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Magnetostritiver Ultraschallwandler, insbesondere zur
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Füllstandsmessung in heißen Flüssigkeiten Die vorliegende Erfindung
betrifft einen magnetostriktiven Ultraschallwandler, insbesondere zur Füllstandsmessung
in heißen Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Aus "The Journal
of the Acoustical Society of America", Volume 21, No. 4, July 1949, Seite 382 ff.
ist die Theorie von magnetostriktiven Einzelschwingern und deren Zusammenwirken
in Arealen bekannt.
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In der gleichen Zeitschrift Volume 20, No. 5, September 1948, Seite
616 ff. ist es auch bekannt, solche magnetostriktiven Körper aus geschichten Formblechen
herzustellen. Aus der Theorie und der Literatur zu solchen magnetostriktiven Schwingern
ist zu ersehen, daß solche Schwinger unsymmetrisch bezüglich Ober- und Unterseite
des magnetostriktiven Körpers hergestellt werden. Auf diese Weise wird eine Abstrahlung
nur nach einer Seite erreicht, da bei geeigneter Dimensionierung der anderen Seite
(etwa eine halbe Wellenlänge bei Resonanzfrequenz) dort eine Auslöschung durch Interferrenz
stattfindet.
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Aus der DE-OS 24 14 936 ist auch schon eine elektroakustischer Wandler
mit magnetostriktiven Elementen für die Verwendung in flüssigem Natrium bekannt.
Dieser Wandler eignet sich allerdings aufgrund seiner Bauart nicht für Füllstandsmessungen
unter erschwerten Bedingungen, wie sie weiter unten aufgeführt werden.
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In der Technik stellt sich oft die Aufgabe, den Füll-
stand
einer Flüssigkeit in einem Behälter zu messen. Die verschiedenen Methoden dazu hängen
von den jeweiligen Randbedingungen ab. So sind außer der Messung des Druckes am
Boden des Gefäßes induktive Füllstandssonden für elektrisch leitende Flüssigkeiten
bekannt und verschiedene andere Methoden. Auch eine Füllstandsmessung mit Hilfe
von Ultraschall wurde, nach dem anhand von Fig. 1 später näher erläuterten Prinzip,
bereits durchgeführt. Die dabei verwendeten piezoelektrischen Ultraschallwandler
sind jedoch nicht in allen Fällen anzuwenden.
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Im folgenden seien anhand der Fig. 1 und der Fig. 2 der Zeichnung
Prinzip und Probleme einer Ultraschall-Füllstandsmessung näher erläutert.
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In Fig. 1 wird das Meßprinzip bei einer Ultraschall-Füllstandsmessung
schematisch dargestellt. Von einem Schall sender k wird ein Schallsignal gerichtet
zur Flüssigkeitsoberfläche o gesendet. Der reflektierte Schall wird von einem Empfänger
1 aufgefangen und die Laufzeit des Schallsignals über eine entsprechende elektronische
Schaltung gemessen. Da die Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit stark von
der Temperatur abhängt, ist ein Temperaturfühler m vorhanden, der über eine Korrekturschaltung
h, g die Schallgeschwindigkeit zur Auswerteeinrichtung e weiterleitet. Die Messung
wird diskontinuierlich in einzelnen kurzen Schallintervallen durchgeführt. Dazu
wird von einem Trigger a ein Sendepulsgenerator b angeregt, welcher über einen Verstärker
c den Ultraschallsender erregt. Das empfangene Schall signal wird vom Empfänger
1 an einen Verstärker d und von dort an eine Auswerteschaltung e weitergegeben.
In dieser Auswerteschaltung wird die
Zeitdifferenz zwischen Sende-
und Empfangsimpuls gemessen und durch die temperaturkorrigierte Schallgeschwindigkeit
dividiert. Das Ergebnis wird in einem Anzeigegerät f angezeigt.
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Im Prinzip ist es nicht unbedingt nötig, für Sender und Empfänger
verschiede Ultraschallwandler zu benutzen. Es genügt auchlwenn das von der Oberfläche
reflektierte Signal von dem gleichen Ultraschallwandler aufgezeichnet wird, wobei
dann auch Korrekturen wegen des Abstandes von Sender und Empfänger nicht nötig sind.
