DE2053772A1 - Piezoelektrischer Wandler, msbe sondere fur Ultra Schallreinigungstanks - Google Patents
Piezoelektrischer Wandler, msbe sondere fur Ultra SchallreinigungstanksInfo
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Description
21 835
Patentanwalt· O O E *3 "7 *7
Or. Ing. H. r O—ndonfc; IUOO I I Δ
Dip!. In.;. Η.Ί Icuck
Oipl. r:.ys. V/. Ed.mite
2 Hamburg 3Ö Neuer Wall M-1
Scot oh Road, Mercer County Airport
Trentonf Wir JtrnT 08628/USA
don 30» Oktober 1970
Piesoelektrlacher Wandler, lnsbeeondere
für UltraechalIrelniyumcBtanks
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler,
inebeeondere für Ultraeohallreinlgungatanke, durch den
eine Bu^eftihrte elektrische Leletune in Ultraeohallechwin-SUn9On uaeevandelt wird und diese durch eine Flüssigkeit
•a den au reinigenden Gegenstand übertragen werden.
ihnen xugefuhrte elektrische Energie Btfglichst verlustlos in Ultraschallenergie umwandeln und diese wiederum
■ttgliohst verlustlos an den angeschlossenen Verbraucher,
in dieses) Fall den Reinigungstank ait den su reinigenden Oegenatandea, abgeben· Weitere Erfordernisse sind robuster
Aufbau, leichte Auswechselbarkeit der Einzelteile und Betriebssicherheit unabhängig von Uuvelsbedlngungen.
1Q9820/U68
Es lat bekannt» zur Erfüllung dieser Erfordernisse Wandler
aus Stapeln von piezoelektrischen Keramikschelben zwischen
Metallsohelben aufzubauen« die meist zylindrisch oder
seehseckig in der Außenkontur sind und dine Innenbohrung
besitzen, mit deren Hilfe sie auf einem durchgehenden Bolzen montiert werden können« Normalerweise haben diese
piezoelektrischen Vandlerelemente gleiche Abmessungen und schließen am Umfang bündig miteinander ab. Sie werden nach
der Montage untereinander mit Klebern, beispielsweise Epoxydharzklebern, miteinander verbunden· Diese bekannten
Wandler werden sodann normalerweise mit einem Epoxydharzkleber auf die abstrahlende Oberfläche des Reinigungstanks
aufgeklebt« Die Epoxydharzschicht muß also zusatzlich zu
der akustischen Kupplung hohe mechanische Kräfte aufnehmen«
Die USA-Patentschriften 3 371 233 und 3 *»33 k6z beschreiben
Verfahren und Vorrichtungen, piezoelektrische Kristalle und in der geschilderten Weise daraus' aufgebaute Wandler in
einer Vielzahl von Prequenzmode-n und deren Harmonischen
zu erregen« Anwendungen beschreiben die USA-Patentschriften 3 180 626, 2 891 176, 3 113 76i und 3 lit 768. Allgemein
ist zu allen diesen bekannten Einrichtungen aber festzustellen, daß sie nloht vielseitig genug sind, wenn es
darum geht, die elektrischen Eingangs impedanz en an die
Gegebenheiten des Generators, die mechanischen Auegangsimpedanzen an die Gegebenheiten des mechanischen Verbrauchers
anzupassen. Bei fehlen dieser Anpassung aber treten in der
■■■■.... , ■ ■■ !|Ι|!Ι!'ΐ| i'!«
Übertragung der Leistung yoh Generators über den Wandler
zu dem akustisch-mechanischen Verbraucher Verluste auf, die die Wirtschaftlichkeit der Anlage stark beeinträchtigen
oder sogar in Frage stellen· Weiterhin sind diese bekannten Einrichtungen nicht im Stande gewesen« über einen breiten
Temperaturbereich kontinuierlich zu arbeiten. Sie waren auch nicht im Stande, im Dauerbetrieb 2k Stunden am Tag,
7 Tage in der Woche zu arbeiten. Weiterhin waren sie
empfindlich gegen mechanische Stöße, wie sie beispielsweise f
auszuhalten sind, wenn man Gegenstände in den Reinigungstank fallen ließ,und sie waren empfindlich gegen rauhe Transportverhältnisse· Si· konnten auch nicht ohne Schwierigkeiten
an Änderungen, beispielsweise in der Reinigungslösung, angepaßt werden. Ihre Reparatur war schwierig. Weiterhin
konnte man sie nicht in einer genügenden Vielzahl von Frequenzen erregen, wodurch die Wirksamkeit beeinträchtigt
wurde· Sie verursachten wegen ihrer mangelnden Anpaßbarkeit Anf ressungen durch 'Kavitation an Tankwänden aus nicht λ
rostendem Stahl.
