DE4240719C1 - Ultraschall-Wandler mit Dämpfungskörper für hohe Arbeitstemperaturen - Google Patents

Ultraschall-Wandler mit Dämpfungskörper für hohe Arbeitstemperaturen

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Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Wandler mit einem Schwinger und einem daran akustisch gekoppelten Dämpfungs­ körper für den Einsatz bei einer hohen Arbeitstemperatur.
Ultraschall-Wandler dieser Art eignen sich besonders für den Einsatz in Ultraschall-Prüfköpfen, wie sie z. B. bei Wanddickenmessungen in Verzinkungskesseln, bei der volu­ metrischen Prüfung metallischer Bauteile in flüssigem Na­ trium oder bei anderen Werkstoffprüfungen in heißen Flüs­ sigkeiten verwendet werden.
In dem Buch "Werkstoffprüfung mit Ultraschall" von J. Krautkrämer und H. Krautkrämer, 5. Auflage, Springer Ver­ lag, Berlin 1986, insbesondere Kapitel 7 und 10.4, werden die Elemente, aus denen ein Ultraschall-Wandler aufgebaut ist, und ihre wesentlichen Eigenschaften und Anforderungen vorgestellt. Zu diesen Elementen zählen ein Schallgeber oder -empfänger, ein Dämpfungskörper, ein akustisches Kop­ pelmedium und Anschlußelektroden. Als Schallgeber bzw. -empfänger werden hauptsächlich mechanische Schwinger aus piezoelektrischen Substanzen verwendet. Schwinger dieser Art werden als Piezoelemente bezeichnet. In der Werkstoff­ prüfung mit Ultraschall spielen als Material für den Schwinger keramische Werkstoffe, insbesondere auf der Ba­ sis von Bariumtitanat oder Bleimetaniobat, eine herausra­ gende Rolle. Darüber hinaus kommen piezoelektrische Ein­ kristalle, insbesondere aus Lithiumniobat oder Lithiumtan­ talat, sowie Folien aus Kunststoffen wie Polyvinyliden­ fluorid (PVDF) zum Einsatz.
Die Auswahl des Materials und der Geometrie für den Schwin­ ger, insbesondere für das Piezoelement, erfolgt gemäß dem vorgesehenen Verwendungszweck. Je nach Anwendung ergeben sich hieraus Kriterien für die Kenngrößen des Schwingers, wie Kopplungsfaktor für Dicken- und Radialschwingungen, mechanische Güte, akustische Impedanz, Dielektrizitätszahl und Umwandlungstemperatur. Je nach Material des Schwingers ergeben sich daraus Anforderungen an die Kenngrößen des Dämpfungskörpers, wie akustische Impedanz und thermischer Ausdehnungskoeffizient. Der Dämpfungskörper wird mit der Rückseite des Schwingers in guten mechanischen Kontakt ge­ bracht. Der Kontakt zwischen dem Schwinger und dem Dämp­ fungskörper erfolgt über eine Koppelschicht, die z. B. ein Kleber-, Lot- oder Flüssigkeitsfilm ist. Die Koppelschicht kann dabei mehrere Lagen auch unterschiedlicher Koppelme­ dien aufweisen. In jedem Fall muß ein guter Schallübergang gewährleistet sein. Die Koppelschicht muß daher hinreichend dünn sein, so daß durch sie keine Reflexionen entstehen, die störend auf den Schwinger zurückwirken. Ist die aku­ stische Impedanz der Koppelschicht geringer als die des Schwingers, so spricht man von "schallweicher" Kopplung. Enthält die Koppelschicht hingegen z. B. eine dünne Folie (z. B. Gold) mit einer höheren akustischen Impedanz als der Schwinger, so spricht man von "schallharter" Kopplung.
Die akustische Impedanz Z eines Einkomponenten-Mediums ist bekannterweise als Produkt aus der Massendichte ϕ und der Schallgeschwindigkeit C, Z = ϕ C, definiert. Für ein Gemisch werden gemittelte Größen definiert:
ϕ = ΣϕiVi/V, C = ΣCiVi/V i = 1, 2,. . .
