermore (cooling) ribs 18b can be arranged on the outside of the carrier block, which ribs can also be formed, for example, by the windings of a thread. The bores 18a and the ribs 18b enlarge the total surface of the support block 18 and thus improve the heat dissipation towards the cooler environment. The bores 18a run within the support block 18 at least partially next to the ultrasonic sensor 9 in the immediate vicinity of this, in order to ensure good heat dissipation.

port zu ermöglichen. port to enable.

[0027] Fig. 2 (c) illustriert ein drittes Beispiel einer Baugruppe / eines Systems, welches für einen Dauerbetrieb bei noch höheren Temperaturen (z.B. 150° - 350°Celsius) geeignet ist als das vorherige Beispiel. Das Beispiel aus Fig. 2 (c) beinhaltet alle Komponenten des Beispiels aus Fig. 2 (b) sowie zusätzliche Komponenten. Beispielsweise sind in den Boh-Figure 2 (c) illustrates a third example of an assembly / system which is suitable for continuous operation at even higher temperatures (e.g. 150 ° -350 ° Celsius) than the previous example. The example from FIG. 2 (c) includes all components of the example from FIG. 2 (b) as well as additional components. For example, in the drilling

rungen 18a gut wärmeleitfähige Stäbe 19 angeordnet. Die wärmeleitfähigen Stäbe 19 können z.B. aus Kupfer bestehen und insbesondere als Wärmeleitrohre (sogenannte Heat stanchions 18a highly thermally conductive rods 19 arranged. The thermally conductive rods 19 can for example consist of copper and in particular as heat pipes (so-called heat

Pipes) ausgestaltet sein. Um eine gute Wärmeübergang vom Trägerblock 18 auf die Stäbe Pipes) be designed. To ensure good heat transfer from the support block 18 to the rods

9/20 8 9/20 8

19 zu erreichen, kann zwischen der Innenfläche der Bohrungen 18a und den Stäben 19 Wärmeleitpaste angeordnet werden. Entsprechend dem dargestellten Beispiel kann auf dem Trägerblock 18 eine weitere thermisch isolierende Schicht 22 angeordnet sein, die Öffnungen aufweist, durch die die Stäbe 19 hindurch verlaufen. Auf jene Teile der Stäbe 19, die aus dem Trägerblock 19 herausragen, kann ein Kühlkörper 20 aufgesteckt sein. Zu diesem Zweck kann der Kühlkörper 20 Bohrungen 20a aufweisen, die mit den Bohrungen 18a im Trägerblock 18 fluchten, sodass die Stäbe 19 teilweise in den Bohrungen 18a im Trägerblock 18 und teilweise in den Bohrungen 20a im Kühlkörper 20 angeordnet sein. Auch in den Bohrungen 20a kann Wärmeleitpaste vorgesehen sein, um den Wärmeübergang von den Stäben 19 in den Kühlkörper 20 zu verbessern. Die erwähnte thermische Isolation 22 befindet sich zwischen Kühlkörper 20 und Trägerblock 18. Die thermisch gut leitfähigen Stäbe 19 koppeln das Innere des Trägerblocks 18 thermisch mit dem Kühlkörper 20. Wie erwähnt ist Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 400 W/(m-K) ein geeignetes Material für die Stäbe 19. Zur Erhöhung der Wärmeabstrahlung und für eine möglichst große Wärmeabgabe an die Umgebung können der Trägerblock 18 und der 19, 19 thermal paste can be placed between the inner surface of the bores 18a and the rods. According to the example shown, a further thermally insulating layer 22 can be arranged on the carrier block 18, which layer has openings through which the rods 19 extend. A heat sink 20 can be attached to those parts of the rods 19 which protrude from the carrier block 19. For this purpose, the heat sink 20 can have bores 20a which are aligned with the bores 18a in the support block 18, so that the rods 19 are arranged partly in the bores 18a in the support block 18 and partly in the bores 20a in the heat sink 20. Thermally conductive paste can also be provided in the bores 20a in order to improve the heat transfer from the rods 19 to the cooling body 20. The mentioned thermal insulation 22 is located between the heat sink 20 and the carrier block 18. The thermally highly conductive rods 19 thermally couple the interior of the carrier block 18 to the heat sink 20. As mentioned, copper with a thermal conductivity of approx. 400 W / (mK) is a suitable one Material for the rods 19. To increase the heat radiation and for the greatest possible heat dissipation to the environment, the carrier block 18 and the

Kühlkörper 20 schwarz eingefärbt, insbesondere eloxiert sein. Heat sink 20 colored black, in particular anodized.

