DE7324381U - Elektroakustischer Wandler mit einem magnetostriktlven Element - Google Patents

Description

7.3.1975

Go/Di

24.226.9

INTERATOM

Internationale Atomreaktorbau GmbH 506 Bensberg

Elektroakustischer Wandler mit einem magnetostriktiven Element

Es ist bekannt, die Erscheinung der Magnetostriktion in der Weise auszunutzen, daß ein Stab aus einem ferromagnetischen Stoff, z.B. ein Nicke is tab, durch eine den Stab umgebende, von Wechselstrom durchflossene Spule in seiner longitudinalen Eigenschwingung erregt werden kann. Derartige Schallgeber werden, als magnetostriktive Schallsender bezeichnet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektroakustischen Wandler, insbesondere einen Aufnehmer für Körper- bzw. Flüssigkeitsschall, zu schaffen, der geringe Abmessungen aufweist, einfach und robust ist, bei hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden kann und dennoch kleine Schalldrücke erfaßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der ferromagnetische Körper des magnetostriktiven Elementes einen Längsschlitz aufweist und auf die beiden Schenkel, deren Enden miteinander verbunden sind, zwei Wicklungen aufgebracht sind mit entgegengesetzter Wicklungsrichtung. Das bedeutet, daß die beiden Wicklungen derart hintereinandergeschaltet sind, daß die bei einer in Längsrichtung der beiden Schenkel wirkenden Kraft entstehenden Spannungen sich addieren. Der Wandler besteht demgemäß abgesehen vom Gehäuse nur aus zwei robusten Teilen: einem massiven, geschlitzten ferromagnetischen Kern und einer elektrischen Leitung, di„· mit Metall ummantelt und mit Magnesiumoxyd isoliert sein kann. Es sind keine

kritischen Stellen vorhanden, wie etwa kleine Luftspalte U oder Verbindungsstellen und Durchführungen von elektri- ^ sehen Leitungen. Der massive Kern kann in einem Rohr untergebracht werden, auf dessen Boden er befestigt, z.B. angelötet, ist.

Der neue Wandler arbeitet «ach dem Prinzip, das sich aus der Umkehrung der Magnetostriktion ableitet und nach dem Stoffe, die eine positive Magnetostriktion zeigen, ihre Permeabilität unter der Einwirkung eines Längszuges vergrößern. Aufgrund dieses Permeabilitätsanstieges wird in einer auf einem Kern aufgebrachten Wicklung eine Spannung induziert, sofern der Kern magnetisiert ist. Die Form des Kernes ist so gewählt, daß der magnetische Kreis keinen Luftspalt aufweist und daher optimal ausgenutzt werden kann.

Vorteilhaft besteht der Kern aus Kobalteisen, da dieses eine hohe Sättigungs-Magnetostriktion und eine hohe Curietemperatur aufweist. Außerdem ist Kobalteisen gegen radioaktive Strahlung weitgehend beständig.

Da der Wandler direkt in die Flüssigkeit eingetaucht werden kann, ergibt sich eine gute Kopplung mit der Flüssigkeit, die besser ist, als wenn die Schallenergie über einen Koppelstab übertragen wird. Außerdem wird durch das Eintauchen der Körperschall der Behälterwände unterdrückt.

Der Wandler kann zum Nachweis von Siedegeräuschen in Flüssigkeiten, z.B. Natrium, in der Weise eingesetzt werden, daß er unmittelbar in die Flüssigkeit getaucht und das Meßsignal ausgewertet wird. Es ist aber auch möglich, Gas oder Dampfblasen in Flüssigkeiten dadurch nachzuweisen, daß durch die Flüssigkeit Schallwellen geleitet werden und die Absorption der Schallwellen gemessen wird» Hierzu wird nach einer Weiterbildung der Erfindung ein erster Wandler als Erreger und ein zweiter V/andler als Schallaufnehmer in die Flüssigkeit getaucht oder auf das die Flüssigkeit enthaltende Gefäß auf-

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gesetzt. Mindestens ein Wandler kann dabei von der oben beschriebenen Art sein. Der beschriebene Wandler kann nämlich nicht nur als Schallaufnehmer, sondern auch als Schallerreger arbeiten.

