DE2905496A1

DE2905496A1 - Ultraschallsonde und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2905496A1
Application number: DE19792905496
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Demarais; Alain Deom
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1978-02-16
Filing date: 1979-02-14
Publication date: 1979-08-23
Also published as: JPS54121166A; CA1121504A; US4196631A; JPS593079B2; GB2015297A; GB2015297B; DE2905496C3; FR2417776A1; DE2905496B2; FR2417776B1

Description

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Anmelder; OFFICE NATIONAL D¹ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES abgekürzt: O.N.E.R.A. 29, Avenue de la Division Leclerc F- 92J2O CHATILLON
Frankreich

Ultraschallsonde und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde für Messungen in Flüssigkeiten bei hohem Druck und hoher Temperatur, mit einer in einem dichten, rohrartigen, an einem Ende durch eine dünne Metallwandung verschlossenen Schutzgehäuse angeordneten piezoelektrischen Transduktorplatte, deren eine Seite mit der dünnen Metallwandung in mechanischem und elektrischem Kontakt steht, und mit einem ebenfalls im Schutzgehäuse angeordneten Dämpfungszylinder, gegen welche die andere Seite der piezoelektrischen Transduktorplatte anliegt, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Es handelt sich hierbei insbesondere um Sonden zum

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Aussenden oder Empfangen von Ultraschall-Wellenbündeln, wie sie allgemein zur Messung von Geschwindigkeiten oder von Durchflüssen von Korrosionen verursachenden Flüssigkeit en ₉ die unter Druck und "bei höheren Temperaturen in Kanälen zirkulieren^ verwendet iirerden® Bekannt© Ultraschallsonden der vorstehend genannten Art sind in ihrem Einsatsbereieh auf Maximaltemperaturen in der Größenordnung von +80° und. auf Massimaldrüeke in d©r Größenordnung von 100 Bar begrenzte

Solch© Soad®n weisen ia allgemeinen ein ©instückiges zylindrisches dichtes Gehäuse auf _s dessen eines Ende durch eine düna© Wandung verschlossen istj, x-jelche die Send© Stirnseite oder Empfangs Stirnseite für die Ultra·= "

un©mpfiadlich gegenüber der Umgebung ist_P in welcher di® Sonfi© eingesetzt ist₉ und daß sie eine Übertragung d©s Ultrasehallbündels in den beiden Eichtungen mit einer ausreichenden Durchlässigkeit und einer guten Äusriehtaitg erlaubt _β "

In d©r von der gleichen Jtaaelderin stammenden französischen Patentschrift 2 150 630 ist ein© Ultraschallsonde des

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genannten Typs offenbart. Diese Sonde ist zur genauen Messung von Geschwindigkeiten und Durchflüssen in Kanälen, in denen zu Korrosion führende Flüssigkeiten fließen, bestimmt, insbesondere von sogenannten Ergols, chemische Stoffe, die sich in eine Schmelzmasse umwandeln, die in Flüssigkeitszündern bei Drücken von 50 Bar verwendet werden. Die Sonde gemäß der erwähnten französischen Patentschrift weist ein Schutzgehäuse und ein einziges Stück in Form einer dichten Röhre auf, die an einem Ende durch eine dünne Wandung verschlossen ist, deren Innenseite in mechanischem und elektrischem Kontakt mit einem piezoelektrischen Körper steht, der mit einem Dämpfungszylinder Berührung hat. Das Gehäuse schützt die inneren Teile vollständig gegen mechanische Einwirkungen oder Korrosionskräfte des Meßmilieus und erlaubt dabei einen Durchtritt des Ultraschalls ohne störende Absorption.

Bei der Herstellung dieser Sonden besteht eine erste Schwierigkeit in der Behandlung der dünnen Wandung, die eine Stärke in der Größenordnung von 0,1 mm hat und bei welcher die Parallellage der Oberflächen genau verwirklicht sein muß.

Eine andere Schwierigkeit besteht in der Schaffung der mechanischen und elektrischen Verbindung mit der aktiven Fläche des mit der dünnen Wandung in Kontakt

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stehenden piezoelektrischen Körpers_o Das piezoelektrische Material ist im Hinblick auf die auszuführenden Messungen in Abhängigkeit von hierzu passenden Eigenschaften gewählt ₉ wie seine Empfindlichkeit und seine Fähigkeit ₉ die hohe Temperatur des zu messenden Mediums auszuhalten.