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Insbesondere für diesen Fall werden anhand der Fig. 2 einige der auftretenden
Probleme erläutert. Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem Signalamplitude A gegen
die Zeit t aufgetragen ist. Zum Zeitpunkt t wird der Sender mit einer Frequenz 9
erregt. Die Sendeamplitude As nimmt nun während der Ausschwingzeit des Senders ab,
bis sie zum Zeitpunkt t1 nur noch die Größe des normalen Rauschens hat. Nach einer
Laufzeit T kommt dann zum Zeitpunkt t2 das Echo von der Oberfläche zurück und regt
den Ultraschallwandler zu einer Schwingung mit der Amplitude Ae an, welche in der
Zeit te ausschwingt. Je höher die Füllstandshöhe ist, desto schwächer wird das Echo
sein, so daß mit größer werdender Füllstandshöhe auch eine höhere Sendeleistung
eingestrahlt werden muß, damit das Echo noch größer als der vorhandene Rauschpegel
wird. Wenn andererseits die Füllstandshöhe sehr niedrig wird, so kommt das Echo
bereits zurück, wenn die Sendeschwingung noch nicht abgeklungen ist. Auch in diesem
Falle ist eine Messung von T schwierig, so daß eine möglichst kurze Ausschwingzeit
des Ultraschallwandlers wünschenswert wird. Eine weitere beachtenswerte Problematik
ergibt sich aus dem Auflösungsvermögen der Meßmethode. Das Auflösungsvermögen,
d.h.
die Füllstandsdifferenz, die das Gerät noch gerade feststellen kann, ist abhängig
von der Frequenz des eingestrahlten Schallsignals. Nach der Theorie kann das Auflösungsvermögen
nicht wesentlich größer als ein Viertel der Wellenlänge werden. Deshalb ist es wichtig,
daß mit einer'möglichst hohen-Frequenz gearbeitet werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein magnetostriktiver Ultraschallwandler,
der insbesondere zur Füllstandsmessunq in heißen und/oder aggressiven Flüssigkeiten
fur hohe und niedrige Füllstände und bei erheblichen Temperaturschwankungen geeignet
ist. Nach den vorhergehenden Erklärungen muß ein solcher Ultraschallwandler eine
große Sendeleistung haben, eine kurze Ausschwingzeit besitzen und in einer möglichst
hohen Frequenz schwingen können. Ein solcher Füllstandsmesser wird z.B. gebraucht
in einer natriumgekühlten Kernenergieanlage, d.h. unter einer heißen, aggressiven,
gegebenenfalls radioaktiven Flüssigkeit. Versuche mit Piezokristallen haben nicht
zu befriedigenden Ergebnissen geführt, da einerseits die eingestrahlte Sendeleistung
zu gering ist und andererseits die Lebensdauer und Temperaturbeständigkeit der Ultraschallwandler
Probleme bereitet.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein magnetostritiver Ultraschallwandler
nach dem Hauptanspruch vorgeschlagen.
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Durch die Kombination von mehreren Merkmalen und die besondere Ausgestaltung
entsteht ein Ultraschallwandler, der alle Anforderungen erfüllt. Zunächst wird der
magnetostriktive Körper aus dünnen, oxidierten Blechen hergestellt. Das Material
muß einen hohen Curie-Punkt und eine große magnetostriktive Konstante haben, wie
dies z.B. bei Kobalt-Eisen der Fall ist. Da die Dimensionen
des
magnetostriktiven Körpers für sehr hohe Resonanzfrequenzen besonders klein sind,
können solche Bleche vorzugsweise durch Ätzen hergestellt werden. Dieses Herstellungsverfahren
ermöglicht eine Miniaturisierung der Einzelschwinger und damit eine Erhöhung der
Resonanzfrequenz.
