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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallprüfkopf, insbesondere einen Ultraschallprüfkopf für Messungen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten.
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Ultraschallprüfungen können Materialveränderungen von Bauteilen durch Ultraschall berührungsfrei messen. Sie können beispielsweise in Flüssigkeiten und insbesondere auch in heißen Flüssigkeiten durchgeführt werden.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Ultraschallprüfkopfe beruhend auf der Abgabe eines akustischen Impulses durch den piezoelektrischen Effekt bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau von Ultraschallprüfköpfen zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch einen Ultraschallprüfkopf nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche stellen Modifikationen und/oder typische Ausführungsformen des Ultraschallprüfkopfes dar.
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Es wird ein Ultraschallprüfkopf vorgeschlagen aufweisend: einen piezoelektrischen Dickenschwinger mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, eine erste Elektrode in ohmschen Kontakt mit der ersten Seite, und eine zweite Elektrode, die derart an der zweiten Seite angeordnet ist, dass sie mit ihr über eine elektrisch leitende Flüssigkeit in ohmschen Kontakt tritt, wenn der Ultraschallprüfkopf mindestens teilweise in die elektrisch leitende Flüssigkeit eingetaucht wird.
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Der Ultraschallprüfkopf ist insbesondere für Messungen in elektrisch leitenden Flüssigkeiten geeignet.
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Der Ultraschallprüfkopf weist einen piezoelektrischen Dickenschwinger auf. Ein piezoelektrischer Dickenschwinger variiert seine Dicke durch den piezoelektrischen Effekt bei Anlegen einer Spannung zwischen seiner ersten und seiner zweiten Seite. Dadurch können Ultraschallsignale abgegeben und detektiert werden. Typischerweise wird dieser piezoelektrische Dickenschwinger sowohl zum Erzeugen als auch zum Empfangen von Ultraschall genutzt.
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Das Prinzip der Ultraschallmessung ist hinreichend bekannt und beruht auf den akustischen Materialeigenschaften des Bauteils. Der Ultraschallprüfkopf sendet Ultraschallimpulse aus und detektiert das reflektierte Signal vom Bauteil. Dabei können insbesondere Eigenschaften, wie Materialdicke, Risse, Einschlüsse, Schweißnähte oder andere Materialverbindungen geprüft werden.
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Messungen mit dem vorgeschlagenen Ultraschallprüfkopf sind insbesondere zerstörungsfreie Messungen.
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Bei Anlegen einer elektrischen Spannung zieht sich der piezoelektrische Dickenschwinger in Abhängigkeit der Polarität der Spannung zusammen oder dehnt sich aus. Zum Anlegen der Spannung steht die erste Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers mit einer ersten Elektrode in ohmschen Kontakt. Die zweite Seite wird über die elektrisch leitende Flüssigkeit kontaktiert.
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Die zweite Elektrode ist derart angeordnet, dass sie durch die elektrisch leitende Flüssigkeit die zweite Elektrode kontaktiert und sich auf demselben Potential befindet. Beispielsweise ist die zweite Elektrode beabstandet von der zweiten Seite angeordnet, insbesondere an einem Gehäuse.
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Aus dem Stand der Technik sind Kontaktierungen des Piezoschwingers auf der Außenseite durch eine leidende Membran bekannt. Die Membran bedeckt die Außenseite des Piezoschwingers komplett, sodass dieser zusammen mit einem Gehäuse abgeschlossen ist. Vorteilhaft weist der erfindungsgemäße Ultraschallprüfkopf keine solche Membran auf und die zweite Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers kann mindestens teilweise freiliegen. Insbesondere ist der Ultraschallprüfkopf ein Membran-freier Ultraschallprüfkopf.
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Der Ultraschallprüfkopf weist weiterhin eine zweite Elektrode auf. Die zweite Elektrode steht gemäß einem Aspekt nicht im direkten ohmschen Kontakt mit der zweiten Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers. Die zweite Elektrode kommt mit der zweiten Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers erst über die elektrisch leitende Flüssigkeit in ohmschen Kontakt. Die zweite Seite liegt insbesondere frei und ist damit durch eine Flüssigkeit von außerhalb des Ultraschallprüfkopfes kontaktierbar. Durch die Kontaktierung direkt über die umgebende Flüssigkeit ist eine Membran nicht nötig. Dadurch wird das akustische Signal ungedämpft durch die Flüssigkeit in ein Bauteil geleitet. Die Empfindlichkeit des piezoelektrischen Dickenschwingers und damit des Ultraschallprüfkopfs wird erhöht.
