DE2905496C3 - Ultraschallsonde und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Ultraschallsonde und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

Die Erfindung beiriffl eine Ultraschallsonde für Messungen in Flüssigkeiten bei hohem Druck und hoher Temperatur, mit einer in einem dichten, rolirartigcn, an einem Ende durch eine dünne Metallwandung verschlossenen Schutzgehäuse angeordneten piezoelektrischen Wandlerplatte, deren eine Seite mit der dünnen Metallwitndung in mechanischem und elektrischem Kontakt ueht und mit einem ebenfalls im Schutzgehäuse angeordneten Dämpfungszylinder, gegen welche die andere Seite der piezoelektrischen Wandlerplatte 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 Druck und bei höheren Temperaturen in Kanälen zirkulieren, verwen det werden. Bekannte Ultraschallsonden der vorstehend genannten Art sind in ihrem Einsatzbereich auf Maximaltemperaturen in 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 Empfangsstirnseite für die Ultraschallwellen bildet Von der dünnen Wandung wird gefordert, daß sie dicht ist, den herrschenden Druck und die herrschende Temperatur aushält, chemisch unempfindlich gegenüber der Umgebung ist in welcher die Sonde eingesetzt ist und daß sie eine Übertragung des Ultraschallbündels in den beiden 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 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- der Berührung hat Das Gehäuse schützt die inneren Teile vollständig gegen mechanische Einwirkungen oder Korrosicnskräfte 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 verwirklich! 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 stehenden piezoelektrischen Körpers. Das piezoelektrische Material ist im Hinblick auf die auszuführenden
«J Messungen in Abhängigkeit von hierzu passenden
Eigenschaften gewählt, wie seine Empfindlichkeit und
seine Fähigkeit, die hohe Temperatur des zu messenden
Mediums auszuhalten. Für das genaue Messen von Geschwindigkeiten,
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
srfüllt. Der Körper besieht aus Blei-Zirkonai-Titanuten, und die Verbindung wird mil einer dünnen Schicht eines uarren, leitenden Klebstoffes, wie eines mit Silberpuder versehenen Epoxyharzes, bewirkt. Die auf diese Weise geschaffene Verbindung ist bis zu einer Temperatur von I3O°C 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 Lithiumniobut 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 rim Silber bewirkt
Eine solche Verbindungsart ist bei der Art des Materials möglich, aus dem die piezoelektrische Platte gefertigt ist, nämlich Lithiumniobat, dessen Curie-Punkt bei 12000C 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 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 Löttechnik nicht erlaubt, und weil die piezoelektrischen Materialien, deren Curie-Punkt höher liegt, keine ausreichende Empfindlichkeit erbringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ulfraschallsonde zu schaffen, bei welcher die Verbindung der aktiven Oberfläche des piezoelektrischen Körpers mit der dünnen Frontwandung der Sonde mit geringstmögliehen Kosten bewirkt ist; die Schwierigkeiten bei ihrer Herstellrng zu verringern und die temperaturbedingten Einsatzgren/.en bekannter Sonden zu erweitern, und ein Verfahren zu schaffen, das eine kostengünstige Herstellung von dichten Sonden erlaubt, vor allem von Sonden mit großer Empfindlichkeit zum exakten Messen von Geschwindigkeiten und von Flüssigkeitsdurchflüssen.
Die gestellte Aufgabe wird mit einer Ultraschallsonde der eingangs genannten Art erfindungsgemäO dadurch gelöst, daß die dünne metallische Wandung am Ende des Schutzgehäuse» 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 mit dem Material der piezoelektrischen Platte oder mit einer Metallschicht, mit weichet 'lic Platte bedeckt sein kann, ohne daß dadurch die Eigenschaften des piezoelektrischen Körpers verändert wümen, 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
κι erfindungsgemäß ausgebildeten Uliraixhallsonde anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen schemaiischen Längsschnitt durcn eine Ultraschallsonde:
Fig. 2 ein Schema der Anordnung zui Herstellung der dünnen Wandung der Sonde;
F i g. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform.
Die in Fig. 1 dargestellte Ultraschallsonae weist ein dichtes, aus nichtrostendem Stahl hergestelltes Schutzgehäuse 10 mit im wesentlichen zylinr1.· 'cicher 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 Stecktontaktes 15 ist
w vom Schutzgehäuse 10 durch eine Isolationsscheibe 17 elektrisch isoliert und mit Hilfe eines keramischen oder Epoxyklebstoffes in einer hinteren Ausnehmung 18 eines Dämpfungszylinders 19 befestigt, der aus Bomitrit besteht. Das andere Ende des Dämpfungszylinders 19
»5 der Sonde, das der Frontseite 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 03 Tim hergestellte Platte 21 ist auf ihrer inneren und
■to äußeren Seite in bezug auf die Ausnehmung 20 jeweils mit einer Silberschicht versehen, die in bekannter Weise die Elektroden der Wandlerplatte bilden. Auf der Innenseite der Platte 21 ist das eine Ende eines Leiters 22 angelötet, der durch einen Axialkanal 23 des
*5 Dämpfungszylinders 19 hindurchgeführt ist. Das andere Ende des Leiters 22 ist mit dem Steckkontakt 15 verbunden. Die dem Dämpfungszylinder 19 zugekehrte Innenseite der Platte 2i 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 2000C bestimmt. Dazu ist es wichtig, ein eventuelles Spiel auszuschalten, das an den inneren Teilen 15,19 und 21 infolge der Ausdehnung des Schutzgehäuses 10 auftreten könnte, /ti diesem Zweck sind die inneren Teile der Sonde, wie die piezoelektrische Wandlerplatte 21, der Dämpfungszylinder 19 und der Steckkontakt IS, durch Einspannen in den Körper des Schutzgehäuses 10, bei wechselnden Temperaturen unbeweglich festgehal-
w ten. 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 /ur Längsachse der Sonde verlaufende Ebene /ti bilden.
