DE3207305C2 - Magnetostriktiver Ultraschallwandler, insbesondere zur Füllstandsmessung in heißen Flüssigkeiten - Google Patents

Description

8. Magnetostriktiver Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1—5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

Im Gehäuse (30) befindet sich eine nicht korrodierende, nicht leitende Flüssigkeit Die Flüssigkeit wird mittels Druckausgleichsvorrichtung etwa auf Außendruck gehalten.

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 In der gleichen Zeitschrift Volumen 20, No.5, September 1948, Seite 6i6ff. ist es auch bekannt, solche magnetostriktiven Körper aus geschichteten 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 Körpiers 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 Resonanzfrequenzen) dort eine Auslöschung durch Interferenz stattfindet

Aus der DE-OS 2414 936 ist auch schon ein elektroakustischer Wandler mit magnetostriktiven Elementen für A'<i 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.

Aus der DE-AS 10 58 410 ist außerdem schon ein magnetostriktiver Ultraschallwandler bekannt, der ein aus mehreren Einzelschwingern bestehendes Areal aufweist, wobei die Einzelschwinger aus dünnen Blechen geschicUet und in ein?™ dichten Gehäuse untergebracht sind, wobei sie an einer Membran befestigt sind. Diese Anordnung ist allerdings nur für relativ niedrige Ultraschallfrequenzen geeignet und die Herstellung und Plazierung der verschieden empfindlichen Einzelschwinger ist verhältnismäßig aufwendig. Eine Miniaturisierung dieser Anordnung zur Erzielung hoher Frequenzen, beispielsweise für eine präzise Füllstandsmessung, stößt auf fertigungstechnische Schwierigkeiten.

In der Technik stellt sich oft die Aufgabe, den Füllstand 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 ^ig. . :päter näher erläuterten Prinzip, bereits durchgeführt. Die dabei verwendeten

piezoelektrischen Ultraschallwandler sind jedoch nicht, in allen Fällen anzuwenden.

Im folgenden seien anhand der F i g. 1 und der F i g. 2 der Zeichnung Prinzip und Probleme einer Ultraschall-Füllstandsmessung näher erläutert.

In F i g. 1 wird das Meßprinzip bei einer Ultraschall-Füllstandsmessung schematisch dargestellt Von einem Schallsender k wird ein Schallsignal gerichtet zur Flüssigkeitsoberfläche ο gesendet. Der reflektierte Schall wird von e'mem Empfänger 1 aufgefangen und die n> 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 Schallsignal wird vom Empfänger ί an einen Verstärker α 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

Im Prinzip ist es nicht unbedingt nötig, für Sender und Empfänger verschiedene Ultraschallwandler zu benut- Jo zen. Es genügt auch, wenn 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. Insbesondere für diesen Fall werden anhand der F i g. 2 einige der auftretenden Probleme erläutert Die F i g. 2 zeigt ein Diagramm, in dem Signalamplitude A gegen die Zeit t aufgetragen ist -Zum Zeitpunkt t_o wird der Sender mit einer Frequenz $ erregt Die Sendeamplitude A_% nimmt nun während der Ausschwingzeit des Senders τ, ab, bis sie zum Zeitpunkt u nur noch die Größe des normalen Rauschens hat Nach einer Laufzeit Tkommt dann zum Zeitpunkt f₂ das Echo von der Oberfläche zurück und regt den Ultraschallwandler zu einer Schwingung mit der Amptliude A_c an, welche in der Zeit x_e 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 Γ schwierig, so daß eine möglichst kurz« 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.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein magnetostriktiver Ultraschallwandler, der insbesondere zur Füllstandsmessung in heißen und/oder aggressiven , Flüssigkeiten für 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 anderen seits die Lebensdauer und Temperaturbeständigkeit der Ultraschallwanc".er Probleme bereitet

