AT523023B1

AT523023B1 - COOLED ULTRASONIC SENSOR

Info

Publication number: AT523023B1
Application number: ATA50831/2019A
Authority: AT
Inventors: Praher Dipl Ing Dr Bernhard; Mitterlehner MSc Thomas
Original assignee: Johannes Kepler Univ
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2023-05-15
Also published as: AT523023A1; DE102020101205A1

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 support block (18, 28) into which the ultrasonic sensor (9) is inserted, so that the ultrasonic sensor (9) is thermally coupled to the support block (18, 28). The sensor assembly also has fastening means (16) which are designed to fix the carrier block (18, 28) to a hot surface of an object (11) to be examined, and thermal insulation (15) which is installed 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 flow path (28a) formed by the support 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, um den Ultraschallsensor an heißen Oberflächen betreiben zu können. The present description relates to the field of ultrasonic sensors for industrial applications, in particular an ultrasonic sensor with a cooling device to operate the ultrasonic sensor on hot surfaces can.

HINTERGRUND BACKGROUND

[0002] Zur Durchführung von Ultraschallmessungen mittels piezoelektrischer Sensoren an heißen Oberflächen (z.B. von kunststoffverarbeitende Maschinen, in der Lebensmittel- und 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 BleiZirkonat- Titanat (PZT). Die Curie-Temperatur von PZT liegt bei etwa 350° Celsius und die empfohlene 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 deutlich geringere piezoelektrische Koeffizienten. A number of challenges have to be overcome in order to carry out ultrasonic measurements using piezoelectric sensors on hot surfaces (e.g. of plastics processing machines, in the food and steel industries). One problem, for example, is the piezoelectric Curie temperature of the piezoelectric ceramics used. Heating the piezoceramic above this Curie temperature leads to a loss of the piezoelectric properties due to depolarization. The manufacturers of the piezoceramics often recommend/specify not to use the piezoceramic above half the Curie temperature. The most commonly 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, single crystals with higher Curie temperatures are also available (such as quartz, zinc oxide, lithium sulfate, and lithium niobate), but these materials have significantly lower piezoelectric coefficients compared to PZT.

[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 Verbindungen, Bruch der Piezokeramik). Another problem that occurs at higher temperatures is the temperature resistance of the cable insulation, the soldering points and other components of ultrasonic sensors, which can usually cause problems and malfunctions at temperatures above 100° Celsius. Although the temperature resistance of these components is technically possible, it is associated with considerable effort. Furthermore, the different thermal expansions of the components of an ultrasonic sensor at higher temperatures can lead to the destruction of the sensor (e.g. by loosening connections, breaking the piezoceramic).

[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 Ole 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 anzupressen. [0004] 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 couplants mentioned above evaporate or dry up and stable measurement is possible only during a very short period of time. At higher temperatures, the coupling can take place via foils made of aluminum or gold, for example. However, very high forces are required to press the ultrasonic sensors onto the surface of the object.

[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 wiederum eine dauerhafte Versorgung mit Kühlmedium erfordert. 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. However, this usually only allows ultrasonic measurements 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, which in turn requires a permanent supply of cooling medium.

[0006] Die Publikation KR 20090042500A offenbart eine Vorrichtung mit einem Ultraschallsensor, einer aktiven Kühlvorrichtung mit Ol, einem Wellenleiter sowie einer Metallplatte, die an einem zu untersuchenden Gegenstand befestigt ist. Ultraschallsensoren zur Messung heißer Oberflächen sind beispielweise aus den Publikationen WO 2018129530 A1 und US 5936163 A be-The publication KR 20090042500A discloses a device with an ultrasonic sensor, an active cooling device with oil, a wave guide and a metal plate which is attached to an object to be examined. Ultrasonic sensors for measuring hot surfaces are described, for example, in the publications WO 2018129530 A1 and US 5936163 A.

kannt. know.