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Aus einer großen Anzahl von Einzelschwingern wird dann der ganze magnetostriktive
Körper aufgebaut, so daß er eine etwa quadratische Abstrahlfläche erhält. Auf diese
Abstrahl fläche kann nach einer Glättung eine dünne Membran aufgelötet werden, was
einen erheblichen Vorteil gegenüber den bekannten Ankopplungen von Ultraschallwandlern
an eine Flüssigkeit darstellt. Die temperaturbeständige, hartgelötete Verbindung
weist eine gute akustische Ankopplung an die Flüssigkeit auf und ist gegen Temperaturschwankungen
unempfindlich. Durch den Aufbau des magnetostriktiven Wandlers aus vielen Einzelschwingern
läßt sich eine beachtliche Richtwirkung erreichen, was für die Füllstandsmessung
besonders wichtig ist. Schon bei 30 ° Abweichung von der senkrechten Richtung zur
Abstrahloberfläche nimmt die Schallintensität um zwei Zehnerpotenzen ab. Wird der
magnetostriktive Körper in einem dichten, austenitischem Gehäuse untergebracht,
so ist er gegen Korrosion in aggressiven Medien geschützt. Um eine kurze Ausschwingzeit
zu erreichen, sollte der magnetostriktive Körper gut gedämpft sein. Daher wird vorgeschlagen,
den magnetostriktiven Körper durch die angelötete Membran zu haltern ohne andere
feste Verbindungen zu dem Gehäuse herzustellen. In der Kombination bewirken die
Merkmale des Anspruchs 1, daß der magnetostriktive Ultraschallwandler für die vorgesehene
Aufgabe geeignet ist. Durch die Miniaturisierung werden ungewöhnlich hohe Frequenzen
erreicht, die zwischen 200 KHz und 500 KHz liegen. Die Anordnung in einem aus vielen
Einzelstrahlern bestehenden
Areal und die dadurch erzielte Richtwirkung
ermöglichen in Verbindung mit der ohnehin hohen Sendeleistung von magnetostriktiven
Ultraschallwandlern eine Füllstandsmessung für Hohen weit über. 10 m bei einem Auflösungsvermögen
von weniger als 1 cm. Bei der kurzen Ausschwingzeit des Wandlers können auch Füllstände
von 20 cm noch gemessen werden. So wird eine leistungsfähige Füllstandsmessung mit
magnetostriktiven Wandlern für den Einsatz bei hohen Temperaturen und in aggressiven
Medien zum ersten Mal realisierbar.
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Im Anspruch 2 wird eine besondere Ausgestaltung des magnetostriktiven
Wandlers angegeben, welche insbesondere für die Ausprägung der Resonanzfrequenzen
des Wandlers von Bedeutung ist. Danach besteht die aufgelötete Membran aus Edelstahl
von einer Dicke, die klein gegenüber einer Viertelwellenlänge bei Resonanz des Wandlers
ist. Es hat sich gezeigt, daß erst bei Erfüllung dieser Bedingung sich die Membran
von niedrigen Frequenzen bis zur Resonanzfrequenz aperiodisch verhält und daß damit
auch die eigentliche esonanzfrequenz des Wandlers ausgestrahlt wird. Das Material
ist widerstandsfähig auch gegenüber aggressiven Medien und hoher Temperatur.
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Im Anspruch 3 wird eine Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen,
welche insbesondere im Hinblick auf die hohe Temperatur von Vorteil ist. Die Induktionswicklungen
des Wandlers bestehe aus keramikisolierten Leitern, welche zusätzlich noch mit Keramikmasse
vergossen sind. Auf diese Weise wird eine sichere Isolierung auch bei Temperaturen
um 7000 C gewährleistet.
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Da die Bleche, aus denen der magnetostriktive Körper
aufgebaut
ist, scharfe Kanten aufweisen, können die Induktionswicklungen an den Außenseiten
der Stege des magnetostriktiven Körpers über Keramikröhrchen geführt werden, wodurch
eine Verletzung an den scharfen Kanten vermieden wird.