Für das genaue Messen von Geschx-jindigk©iten₀ insbesondere von geringen Geschwindigkeiten von beispielsweise 1 cm/sec_ef und von Durchflüssen wählt man ein piezoelektrisches Material mit großer Empfindlichkeit_o Diese Bedingung ist bei der Sonde nach der erwähnten französischen Patentschrift erfüllt. Der Körper besteht aus Blei-Zirkoaat-Titanatenj, und die Verbindung wird mit einer dünnen Schicht eines starren^ leitenden Klebstoffes, wie ©ines mit Silberpuder versehenen Epoxyharzesj bewirkt. Die auf diese Weise geschaffene Verbindung ist bis zu einer Temperatur von 130° C. haltbar. Somit kann die Sonde b;° - zn einer Maximaltemperatur von 100° C und einem Druck in der Größenordnung von 100 Bar verwendet werden®

Durch die französische Patentschrift 2 063 324 ist auch eine Ultraschallsonde der eingangs genannten Art bekannt, die für Messungen an mechanischen Teilen bestimmt ist, die in ein Metallbad mit hoher Temperatur eingetaucht werden«. Diese Sonde weist in einem dichten metallischen Gehäuse mit dünner Stirnwandung eine piezoelektrische Pastille aus Lithiumniobat und einen

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Dämpfungszylinder auf. Die Oberflächen der piezoelektrischen Pastille sind mit einem dünnen Silberbelag versehen, der seinerseits mit einer elektrolytisch aufgebrachten Kupferschicht abgedeckt ist. Die Befestigung der piezoelektrischen Pastille auf der dünnen Wandung des umschließenden Gehäuses sowie am Dämpfungszylinder ist durch Hartlöten mit Silber bewirkt.

Eine solche Verbindungsart ist bei der Art des Materials möglich, aus dem der piezoelektrische Körper gefertigt ist, nämlich Lithiumniobat, dessen Curie-Punkt bei 1200° C liegt. Aber die geringe Empfindlichkeit dieses Materials, die für die dort vorgesehene Funktion, also die Überwachung eingetauchter Gegenstände, ausreicht, reicht nicht zum genauen Messen von Geschwindigkeiten oder von Flüssigkeitsdurchflüssen aus.

Das Problem der genauen Messung von Geschwindigkeiten oder von Durchflüssen von Flüssigkeiten unter Druck und bei höherer Temperatur mit Hilfe von Ultra schall sonden ist also bisher noch nicht in zufriedenstellender Weise gelöst, weil die empfindlichen piezoelektrischen Materialien einen relativ niedrigen Curie-Punkt haben, der ein Anwenden der Löttechnik nicht erlaubt, und weil die piezoelektrischen Materialien, deren Curie-Punkt höher liegt, keine ausreichende Empfindlichkeit erbringen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallsonde zu schaffen, bei welcher die Verbindung der aktiven Oberfläche des piezoelektrischen Körpers mit der dünnen Frontwandung der Sonde mit geringstmöglichen Kosten bewirkt ist; die Schwierigkeiten bei ihrer Herstellung zu unterdrücken und die temperaturbedingten Einsatzgrenzen bekannter Sonden zu erweitern, und ein Verfahren zu schaffen, das eine kostengünstige Herstellung von dichten Sonden erlaubt, nicht nur von Sonden mit großer Empfindlichkeit zum exakten Messen von Geschwindigkeiten und von Flüssigkeitsdurchflüssen.

Die gestellte Aufgabe wird mit einer Ultraschallsonde der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dünne metallische Wandung am Ende der Schutzhülle aus einem Metallbelag besteht, der durch Kathodenzerstäubung gebildet ist.

Die Anwendung einer Technik zur Bildung eines Metallbelags durch Kathodenzerstäubung bei der Bildung der dünnen Wandung der Sonde gewährleistet einen engen Kontakt der Wandung mit dem Material der piezoelektrischen Platte oder mit einer Metallschicht, mit welcher die Platte bedeckt sein kann, ohne daß dadurch die Eigenschaften des piezoelektrischen Körpers verändert wurden, da die hierbei auftretende Temperaturerhöhung vernachlässigbar ist. Und dieses Verfahren erlaubt

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es auch, auf bequeme Weise eine einwandfrei dichte Wandung mit einer bestimmten Stärke zu schaffen.

