DE2905496B2 - Ultraschallsonde und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Ultraschallsonde und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde für Messungen in Flüssigkeiten bei hohem Druck und hoher
Temperatur, mit einer in einem dichten, mhrariigcn. an
einem Ende durch eine dünne Metallwandung verschlossenen Schutzgehäuse angeordneten piezoelektrischen
Wandlerplatte, 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 Wandlerplalte anliegt, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Es
handelt sich hierbei insbesondere um Sonden zum
ίο Aussenden oder Empfangen von Ultraschall-Wellenbündeln,
wie sie allgemein zur Messung von Geschwindigkeiten oder von Durchflüssen von Korrosionen
verursachenden Flüssigkeiten, die durch Drjck und bei
höheren Temperaturen in Kanälen zirkulieren, verwcndet
werden. Bekannte Ultraschallsonden der vorstehend genannten Art sind in ihrem Einsatzbereich auf
Maximaltemperaturen i:i der Größenordnung von +80° und auf Maximaldrücke in der Größenordnung
von 100 Bar begrenzt.
Solche Sonden weisen im allgemeinen ein einstückiges
zylindrisches dichtes Gehäuse auf, dessen eines Ende durch eine dünne Wandung verschlossen ist,
welche die Sendestirnseite oder Empfangsstimseite für die Ultraschallwellen bildet. Von der dünnen Wandung
wird gefordert, daß sie dicht ist, den herrschenden Druck und die herrschende Temperatur aushäli.
chemisch unempfindlich gegenüber der Umgebung ist, in welcher oie Sonde eingesetzt ist, und daß sie eine
Übertragung des Ultraschallbündels in den beiden
JO Richtungen mit einer ausreichenden Durchlässigkeit und einer guten Ausrichtung erlaubt.
In der FR-PS 21 50 630 ist eine Ultraschallsonde des
genannten Typs offenbart. Diese Sonde ist zur genauen Messung von Geschwindigkeiten und Durchflüssen in
J5 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. Diese Sonde 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 Dämpfungszylin-
4r> der Berührung hat. Das Gehäuse schützt die inneren
Teile vollständig gegen mechanische Einwirkungen oder Korrosionskräflc des Moßmilieus und erlaubt
dabei einen Durchtritt des Ultraschalls ohne störende Absorption.
■so 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 Parallcllage der Oberflächen genau verwirklicht sein muß.
■>5 Eine andere Schwierigkeit besteht in der Schaffung
der mechanischen und elektrischen Verbindung mit der aktiven Fläche des mit der dünnen Wandung in Kontakt
stehenden piezoelektrischen Körpers. Das piezoelektrische Material ist im Hinblick auf die auszuführenden
W) Messungen in Abhängigkeit von hierzu passenden Eigenschaften gewählt, wie seine Empfindlichkeit und
seine Fähigkeit, die hohe Temperatur des zu messenden Mediums auszuhallen.
Für das genaue Messen von Geschwindigkeiten.
b"i insbesondere von geringen Geschwindigkeiten von
beispielsweise I cm/sec, und von Durchflüssen wählt man ein piezoelektrisches Material mit großer Empfindlichkeit.
Diese Bedingung ist bei der bekannten Sonde
erfüllt. Der Körper besteht aus Blei-Zirkonat-Titanaten.
und die Verbindung wird mit einer dünnen Schicht eines starren, leitenden Klebstoffes, wie eines mit Silberpuder
versehenen Epoxyharzes, bewirkt. Die auf diese Weise
geschaffene Verbindung ist bis zu einer Temperatur von 1300C haltbar. Somit kann die Sonde bis zu einer
Maximaltemperatur von 1000C und einem Druck in der Größenordnung von 100 Bar verwendet werden.
Durch die FR-PS 20 63 324 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
Platte aus Lithiumniobat und einen Dämpfungszylinder auf. Die Oberflächen der piezoelektrischen
Platte sind mit einem dünnen Silberbelag versehen, der seinerseits mit einer elektrolytisch
aufgebrachten Kupferschicht abgedeckt ist Die Befestigung der piezoelektrischen Platte 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 die piezoelektrische Platte
gefcrligt ist, nämlich Lithiumniobat, dessen Curie-Punkt bei 12000C liegt. Aber die geringe Empfindlichkeit
dieses Materials, die für die dort vorgesehene I unktion, also die Überwachung eingetauchter Gegenstände,
ausreicht, reicht nicht zum genauen Messen von Geschwindigkeiten oder von Flüssigkeitsdurehflü.sseri
aus.