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Im Anspruch 5 wird eine weitere Ausgestaltung des,magnetostriktiven
Körpers angegeben, welche ein Zusammenhalten der einzelnen Bleche ohne weitere Hilfskonstruktionen
ermöglicht. Danach werden die Bleche an den Seiten und/oder auf der Unterseite durch
Schweißnähte verbunden. Insbesondere durch ein Laserschweißgerät lassen sich die
winzigen Bleche problemlos zu einem kompakten Körper verbinden, ohne daß dabei die
Resonanzfrequenz und die die Wirbelstromverluste im Körper maßgeblich beeinflußt
werden.
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Da die Membran,an der der magnetostriktive Körper aufgehängt ist,
keine beliebig großen Drücke aufnehmen kann, wird im Anspruch 6 vorgeschlagen, den
magnetostriktiven Körper über einen Dämpfungskörper gegen die RückWand des Gehäuses
abzustützen. Ein so aufgebauter akustischer Wandler ist auch für die Verwendung
in unter Druck stehenden Flüssigkeiten geeignet, beispielsweise für einen Druckwasserreaktor.
Da man um die Resonanzfrequenz, die Abstrahlcharakteristik und die Ausschwingzeit
nicht zu verschlechtern, keine direkte Verbindung zum Gehäuse herstellen kann, muß
ein Dämpfungskörper als Verbindung dienen.
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Im Anspruch 7 wird eine mögliche Ausgestaltung des Dämpfungskörpers
beschrieben. Danach besteht der Dämpfungskörper aus mehreren Dämpfungsblechen, welche
beispiels-
weise auch aus Kobalt-Eisen hergestellt sein können,
wobei die Bleche gitterförmig aus Stegen aufgebaut sind.
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Dabei werden die Dämpfungsbleche vorzugsweise abwechselnd um 900 gedreht
aufeinandergelegt, so daß an den Kreuzungspunkten der Stege Auflagepunkte für den
magnetostriktiven Körper entstehen, ohne daß die akustische Leitfähigkeit des Dämpfungskörpers
ins Gewicht fällt.
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Im Anspruch 8 wird eine andere Möglichkeit zur Ausgestaltung des magnetostriktiven
Wandlers für Messung unter hohem Druck angegeben. Danach befindet sich im Gehäuse
eine nicht korrodierende und nicht leitende Flüssigkeit, für Druckwasserreaktoren
wäre beispielsweise Glyzerin geeignet, welche mittels Druckausgleichsvorrichtungen
etwa auf dem Außendruck gehalten wird. Soweit die Elastizität der Membran für den
Druckausgleich nicht ausreicht, könnte ein Faltenbalg oder eine weitere elastische
Membran vorgesehen werden. Die Ausgestaltung nach Aspruch 8 hat den Vorteil, daß
ganz auf einem Dämpfungskörper verzichtet werden kann, was in jedem Falle wünschenswert
ist.
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Weitere Erläuterungen und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sind
in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Füllstandsmesseinrichtung
mit Hilfe von Ultraschall, Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Signalbildes
bei der Füllstandsmessung mit nur einem Ultraschallwandler, Fig. 3 den prinzipiellen
Aufbau eines magnetostriktiven Einzelschwingers, Fig. 4 den Aufbau eines magnetostriktiven
Körpers gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 5 eins der Bleche, aus denen der
Dämpfungskörper aufgebaut wird,
Fig. 6 einen Längsschnitt durch
einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler und Fig. 7 einen Querschnitt durch eine
aus zwei erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern aufgebaute Füllstandsmeßsonde.
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Die in Fig. 1 dargestellte prinzipielle Meßanordnung bleibt auch für
die hier vorgeschlagenen magnetostriktiven Wandler bestehen. Bei Verwendung von
nur einem Wandler als Sender und Empfänger wird lediglich der Empfangsverstärker
d ebenfalls an den Sender angeschlossen. Eine Referenzmessung einer bekannten Strecke
im Meßraum unter den dort herrschenden Bedingungen oder eine Temperaturkorrektur
ist in jedem Falle nötig, da die Schallgeschwindigkeit nur bei bekannter Temperatur
und bekanntem Druck bestimmt werden kann.
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Das Signalbild in Abhängigkeit von der Zeit ist bereits in der Einleitung
erläutert worden.