betriebssicher ist. Er soll grundsätzlich schon im Aufbau
in seiner Impedanz an den Generator einerseits, an den
akustisch-mechanischen Verbraucher andererseits anzupassen
sein· Seine Elemente sollen dazu leicht austauschbar und
in einer großen Vielzahl von Möglichkeiten koabinierbar sein.
109820/U68 "*"
Er soll in einer möglichst großen Vielzahl von Wellenlängen
anregbar sein· SohlIeOlloh soll er so einzurichten sein, daß
er unabhängig Ton Umweltbedingungen auoh im Dauerbetrieb
funktionssicher ist·
Diese Aufgabe wird erflndungsgemäO dadurch gelöst, daß der
Wandler aus einer Grundplatte und einem Stutzblock besteht, zwischen denen wenigstens ein pfezoelektriaches Element sowie
entsprechende Kontaktelektroden so angeordnet sind, daß sie in federndem, aber festem, einstellbarem Kontakt miteinander
stehen·
In Durchführung dieses Erfindungsgedankens besteht der
piezoelektrische Wandler aus einer Grundplatte und einem Stutzblock, zwischen denen piezoelektrische Elemente mit
Elektroden mittels einer in die Grundplatte eingeschraubten Schraube und auf dem StUtzblook aufliegender Tellerfedern mit
einstellbare« Federdruck gehaltert sind.
Dabei ist erfindungsgemäß die Schraube Justierbar in eine Gewindebohrung der Grundplatte eingeschraubt, wobei die
piezoelektrischen Elemente, die Elektroden und der StUtzblock sie mit 'angemessenem Spiel umgeben.
Zn weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens sohließen
alle Teile des gesamten Vibratipnselementes an ihrer Außenfläche und an der Innenfläche ihrer Bohrungen glatt und
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bündig miteinander ab.
Die Grundplatte ist dabei in ihrer Länge, Breite und Dicke
so geformt, daß sie einen Resonator für eine Vielzahl von Ultraschallschwingungen darstellt.
der Vibrationeeinheit in axialer Richtung und quer zu diesor i
gegeneinander beweglich·
In einer abgewandelten Form des Erfindungsgedankens sind die Teile der Vibrationseinheit zusätzlich durch Epoxydkleberschichten miteinander verbunden·
Auch können nach der Erfindung die Teile der Vibrationseinholt
allein durch Epoxydharzschichten miteinander verbunden sein.
die über an die Tankwand angeschweißte Gewindebolzen greifen.
Der Boden der Grundplatte trägt dabei nach der Erfindung vorzugsweise eine Epoxydharzkleberachlcht·
In einer erfindungsgeraäßen Abwandlung dieser Befestigungsart
sind auf den an der Tankwand angeschweißten Bolzen Klammern so angeordnet, daß sie über die Grundplatte greifen·
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Bai einer Abart des erflndungsgemäßen Wandlers 1st zusätzlich
r:u den piezoelektrischen Elementen eine Keramikplatte mit
negatives Temperaturkoeffizienten der Kapazität angeordnet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestellen insbesondere darin, daß die Grundplatte die Form eines langgestreckten Parallelepipeds hat, dessen Außenmaße über
diejenigen der eigentlichen Vibrationseinheiten hinausragen. Auf diese Weise ist eie einmal gut an dem Tank zu befestigen.