Zur Herstellung der dünnen Fndwandung de
Sehutzgchäuses 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. F-" i g. 2). Das Gehäuse ist mit einem Gas. beispielsweise Argon, mit einem Druck von 133 Millipascal gefüllt. Im Gehäuse 30 befinden sich eine thermoionische Katho.lc 31. die einen auf 25OO"C erhitzten Wolframdraht 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. Din ch Spulen, wie die Spulen I) I und ß 2. wird ein elektrisches Feld erzeugt, durch das der f'lasmastrom konzentriert, die Elcklronenbahncn in die l.iinge gezogen und die Wahrscheinlichkeit der Ionisation von Elektronen durch Zusammcnprall mit den Molekülen des Gases erhöhl werden. F.ine Kathode 34 ist mit einer Hochspannungsquelle 35 verbunden und wird von dieser Hochspannungsquellc auf einem negativen Potential von 1 kV gehalten. F.inc Anode 36. die von der Ultraschallsondc 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 Mikrorauhigkcit. welche die Haftung der späteren Metallschicht begünstigt.
Die Kathodenzerstäubung, die auch auf andere bekannte Weise durchgeführt werden kann, wird vorzugsweise mit der beschriebenen F.inrichiiing. die man als Triodenanordnung bezeichnet, durchgeführt, hei 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
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 Wandlerplattc eintritt, auf welcher die Mctallablagcrung 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.
Metaiiografischc Untersuchungen und Versuche unter wirklichen Bedingungen haben die erforderliche mechanische Festigkeit der so gebildeten Wandung bewiesen.
Die erfindungsgemäß hergestellten Ultraschallsonden halten Tempcratiiivyklcn 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 Fließgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten zwischen 0,1 und 10 ms '.
Die Erfindung ist auch anwendbar auf Sonden, die einen elektrisch leitenden Dämpfungszylinder aufweisen.
Bei der in F i g. 3 dargestellten Uliraschallsonde sind alle Teile, die mit den Teilen der in F i g. 1 dargestellten Ultraschiillsonde identisch sind, mit ilen gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Bei dieser Sonde ist in das Schutzgehäuse 10 eine Isolationshülse 1Oi 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 Dämpfungs· zylinder IS und die piezoelektrische i'ialte l\ sind in die Isolicrhiilsc 10i eingesetzt. Die piezoelektrische Platte 21 aus Keramik mit Blei/.irkonat- 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 16 des Steckkontaktes 15 am Dämpfungszylinder 19 verwendet.
Die -..nieren Teile der Sonde, wie die Teile 15, 19, 21. ι werden auf Durchschnitlslcmperatur 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.
ι Anschließend wird eine Ausrichtung der der Frontseite 24 der Sonde benachbarter Flächen vorgenommen, damit auf dieser Frontseite wie beim Ausführungsbei spiel nach I'ig. I durch Kathodenzerstäubung ein Mctallbclag gebildet wird.
> Durch die Tatsache, daß bei einer erfindungsgemäßen ausgebildeten Uliraschallsonde die dünne Sondenwandung sich auf einfache Weise mit inniger Verbindung mii (Irr alctivrn Aiißrnsfilc der piezoelektrischen Platte ohne ein besonderes Verbindungsmittel (Klebstoff oder ■ Lötstoff) anbringen läßt, ergibt ein vorteilhaftes llcrstcllverfahren 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 Beschichtungskammcr hergestellt werden können.
Zusätzlich zu den bereits erwähnten Anwendungen kann eine erfindungsgcmäO ausgebildete Ultraschall sonde gleichermaßen auf dem Kältesektor eingesetzt ϊ 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 ί Speisung von Motoren der Maschinen eingefügt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Palentansprüche:
1. Ultraschallsonde iur 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. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallbelag auf einer Silberschicht ausgebildet ist, die vorher auf der piezoelektrischen Platte (21) angebracht ist
3. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, 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 Dämpfungszylinder (19), in das Schutzgehäuse (10) eingespannt sind.
5. Verfahren zur Herstellung einer Ultraschallsonde nach einem der AnsprüY\e 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mn mindestens die inneren Elemente, wie den Dämpfungsz·linder (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
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 Metallbelag 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 Gehäuse (10) und vor der Kathodenzerstäubung die Flächen an der Stirnseite (24) der Sonde ausgerichtet werden.
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