[0028] Darüber hinaus kann auf den Trägerblock 18 eine thermisch isolierende Hülle 21 aufgesetzt werden, welche den Kühlkörper 20 umgibt. Die thermisch isolierende Hülle 21 kann z.B. aus Hochtemperaturkunststoff oder Keramik bestehen und an dem Trägerblock 18 beispielsweise mittels einer Schraubverbindung befestigt werden (siehe Außengewinde 18b in Fig. 2 (b), die Hülle 21 kann ein entsprechendes Innengewinde aufweisen). Die Hülle kann dazu beitragen, das Gesamtsystem mechanisch zu stabilisieren. Anstatt der In addition, a thermally insulating sleeve 21, which surrounds the cooling body 20, can be placed on the carrier block 18. The thermally insulating sheath 21 can for example consist of high-temperature plastic or ceramic and be fastened to the support block 18, for example by means of a screw connection (see external thread 18b in Fig. 2 (b), the sheath 21 can have a corresponding internal thread). The shell can help to mechanically stabilize the overall system. Instead of the

Schraubverbindungen können auch andere Verbindungstechniken verwendet werden. Other connection techniques can also be used with screw connections.

[0029] Im Bereich des Kühlkörpers kann die Hülle 21 eine Vielzahl von Bohrungen 21a aufweisen. Diese sollten so groß sein, dass die natürliche Konvektion und Wärmestrahlung eine ausreichende Wärmeabgabe an die Umgebung erlaubt, die Hülle 21 jedoch einen Schutz gegen unabsichtliches Berühren des Kühlkörpers 20 bietet, um Verletzungen zu vermeiden. Somit haben die Komponenten der Montage- und Kühlvorrichtung in den verschiedenen Ausbaustufen entweder wärmeableitende Funktion und/oder strukturelle Funk-In the region of the heat sink, the sleeve 21 can have a plurality of bores 21a. These should be so large that the natural convection and thermal radiation allow sufficient heat dissipation to the environment, but the shell 21 offers protection against inadvertent contact with the heat sink 20 in order to avoid injuries. Thus, the components of the assembly and cooling device in the various expansion stages either have a heat-dissipating function and / or structural radio

tion und/oder sicherheitsrelevante Funktionen. tion and / or safety-related functions.

[0030] Sofern die heiße Oberfläche des Objekts 11 Temperaturen über 350 °C aufweist If the hot surface of the object 11 has temperatures above 350 ° C

kann anstatt der Hülle 21 eine andere Hülle 23 verwendet werden. Ein Beispiel dazu ist in Instead of the cover 21, another cover 23 can be used. An example of this is in

Fig. 2 (d) dargestellt. Die Hülle 23 enthält keine Bohrungen 21a für natürliche Konvektion sondern einen Einlass 24 und einen Auslass 25 für die Zu- bzw. Abfuhr eines gasförmigen oder flüssigen Kühlmediums, um damit den innerhalb der Hülle 23 befindlichen Kühlkör-Fig. 2 (d). The shell 23 does not contain any bores 21a for natural convection, but rather an inlet 24 and an outlet 25 for the supply and discharge of a gaseous or liquid cooling medium in order to use the heat sink located within the shell 23.

per 20 mittels erzwungener Konvektion zu kühlen. to cool per 20 by means of forced convection.