Andererseits hat diese Form der Grundplatte den Vorteil, daß diese als Resonator ftir eine Vielzahl verschiedener
Ultraachallfrequenzen wirkt. Je mehr Frequenzen aber wirksam werden, um so mehr erstreckt sich die Wirkung der
Ultrasohallschvlngungen in alle Winkel des Tanks und der
zu reinigenden Gegenstände.
Weiterhin ist von besonderem Vorteil die Art der der Teile der Vibrationseinheit untereinander. Sie können
sich gegeneinander axial und radial bewegen. Infolgedessen können einmal die verschiedenen Elemente der Einheit,
insbesondere die piezoelektrischen Elemente ,unter Teraperaturvechseln nicht springen, auf der anderen Seite
ist auf diese Weise schnell Ersatz oder Auswechslung unter BetriebsverhUltnissen möglich*
In vorteilhafter Welse kann der Wandler nach der Erfindung
in der Eingangsimpedanz durch entsprechende Auswahl der
piezoelektrischen Elemente nach Zahl und GrSQe an den Generator angepaßt werden, während die Anpassung der Ausgangs impedanz an die Eigenschaften des akustisch-mechanischen
Verbrauchers durch Auetausch und Auewahl entsprechender
anderer Teile ohne Schwierigkeit durchgeführt werden kann. Vor allem ist dies auch der Fall» wenn Betriebsbedingungen
gerindert werden sollen, beispielsweise dadurch, daß die Art der Reinigungslösung geändert wird.
Von besonderem Vorteil ist schließlich, daß der erfindungßgemäße Wandler in einfacher Weise durch Einfügung eines
Kapazitätsteiles Mit negativen Temperaturkoeffislenten
weitgehend teraperaturunabhängig gemacht werden kann.
Alle diese Vorteile aber werden erreicht, ohne daß der für den Aufbau des Wandlers notwendige Aufwand gegenüber
den bisher bekannten Ausführungen erhöht werden müßte. Es ist im Gegenteil zu erwarten, daß der erfindungsgemäße
Aufbau zusätzlich zu den übrigen Vorteilen auch den einer Kostensenkung bringt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
Fig. 1 zeigt die Vorderansicht eines piezoelektrischen Wandlers nach der Erfindung sowie Teile der Wand
eines Ultraschallreinigungstanks·
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Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt gemäß der Linie 2-2 der Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht gemäß der Linie 3-3 der
Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine Teilansicht einer abgeänderten Form
des Wandlers im Teilechnitt, mittels Klammer an der Wand des Reinigungstanks befestigt.
Der piezoelektrische Wandler besteht aus einer Grundplatte 1O(
auf der ein Paar gleicher Vibrationseinheiten angebracht sind, die allgemein mit 11 bezeichnet sind· Statt eine·
Paares Vibratoreinheiten kann auch eine einzige oder können auch mehrere Vibratoreinheiten Je nach den Erfordernissen
auf einer einzigen Grundplatte 10 montiert werden·
Die Grundplatte 10 hat die Form eines verlängerten rechteckigen Parallelepipeds. Sie hat daher eine bestimmte Länge,
Breite, Dicke und hinten, seitlich und vorn drei diagonale Abmessungen. Die Grundplatte IO kann daher in sechs Grundschvingungsmoden gleichzeitig schwingen, zusammen mit
deren Harmonischen.
ist
Die Grundplatte 10/mlt durchgehenden Gevlndebohrungen 12
versehen, die entlang ihrer Längsachse angeordnet sind·
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Mit Hilfe dieser Crewindebohrungen können die entsprechenden Vibrationselemente 11 auf der Grundplatte 10 befestigt
werden·
Die Vibrationseinheiten 11 haben die gleiche Konstruktion
mit gewissen Varianten. Für beide soll die Beschreibung einer einzigen genügen. Jede Einheit 11 treibt an ihrer
Basis eine erste Elektrode tht die aus einem dünnen, flachen,
elektrisch leitenden Stück Metall besteht. Anstelle der Elektrode 1^ kann auch die Grundplatte 10 selbst als erste
Elektrode verwendet werden . Auf der Elektrode I^ liegt
ein piezoelektrisches Element 16 auf. Es besteht aus einer
bekannten keramischen Zusammensetzung, beispielsweise aus
Blei-Zirkon-Titanat. Im gezeigten Beispiel ist das piezoelektrische
Element 1£> kreißffinnig. Ee kann aber auch eine
vieleckige, elliptische oder andere Form haben.