[0007] 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 ist, zu ermitteln. The inventors have set themselves the task of providing a cooled ultrasonic device which is suitable for (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 propagation times, signal amplitudes and other acoustic parameters with the aid of such a device in pulsed or continuous wave operation (e.g. by means of reflection or transmission measurements). Such measurements can allow conclusions to be drawn about the properties of the object (e.g. wall thicknesses, 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 to determine information (e.g. wear, positions, speeds) relating to machine elements such as pistons, conveying elements, which is enclosed by the medium.

ZUSAMMENFASSUNG SUMMARY

[0008] Die oben erwähnte Aufgabe wird durch die Baugruppe gemäß Anspruch 1 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. The above-mentioned object is solved by the assembly according to claim 1. Various embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.

[0009] 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 gebildeten Vorlaufstrecke verläuft. A sensor assembly with an ultrasonic sensor is described below. According to one exemplary 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 also has fastening means, which are designed to fix the carrier block to a hot surface of an object to be examined, and 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 delay line formed by the support block runs.

[0010] 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, um eine Strömung eines Kühlmediums innerhalb der Hülle zu ermöglichen. Screws can be used as fastening means, which consist of plastic, for example polyetheretherketone (PEEK) and are screwed into the object to be examined. The screws can have screw heads, with spring elements being arranged between the screw heads and the support block. In one exemplary embodiment, a polyvinyl film is arranged as the coupling medium between the ultrasonic sensor and the hot surface or between the delay line and the hot surface. The support block may have empty bores and/or ribs on its outside, for example in the form of threads. Alternatively, the support block can have bores in which thermally conductive rods/tubes (heat pipes), for example made of copper, are arranged, which protrude from the support block. The sensor assembly may further include thermal insulation disposed on the support block with openings through which the rods pass. Furthermore, the sensor assembly can have a cover which is connected to the support block in such a way that the parts of the rods which protrude from the support 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., multiple holes) to allow flow of a cooling medium within the shell.

[0011] Ein Ultraschallsensor weist gemäß einem Beispiel 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 angeordnet ist und durch das die Leitungen hindurch verlaufen. [0011] An example of an ultrasonic sensor includes: a housing; a piezoelectric element fixed to a case bottom inside the case; an acoustically damping material covering the piezoelectric element inside the housing; a potting compound covering the acoustically damping material inside the housing; two leads electrically connected to the piezoelectric element and surrounded by high temperature resistant insulation passing through the acoustically damping material and the potting compound; and a strain relief member disposed in an opening of the housing and through which the wires pass.

[0012] Ein Beispiel einer Messanordnung umfasst einen akustisch mit einer heißen Oberfläche An example of a measurement arrangement includes an acoustic with a hot surface

eines zu untersuchenden Objekts gekoppelten Ultraschallsensor und eine zwischen der heißen Oberfläche und dem Ultraschallsensor angeordnete temperatorbeständige Folie, insbesondere aus Polyvinyl. an ultrasonic sensor coupled to an object to be examined and a temperature-resistant film, in particular made of polyvinyl, arranged between the hot surface and the ultrasonic sensor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0013] 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 Abbildungen zeigt: Exemplary embodiments are explained in more detail below with reference to figures. The illustrations are not necessarily to scale and the exemplary embodiments are not limited only to the aspects illustrated. Rather, emphasis is placed on presenting the principles on which the exemplary embodiments are based. In the pictures shows:

[0014] Figur 1 zeigt einen Längsschnitt eines Beispiels eines Ultraschallsensors. [0014] FIG. 1 shows a longitudinal section of an example of an ultrasonic sensor.

[0015] Figur 2 illustriert (jeweils in einem Längsschnitt) vier verschiedene Varianten einer Baugruppe mit einem Ultraschallsensor und einer Montagevorrichtung. Figure 2 illustrates (each in a longitudinal section) four different variants of an assembly with an ultrasonic sensor and a mounting device.