[0031] Falls die mittels Ultraschall zu detektierende Eigenschaft im Nahfeld des Ultraschallsensors 9 liegt, kann es nötig sein, eine Vorlaufstrecke (delay line) zwischen zu untersuchenden Objekt 11 und dem Ultraschallsensor 9 zu installieren, da im Nahfeld Störeinflüsse Messungen erschweren oder unmöglich machen können. Um eine Vorlaufstrecke zwischen dem Ultraschallsensor 9 und der Oberfläche des Objekts 11 herzustellen, wird der Ultraschallsensor 9 in dem Trägerblock nicht unten angeordnet, sodass er aus dem Trägerblock herausragt (wie in Fig. 2 (b) bis (d)), sondern der Ultraschallsensor 9 ist innerhalb des Trägerblocks angeordnet. Beispiele für Systeme mit Ultraschallsensor mit Vor-If the property to be detected by means of ultrasound is in the near field of the ultrasonic sensor 9, it may be necessary to install a delay line between the object 11 to be examined and the ultrasonic sensor 9, since in the near field interference can make measurements difficult or impossible . In order to establish a lead path between the ultrasonic sensor 9 and the surface of the object 11, the ultrasonic sensor 9 is not arranged in the carrier block at the bottom so that it protrudes from the carrier block (as in Fig. 2 (b) to (d)), but the ultrasonic sensor 9 is arranged within the support block. Examples of systems with an ultrasonic sensor with

laufstrecke sind in Fig. 3 (a) bis (d) dargestellt. running distance are shown in Figs. 3 (a) to (d).

[0032] Wie in Fig. 3 (a) dargestellt ist die zentrale Bohrung, in der sich der Ultraschallsensor 9 befindet, ein Sackloch, sodass die akustische Welle vom dem Ultraschallsensor 9 bis zur Unterseite des Trägerblocks 28 durch das Metall des Trägerblocks 28 (z.B. Kupfer oder Aluminium) verläuft, bevor sie in das Objekt 11 eingekoppelt wird. Der akustische Pfad durch das Metall des Trägerblocks 28 von der Unterseite des Ultraschallsensors bis zur Unterseite (Kontaktfläche) des Trägerblocks 28 wird als Vorlaufstrecke 28a bezeichnet. Zwischen dem Ultraschallsensor 9 und dem Trägerblock 28 kann sich eine Koppelschicht 27 befinden, welche beispielsweise durch eine Keramikpaste gebildet wird. Die Koppelschicht 14 zwischen der Kontaktfläche an der Unterseite des Trägerblock 28 und der heißen Oberfläche kann wie in den vorherigen Beispielen eine Polyvinylfolie oder eine Keramikpaste sein (anwendungsspezifisch je nach Temperatur). Im mittleren Bereich unterhalb der zentralen Bohrung, weist der Trägerblock einen Vorsprung mit einer erhabenen Kontaktfläche auf, welche über die Koppelschicht 14 mit der heißen Oberfläche mechanisch/akustisch verbunden ist. Im äußeren Bereich, d.h. neben dem Vorsprung ist zwischen der heißen Oberfläche und dem Trägerblock 14 die thermisch isolierende Schicht 15 angeordnet (ähnlich wie die Schicht 15 in Fig. 2 (b)). Die Isolation 15 weist lediglich eine zentrale Öffnung auf, durch die der Vorsprung mit der Kontaktfläche des Trägerblocks 28 hindurch verläuft. Der Trägerblock 28 ist demnach thermisch nur über die vergleichsweise kleine Kontaktfläche mit der heißen Oberfläche gekoppelt und in den übrigen As shown in Fig. 3 (a), the central bore in which the ultrasonic sensor 9 is located is a blind hole, so that the acoustic wave from the ultrasonic sensor 9 to the underside of the carrier block 28 through the metal of the carrier block 28 (e.g. Copper or aluminum) before it is coupled into the object 11. The acoustic path through the metal of the carrier block 28 from the lower side of the ultrasonic sensor to the lower side (contact surface) of the carrier block 28 is referred to as the lead path 28a. A coupling layer 27, which is formed, for example, by a ceramic paste, can be located between the ultrasonic sensor 9 and the carrier block 28. The coupling layer 14 between the contact surface on the underside of the carrier block 28 and the hot surface can, as in the previous examples, be a polyvinyl film or a ceramic paste (application-specific depending on the temperature). In the middle area below the central bore, the carrier block has a projection with a raised contact surface, which is mechanically / acoustically connected to the hot surface via the coupling layer 14. In the outer area, i.e. next to the projection, the thermally insulating layer 15 is arranged between the hot surface and the carrier block 14 (similar to the layer 15 in Fig. 2 (b)). The insulation 15 only has a central opening through which the projection with the contact surface of the carrier block 28 extends. The carrier block 28 is accordingly thermally coupled to the hot surface only via the comparatively small contact area and to the rest

Bereichen von der heißen Oberfläche thermisch isoliert. Thermally insulated areas from the hot surface.