Zur Lösung der Aufgabe wird ein magnetostriktiver Ultraschallwandler nach dem Hauptanspruch vorgeschlagen. 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 Ma'jjrial muß einen hohen Curie-Punkt und eine große rnagmetostriktive 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. Aus einer großen Anzahl von Einzelschwingern v-'ird dann der ganze magnetostriktive Körper aufgebaut, so daß er eine etwa quadratische Abstrahifläche erhält Auf diese Abstrahlfläche 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 unempfiroHich. Durch den Aufbau des magnetostriktiven Wandlers aus vielen Einzelschwingern läßt sich eine beachtliche Richttvirkung erreichen, was für die Füllstandsmessung besonders wichtig ist Schon bei 30° Abweichung von der senkrechten Richtung zur Absirahloberfläche nimmt die Schallintensität um zwei Zehnsrpotenzen 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 Kombif -Hion bewirken die Merkamle 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 Ultraschalhvandlern eine Füllstandsmessung für Höhen 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.

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 Resonanzfrequenz des Wandlers ausgestrahlt wird. Das Material ist widerstandsfähig auch gegenüber aggressiven Medien und hoher Temperatur.

Im Anspruch 3 wird eine Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, welche insbesondere im Hinblick auf die hohe Temperatur von Vorteil ist. Die Induktionswicklungen des Wandlers bestehen aus keramikisoüerten Leitern, welche zusätzlich noch mit Keramikmase vergossen sind. Auf diese Weise wird eine sichere Isolierung auch bei Temperaturen um 700°C gewährleistet.

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.

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.

Da die Membran, an der der magnetostriktive Körper aufgehängt ist, keine beliebig große 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.

Im Anspruch 7 wird eine mögliche Ausgestaltung des Dämpfungskörpers beschrieben. Danach besteht der Dämpfungskörper aus mehreren Dämpfungsblechen, welche beispielsweise auch aus Kobalt-Eisen hergestellt sein können, wobei die Bleche gitterförmig aus Stegen aufgebaut sind. Dabei werden die Dämpfungsbleche vorzugsweise abwechselnd um 90° 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

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 Anspruch 8 hat den Vorteil, daß ganz auf einem Dämpfungskörper verzichtet werden kann, was in jedem Falle wünschenswert ist.

ίο Weitere Erläuterungen und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Füllstandsmeßeinrichtung mit Hilfe von Ultraschall,

Fig.2 ein Diagramm zur Veranschaiilichung des Signalbildes bei der Füllstandsmessung mit nur einem Ultraschallwandler,

F i g. 3 den prinzipiellen Aufbau eines magnetostriktiven Einzeischwingers.

F i g. 4 den Aufbau eines magneiosiriktivcn Körpers gemäß der vorliegenden Erfindung,

F i g. 5 eins der Bleche, aus denen der Dämpfungskörper aufgebaut wird,

F i g. 6 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler und

F i g. 7 einen Querschnitt durch eine aus zwei erfindungsgemäßen Ultraschallwandlern aufgebaute Fülistandsmeßsonde.

Die in F i g. 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 bekannserr. Druck bestimmt werden kann.

Das Signalbild in Abhängigkeit von der Zeit ist bereits Ό in der Einleitung c. läutert worden.

In Fig.3 ist ein magnetostriktiver Einzelschwinger, wie er aus der Literatur seit langem bekannt ist in einer Prinzipskizze dargestellt. Ein näherungsweise hanteiförmiger magnetostriktiver Körper 1 ist von e ner ♦5 Induktionsspule 2 umgeben. Wird die Spule 2 von einem aus einer Wechselstromquelle 4 kommenden Strom durchflossen, so ändert der magnetostriktive Körper seine Länge im Takt der Quellenfrequenz und beginnt zu schwingen. Dabei werden Schall .eilen 5 abgestrahlt so 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 Interferenz, so daß Schall nur nach der anderen Seite abgestrahlt wird. Durch Aufeinanderschichten und Aneinanderlegen von solchen Einzelschwingern kann, wie theoretische Rechnungen zeigen, ein großer magnetostriktiver Körper von gleicher Eigenfrequenz aufgebaut werden.