Das Problem der genauen Messung von Geschwindigkeiten oder von Durchflüssen von Flüssigkeiten
unter Druck und bei höherer Temperatur mit Hilfe von Ultraschallsonden ist also bisher noch nicht in
zufriedenstellender Weise gelöst, weil die empfindlichen piezoelektrischen Materialien einen relativ niedrigen
Curie-Punkt haben, der ein Anwenden der Löltechnik nicht erlaubt, und weil die piezoelektrischen Materialien,
deren Curie-Punkt höher liegt, keine ausreichende Empfindlichkeit erbringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Ultraschallsondc zu schaffen, bei welcher die Verbindung der aktiven Oberfläche des piezoelektrischen
Körpers mit der dünnen Frontwandung der Sonde mil gcringstmöglichen Kosten bewirkt ist; die Schwierigkeiten
bei ihrer Herstellung zu verringern und die lemperaturbcdingten Einsatzgren/.cn bekannter Sonden
zu erweitern, und ein Verfahren zu schaffen, das eine kostengünstige Herstellung von dichten Sonden
erlaubt, vor allem von Sonden mit großer Empfindlichkeil
zum exakten Messen von Geschwindigkeiten und von Flüssigkeitsdurchflüssen.
Die gestellte Aufgabe wird mit cinor Ultrasehallsonde
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dünne metallische Wandung am Ende des
Schutzgehäuses aus einem Metallbelag besteht, der durch Kathodenzerstäubung gebildet ist.
Die Anwendung einer Technik zur Bildung eines Mclallbclags durch Kathodenzerstäubung bei der
Bildung der dünnen Wandung der Sonde gewährleistet einen engen Kontakt der Wandung mn dem Material
der piezoelektrischen Platte oder mit einer Metallschicht, mit welcher die Plane bedeckt sein kann, ohne
daß dadurch die Eigenschaften des piezoelektrischen Körpers verändert würden, da die hierbei auftretende
Temperaturerhöhung vernachlässigbar ist. Und dieses Verfahren erlaubt es auch, auf bequeme Weise eine
einwandfrei dichte Wandung mit einer bestimmten Stärke zu schaffen.
Mit der Erfindung wird gleichzeitig erreicht, daß die
ϊ 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
ίο erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallsonde anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ultraschallsonde;
Fig. 2 ein Schema der Anordnung zur Herstellung der dünnen Wandung der Sonde;
Γ i g. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform.
Die in Fig. 1 dargestellte Ultraschallsonde weist ein
dichtes, aus nichtrostendem Stahl hergestelltes Schuizgehäuse 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
ι» vom Schutzgehäuse 10 durch eine Isolationsscheibe 17
elektrisch isoliert und mit Hilfe eines keramischen oder Epoxyklebsioffes in einer hinteren Ausnehmung 18
eines Dämpfungszylinders IQ befestigt, der aus Bornitrit
besieht. Das andere Ende des Dämpfungszylinders 19
ir> der Sonde, das der Frontscitc 24 gegenüberliegt, weist
eine vordere Ausnehmung 20 auf. in welcher eine piezoelektrische Wandlerplatte 21 angeordnet ist.
Die aus Blei-Zirkonat-Titanat mit einer Dicke von 0,5 mm hergestellte Platte 21 ist auf ihrer inneren und
■to äußeren Seite in bezug auf die Ausnehmung 20 jeweils
mit einer Silberschicht verschen, die in bekannter Weise
die Elektroden der Wandlerplattc bilden. Auf der Innenseite der Platte 21 ist das eine Ende eines Leiters
22 angelötet, der durch einen Axialkanal 23 des
■<■■>
Dämpfungszylinders 19 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-Klebslofles in der vorderen Ausnehmung
w 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 15,19 und 21 infolge der Ausdehnung des Schutzgehäuses 10
r'r> auftreten könnte. Zu diesem Zweck sind die inneren
Teile der Sonde, wie die piezoelektrische Wandlerplattc 21, der Dämpfungszylinder 19 und der Steckkontakt 15.
durch Einspannen in den Körper des Schutzgehäuses 10, bei wechselnden Temperaturen unbeweglich festgehal-
f>o ten. Hierzu wird zunächst das Schutzgehäuse 10 auf eine
Temperatur gebracht, die mindestens gleich der Betriebstemperatur der Sonde ist, beispielsweise 2200C
beiragt.
Anschließend nimmt man eine Ausrichtung der
b5 Oberflächen auf die Frontseite 24 der Sonde vor, um
eine qi'cr zur Längsachse der Sonde verlaufende Ebene
zu bilden.