[0016] Figur3 illustriert verschiedene Alternative Ausführungsbeispiele, bei denen der die Baugruppe eine Vorlaufstrecke für den Ultraschall aufweist. [0016] FIG. 3 illustrates various alternative exemplary embodiments in which the assembly has a delay line for the ultrasound.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION

[0017] Fig. 1 illustriert in einem Längsschnitt ein Beispiel eines Ultraschallsensors 9. Dieser weist ein z.B. zylindrisches Gehäuse 1 auf, das beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein kann. Alternativ zu Aluminium können auch andere Materialien verwendet 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 Aluminium aufweisen. 1 illustrates an example of an ultrasonic sensor 9 in a longitudinal section. This has a cylindrical housing 1, for example, which can be made of aluminum, for example. As an alternative to aluminum, other materials can also be used that have similar thermal properties (e.g. coefficient of thermal expansion), and acoustic properties (e.g. speed of sound or transit time of an ultrasonic pulse through the housing wall with thickness L) and material properties (density) as aluminum.

[0018] 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 werden. A piezoelectric element 2 (piezoceramic, e.g. PZT) is arranged inside the housing 1 (e.g. on the inside of the end-side housing wall) and is fixed to the housing wall, e.g. by means of an adhesive 3 . Two leads 4a and 4b are electrically connected to the two main surfaces (front and back) of the piezoelectric element 2 . The two lines 4a, 4b are surrounded by insulation 5 that is resistant to high temperatures. In the example shown, line 4a designates the signal line and line 4b the measuring line. However, the lines 4a and 4b can also be differential signal lines. An acoustically damping material 6 is usually located on the back of the piezoelectric element 2, which causes an increase in 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 , with 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.

[0019] 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 Element 2) zu ermöglichen. The ultrasonic sensor 9 shown in FIG. 1 is suitable for use in industrial applications at high temperatures (e.g. up to 150° Celsius). such as PZT) are sufficiently small. As a result, the shear forces induced by the different coefficients of thermal expansion, which can damage or destroy the piezoelectric element 2, are also acceptably small. The sensor construction according to FIG a well corrosion-resistant and tight sensor, which is suitable due to its construction, a good heat dissipation (away from the piezoelectric element 2) to allow.

[0020] Um die von dem piezoelektrischen Element in das zu untersuchenden Objekts, welches z.B. aus Stahl besteht, transferierte akustische Energie zu maximieren, muss folgende Bedingung erfüllt sein In order to maximize the acoustic energy transferred from the piezoelectric element into the object to be examined, which consists for example of steel, the following condition must be fulfilled

Zaıu ZpIEzO * ZsTAHL: (1 ) Zaıu ZpIEzO * ZSTEEL: (1 )

wobei Zuzv, Zpıezo UNd Zsranr die akustischen Impedanzen des Aluminiumgehäuses 1, des piezoelektrischen Elements 2 bzw. des zu untersuchenden Objekts bezeichnen. Gleichzeitig muss für die Dicke L der Gehäusewand folgendes gelten where Zuzv, Zpıezo AND Zsranr denote the acoustic impedances of the aluminum housing 1, the piezoelectric element 2 and the object to be examined, respectively. At the same time, the following must apply to the thickness L of the housing wall

Z = nA/4, Z = nA/4,

wobei » eine ganze Zahl größer 0 und / 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 Zpzo 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 gewünschten niedrigen akustischen Impedanzen von unter 10-10° Ns/m? aufweisen. where » is an integer greater than 0 and / denotes the wavelength of the ultrasound. The acoustic impedances are the product of the speed of sound and the density of the material in question. It is worth mentioning that there are suitable piezoelectric materials whose acoustic impedance Zpzo approximately fulfills the condition from equation (1), whereby a high transmittance of the acoustic energy can be achieved for steel objects to be examined. Suitable piezoelectric materials are, for example, 1-3 piezocomposites (PZT+polymer), which have the desired low acoustic impedances of less than 10-10° Ns/m? exhibit.

[0021] 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 verbundenen Einschränkungen betreffend die Maximaltemperatur). 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 limitations regarding the maximum temperature).

[0022] Fig. 2 zeigt in den Diagrammen (a), (b), (c) und (d) vier verschiedene Varianten einer Baugruppe (assembly) mit einem Ultraschallsensor 9 und einer Montagevorrichtung, die auch dazu ausgebildet sein kann, den Ultraschallsensor 9 zu kühlen. shows in the diagrams (a), (b), (c) and (d) four different variants of an assembly (assembly) with an ultrasonic sensor 9 and a mounting device, which can also be designed to the ultrasonic sensor 9 to cool.