Darin sind V das gesamte Volumen des Gemisches, Vi die Teilvolumina der einzelnen Komponenten und ϕi die Massen­ dichten der einzelnen Komponenten. Stimmen die akustischen Impedanzen von Dämpfungskörper und Schwinger im wesentli­ chen überein, so geht die akustische Energie, die an der Rückseite des Schwingers austritt, weitgehend reflexions­ frei in den Dämpfungskörper über. Der Dämpfungskörper muß diese Energie möglichst vollständig absorbieren, um keine störenden Echos zu erzeugen. Je nach Güte des Dämpfungs­ körpers wird der Schwinger mehr oder weniger stark bedämpft und sein Ein- und Ausschwingverhalten bei Impulsanregung beeinflußt.
Ausgeprägte Dämpfungseigenschaften erhält man bei Dämpfungs­ körpern, die aus mehreren Komponenten mit stark unterschied­ lichen akustischen Eigenschaften aufgebaut sind. Über das Mischungsverhältnis und die Art eines Füllstoffs läßt sich die akustische Impedanz in weiten Grenzen einstellen. Bei niedrigen Temperaturen eignen sich Mischungen aus Gießhar­ zen und pulvrigen Füllstoffen wie z. B. Wolfram-Pulver am besten zur Herstellung von Dämpfungskörpern. Aufgrund der geringen Temperaturbeständigkeit der Gießharze liegen die Arbeitstemperaturen dieser Dämpfungskörper üblicherweise im Bereich von -20°C bis +60°C. Im oben erwähnten Buch fin­ den sich Hinweise auf die mögliche Verwendung von Sinterme­ tall als Material für den Dämpfungskörper bei höheren Ar­ beitstemperaturen.
In der europäischen Patentanmeldung EP 0 401 643 A2 wird ein Ultraschall-Prüfkopf erläutert, der in flüssigem Na­ trium bis zu einer maximal zulässigen Arbeitstemperatur von ca. 250°C einsetzbar ist. Bei diesem Prüfkopf besteht der Ultraschall-Wandler aus einem Piezoelement aus Blei­ metaniobat und einem Dämpfungskörper aus einem Zweikompo­ nentenzement. Aufgrund der niedrigen mechanischen Güte des Bleimetaniobats, d. h. einer großen inneren Dämpfung, brau­ chen die Dämpfungseigenschaften des Dämpfungskörpers nicht zu ausgeprägt zu sein. Zur Anpassung der akustischen Impe­ danz des Dämpfungskörpers an diejenige des Piezoelements enthält der Zweikomponentenzement beispielsweise bestimmte Anteile von Wolfram-Pulver (10-40%) oder Schamotte-Mehl (10-30%). Als Koppelmedium, das eine gute akustische Kopplung des Dämpfungskörpers an das Piezoelement bewirkt, findet ein flüssiger oder pastenförmiger Stoff, z. B. auf der Basis von Silikon, Anwendung. Aufgrund der niedrigen Umwandlungstemperatur des Bleimetaniobates und der chemi­ schen Unbeständigkeit des Koppelmediums können die Eigen­ schaften des Wandlers bei Temperaturen oberhalb der maxi­ mal zulässigen Arbeitstemperatur beeinträchtigt werden, so daß bei solchen hohen Temperaturen der Wandler nicht mehr einsetzbar ist.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 459 431 A2 behandelt einen Ultraschall-Prüfkopf für Messungen bis 450°C. Der darin verwendete Ultraschall-Wandler setzt sich aus einem Piezoelement und einem Dämpfungskörper zusammen. Als piezo­ elektrisches Material wird Lithiumniobat (LiNbO3) verwen­ det. Daran wird schallhart ein Dämpfungskörper aus Sinter­ metall, Keramik (Al2O3) oder einem Bündel paralleler Dräh­ te, die in einer Stahlhülse eingeschlossen sind, akustisch angekoppelt. Die akustische Ankopplung erfolgt über eine Goldfolie, die auf beiden Seiten mit einer Glasschicht ver­ sehen ist. Die Glasschichten enthalten ein Glas aus Na2O, Li2O und P2O5, das bei der Meßtemperatur flüssig ist und im festen Zustand einen ähnlichen thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten wie das piezoelektrische Material besitzt. Das Glas enthält dabei, jeweils in Molprozenten angegeben, Na2O und Li2O zu jeweils etwa 25% und P2O3 zu etwa 50%. Die Kombination aus der