Eine Elektrode 18, ähnlich der Elektrode 1*1, ißt zwischen
dem Element 16 und einem zweiten piezoelektrischen Element
20 angeordnet. Dieses zweite piezoelektrische Element 20 ist in den Abmessungen und der Form dem Element . 16 Hhnlich.
Darüber liegt eine metallische Stützplotte oder ein
metallischer Stützblock 22, Sein Umfang schließt vorzugsweise
mit den Elementen 16 und 20 glatt nb.
Eine Anzahl konischer Tellerfedern Zh 1st vorzugsweise
über dem Block 22 angeordnet. Klne lange Verbindungsschraube
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- io -
26 greift durch die zentrischen Bohrungen 28 der Tellerfedern 2k, 30 des Stutzblockes 22, 32 des piezoelektrischen
Elementes 20 und 33 des piezoelektrischen Elementes 16
hindurch· Elektroden 1^ und 18 haben Bohrungen der gleichen
Größe 32 und 33 und schließen mit ihnen glatt ab. Die
Schraube 26 ist in die Gewindebohrung 12 der Grundplatte 10 eingeschraubt.
^ Die einzelnen Teile der Vibrationseinheit 11 werden in
innigem Kontakt miteinander gehalten durch den federnden, nachgiebigen Druck, de» auf sie durch die konischen Tellerfedern 2h ausgeübt wird, wenn die Schraube 26 in die
Gewindebohrung 12 bis zu- einem bestimmten, eingestellten Wert einschraubt wird. Daher ist zwischen den einzelnen
Schichten der Vibrationseinheit 11 an ihren aufeinanderliegenden Flüchen kein Kleber vorgesehen.
Der Druck, mit dem die Einzelteile der Vlbrationeeinheit ™ in gegenseitigem Oberflächenkontakt gehalten werden, ist,
wie man sieht, einzujustieren durch Drehen der Schraube
2.6 in der Gewindebohrung 12. Dabei ist Jeder Druck einstellbar, der den betreffenden Arbeitsbedingungen entspricht· Unter allen Bedingungen sind die Teile stets
sicher miteinander verbunden, obwohl sie immer noch eine gewisse Bewegungsfreiheit zueinander on ihren Berührungsfllichen haben·
- 11 -
Hon kann in einigen Fällen einen Epoxydharzkleber zwischen
den Teilen benutzen oder die Tellerfedern weglassen, wenn
es die Gegebenheiten zweckmäßig erscheinen lassen.
Der Grundkörper der Elektroden ist kreisförmig, vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, bündig mit den kreisförmigen
Teilen 16, 20, 22. Kit diesem Grundkörper verbunden
sind die Anschlußfahnen "}h dor "lektrodo 1*1 und 36 der
Elektrode 18. Die Anschlußfahnen stehen in radialer Richtung ab und sind eingcsickt zur Aufnahme von nicht gezeichneten
Stromleitern, durch welche die elektrische Spannung an die piezoelektrischen Elemente gelegt wird.
Die Grundplatte 10 steht seitlich über die Vibrationeeinheit
11 hinausο Dadurch sind Teile notwendig, durch die der Wandler
sicher mit der Wand W eines üblichen Ultraschallreinigungetanks
verbunden wird. In den Beispiele* der Fig. 1 bis 3 iet
eine Art der Verbindung der Wandler mit der V and dargestellt, und zwar werden dazu Bolzen 3" verwendet, die an die Wand W
angeschweißt sind. Sie gehen durch eine glattwandige Öffn-ung der Grundplatte 10 und halten diese mit Muttern,
wenn nötig über federnde Gummi-Unterlegscheiben, fest. Gleichzeitig ist ein Epoxydharzkleber zwischen der Grundplatte
und der Tankwand vorgesehen.