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 (vgl. Fig. 2). Das Gehäuse ist mit einem Gas, beispielsweise
Argon, mit einem Druck von 133 Millipascal gefüllt. Im
Gehäuse 30 befinden sich eine thermoionische Kathode 31, die einen auf 250CPC erhitzten Wolframdrahl
aufweist, und eine Anode 32, die mit einer Spannungsquelle 33 verbunden ist. Die von der Kathode 31
gelieferten Elektronen werden in dem gebildeten elektrischen Feld in Richtung auf die Anode 32
beschleunigt, die von der Spannungsquelle 33 auf einem Gleichpotential von + 100 V gegenüber der Kathode 31
gehalten wird. Durch Spulen, wie die Spulen B 1 und B 2,
wird ein elektrisches Feld erzeugt, durch das der Plasmastrom konzentriert, die Elektronenbahnen in die
Länge gezogen und die Wahrscheinlichkeit der Ionisation von Elektronen durch Zusamnienprall 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 kV gehalten. Eine Anode 36.
die von der Ultraschallsonde gebildet wird, ist gegenüber der Kathode 34 angeordnet und über einen
Schalter 37 an Masse gelegt, mit Ausnahme während einer Phase einer lonenreinigung, welche der Beschichtung
vorangeht. Während dieser Phase wird die Anode 36 mit einer Spannungsquelle 38 verbunden, die sie auf
ein Potential von —100 V bringt. Das Beschießen der Stirnseite 24 der Sonde 10 bzw. 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
Wandlerplatte eintritt, auf welcher die Metallablagerung stattfindet.
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 Stunden bilden.
Metallografische Untersuchungen und Versuche unter wirklichen Bedingungen haben die erforderliche
mechanische Festigkeit der so gebildeten Wandung bewiesen.
Die erfindungsgemäß hergestellten Ultraschallsonden halten Teinperaturzyklcn von 200C uiid einen
Druck von 200 Bar ohne merkliche Verminderung ihrer Leistungen aus.
Beispielsweise erlauben erfindungsgemäß ausgebilde-'■
te Sonden Durchflußmessiingcn unter wirklichkeitsnahen
Temperatur- und Druckbedingungen mit einem absoluten Fehler von 5 · 10-J für Flicßgeschwindigkeitcn
von Flüssigkeiten zwischen 0,1 und 10 ms~'.
Die Erfindung ist auch anwendbar auf Sonden, die
κι einen elektrisch leitenden Dämpfungszylinder aufweisen.
Bei der in F i g. 3 dargestellten Ultraschallsonde sind alle Teile, die mit den Teilen der in F i g. 1 dargestellten
Ultraschallsonde identisch sind, mit den gleichen
ii Bezugsziffern bezeichnet. Bei dieser Sonde ist in das
Schutzgehäuse 10 eine Isolationshülse 1Oi aus Bornitrit
eingesetzt. Das innere Ende der Isoücrhülse 10i 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 10i eingesetzt. Die piezoelektrische Platte
21 aus Keramik mit Blei-Zirkonal-Tiianat ist auf dem
aus Blei gefertigten Dämpfungszylinder 19 mit Hilfe eines leitenden Klebstoffes 19i befestigt, der beispielsweise
aus einem mit Silberpulver versehenen Epoxyharz besteht. Das gleiche Harz wird zur Befestigung der
Grundplatte 16 des Steckkontaktes 15 am Dämpfungszylinder ^verwendet.
Die inneren Teile der Sonde, wie die Teile 15, 19, 21,
jo 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.
J5 Anschließend wird eine Ausrichtung der der Frontseite 24 der Sonde benachbarter Flächen vorgenommen,
damit auf dieser Frontseite wie beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 durch Kathodenzerstäubung ein
Metallbelag gebildet wird.
Durch die Tatsache, daß bei einer erfindungsgemäßen 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
so 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
«>o Speisung von Motoren der Maschinen eingefügt.
Claims (9)
1. 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 Wandlerplatte, 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
Wandlerplatte anliegt, dadurch gekennzeichnet,
daß die dünne metallische Wandung (24) am Ende des Schutzgehäuses (10) aus einem
Metallbelag besteht, der durch Kathodenzerstäubung gebildet ist.
2. Uitraschallsonde nach Anspruch I, dadurch
gekennzeichnet, daß der Metallbelag auf einer Silberschicht ausgebildet ist, die vorher auf der
piezoelektrischen Platte (21) angebracht ist.
3. Ultraschallsonde nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag direkt auf dem
die piezoelektrische Platte (21) bildenden Material ausgebildet ist.
4. Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Teile
der Sonde, wie die piezoelektrische Platte (21) und der Dämpfungszyiinder (19), in das Schutzgehäuse
(10) eingespannt sind.
5. Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallsoride
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
stirnscitigcs Ende (24) des Schutzgehäuses (10) einsetzt, und daß man dann diese Stirnseite (24) des
Schutzgehäuses (10) durch einen durch Kathodenzerstäubung erhaltenen dünnen Metallbclag
verschließt.
6. 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 Melallbclag direkt auf das die
piezoelektrische Platte (21) bildende Material aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Kathodenzerstäubung die
inneren Teile der Sonde, wie die piezoelektrische Platte (21) und der Dämpfungszylinder (19), bei
Umgebungstemperatur in das Gehäuse (10) eingesetzt werden, 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 Geiiäuse (10) und vor der Kathodenzerstäubung die Flächen ;,n der Stirnseite
(24) der Sonde ausgerichtet werden.
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