schallharten Schicht (Goldfolie) und der bei der Arbeitstemperatur schallweichen Schicht (geschmolzenes Glas) bewirkt eine Verbesserung der Sende- und Empfangseigenschaften. Die maximal erreichbare Bedämp­ fung wird dabei durch die Dämpfungseigenschaften der fest­ stoffartigen Komponenten des Dämpfungskörpers begrenzt. Bei dem feststoffartigen Dämpfungskörper treten allerdings störende Reflexe und Streuungen auf. Diese entstehen durch Reflexion der Schallwellen an Grenzflächen und durch Streu­ ung der Schallwellen an Streuzentren im Dämpfungskörper. In feststoffartigen Dämpfungskörpern besteht zudem die Mög­ lichkeit, daß Transversalschwingungen erzeugt werden, die störend auf den Schwinger, insbesondere das Piezoelement, zurückwirken.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Ultraschall- Wandlers für den Einsatz bei einer hohen Arbeitstemperatur mit einem Schwinger und einem daran akustisch gekoppelten Dämpfungskörper, wobei der Dämpfungskörper verbesserte Dämpfungseigenschaften aufweist, insbesondere dadurch, daß Reflexionen, die die Funktion des Ultraschall-Wandlers be­ einträchtigen, weitgehend vermieden sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Ultra­ schall-Wandler zur Verwendung bei einer hohen Arbeitstem­ peratur angegeben mit einem Schwinger und einem daran aku­ stisch gekoppelten Dämpfungskörper, welcher ein Gemisch aus verschiedenen Komponenten aufweist, wobei bei der Ar­ beitstemperatur eine erste Komponente im flüssigen Zustand vorliegt und eine zweite Komponente fest ist, und wobei das Gemisch von einer Hülle umschlossen ist.
Als flüssig werden im Sinne der Erfindung u. a. auch zäh­ flüssige oder pastenartige Materialien verstanden. Vorteil­ hafte Merkmale der ersten Komponente, die sich in einem flüssigen Zustand befindet, bestehen z. B. darin, daß
  • a) die akustische Impedanz geringer als die des Schwingers ist,
  • b) hauptsächlich nur Longitudinalwellen übertragen werden. Dadurch treten im Dämpfungskörper so gut wie keine stören­ den Reflexionen auf, die durch Transversalwellen erzeugt werden.
Vorteilhafterweise besitzt die zweite, feste Komponente des Gemisches eine größere akustische Impedanz als der Schwin­ ger, die bei der Arbeitstemperatur flüssige Komponente des Gemisches hingegen eine kleinere akustische Impedanz als der Schwinger. Durch Wahl des Massenverhältnisses der Kom­ ponenten des Gemisches ist die akustische Impedanz des Ge­ misches in weiten Grenzen einstellbar, insbesondere kann die akustische Impedanz des Gemisches an diejenige des Schwingers angepaßt werden. Man kann somit für jede vorge­ gebene Arbeitstemperatur, insbesondere in einem Tempera­ turbereich von etwa 250°C bis etwa 500°C, eine besonders gute Bedämpfung erzielen.
Die Komponenten des Gemisches weisen dabei günstigerweise die folgenden Eigenschaften auf:
  • a) Die Komponenten bilden ein im wesentlichen homogenes Gemisch, d. h. die zweite Komponente ist weitgehend gleichmäßig in der ersten Komponente verteilt, damit im Dämpfungskörper gleichmäßig gute Dämpfungseigenschaf­ ten und eine im wesentlichen räumlich konstante akusti­ sche Impedanz vorliegen.
  • b) Bei der Arbeitstemperatur benetzt die flüssige Komponen­ te die feste Komponente gut, damit eine gute akustische Kopplung der beiden Komponenten gewährleistet ist.
  • c) Im Temperaturbereich bis einschließlich der Arbeitstem­ peratur bleibt die Reaktionsfähigkeit der Komponenten des Gemisches untereinander sowie mit den das Gemisch umgebenden Materialien eingeschränkt, insbesondere sol­ len die Komponenten des Gemisches nicht zur Legierungs­ bildung miteinander neigen, damit die Dämpfungseigen­ schaften des Dämpfungskörpers zeitlich und räumlich konstant gut bleiben.