[0023] 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 umfasst die Montagevorrichtung im Wesentlichen eine Platte 12 mit der der Ultraschallsensor 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 Sensorgehäuse umgibt. Fig. 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 to be examined 11. In the example shown, the mounting device comprises in Essentially a plate 12 with which the ultrasonic sensor 9 can be pressed against the surface of the object 11 . The necessary pressing force is provided by tightening the screws 13 which pass through holes in the plate 12 and are screwed into the object 11 . The insulated wires 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 rather 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 foil, 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 surrounding the sensor housing.

[0024] Fig. 2 (b) illustriert ein zweites Beispiel einer Baugruppe / eines Systems mit einem Ultraschallsensor 9 und einer Montagevorrichtung, wobei die Baugruppe aus 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 isolierten Leitungen 4a und 5b werden in der zentralen Bohrung durch den Trägerblock 18 hindurchgeführt. 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) in continuous operation for slightly higher temperatures (e.g. 80° - 150° Celsius ) is more suitable than the previous example. Instead of the plate 12, according to FIG. 2(b), a support block 18 is provided, the outer shape of which can be approximately rotationally symmetrical (but this does not necessarily have to be the case). The support block 18 has a central bore, in which the ultrasonic sensor 9 is inserted up to a stop (which is formed due to a diameter reduction of the central bore). The support block 18 can be made of aluminum, copper or another material with good thermal conductivity. In order to ensure good heat transport between the ultrasonic sensor 9 and the carrier block 18, a thermally conductive paste can be arranged between them. The insulated lines 4a and 5b are passed through the support block 18 in the central bore.

[0025] 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 So that the support block 18 can fulfill the function of a heat sink, direct contact between the support 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 prevents direct heat transfer from the hot surface to the support block by means of heat radiation and indirect heat transfer

Wärmeübertragung durch Konvektion 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 behindern, können die Schrauben 16 aus einem hitzebeständigen, jedoch schlecht wärmeleitfähigen Kunststoff gefertigt sein, beispielsweise aus PEEK (PoIyetheretherketon). 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 Koppelmittel 14 (in diesem Beispiel eine Polyvinylfolie) ausreichend kühlen kann. to significantly reduce heat transfer by convection. In order to prevent indirect heat transfer due to heat conduction via the screws 16 with which the support block 18 is attached to the hot surface, the screws 16 can be made of a heat-resistant but poorly thermally conductive plastic, for example PEEK (polyetheretherketone). These measures ensure that the hot surface heats up the carrier block 18 as little as possible and consequently the carrier block 18 can cool the ultrasonic sensor 9 and the coupling means 14 (in this example a polyvinyl film) sufficiently.

[0026] Die als Koppelmittel 14 verwendete Polyvinylfolie kann eine Dicke im Bereich von z.B. 20100um 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 Isolierschicht 17 hindurchgeführt und in das Objekt 11 eingeschraubt. The polyvinyl film used as the coupling agent 14 can have a thickness in the range of, for example, 20100 µm. This foil thermally and electrically insulates the sensor arrangement 9 from the hot surface of the object 11 to be examined and is able to compensate for unevenness between the front side of the ultrasonic sensor and the hot surface in order to achieve good acoustic coupling. Spring elements 17 (e.g. spiral or plate springs) can be arranged between the heads of the mentioned plastic screws 16 and the support block 18 in order to compensate for different thermal expansions of the support block 18 and the plastic (e.g. PEEK) by deformation of the spring elements 17. In the present example, the screws 16 are passed through holes in the support block 18 and the underlying insulating layer 17 and are screwed into the object 11 .