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In Fig. 3 ist ein magnetostriktiver Einzelschwinger, wie er aus der
Literatur seit langem bekannt ist in einer Prinzipskizze dargestellt. Ein näherungsweise
hantelförmiger magnetostriktiver Körper 1 ist von einer Induktionsspule 2 umgeben.
Wird die Spule 2 von einem aus einerWechselstromquelle 4 kommenden Strom durchflossen,
so ändert der magnetostriktive Körper seine Länge im Takt der Quellenfrequenz und
beginnt zu schwingen. Dabei werden Schallwellen 5 abgestrahlt. Ein unsymmetrisch
verlängertes Ende 3 des magnetostriktiven Körpers, welches etwa um eine halbe Wellenlänge
länger ist als das andere Ende, bewirkt dort eine Auslöschung der Schallwellen durch
Interferrenz, so daß Schall nur nach der anderen Seite abgestrahlt wird.
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Durch Aufeinanderschichten und Aneinanderlegen von solchen Einzelschwingern
kann, wie theoretische Rechnungen zeigen, ein großer magnetostriktiver Körper von
gleicher
Eigenfrequenz aufgebaut werden Fig. 4 zeigt einen im Prinzip
aus vielen Einzelschwingern aufgebauten magnetostriktiven Körper 31. Eine Vielzahl
von Blechen 10, von denen jedes im Prinzip aus mehreren Einzelschwingern 11 besteht,
ist aufeinandergeschichtet und durch Schweißnähte 12, 13 verbunden. Auf diese Weise
entstehen durch Stege getrennte Tunnel 14 und eine den Schall mit einer bestimmten
Richtcharakteristik abstrahlende Oberfläche 15. Die Hauptabstrahlrichtung ist mit
einem Pfeil 16 gekennzeichnet.
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Zwischen den Stegen durch die Tunnel 14 hindurch sind die Induktionsspulen
17 gewickelt, und zwar so, daß jeder Einzelschwinger von der gleichen Windungsanzahl
umgeben ist. Zum Schutz der Induktionsspulen vor den scharfen-Kanten der Fläche
10 können Keramikröhrchen 18 zwischen Steg und Induktionsspule 17 geschoben werden.
Die Oberfläche 15 kann, gegebenenfalls nach einer Bearbeitung, mit einer Membrane
hart verlötet werden.
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Fig. 5 zeigt eins der Bleche 20, aus welchem ein Dämfpungskörper zur
Abstützung des magnetostriktiven Körpers an der Gehäuserückseite hergestellt wird.
Ein solches Blech, welches vorzugsweise ebenfalls aus Kobalt-Eisen durch Ätzen hergestellt
wird, besteht aus mehreren durch Zwischenräume 21 getrennten Stegen 22. Mehrere
kreuzweise aufeinandergelegte solche Bleche bilden einen Dämpfungskörper.
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In Fig. 6 ist ein Längsschnitt durch eineJn erfindungsgemäßen magnetostriktiven
Wandler dargestellt. An einer dünnen Edelstahlmembran 32 ist ein magnetostriktiver
Körper 31 aufgehängt, welcher gleichzeitig noch durch einen Dämpfungskörper 33 an
der Rückseite des den
Wandler umgebenden Gehäuses 30 abgestützt
sein kann.
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Die zwei Zuleitungen für die Induktionsspulen sind nicht dargestellt.
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In Fig. 7 wird im Querschnitt eine aus zwei magnetostriktiven Wandler
bestehende Füllstandsmeßsonde gezeigt. In einem gemeinsamen Gehäuse 30 befinden
sich zwei magnetostriktive Wandler nach Fig. 6. Die Zuleitungen werden sinnvollerweise
in mit dem Gehäuse 30 fest verlöteten Metallrohren 34 geführt. Die ganze Sonde ist
in einem Hüllrohr 35 untergebracht.
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Die hier beschriebene erfindungsgemäße Anordnung eignet sich zur Füllstandsmessung
in besonders schwierigen Fällen und ist als diversitäres Füllstandsmeßsystem insbesondere
auch für natriumgekühlte Kernenergieanlagen von Bedeutung.