  • d) Die Komponenten des Gemisches weisen bei der Arbeits­ temperatur ein stabiles Langzeitverhalten auf.
Diese Eigenschaften, insbesondere die Benetzung der festen Komponente, tragen dazu bei, daß weitgehend Reflexionen vermieden werden, die störend auf den Schwinger zurückwir­ ken. Die sich in der flüssigen Komponente ausbreitenden Schallwellen werden an der festen Komponente mehrfach ge­ streut, was zu einer verstärkten Absorption der Schallener­ gie führt. Die Reaktionsträgheit der Komponenten des Gemi­ sches trägt dazu bei, daß die Wirkung der Partikel der fe­ sten Komponente als Streuzentren über einen langen Zeit­ raum, insbesondere bei hohen Arbeitstemperaturen, erhalten bleibt und damit die weitgehend vollständige Absorption der Schallenergie gewährleistet ist. Reflexionen an Grenz­ schichten im Dämpfungskörper, die auf den Schwinger stö­ rend zurückwirken, werden somit größtenteils vermieden.
Günstigerweise wird die zweite Komponente (feste Komponen­ te) des Gemisches in feinkörniger oder pulvriger Form vor­ liegen. Besonders bewährt haben sich dabei Pulver aus Me­ tallen, insbesondere Wolfram. Die Korngröße der Partikel der zweiten Komponente, insbesondere der Wolframpartikel, liegt günstigerweise zwischen 3 pm und 6 pm. Bei Partikeln dieser Ausdehnung erfolgt nicht nur eine gute Streuung der Schallwellen, sondern es läßt sich auch ein weitgehend ho­ mogenes Gemisch aus der festen und der bei der Arbeitstem­ peratur flüssigen Komponente erreichen.
Als besonders vorteilhaft für die erste Komponente des Ge­ misches erweist sich ein Glaslot aus Natriumoxid (Na2O), Lithiumoxid (Li2O) und Phosphoroxid (P2O5), welches bei der Arbeitstemperatur geschmolzen ist und welches günsti­ gerweise, jeweils in Molprozenten angegeben, Na2O und Li2O zu jeweils etwa 25% und P2O5 zu etwa 50% enthält. Die Schmelztemperatur dieses Glaslotes liegt bei ungefähr 250°C.
Für den Schwinger eignet sich besonders ein Piezoelement aus Lithiumniobat (LiNbO3) aufgrund der hohen Umwandlungs­ temperatur von ungefähr 1000°C, die eine Arbeitstemperatur bis über 500°C erlaubt.
Eine Anpassung der akustischen Impedanz eines Dämpfungs­ körpers, der als erste Komponente Glas und als zweite Komponente Wolfram enthält, an die eines Piezoelementes aus LiNbO3 erfolgt über die Wahl des Massenverhältnisses der Komponenten des Dämpfungskörpers. Besonders günstig ist beispielsweise in einem Temperaturbereich von etwa 300°C bis etwa 350°C ein Massenverhältnis der Masse des Glases zu der Masse des Wolframpulvers in der Größenord­ nung von 0,27. Der Temperaturbereich für den Einsatz eines Wandlers dieser Art reicht von etwa 250°C bis etwa 500°C.
Die Hülle, welche das Gemisch umgibt, wird vorteilhafter­ weise als ein elastischer Balg, insbesondere aus Stahl, realisiert. Der Stahl muß sich gegenüber dem Gemisch reak­ tionsträge verhalten und oxidationsbeständig sein. Denn bei hoher Temperatur besteht die Möglichkeit, daß insbe­ sondere das Material des Schwingers, z. B. das Lithiumnio­ bat, Sauerstoff abgibt. Der elastische Balg gewährleistet, daß das Gemisch sich beim Aufheizen von der Umgebungstem­ peratur zur Arbeitstemperatur oder beim Abkühlen von der Arbeitstemperatur zur Umgebungstemperatur entsprechend ausdehnen kann, wodurch thermische Spannungen im Wandler­ element reduziert werden. Dies ist insbesondere vorteil­ haft, wenn die erste, bei der Arbeitstemperatur flüssige Komponente beim Aufheizen schmilzt und beim Abkühlen er­ starrt.