[0033] Abgesehen von dem, was oben beschrieben wurde, sind alle übrigen in Fig. 3 (a) dargestellten Komponenten (Schrauben 16, Federelemente 17, Löcher 18a, Rippen/Gewinde 18b) gleich wie in Fig. 2 (b) und es wird auf obige Beschreibung verwiesen. Das Beispiel aus Fig. 3 (b) umfasst zusätzlich zu den in Fig. 3 (a) dargestellten Komponenten noch die Kupferstäbe 19, den Kühlkörper 20 (mit den Bohrungen 20a) und die Hülle 21 (mit den Öffnungen 21a), die gleich gestaltet sind wie in dem Beispiel aus Fig. 2 (c). Das Beispiel aus Fig. 3 (c) ist im Wesentlichen gleich wie das Beispiel aus Fig. 3 (b) abgesehen davon, dass die Hülle 21 einen Einlass 24 und einen Auslass 25 für ein Kühlmedium aufweist (und keine Löcher 21a). Insofern ist das Beispiel aus Fig. 3 (c) ähnlich wie das Beispiel aus Fig. 2 (d) aufgebaut (abgesehen von der akustischen Vorlaufstrecke und den da-Apart from what has been described above, all other components shown in Fig. 3 (a) (screws 16, spring elements 17, holes 18a, ribs / threads 18b) are the same as in Fig. 2 (b) and it reference is made to the description above. The example from FIG. 3 (b) includes, in addition to the components shown in FIG. 3 (a), the copper rods 19, the heat sink 20 (with the bores 20a) and the shell 21 (with the openings 21a), which are designed in the same way are as in the example of Fig. 2 (c). The example from FIG. 3 (c) is essentially the same as the example from FIG. 3 (b), except that the shell 21 has an inlet 24 and an outlet 25 for a cooling medium (and no holes 21a). In this respect, the example from FIG. 3 (c) is constructed similarly to the example from FIG. 2 (d) (apart from the acoustic feed path and the associated

mit verbundenen Änderungen beim Trägerblock 28 im Vergleich zum Trägerblock 18). with associated changes in support block 28 compared to support block 18).

[0034] In Anwendungen, bei denen Untersuchungen mittels Ultraschall in einem Fluid innerhalb/oder hinter einer Metallstruktur 29 (z.B. Behälterwand/Gehäusewand) durchgeführt werden sollen, kann es sinnvoll sein, den Trägerblock 28 aus den vorherigen Beispielen durch einen modifizierten Trägerblock 32 zu ersetzen, der auf seiner Längsachse eine zylindrischen Verlängerung 32a aufweist. Ein Beispiel ist in Fig. 3 (d) dargestellt. Die Verlängerung 32a ist Teil der weiter oben in Bezug auf Fig. 3 (a) bis (c) erläuterten Vorlaufstrecke. Mit Hilfe einer geeigneten mechanischen Struktur (z.B. ein Sechskant 32b), die mit der Verlängerung 32a mechanisch verbunden ist, kann die Vorlaufstrecke in eine geeignete Sensorbohrung 31 mit Innengewinde 31c in der Metallstruktur 29 eingeschraubt werden. Dadurch werden Verluste und Reflexionen der akustischen Energie an dem Übergang Trägerblock 32 zu heißer Oberfläche der Metallstruktur 29 vermieden und die Schal-In applications in which ultrasound examinations are to be carried out in a fluid inside / or behind a metal structure 29 (eg container wall / housing wall), it can be useful to replace the carrier block 28 from the previous examples with a modified carrier block 32 , which has a cylindrical extension 32a on its longitudinal axis. An example is shown in Fig. 3 (d). The extension 32a is part of the advance path explained above with reference to FIGS. 3 (a) to (c). With the aid of a suitable mechanical structure (e.g. a hexagon 32b) which is mechanically connected to the extension 32a, the lead section can be screwed into a suitable sensor bore 31 with an internal thread 31c in the metal structure 29. As a result, losses and reflections of the acoustic energy at the transition from the carrier block 32 to the hot surface of the metal structure 29 are avoided and the sound