[0027] 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 Wärmeabtransport zu ermöglichen. The support block 18 may include structures that improve heat dissipation (through thermal radiation and convection) to the cooler environment. For example, one or more bores 18a can be provided in the support block 18, and (cooling) ribs 18b can also be arranged on the outside of the support block, which can also be formed, for example, by winding a thread. The bores 18a and the ribs 18b increase the total surface area of the support block 18 and thus improve heat dissipation towards the cooler surroundings. The bores 18a run within the carrier block 18 at least partially next to the ultrasonic sensor 9 in the immediate vicinity of this, in order to enable good heat dissipation.

[0028] 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 Bohrungen 18a gut wärmeleitfähige Stäbe 19 angeordnet. Die wärmeleitfähigen Stäbe 19 können z.B. aus Kupfer bestehen und insbesondere als Wärmeleitrohre (sogenannte Heat Pipes) ausgestaltet sein. Um eine gute Wärmeübergang vom Trägerblock 18 auf die Stäbe 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 Kühlkörper 20 schwarz eingefärbt, insbesondere eloxiert sein. Figure 2(c) illustrates a third example of an assembly/system suitable for continuous operation at even higher temperatures (e.g. 150° - 350° Celsius) than the previous example. The example of Figure 2(c) includes all of the components of the example of Figure 2(b) plus additional components. For example, rods 19 with good thermal conductivity are arranged in the bores 18a. The thermally conductive rods 19 can be made of copper, for example, and can be designed in particular as heat pipes. In order to achieve good heat transfer from the carrier block 18 to the rods 19, heat-conducting paste can be arranged between the inner surface of the bores 18a and the rods 19. According to the example shown, a further thermally insulating layer 22 can be arranged on the support block 18, which layer has openings through which the rods 19 run. 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 carrier block 18 so that the rods 19 are arranged partially in the bores 18a in the carrier block 18 and partially 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 into the heat sink 20 . The thermal insulation 22 mentioned 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/(m-K) is suitable 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 heat sink 20 can be colored black, in particular anodized.

[0029] 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 Schraubverbindungen können auch an-In addition, a thermally insulating sleeve 21 which surrounds the heat sink 20 can be placed on the carrier block 18 . The thermally insulating sleeve 21 can be made of high-temperature plastic or ceramic, for example, and can be attached to the support block 18, for example by means of a screw connection (see external thread 18b in FIG. 2(b), the sleeve 21 can have a corresponding internal thread). The shell can help to mechanically stabilize the overall system. Instead of the screw connections,

dere Verbindungstechniken verwendet werden. whose connection techniques are used.

[0030] 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 Funktion und/oder sicherheitsrelevante Funktionen. In the area of the heat sink, the shell 21 can have a multiplicity of bores 21a. These should be large enough that the natural convection and heat radiation allow sufficient heat to be dissipated to the environment, but the cover 21 offers protection against accidentally touching 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 function and/or safety-related functions.

[0031] Sofern die heiße Oberfläche des Objekts 11 Temperaturen über 350 °C aufweist kann anstatt der Hülle 21 eine andere Hülle 23 verwendet werden. Ein Beispiel dazu ist 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 Kühlkörper 20 mittels erzwungener Konvektion zu kühlen. If the hot surface of the object 11 has temperatures above 350° C., instead of the cover 21, a different cover 23 can be used. An example of this is shown in 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 cool the heat sink 20 located within the shell 23 by means of forced convection.

[0032] 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 Vorlaufstrecke sind in Fig. 3 (a) bis (d) dargestellt. 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 interference in the near field can make measurements difficult or impossible . In order to establish a delay line between the ultrasonic sensor 9 and the surface of the object 11, the ultrasonic sensor 9 is not arranged in the support block at the bottom so that it protrudes from the support block (as in Fig. 2 (b) to (d)), but the ultrasonic sensor 9 is located inside the support block. Examples of systems with ultrasonic sensors with delay line are shown in Fig. 3 (a) to (d).