Aufgrund der im allgemeinen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gemisches und des Schwingers ist es unter Umständen günstig, eine Zwischenschicht ein­ zufügen, die die thermischen Spannungen abbaut. Diese Zwi­ schenschicht besitzt günstigerweise einen ähnlichen ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten sowie eine ähnliche aku­ stische Impedanz wie der Schwinger. Als Materialien für die Zwischenschicht eignen sich unter anderem Aluminium­ oxid, Palladium, Silber, Messing oder Grauguß. Zur Aufnah­ me und zum Abbau der vorwiegend von dem Gemisch hervorge­ rufenen thermischen Spannungen wird die Zwischenschicht an ihrer einen Seite mit dem Gemisch und mit ihrer anderen Seite mit dem Schwinger in mechanischen Kontakt gebracht. Sie liegt somit räumlich zwischen dem Gemisch und dem Schwinger. Die akustische Kopplung der Zwischenschicht an den Schwinger kann über eine Goldfolie erfolgen, die in ein Glaslot eingebettet ist, das ebenfalls bei der Arbeits­ temperatur flüssig ist. Das Glaslot und die darin eingebet­ tete Goldfolie weisen zusammen eine Schichtdicke auf, die günstigerweise kleiner ist als ein Viertel der Wellenlänge der von dem Schwinger erzeugten Schallwellen, wodurch ein nahezu reflexionsfreier Schallübergang aus dem Schwinger in die Zwischenschicht ermöglicht ist. Die Goldfolie weist dabei ein chemisch neutrales Verhalten gegenüber dem Glas­ lot auf, was eine gute akustische Kopplung auch über einen langen Zeitraum gewährleistet. Darüber hinaus trägt die Goldfolie durch eine gute plastische Verformbarkeit zu ei­ nem Abbau der thermischen Spannungen bei und kann als elek­ trischer Anschluß dienen.
Eine Verwendung eines Ultraschall-Wandlers, der wie oben beschrieben einen Dämpfungskörper aus einem Gemisch, eine Hülle und eine akustisch an den Schwinger gekoppelte Zwi­ schenschicht aufweist, ist besonders bei einer hohen Ar­ beitstemperatur in einem Tempe­ raturbereich von etwa 250°C bis etwa 500°C vorteilhaft, da bei der Ar­ beitstemperatur der Dämpfungskörper sehr gute Dämpfungsei­ genschaften aufweist und die akustischen Impedanzen des Schwingers und des Dämpfungskörpers aufeinander abstimmbar sind.
Hohe Arbeitstemperaturen treten bei der Werkstoffprüfung in heißen Flüssigkeiten, insbesondere in Flüssigmetallen, beispielsweise in Wärmeübertragungssystemen, auf. Daher ist eine Verwendung eines Ultraschall-Wandlers der oben beschriebenen Art in diesen Fällen besonders günstig.
Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Be­ standteile des Ultraschall-Wandlers dargestellt sind. Auf den Schwinger 1, ein kreiszylindrisches Piezoelement aus Lithiumniobat, ist der Dämpfungskörper aufgesetzt. Dieser Dämpfungskörper weist eine Zwischenschicht 3, einen ela­ stischen Balg 2 und das Gemisch 6 auf.
Die Zwischenschicht 3 fängt die thermischen Spannungen auf, die beim Erstarren des Gemisches 6 auftreten. Dadurch wird die mechanische Belastung des Schwingers 1 gering gehalten. Zum Schwinger 1 hin besitzt der Balg 2 einen kreiszylindrischen Flansch 7 und ist nach oben hin durch eine Platte 8 abgeschlossen. Zur akustischen Ankopplung der Zwischenschicht 3 an den Schwinger 1 wird eine Gold­ folie 5, die von beiden Seiten mit Glaslot 4 umgeben ist, räumlich zwischen den Schwinger 1 und die Zwischenschicht 3 eingefügt.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile resultieren insbesondere daraus, daß bei der Arbeitstemperatur eine Komponente des Dämpfungskörpers in flüssigem Zustand vor­ liegt. Im Dämpfungskörper breiten sich daher fast aus­ schließlich Longitudinalwellen aus, und störende Reflexio­ nen, wie sie bei einem feststoffartigen Dämpfungskörper auftreten, werden vermieden. Zudem ist durch eine weitge­ hend vollständige Benetzung der feststoffartigen Komponen­ te mit der flüssigen Komponente eine besonders gute aku­ stische Kopplung erhältlich, so daß insgesamt wesentlich verbesserte Dämpfungseigenschaften erzielt werden.