Mit der Erfindung wird gleichzeitig erreicht, daß die Montage der inneren Elemente der Sonde, wie der piezoelektrischen Platte und des Dämpfungszylinders, so verwirklicht werden kann, daß ihre Halterung durch Einspannen erfolgt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallsonde anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt

durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Ultraschallsonde;

Fig. 2 ein Schema der Anordnung zur

Herstellung der dünnen Wandung der Sonde;

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt

durch eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallsonde.

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Die in Figur 1 dargestellte Ultraschallsonde weist ein dichtes, aus nichtrostendem Stahl hergestelltes Schutzgehäuse 10 mit im wesentlichen zylindrischer Form auf. Das Schutzgehäuse ist in seinem hinteren hohlen Abschnitt mit einem Innengewinde 11 versehen, in welches das Gewindeende eines Trägers 12 eingeschraubt ist. Eine innere Querwandung 13 des Schutzgehäuses trennt den hinteren Teil und den vorderen Teil des Gehäuses voneinander und ist mit einer zentralen Durchgangsöffnung 14 versehen, durch welche sich ein elektrischer Steckkontakt 15 hindurcherstreckt. Eine Grundplatte 16 des Steckkontaktes 15 ist vom Schutzgehäuse 10 durch eine Isolationsscheibe 17 elektrisch isoliert und mit Hilfe eines keramischen oder Epoxyklebstoffes in einer hinteren Ausnehmung 18 eines Dämpfungszylinders befestigt, der aus Bornitrit besteht. Das andere Ende des Dämpfungszylinders 19 der Sonde, das der Frontseite 24 gegenüberliegt, weist eine vordere Ausnehmung 20 auf, in welcher eine piezoelektrische Transduktorplatte 21 angeordnet ist.

Die aus Blei-Zirkonat-Titanat mit einer Dicke von 0,5 mm hergestellte Platte 21 ist auf ihrer inneren und äußeren Seite in bezug auf die Ausnehmung 20 jeweils mit einer Silberschicht versehen, die in bekannter Weise die Elektroden der Transduktorplatte bilden. Auf der Innenseite der Platte 21 ist das eine Ende eines Leiters 22 angelötet,

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der durch einen Axialkanal 23 des Dämpfungszylinders hindurchgeführt ist. Das andere Ende des Leiters 22 ist mit dem Steckkontakt 15 verbunden. Die dem Dämpfungszylinder 19 zugekehrte Innenseite der Platte 21 ist mit Hilfe eines keramischen oder Epoxy-Klebstoffes in der vorderen Ausnehmung 20 des Dämpfungszylinders befestigt.

Die Sonde ist zum Einsatz bei einer Temperatur von 200° C bestimmt. Dazu ist es wichtig, ein eventuelles Spiel auszuschalten, das an den inneren Teilen 50, 19 und 21 infolge der Ausdehnung des Schutzgehäuses 10 auftreten könnte. Zu diesem Zweck sind die inneren Teile der Sonde, wie die piezoelektrische Transduktorplatte 21, der Dämpfungszylinder 19 und der Steckkontakt 15, durch Einspannen in den Körper des Schutzgehäuses 10, bei wechselnden Temperaturen unbeweglich festgehalten. Hierzu wird zunächst das Schutzgehäuse 10 auf eine Temperatur gebracht, die mindestens gleich der Betriebstemperatur der Sonde ist, beispielsweise 220° C beträgt.

Anschließend nimmt man eine Ausrichtung der Oberflächen auf die Frontseite 24 der Sonde vor, um eine quer zur Längsachse der Sonde verlaufende Ebene zu bilden.

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Zur Herstellung der dünnen Endwandung des Schutzgehäuses 10, die sich zwischen der Vorderseite der Platte 21 und der Stirnseite der Sonde befinden soll, wird die so vorbereitete Sonde in ein Gehäuse 30 zur Kathodenzerstäubung unter Vakuum gebracht» Das Gehäuse ist mit einem Gas_f beispielsweise Argon, mit einem Braek von 133 Millipascal gefüllt» Im Gehäuse 30 befinden sich eine thermoionische Kathode 31» die einen auf 2500° C erhitzten Wolfram-