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Die Kontaktierung der zweiten Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers erfolgt vorteilhaft im Wesentlichen homogen auf der gesamten freiliegenden Fläche der zweiten Seite durch die elektrisch leitende Flüssigkeit. Dadurch wird ein gleichmäßiges und präzises Schwingen des gesamten Dickenschwingers gewährleistet.
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Die elektrisch leitende Flüssigkeit kontaktiert einerseits die zweite Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers elektrisch und anderseits koppelt sie die akustischen Signale zwischen piezoelektrischen Dickenschwinger und Bauteil. Elektrisch leitende Flüssigkeiten sind dabei beispielsweise Salzschmelzen oder Metallschmelzen. Die Temperaturen der Flüssigkeiten können variieren, wie weiter unten erläutert.
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Der piezoelektrische Dickenschwinger kann mindestens teilweise an einem Ende eines Gehäuses angeordnet sein und das Gehäuse kann eine Öffnung aufweisen, wobei der piezoelektrische Dickenschwinger derart an der Öffnung angeordnet ist, dass die zweite Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers mindestens teilweise freiliegt. Freiliegen bedeutet mit anderen Worten, dass die zweite Seite in Kontakt mit einer Flüssigkeit kommt, die den Ultraschallprüfkopf umgibt.
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Es wird gemäß einem Aspekt ein Ultraschallprüfkopf vorgeschlagen, der ein Gehäuse, einen piezoelektrischen Dickenschwinger mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite aufweist, wobei die erste Seite im Gehäuse und die zweite Seite außerhalb des Gehäuses oder an einer Öffnung des Gehäuses angeordnet ist. Der Ultraschallprüfkopf weist weiterhin eine erste Elektrode im Gehäuse, die in ohmschen Kontakt mit der ersten Seite ist, und eine zweite Elektrode auf, die derart an der zweiten Seite angeordnet ist, dass sie mit ihr über eine elektrisch leitende Flüssigkeit in ohmschen Kontakt tritt, wenn der Ultraschallprüfkopf mindestens teilweise in die elektrisch leitende Flüssigkeit eingetaucht wird. Die zweite Elektrode kann an der Gehäuseaußenseite angeordnet sein oder einen Teil der Gehäuseaußenseite bilden.
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Wird eine elektrische Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt und ist die zweite Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers durch eine elektrisch leitende Flüssigkeit kontaktiert, variiert die Dicke des piezoelektrischen Dickenschwingers. Insbesondere wird ein Spannungsimpuls erzeugt und der piezoelektrischen Dickenschwinger schwingt nach dem Spannungsimpuls aus. Dadurch können Ultraschallsignale erzeugt werden. Durch Messen der Spannung über den Elektroden können Ultraschallimpulse außerdem detektiert werden.
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Gemäß einem Aspekt weist der Ultraschallprüfkopf ein elektrisch leitendes, insbesondere metallisches, Gehäuse auf, wobei die zweite Elektrode einen Teil des Gehäuses bildet oder das Gehäuse als zweite Elektrode wirkt. Die Spannung zwischen dem Gehäuse oder einem Teil des Gehäuses wird durch die Flüssigkeit auf die freiliegende, zweite Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers übertragen. Für die elektrische Leitung des Stromes beziehungsweise Übertragung des Potentials über die Flüssigkeit zur zweiten Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers kann das Gehäuse ein Metall aufweisen.
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Bei typischen Ausführungsformen der Erfindung weist der Ultraschallprüfkopf weiterhin einen Dämpfungskörper auf, wobei die erste Elektrode einen Teil des Dämpfungskörpers bildet und/oder zwischen Dämpfungskörper und piezoelektrischen Dickenschwinger angeordnet ist. Der Dämpfungskörper beeinflusst die Schwingungsform und den Ultraschallimpuls des piezoelektrischen Dickenschwingers. Der Dämpfungskörper ist vorteilhaft zur Abgabe eines definierten Ultraschallimpulses.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Dämpfungskörper ein Metall auf. Beispielsweise weist die Dämpfungsvorrichtung einen Edelstahl oder eine Metallpulver - Kunststoff - Mischung auf. Der Dämpfungskörper kann elektrisch leitend sein und die erste Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers kontaktieren. Alternativ kann die erste Elektrode zwischen piezoelektrischen Dickenschwinger und Dämpfungskörper angeordnet sein.