In Fig. k ist eine abgewandelte Art der Befestigung des
Wandlers an der Tankwand V gezeichnet. Hier werden Klammern kO benutzt,die den Wandler gegen zufälliges Lösen von der
109820/U68 . 12 -
Wand V halten· Diese Klammern können Jede zweckmäßige
Form haben, beispieleweise die gezeigte C-Form. Muttern
werden auf die Bolzen 38 geschraubt und legen eich gegen
die Klammern 38, wobei die Bolzen mit Spiel durch entsprechende Bohrungen der Klammern gehen.
Fig. k wurde auch benutzt, um eine abgewandelte Anordnung
der Vibrationeeinheit zu zeigen· Die Vibrationseinheit iet
hier mit 11a bezeichnet· Anstelle des Elementes 20 oder,
wenn gewunecht, zusätzlich zu den keramischen Elementen \6 und 20, ist ein flaches, kreisförmiges Isolierten hk
vorgesehen.
weise werden die Wandler in jeder Anzahl am Boden des Tanks
wie auch an dessen Seiten befestigt. Die Grundplatte 10
ist vorzugsweise aus Aluminium, aber auch andere Metalle
können verwendet werden, wenn es zweckmäßig ist·
Nunmehr ist au berechnen, welche Eingangsimpedanz notwendig
ist, um die durch einen nicht gezeichneten Generator an die Vibratoreinheiten gelieferte elektrische Spannung anzupassen. Der Generator vermag einen Wandler in allen
Grundmoden und ihren Harmonischen anzuregen und dadurch
gleichzeitig Wellen in einer Vielzahl von Wellenlängen \
- 13 -
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durch den ganzen Tank und in alle Winkel desselben sowie auch der gereinigten Gegenstände laufen zu lassen» Dazu
können alle bekannten Ultraschallfrequenzgeneratoren benutzt werden«
Nachdem diese Berechnungen durchgeführt sind, kann man den Wandler, um ihn an eine große Vielzahl von verschiedenen
Situationen anzupassen, so zusammensetzen, daß .er aus einer Auswahl von auf Lager gehaltenen verschiedenen
Stützblöcken, Grundplatten und piezoelektrischen Teilen zusammengebaut wird. Dabei ist klar, daß eine Berechnung
aufgestellt werden muß für die Eingangsimpedanz, um den
Generator anzupassen und eine andere für die Ausgangeimpedanz
zur Anpassung an die Last. Die letztgenannte Berechnung wirkt sich in der Auswnhl der Grundplatte 10 und des Stützblockes 22 aus, die erstgenannte dagegen auf die Wahl der
Form, Größe und Anzahl der piezoelektrischen Elemente.
hat
Angenommen, man/es ratsam gefunden, auf die Grundplatte
zwei Vibrationseinheiten aufzubauen, wie gezeichnet, so
ergibt sich als weiteres Merkmal, daß Jede Vibrationseinheit unabhängig erregt werden kann. Dadurch wird der Bereich
der zu erogenden Frequenzen und damit die Vielseitigkeiten
der Anordnung weiter erhöht.
Wie vorher festgestellt, ist es möglich, von den keramischen
Elementen «in·· bis xu beliebig vielen Ubereinanderaupaoken.
Man kann aber auch, wie Fig. h aeigt, ein·· dieser Elemente
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gegen ein Isolierteil kk austauschen. Hierfür wird vorzugsweise
ein Teil aus nicht polarisierter Keramik verwendet, die einen negativen Temperaturkoeffiaienten der Kapazität
besitzt. Während des Betriebes erhöht sich nämlich die Temperatur des Wandlers. Dadurch steigt die Kapazität der
piezoelektrischen Elemente. Dieser Kapazitätsonstieg wird
aber kompensiert durch eine Kapazitütsverralnderung infolge
der negativen Kapazitäte/Temperaturkennlinlo des nicht
polarisierten Elementes hh. Hierdurch erhfilt der Generator,
wie gefunden wurde, eine relativ konstante statische Kapazitätslast trotz des Temperaturanstieges im handler. Ee
wurde gefunden, daß dies wichtig ist, um über einen weiten Temperaturbereich gute Betriebssicherheit zu erhalten.