it, und eine Anode 32 ₉ die mit einer Spamnagsquelle 33 verbunden ist«, Die von der Kathode gelieferten Elektronen werden in. dem gebildeten elektrischen Feld in Richtung auf die Mode 32 beschleunigt₈ die von der Spannungsquelle 33 auf eine» Gleichpotential von +100V gegenüber der Kathode gehalten wird« Durch Spulen, wie die Spulen B1 und B2, wird ein elektrisches Feld erzeugt, durch das der . Plasmastroia konzentriert, die Elektronenbahnen in die Länge gezogen und die Wahrscheinlichkeit der Ionisation von Elektronen durch Zusammenprall mit den Molekülen des Gases erhöht werden. Eine Kathode 34 ist mit einer Hochspannungsquelle 35 verbunden und wird von dieser Hochspannungsquelle auf einem-negativen Potential von 1 kW gehalten. Eine Anode 36, die von der Ultraschallsonde gebildet wird, ist gegenüber der Kathode 34 angeordnet und über einen Schalter 37 an Masse gelegt, ait Ausnahme während einer" Phase einer

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Ionenreinigung, welche der Beschichtung vorangeht. Während dieser Phase wird die Anode 36 mit einer Spannungsquelle 38 verbunden, die sie auf ein Potential von -100V bringt. Das Beschießen der Stirnseite 24 der Sonde 36 mit Argonionen ergibt eine Reinigung der Oberflächen und die Bildung einer Mikrorauhigkeit, welche die Haftung der späteren Metallschicht begünstigt.

Die Kathodenzerstäubung, die auch auf andere bekannte Weise durchgeführt werden kann, wird vorzugsweise mit der beschriebenen Einrichtung, die man als Triodenanordnung bezeichnet, durchgeführt, bei welcher die Ionenerzeugung (Anoden-Kathoden-Anordnung 31, 32) und die Abgabe von Materie von der Kathode 34 voneinander getrennt sind. Ein anderer Vorteil besteht in der Tatsache, daß die erforderlichen Polarisationsspannungen und der erforderliche Druck relativ gering sind. Die von der Frontseite 24 gebildete, mit einer Metallschicht zu versehende Grundlage der Sonde ist außerhalb der Plasmaerzeugung angeordnet, wodurch Beeinträchtigungen der Charakteristiken des piezoelektrischen Materials eliminiert sind, weil keine merkliche Erwärmung der Außenseite der piezoelektrischen Transduktorplatte eintritt, auf welcher die Metallablagerung stattfindet.

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Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung läßt sich eine dünne Wand von 10 mm Durchmesser und 140 Mikron Stärke aus einer Legierung auf der Basis von Nickel und Kupfer durch Kathodenzerstäubung in etwa 10 Standen bilden.

Metallografische Untersuchungen und Versuche unter wirklichen Bedingungen haben die erforderliche medhaxiische Festigkeit der so gebildeten Wandung bewiesen,,

Die erfindungsgemäß hergestellten Ultraschallsonden halten Temperaturzyklen von 200° C und einen Druck von 200 Bar ohne merkliche Verminderung ihrer Leistungen aus.

Beispielsweise erlauben erfindungsgemäß ausgebildete Sonden Durchflußmessungen unter wirklichkeitsnahen Temperatur- und Druckbedingungen mit einem absoluten Fehler von 5.10""^ für Fließgeschwir.digkeiten von Flüssigkeiten zwischen 0„1 und 10 ms™ .

Die Erfindung betrifft auch die Verwirklichung von Sonden, die einen elektrisch leitenden Dämpfungszylinder aufweisen»

Bei der in Figur 3 dargestellten Ultraschallsonde sind alle Teile, die mit den Teilen der in Fig. 1 dargestellten Ultraschallsonde identisch sind, mit den

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gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Bei dieser Sonde ist in das Schutzgehäuse 10 eine Isolationshülse 10^ aus Bornitrit eingesetzt. Das innere Ende der Isolierhülse 10^ liegt an der Querwandung 13 des Schutzgehäuses 10 an. Die Grundplatte 16 des Steckkontaktes 15, der Dämpfungszylinder 19 und die piezoelektrische Platte 21 sind in die Isolierhülse 10-j eingesetzt. Die piezoelektrische Platte 21 aus Keramik mit Blei-Zirkonat-Titanat ist auf dem aus Blei gefertigten Dämpfungszylinder 19 mit Hilfe eines leitenden Klebstoffes 19^ befestigt, der beispielsweise aus einem mit Silberpulver versehenen Epoxyharz besteht. Das gleiche Harz wird zur Befestigung der Grundplatte des Steckkontaktes 15 am Dämpfungszylinder 19 verwendet.