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Gemäß einem Aspekt kann die Temperatur der Flüssigkeit, in der das Bauteil durch den Ultraschallprüfkopf geprüft wird, sehr hoch werden. Beispielsweise kann die Temperatur über 300°C betragen. Entsprechend ist der Ultraschallprüfkopf ausgestaltet. Insbesondere ist das Material des piezoelektrischen Dickenschwingers entweder ein keramisches Piezo-Material, wie Bleizirkonattitanat (PZT), Bleititanat (PT) und Bleimetaniobat (PbNb2O6), oder ein Einkristall, wie z. B. Lithiumniobat (LiNbOS) Dadurch sind Messtemperaturen über 300°C möglich. Bei Bleimetaniobat sogar über 400°C oder über 500°C.
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Gemäß einem Aspekt ist der Ultraschallprüfkopf für Messungen an Bauteilen befindlich in Salzschmelzen und Metallschmelzen geeignet.
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Der Ultraschallprüfkopf ist insbesondere geeignet für die Tauchtechnik-Prüfung, bei der Bauteil und Ultraschallprüfkopf vollständig in einer Flüssigkeit eingetaucht sind, und die Pfützentechnik-Prüfung, bei der nur ein Teil des Ultraschallprüfkopfs und der Bereich des Bauteils, in den der Schall eingeleitet wird in die Flüssigkeit eingetaucht sind. Ebenso kann der Ultraschallprüfkopf für Messungen mit einer fließenden Flüssigkeit zwischen Ultraschallprüfkopf und Bauteil geeignet sein. Das Vorhandensein einer fließenden Flüssigkeit soll insbesondere ebenso unter einem teilweisen Eintauchen verstanden werden.
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In der Flüssigkeit wirkt ein hydrostatischer Druck auf die zweite Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers. Der Ultraschallprüfkopf kann gemäß einem Aspekt weiterhin eine Andruckfeder zum Wirken einer Druckkraft auf den piezoelektrischen Dickenschwinger aufweisen. Die Druckkraft der Andruckfeder kompensiert den hydrostatischen Druck der Flüssigkeit. Die Andruckfeder kann beispielsweise hinter dem Dämpfungskörper angeordnet sein, sodass Dämpfungskörper und piezoelektrischen Dickenschwingers von der Andruckfeder an die Öffnung gepresst werden. Je nach Flüssigkeit und Tiefe kann der Tiefendruck variieren.
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Gemäß einer Weiterentwicklung kann die Andruckfeder auf den hydrostatischen Druck der elektrisch leitenden Flüssigkeit anpassbar sein. Beispielsweise kann sie eine Stellschraube zum Anpassen der Federkonstante aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei die Figuren zeigen in:
- 1 Stand der Technik;
- 2 eine schematische Ansicht einer typischen Ausführungsform eines Ultraschallprüfkopf in einer Flüssigkeit;
- 3 eine Detailansicht eines Gehäuseendes eines Ultraschallprüfkopfs; und
- 4 eine perspektivische Detailansicht eines Gehäuseendes eines Ultraschallprüfkopfs.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend werden typische Ausführungsformen anhand der Figuren beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche bestimmt. Die Figuren sind nicht notwendigerweise Maßstabsgetreu.
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In der 1 ist der Stand der Technik eines Piezoschwingers dargestellt. Die Oberseite ist metallisch kontaktiert und die Unterseite ist durch eine Membran kontaktiert. Für die Bildung eines gleichmäßigen Signales muss dabei die elektrische Spannung gleichmäßig auf den Kristall verteilt werden. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes ändern sich die Kristalleigenschaften und damit die Dicke des Piezoschwingers. Die Membran ist typischerweise mit Leitkleber oder einem Lot an dem Piezoschwinger befestigt. Membran und Kleber erzeugen eine Dämpfung des Schalls und reduzieren die Messempfindlichkeit.
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2 zeigt eine typische Ausführungsform eines Ultraschallprüfkopfes in einer elektrisch leitenden Flüssigkeit 10. Der Ultraschallprüfkopf weist einen piezoelektrischen Dickenschwinger 1 mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, eine erste Elektrode 2 in ohmschen Kontakt mit der ersten Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers 1, und eine zweite Elektrode 3 auf. Die zweite Elektrode 3 ist derart an der zweiten Seite angeordnet, dass sie mit ihr über die elektrisch leitende Flüssigkeit 10 in ohmschen Kontakt tritt, wenn der Ultraschallprüfkopf mindestens teilweise in die elektrisch leitende Flüssigkeit 10 eingetaucht wird.
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Der piezoelektrische Dickenschwinger 1 ist auf der Innenseite mit der ersten Elektrode 2 kontaktiert. Die erste Elektrode 2 wird in dieser Ausführungsform durch einen metallischen Dämpfungskörper 4 gebildet, der unmittelbar an der ersten Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers 1 angeordnet ist.