lenergie wird direkt über die verlängerte Vorlaufstrecke direkt in das Fluid eingekoppelt. Oil energy is coupled directly into the fluid via the extended flow path.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS 1. Sensorbaugruppe, die folgendes aufweist: 1. A sensor assembly that includes: einen Ultraschallsensor (9), an ultrasonic sensor (9), einen Trägerblock (18, 28), in den der Ultraschallsensor (9), eingeführt ist, sodass der Ultraschallsensor (9) thermisch mit dem Trägerblock (18, 28) gekoppelt ist, a carrier block (18, 28) into which the ultrasonic sensor (9) is inserted so that the ultrasonic sensor (9) is thermally coupled to the carrier block (18, 28), Befestigungsmittel (16), die dazu ausgebildet sind den Trägerblock (18, 28) an einer heißen Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts (11) zu fixieren; Fastening means (16) which are designed to fix the carrier block (18, 28) on a hot surface of an object (11) to be examined; eine thermische Isolation (15), die zwischen dem Trägerblock (18, 28) und der heißen Oberfläche angeordnet ist, wobei die thermische Isolation (15) eine zentrale Öffnung aufweist, durch die entweder der Ultraschallsensor (9) oder ein Teil einer durch den Trä-a thermal insulation (15) which is arranged between the support block (18, 28) and the hot surface, wherein the thermal insulation (15) has a central opening through which either the ultrasonic sensor (9) or part of a through the Trä - gerblock 28 gebildeten Vorlaufstrecke (28a) hindurch verläuft. gerblock 28 formed flow path (28a) runs therethrough. 2. Die Sensorbaugruppe gemäß Anspruch 1, wobei die Befestigungsmittel (16) Schrauben sind, die aus Kunststoff, beispielswei-2. The sensor assembly according to claim 1, wherein the fastening means (16) are screws made of plastic, for example se aus PEEK bestehen und die in das zu untersuchende Objekt (11) eingeschraubt sind. se consist of PEEK and which are screwed into the object to be examined (11). 3. Die Sensorbaugruppe gemäß Anspruch 2, wobei die Schrauben (16) Schraubenköpfe aufweisen und wobei zwischen den 3. The sensor assembly according to claim 2, wherein the screws (16) have screw heads and wherein between the Schraubenköpfen und dem Trägerblock (18, 28) Federelemente (17) angeordnet sind. Screw heads and the support block (18, 28) spring elements (17) are arranged. 4. Die Sensorbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen dem Ultraschallsensor (9) und der heißen Oberfläche oder zwischen der Vorlaufstrecke und der heißen Oberfläche als Koppelmedium eine Polyvinylfolie 4. The sensor assembly according to one of claims 1 to 3, wherein between the ultrasonic sensor (9) and the hot surface or between the feed path and the hot surface, a polyvinyl film as the coupling medium (14) angeordnet ist. (14) is arranged. 5. Die Sensorbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Trägerblock (18, 28) leere Bohrungen (18a) aufweist und/oder wobei der Trägerblock (18, 28) an seiner Außenseite Rippen (18b), beispielsweise in der Form von 5. The sensor assembly according to one of claims 1 to 4, wherein the carrier block (18, 28) has empty bores (18a) and / or wherein the carrier block (18, 28) on its outside ribs (18b), for example in the form of Gewindewindungen, aufweist. Has thread turns. 6. Die Sensorbaugruppe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Trägerblock (18, 28) Bohrungen (18a) aufweist, in denen wärmeleitfähige Stäbe (19), beispielsweise aus Kupfer, angeordnet sind, die aus dem Trägerblock 6. The sensor assembly according to one of claims 1 to 5, wherein in the carrier block (18, 28) has bores (18a) in which thermally conductive rods (19), for example made of copper, are arranged, which are from the carrier block (18, 28) herausragen. (18, 28) protrude. 