Die inneren Teile der Sonde, wie die Teile 15, 19, 21, werden auf Durchschnittstemperatur in das Schutzgehäuse eingesetzt, nachdem dieses auf eine im Hinblick auf die Betriebstemperatur ausreichend hohe Temperatur erwärmt·worden ist, so daß diese Teile nachher im Gehäuse eingespannt sind.

Anschließend wird eine Ausrichtung der der Frontseite der Sonde benachbarten Flächen vorgenommen, damit auf dieser Frontseite wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 durch Kathodenzerstäubung ein Metallbelag gebildet wird.

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Durch die Tatsache, daß bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallsonde die dünne Sondenwandung sich auf einfache Weise mit inniger Verbindung mit der aktiven Außenseite der piezoelektrischen Platte ohne ein besonderes Verbindungsmittel (Klebstoff oder Lötstoff) anbringen läßt,, ergibt ein vorteilhaftes Herstellverfahren für Ultraschallsonden» Die bei der Herstellung der dünnen Wandung angewandte Technik läßt sich insbesondere gut für eine industrielle Fertigung einsetzen,, wobei die Wandungen von einer ganzen Reihe von Sonden gleichzeitig in der gleichen Beschichtungskammer hergestellt werden können.

Zusätzlich zu den bereits erwähnten Anwendungen kann eine erfindungsgemäß ausgebildete Ultraschallsonde gleichermaßen auf dem Kältesektor eingesetzt werden,, wie beispielsweise für das Messen flüssigen Stickstoffs oder flüssigen Sauerstoffs bei einer "Temperatur von etwa 250° C und unter Drücken in der Größenordnung von 100-150 Bar, In diesem Falle wird die Sonde in Probenkanäle von Turbopumpen zur Speisung von Motoren der Maschinen eingefügt«

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Leerseite

Claims

Patentansprüche :

1_β Ultraschallsonde für Messungen in Flüssigkeiten bei hohem Druck und hoher Temperatur, mit einer in einem dichten, rohrartigen, an einem Ende durch eine dünne Metallwandung verschlossenen Schutzgehäuse angeordneten piezoelektrischen Transduktorplatte, deren eine Seite mit der dünnen Metallwandung in mechanischem und elektrischem Kontakt steht, und mit einem ebenfalls im Schutzgehäuse angeordneten Dämpfungszylinder, gegen welchen die andere Seite der piezoelektrischen Transduktorplatte anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne metallische Wandung (24) am Ende des Schutzgehäuses (10) aus einem Metallbelag besteht, der durch Kathodenzerstäubung gebildet ist.

2„ Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch- gekennzeichnet, daß der Metallbelag auf einer Silberschicht ausgebildet ist, die vorher auf der piezoelektrischen-Platte (21) angebracht ist«

5· Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag direkt auf dem die piezoelektrische Platte (21) bildenden Material ausgebildet ist«,

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Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Teile der Sonde, wie die piezoelektrische Platte (21) und der Dämpfungszylinder (19), in das Schutzgehäuse (10) eingespannt sind.

5. Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens die inneren Elemente, wie den Dämpfungszylinder (19) und die piezoelektrische Platte (21), durch ein offenes stirnseitiges Ende (24) des Schutzgehäuses (10) einsetzt, und daß man dann diese Stirnseite (24) des Schutzgehäuses (10) durch einen durch Kathodenzerstäubung erhaltenen dünnen Metallbelag verschließt.

6ο Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag auf einer vorher auf der piezoelektrischen Platte (21) aufgebrachten Silberschicht angeordnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag direkt auf das die piezoelektrische Platte (21) bildende Material aufgebracht wird.

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8. Verfahren nach Anspruch 5^ dadurch gekennzeichnet, daß vor der Kathodenzerstäubung die inneren Teile der Sondej wie die piezoelektrische Platte (21) und der Dämpfungszylinder (19) ₉ bei Umgebungstemperatur in das Gehäuse (10) eingesetzt werden_t das vorher auf eine höhere Temperatur gebracht worden ist, die mindestens gleich der Betriebstemperatur der Sonde ist,

9· Verfahren nach Anspruch 8„ dadurch gekennzeichnet,, daß nach dem Einsetzen der inneren Teile (19, 21) in das Gehäuse (10) und vor der Kathodenzerstäubung die Flächen an der Stirnseite (24) der Sonde ausgerichtet werden«

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