Obwohl vorzugsweise die Metall-Grundplatten 10 aus Aluminium
und die StUtzblöcke 22 aus Stahl sind, können auch andere
Metalle benutzt werden. Weiterhin kann Jede beliebige Zahl Vibrationselemente 11 angewandt werden und in Jeder
Vibrationseinheit jede Anzahl von piezoelektrischen Elementen
entsprechend den Erfordernissen der Jeweiligen Situation.
Es let ferner erwähnenswert, daß die Spannung zwar in den
gezeichneten Beispiel zwischen der inneren Elektrode 18 und
der Grundplatte 10 zugeführt wird· Sie kann aber auch
ebenso gut zwischen der Elektrode 18 und dein oberen StUtssblocK
22 zugeführt werden.
8AD ORIGINAL - 13 -
109820/1468
Claims (1)
- Patentansprüche1. Piezoelektrischer Wandler, insbesondere für Ultraechallreinigungstanks, durch den eine zugeftihrte elektrische Leistung in Ultraschallschwingungen umgewandelt wird und diese durch eine Flüssigkeit an den zu reinigenden Gegenstand übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus einer Grundplatte und einem Stützblock besteht, zwischen denen wenigstens ein piezoelektrische· Element sowie entsprechende Kontaktelektroden so angeordnet sind, daß sie in federndem, aber festem einstellbarem Kontakt miteinander stehen.2. Piezoelektrischer ¥andler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Grundplatte (1O) und einem Stützblock (22) besteht, zwischen denen piezoelektrische Elemente (i6, 20) mit Elektroden (i4, 18) mittels einer in die Grundplatte (1O) eingeschraubten Schraube (26) und auf dem Stützblock (22) aufliegendermit
Tellerfedern (24)/einstellbarem Pederdruck gehaltert sind«3· Piezoelektrischer Wandler nach JVnepruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (26) Justierbar in eine Gewindebohrung (12) der Grundplatte (1O) eingeschraubt 1st und die piezoelektrischen Elemente (16, 20), die Elektroden (ih, 18) und der StUtzblock (22) sie mit' angemessene» Spiel umgeben.109820/14684·. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle feile des gesamten Vibrationselementes (11) an ihrer Außenfläche und an der Innenfläche ihrer Bohrungen glatt und bündig miteinander abschließen·5t Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (1O) in ihror Länge, Breite und Dicke so geformt ist, daß sie einen Resonator fUr eine Vielzahl von Schallschwingungen darstellt«^'Piezoelektrischer Wandler nach Anspx*uch j>, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Vibrationseinheit (11) in axialer Richtung und quer zu dieser gegeneinander beweglich sind.^'Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Vlbrationseinheit (11) zusätzlich durch Epoxydharzkleberschichten miteinander verbunden sind,^Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Vibrationseinheit (ii) allein durch Bpoxydharzschiohten miteinander verbunden •lad·* 17 -109120/14189· Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch.7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (1O) Fohrungen trägt, die über an die Tankvand angeschweißte Gewindebolzen (38) greift.10. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Grundplatte (1O) vorzugsweise eine Epoxydharzkleberschicht trHgt.11« Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den an die Tankwand angeschweißten Bolzen (38) Klammern (ho) so angeordnet sind, daß sie über die Grundplatte (1O) greifen.12< Abart des piezoelektrischen Wandler» nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusatzlich zu den piezoelektrischen Elementen (16, 18) oine Keramikplatte (hh) mit negativem Temperaturkoeffizienton dor Kapazität angeordnet ist.109820/1468Leerseite
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