7. Die Sensorbaugruppe gemäß Anspruch 6, die weiter aufweist: 7. The sensor assembly of claim 6, further comprising: eine auf dem Trägerblock (18, 28) angeordnete thermische Isolation (22) mit Öffnungen, durch die die Stäbe (19) hindurch verlaufen, und a thermal insulation (22) which is arranged on the carrier block (18, 28) and has openings through which the rods (19) extend, and eine Hülle (21), welche mit dem Trägerblock (18, 28) so verbunden ist, dass die aus dem Trägerblock (18, 28) herausragenden Teile der Stäbe (19) innerhalb der Hülle (21) a sheath (21) which is connected to the carrier block (18, 28) in such a way that the parts of the rods (19) protruding from the carrier block (18, 28) inside the sheath (21) liegen. lie. 8. Die Sensorbaugruppe gemäß Anspruch 7, wobei die Hülle (21) aus thermisch isolierendem Material ist und mindestens einen Einlass (20a, 24) und mindestens einen Auslass (20a, 25) aufweist, um eine Strömung ei-8. The sensor assembly according to claim 7, wherein the sheath (21) is made of thermally insulating material and has at least one inlet (20a, 24) and at least one outlet (20a, 25) to allow a flow of a nes Kühlmediums innerhalb der Hülle zu ermöglichen (21). to enable a cooling medium within the envelope (21). 9. Ein Ultraschallsensor, der folgendes aufweist: ein Gehäuse (1), ein im Inneren des Gehäuses (1) an einem Gehäuseboden befestigtes piezoelektrisches Element (2), ein akustisch dämpfendes Material (6), welches im Inneren des Gehäuses (1) das pilezoelektrischen Element (2) bedeckt, eine Vergussmasse (7), welche im Inneren des Gehäuses das akustisch dämpfende Material (6) bedeckt, zwei mit dem piezoelektrischen Element (2) elektrisch verbundene Leitungen (4a, 4b), die von einer hochtemperaturbeständigen Isolation (5) umgeben sind, welche durch das akustisch dämpfende Material (6) und die Vergussmasse (7) hindurch verläuft, und ein Zugentlastungselement (8), welches in einer Öffnung des Gehäuses (1) 9. An ultrasonic sensor comprising: a housing (1), a piezoelectric element (2) attached to a housing bottom inside the housing (1), an acoustically damping material (6) which is inside the housing (1) Pilezoelectric element (2) covered, a potting compound (7) which covers the acoustically damping material (6) inside the housing, two lines (4a, 4b) electrically connected to the piezoelectric element (2), which are covered by a high-temperature-resistant insulation ( 5), which runs through the acoustically damping material (6) and the potting compound (7), and a strain relief element (8) which is inserted in an opening in the housing (1) angeordnet ist und durch das die Leitungen (4a, 4b) hindurch verlaufen. is arranged and through which the lines (4a, 4b) run. 10. Eine Messanordnung, die folgendes aufweist: 10. A measuring arrangement, which has the following: einen akustisch mit einer heißen Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts (11) gekoppelten Ultraschallsensor (9) gemäß Anspruch 9, und an ultrasonic sensor (9) according to claim 9 which is acoustically coupled to a hot surface of an object (11) to be examined, and eine zwischen der heißen Oberfläche und dem Ultraschallsensor (9) angeordnete one arranged between the hot surface and the ultrasonic sensor (9) temperatorbeständige Folie (19), insbesondere aus Polyvinyl. temperature-resistant film (19), in particular made of polyvinyl.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5936163A (en) * 1998-05-13 1999-08-10 Greathouse; John D. Portable high temperature ultrasonic testing (UT) piezo probe with cooling apparatus
KR20090042500A (en) * 2007-10-26 2009-04-30 조명기 Ultrasonic highi-temp tube inspection and thickness measuring apparatus
WO2018129530A2 (en) * 2017-01-09 2018-07-12 Sensor Networks, Inc. High-temperature ultrasonic sensor

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