[0033] 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 PoIyvinylfolie 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 Bereichen von der heißen Oberfläche thermisch isoliert. 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 support block 28 can pass through the metal of the support block 28 (e.g. copper or aluminum) before it is coupled into the object 11. The acoustic path through the metal of the support block 28 from the underside of the ultrasonic sensor to the underside (contact surface) of the support block 28 is referred to as the delay line 28a. A coupling layer 27 can be located between the ultrasonic sensor 9 and the carrier block 28, which is formed by a ceramic paste, for example. As in the previous examples, the coupling layer 14 between the contact surface on the underside of the support block 28 and the hot surface can be a polyvinyl foil or a ceramic paste (application-specific, depending on the temperature). In the central 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, between the hot surface and the support block 14 the thermally insulating layer 15 is arranged (similar to the layer 15 in Fig. 2 (b)). The insulation 15 has only one central opening through which the projection with the contact surface of the carrier block 28 extends. The carrier block 28 is therefore thermally coupled to the hot surface only via the comparatively small contact area and is thermally insulated from the hot surface in the remaining areas.

[0034] 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 damit verbundenen Anderungen beim Trägerblock 28 im Vergleich zum Trägerblock 18). Apart from what has been described above, all other components shown in figure 3 (a) (screws 16, spring elements 17, holes 18a, ribs/threads 18b) are the same as in figure 2 (b) and es reference is made to the description above. The example of FIG. 3(b) includes, in addition to the components shown in FIG. 3(a), the copper rods 19, the heat sink 20 (with the holes 20a) and the shell 21 (with the openings 21a), which are of the same design are as in the example of Fig. 2(c). The example of Fig. 3(c) is essentially the same as the example of 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 delay line and the associated changes in the carrier block 28 compared to the carrier block 18).

[0035] 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 Schallenergie wird direkt über die verlängerte Vorlaufstrecke direkt in das Fluid eingekoppelt. In applications in which ultrasound examinations are to be carried out in a fluid inside/or behind a metal structure 29 (e.g. container wall/housing wall), it may 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 Figure 3(d). Extension 32a is part of the delay line discussed above with respect to Figures 3(a)-(c). With the aid of a suitable mechanical structure (e.g. a hexagon 32b), which is mechanically connected to the extension 32a, the delay line 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 between the carrier block 32 and the hot surface of the metal structure 29 are avoided and the acoustic energy is coupled directly into the fluid via the extended delay line.

Claims

patent claims

1. Sensor assembly comprising:

an ultrasonic sensor (9),

a support block (18, 28) into which the ultrasonic sensor (9) is inserted, so that the ultrasonic sensor (9) is thermally coupled to the support block (18, 28),

Fastening means (16) designed to fix the support block (18, 28) to a hot surface of an object to be examined (11) characterized by thermal insulation (15) between the support block (18, 28) and the hot surface is arranged, wherein the thermal insulation (15) has a central opening through which either the ultrasonic sensor (9) or a part of a through the support block (28) formed flow path (28a) runs therethrough.

2. Sensor assembly according to claim 1, wherein the fastening means (16) are screws made of plastic, for example PEEK, and which are screwed into the object (11) to be examined.

3. Sensor assembly according to claim 2, wherein the screws (16) have screw heads and wherein spring elements (17) are arranged between the screw heads and the carrier block (18, 28).

4. Sensor assembly according to one of claims 1 to 3, wherein a polyvinyl film (14) is arranged as a coupling medium between the ultrasonic sensor (9) and the hot surface or between the delay line and the hot surface.

5. Sensor assembly according to one of claims 1 to 4, wherein the support block (18, 28) has empty bores (18a) and/or wherein the support block (18, 28) has ribs (18b) on its outside, for example in the form of thread turns , having.

6. Sensor assembly according to one of claims 1 to 5, wherein the support block (18, 28) has bores (18a) in which thermally conductive rods (19), for example made of copper, are arranged, which are made of the support block (18, 28) stick out.

7. The sensor assembly of claim 6, further comprising: a thermal insulator (22) disposed on the support block (18, 28) and having openings through which the rods (19) extend; and a sleeve (21) integral with the support block (18, 28) is connected in such a way that the parts of the rods (19) protruding from the support block (18, 28) lie within the sleeve (21).

8. Sensor assembly according to claim 7, wherein the shell (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 cooling medium within the shell (21 ).

3 sheets of drawings