Claims (18)

1. Ultraschall-Wandler zur Verwendung bei einer hohen Arbeitstemperatur, mit einem Schwinger (1) und einem daran akustisch gekoppelten Dämpfungskörper (2, 3, 6, 7, 8), dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungskörper (2, 3, 6, 7, 8) ein Gemisch (6) aus mehreren Komponenten aufweist, wobei bei der Arbeitstem­ peratur eine erste Komponente im flüssigen Zustand vor­ liegt und eine zweite Komponente fest ist, und wobei das Gemisch (6) von einer Hülle (2, 3, 7, 8) umschlossen ist.
2. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch im wesentlichen homogen ist.
3. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten des Gemisches (6) in einem Massenver­ hältnis vorliegen, durch das die akustische Impedanz des Gemisches (6) an die akustische Impedanz des Schwingers (1) angepaßt ist.
4. Ultraschall-Wandler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Arbeitstemperatur die flüssige Komponente des Gemisches (6) die feste Komponente des Gemisches (6) gut benetzt.
5. Ultraschall-Wandler nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Temperaturbereich bis einschließlich der Arbeitstem­ peratur die Komponenten des Gemisches (6) untereinander sowie mit den Materialien der Hülle (2, 3, 7, 8) im wesent­ lichen nicht chemisch reagieren.
6. Ultraschall-Wandler nach einem der vorgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Komponente des Gemisches (6) Wolfram-Pulver ist.
7. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wolfram-Pulver aus Partikeln mit einem Korndurch­ messer von 3-6 pm zusammengesetzt ist.
8. Ultraschall-Wandler nach einem der vorgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet daß die erste Komponente des Gemisches (6) ein Glaslot ist.
9. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaslot aus den Oxiden Na2O, Li2O und P2O5 herge­ stellt ist.
10. Ultraschall-Wandler nach einem der vorgehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (1) ein Piezoelement aus LiNbO3 ist.
11. Ultraschall-Wandler nach einem der vorgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (2, 3, 7, 8) einen elastischen Balg (2) aufweist.
12. Ultraschall-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (2, 3, 7, 8) eine Zwischenschicht (3) aufweist, die akustisch an den Schwinger (1) angepaßt und räumlich zwischen dem Schwinger (1) und dem Gemisch (6) angeordnet ist.
13. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) Aluminiumoxid, Palladium, Sil­ ber, Messing oder Grauguß enthält.
14. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (2) aus einem Stahl gefertigt ist, welcher sich gegenüber dem Gemisch (6) reaktionsträge verhält und oxidationsbeständig ist.
15. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine in einem Glaslot (4) eingebettete Gold­ folie (3) zwischen dem Schwinger (1) und der Zwischenschicht (3) angeordnet ist.
16. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldfolie (5) als elektrischer Anschluß dient.
17. Verwendung eines Ultraschall-Wandlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Temperaturbereich der Arbeitstemperatur von 250°C bis 500°C.
18. Verwendung eines Ultraschall-Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Werkstoffprüfung in einem Flüssig­ metall.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2006033281A1 (ja) * 2004-09-24 2008-05-15 株式会社東芝 超音波プローブ

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0401643A2 (de) * 1989-06-07 1990-12-12 Siemens Aktiengesellschaft Ultraschall-Prüfkopf
EP0459431A2 (de) * 1990-05-31 1991-12-04 Hilgers AG Ultraschall-Heissprüfkopf

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3925692A (en) * 1974-06-13 1975-12-09 Westinghouse Electric Corp Replaceable element ultrasonic flowmeter transducer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0401643A2 (de) * 1989-06-07 1990-12-12 Siemens Aktiengesellschaft Ultraschall-Prüfkopf
EP0459431A2 (de) * 1990-05-31 1991-12-04 Hilgers AG Ultraschall-Heissprüfkopf

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KRAUTKRÄMER, J. u. H.: Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 5. Aufl., Berlin: Springer 1986, Kap. 7 u. 10.4 *

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