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Der Ultraschallprüfkopf weist ein Gehäuse 5 auf. In dieser Ausführungsform hat das Gehäuse 5 ein lösbar befestigtes Gehäuseende 5a. Dieses ist in den 3 und 4 detailliert gezeigt. Beispielsweise ist das Gehäuseende 5a durch ein Schraubgewinde oder durch eine Nut mit dazugehörigem Gegenstück am restlichen Gehäuse befestigt.
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Das Gehäuse 5 bildet die zweite Elektrode 3. Der Kontakt zwischen der zweiten Elektrode 3 und der zweiten Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers 1 wird über die Flüssigkeit 10 hergestellt. Bei einem metallischen Gehäuse 5, wie in 2 gezeigt, liegt überall auf dem Gehäuse 5 dasselbe Potential an, in der Regel die Masse. Die zweite Elektrode 3 ist dadurch nicht an einem Punkt des Gehäuses 5 lokalisiert, sondern das gesamte Gehäuse 5 bildet die zweite Elektrode 3.
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Die zweite Elektrode 3 ist gemäß einem Aspekt derart ausgebildet, dass der Dickenschwinger 1 an der zweiten Seite durch die elektrisch leitende Flüssigkeit 10 im Wesentlichen gleichmäßig und homogen verteilt kontaktiert wird. Beispielsweise ist die zweite Elektrode 3 im Wesentlichen elektrisch rotationssymmetrisch zum Mittelpunkt des Dickenschwingers 1 ausgebildet. Das Gehäuse 5 beziehungsweise das Gehäuseende 5a kann eine umlaufende Kontaktierung um die zweite Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers 1 aufweisen, die als zweite Elektrode 3 ausgebildet ist.
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Vorteilhaft ist die Kontaktierung des Dickenschwingers 1 an der zweiten Seite durch die elektrisch leitende Flüssigkeit 10 im Wesentlichen gleichmäßig und homogen verteilt, was ein synchrones Schwingen über die gesamte Fläche des Dickenschwingers und damit ein geringes Signalrauschen zur Folge hat. In der 2 ist der Stromfluss schematisch mit gestrichenen Linien dargestellt. Der Kontakt besteht jedoch zwischen dem gesamten Teil des Gehäuses 5, das in die Flüssigkeit 10 eingetaucht ist, und der zweiten Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers 1. Typischerweise führt die erste Elektrode 2 die Phase und die zweite Elektrode 3 dient als Masseanschluss.
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Die Elektroden 2, 3 werden jeweils über ein Kabel 7a, 7b kontaktiert. Über die Kabel 7a, 7b kann ein elektrischer Impuls eingespeist und der resultierende elektrische Impuls detektiert und vermessen werden. Das erste Kabel 7a führt an der Andruckfeder 6 vorbei und kontaktiert den Dämpfungskörper 4 und damit auch die erste Elektrode 2. Das zweite Kabel 7b kontaktiert einen metallischen Bereich des Gehäuses 5, wodurch das Gehäuse zur zweiten Elektrode 3 wird.
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Eine Andruckfeder 6 ist im Gehäuse 5 angeordnet und übt einen Anpressdruck auf über den Dämpfungskörper 4 und damit auf den piezoelektrische Dickenschwinger 1 aus. Dadurch wird der piezoelektrische Dickenschwinger 1 nach außen fest gegen eine Öffnung 8 im Gehäuse 5 gepresst. Die Andruckfeder 6 kann insbesondere durch den Anpressdruck die Dichtheit zwischen piezoelektrischen Dickenschwinger 1 und eine Öffnung 8 im Gehäuse 5 gewährleisten. Die Andruckfeder 6 kann gemäß einer Ausführungsform an die Druckverhältnisse in der Flüssigkeit 10 anpassbar sein. Beispielsweise kann sie eine Stellschraube zum Anpassen der Federkraft aufweisen.
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Vorteilhaft liegt die zweite Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers 1 frei und kommt in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit 10. Dies kann insbesondere über eine Öffnung 8 im Gehäuseende 5a sein. Dadurch werden bei einer Messung die Schwingungen des Dickenschwingers 1 unmittelbar an die Flüssigkeit 10 abgegeben und an das Bauteil 20 weiter gegeben. Durch die direkte akustische Kopplung des piezoelektrischen Dickenschwinger 1 mit dem Bauteil 20 über die Flüssigkeit 10 wird die Empfindlichkeit erhöht und das Amplituden-Impulsverhalten verbessert. Die Schwingung wird nicht durch eine Membran gedämpft. Dabei wird sowohl das Senden als auch Empfangen der akustischen Signale verbessert. Abhängig von dem Bauteil, Abstand und Flüssigkeit kann die Empfindlichkeit im Vergleich zu einem Gerät aus dem Stand der Technik, bei dem das Signal eine Membran passieren muss, beispielsweise um etwa 6 dB zunehmen.