F i g. 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 Schal! mit einer bestimmten Richtcharakteristik abstrahlende Oberfläche 15. Die Hauptabstrahlrichtung ^;3t mii ..inem Pfeil 16 gekennzeichnet 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 Membran hart verlötet werden.

F i g. j zeigt eins der Bleche 20, aus welchem ein Dämpfungskörper 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 krei weise aufeinandergelegte solche Bleche bilden einen Dämpfungskörper.

In F i g. 6 ist ein 1 .ängsschnitt durch einen erfindungsgemäßen magnete striktiven Wandler dargestellt. An einer dünnen Ede Stahlmembran 32 ist ein magneto-

striktiver Körper 31 aufgehängt, welcher gleichzeitig noch durch einen Dämpfungskörper 33 an der Rückseite des den Wandler umgebenden Gehäuses 30 abgestützt sein kann. Die zwei Zuleitungen für die Induktionsspulen sind nicht dargestellt.

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 F i g. 6. Die Zuleitungen werden sinnvollerweise in mit dem Gehäuse 30 fest verlöteten Metallrohren 34 geführt. Die ganze Sonde ist in einem Hüllrohr 35 untergebracht.

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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche: , ;

1. Magnetostriktiver Ultraschallwandler mit einem aus mehreren Einzelschwingern (11) bestehen- den als Areal ausgebildeten magnetostriktiven Körper (31), welcher aus dünnen Blechen (10) geschichtet und in einem dichten Gehäuse (30) untergebracht ist, wobei der magnetostriktive Körper an einer Membran befestigt ist, g e k e η η - ίο zeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Die Dimensionen des magnetostriktiven Körpers sind für Resonanzfrequenzen von 200 KHz oder höher ausgelegt

b) Der magnetostriktive Körper (31) besteht aus dünnen, oxidierten, vorzugsweise durch Ätzen hergestellten Blechen (10) aus Material mit hohen Curie-Punkt und großer magnetostrikti- M ver Konstante, z. B. Kobalt-Eisen.

c) Der magnetostriktive Körper (31) hat eine etwa quadratische Abstrahlfläche (15), auf welche eine dünne Membran (32) derart aufgelötet ist, wobei der magnetostriktive Körper durch die Membran (32) in dem Gehäuse (30) gehaltert ist.

2. Magnetostriktiver Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

30

a) Die Membran (32) besteht aus Edelstahl.

b) Die Dicke der Membran (32) ist klein gegenüber einer Viertelwehenlängc bei Resonanzfrequenz.

3. Magnetostriktiver Wana.-r nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die Induktionswicklungen (17) des Wandlers bestehen aus keramikisolierten Leitern.

b) Die Induktionswicklungen (71) sind mit Kera- « mikmasse vergossen.

4. Magnetostriktiver Wandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

a) Die Induktionswicklungen (17) werden an den Außenseiten der Stege des magnetostriktiven Körpers (31) über Keramikröhrchen (18) geführt

45

50

5. Magnetostriktiver Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

a) Die Bleche (10) des magnetostriktiven Körpers (31) sind durch Schweißnähte (12, 13) an den Seiten und/oder auf der Unterseite verbunden.

6. Magnetostriktiver Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: «

a) Der magnetostriktive Körper (31) ist auf der Unterseite über einen Dämpfungskörper (33) gegen die Rückwand des Gehäuses (30) abgestützt.

7. Magnetostriktiver Wandler nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Der Dämpfungskörper (33) besteht aus mehreren Dämpfungsblechen (20), die gitterfiirmig aus Stegen (22) aufgebaut sind.

b) Die Dämpfungsbleche (20) sind abwechselnd um 90° gedreht angeordnet