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Ein Bauteil 20 in der Nähe des Ultraschallprüfkopfes unter dem piezoelektrischen Dickenschwinger 1 kann mit dem Ultraschallprüfverfahren geprüft werden. Die 2 zeigt eine Tauchtechnik-Prüfung. Das Bauteil 20 ist von einer Flüssigkeit 10 bedeckt, in den der Ultraschallprüfkopf eingetaucht wird. Alternativ kann die Flüssigkeit auch nur den gerade geprüften Bereich des Bauteils 20 bedecken. Der Doppelpfeil in 2 stellt die schematische Abgabe eines Ultraschallimpulses sowie die Detektion des vom Bauteil 20 reflektierten akustischen Signals dar. Der Messabstand kann dabei auch so gering sein, dass der Ultraschallprüfkopf teilweise auf dem Bauteil 20 aufliegt.
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Die 3 und 4 zeigen eine Detailansicht eines Gehäuseendes 5a eines Ultraschallprüfkopfs. Das Gehäuseende 5a kann beispielsweise mit dem restlichen Ultraschallprüfkopf lösbar verbunden sein. Der piezoelektrische Dickenschwinger 1 ist am Ende des Gehäuses 5 angeordnet. Das Gehäuse 5 beziehungsweise das Gehäuseende 5a weist eine Öffnung 8 auf. Der piezoelektrische Dickenschwinger 1 ist an dieser Öffnung 8 angeordnet, sodass die zweite Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers 1 mindestens teilweise freiliegt.
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An der Öffnung 8 im Gehäuseende 5a ist eine Stufe 9 ausgebildet, in die der piezoelektrische Dickenschwinger 1 von innen eingelegt wird. Die Öffnung 8 ist in dieser Ausführungsform rund. In anderen Ausführungsformen kann die Öffnung 8 auch anders geformt sein. Der Vergrößerungsausschnitt in 4 zeigt die Stufe 9, in die der piezoelektrische Dickenschwinger 1 eingelegt wird. Die Andruckfeder 6 übt einen Anpressdruck beziehungsweise eine Anpresskraft über den Dämpfungskörper 4 auf den piezoelektrischen Dickenschwinger 1 aus. Dadurch wird der piezoelektrische Dickenschwinger 1 an der Öffnung 8 gehalten, ist aber nicht fest mit dem Gehäuseende 5a verbunden, wodurch Variationen der Dicke des piezoelektrischen Dickenschwingers 1 möglich sind. Durch den Anpressdruck beziehungsweise die Druckkraft ist das Gehäuse 5 zwischen der Öffnung 8 und dem piezoelektrischen Dickenschwinger 1 abgedichtet. Das Gehäuseinnere 5 kommt nicht in Kontakt mit der elektrisch leitenden Flüssigkeit 10. In manchen Ausführungsformen kann der Anpressdruck durch die Andruckfeder 6 verstellbar sein. Dies kann nötig sein, da der Höhendruck in der elektrisch leitenden Flüssigkeit 10 abhängig von der Einsatztiefe und der Dichte der Flüssigkeit 10 ist.
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Das Gehäuseende 5a weist einen umlaufenden metallischen Bereich um die Öffnung 8 auf, der ein Teil der zweiten Elektrode 3 bildet. Dadurch wird die zweite Seite des piezoelektrischen Dickenschwingers 1 gleichmäßig von der umgebenden elektrisch leitenden Flüssigkeit 10 kontaktiert.
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Der piezoelektrische Dickenschwinger 1 ist beispielsweise wenige Millimeter, weniger als 5 oder weniger als 2, hinter dem Ende des Gehäuseendes 5a angeordnet. Dadurch kann der piezoelektrische Dickenschwinger 1 sehr nah an dem Bauteil 20 platziert werden.
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Der piezoelektrische Dickenschwinger 1 ist physikochemisch stabil gegenüber der Flüssigkeit 10, da er mit dieser in direkten Kontakt kommt. Der Ultraschallprüfkopf ist beispielsweise ausgebildet zum Prüfen von Bauteilen 20 in Salzschmelzen oder Metallschmelzen. Je nach Anwendungsbestimmung kann der Ultraschallprüfkopf ein Ultraschall-Heißprüfkopf sein und beispielsweise für Temperaturen von mehr als 300°C geeignet sein.