Die Absorptionsmessung zum Nachweis von Gas- und Dampfbiaser. in Flüssigkeiten kann auch mit einem einziger. Wandler durchgeführt werden. Hierzu wird der Wandler zunächst mit einem kurzen kräftigen Impuls erregt und die Ausschwingzeit des Wandlers, das ist die Abklingzeit seiner Ausgangsspannung, gemessen. Durch Gas- oder Dampfblasen in der Nähe des Wandlers wird nämlich der Ausschwingvorgang verändert, so daß die Ausschwingzeit ein Maß für die Menge der Gas- oder Dampfblasen ist.

In der Reaktortechnik besteht der Wunsch, dsv. Schallpegel im Core eines natriumgekühlten Reaktors zu messen, da sich anbahnende Störungen häufig durch eine Veränderung des Frequenzspektrums der Geräusche im Natrium bemerkbar mächen. Insbesondere sollen die Geräusche, die durch örtliches Sieden des Natriums entstehen, sicher nachgewiesen werden, da der Reaktor in diesem Falle sofort abgeschaltet werden muß, um eine Zunahme der Störung bis zum Schmelzen der Brennelemente zu verhindern. Beim örtlichen Sieden gelangen die Siedeblasen durch die Strömung in kälteres Natrium und fallen dort plötzlich zusammen. Dabei entstehen kurzzeitig sehr hohe Druckspitzen. Da sich diese Druckspitzen von den normalen Strömungsgeräuschen am stärksten abheben, wird zweckmäßig der Schallaufnehmer hipsichtlich der Empfindlichkeit und des Frequenzverhaltens für die Kondensationsgeräusche ausgelegt. Der erfindungsgemäße Wandler ist so aufgebaut, daß er in flüssigem Natrium zuverlässig arbeitet.

Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.

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Es zeigen

Figur 1 einen magnetostriktiven Schallaufnehmer,

Figur 2 eine Anordnung zum Feststellen von Gas oder Dampfblasen in einer Flüssigkeit mit einem Schallgeber und einem Schallempfänger,

Figur 3 eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen von Irapul-

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Figur 4 eine Schaltungsanordnung zum Verstärken und Auswerten der Ausgangssignale der Schallaufnehmer nach den Figuren 1 und 2.

Der elektroakustische Wandler nach Figur 1 enthält ein magnetostriktives Element mit einem Kern 3 aus ferromagnetischem Material, der geschlitzt ist und auf dessen beide Schenkel zwei Wicklungen 4 und 5 aufgebracht sind. Die beiden Wicklungen sind hintereinandergeschaltet; ihre nach oben in einer Röhre untergebrachten Zuleitungen sind mit 6 bezeichnet. Das magnetostriktive Element ist in einem Rohr 1 untergebracht, dessen Boden 2 verstärkt ist. In diesem ist der Kern 3 eingelötet.

Der Wandler hat geringe Abmessungen, i.i einem Ausführungsbeispiel beträgt sein Durchmesser 18 mm. Zum Feststellen von Geräuschen in Flüssigkeiten kann er unmittelbar in diese getaucht werden. Durchführungen und Verbindungen von elektrischen Leitungen sind nicht erforderlich, da diese in dem nach oben führenden Rohr verlegt sind. .

Der Wandler kann auch in eine Röhre geschoben werden. Um ein Festfressen zu vermeiden, sind die untere Kante 7 des Bodens 2 und der obere .Ring S gehärtet. Damit bei Verwendung des Wandlers in Flüssigkeiten sich am Boden keine Blasen absetzen können, ist sein Boden als Spitze ausgebildet

Der Wandler kann sowohl als Schallgeber als auch als Schallaufnehmer verwendet werden. Im letzteren Falle kann zur Erhöhung der Empfindlichkeit durch die Wicklungen 4 und 5 ein

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Vorstrom geschickt werden. Die Wicklungen sind so zu polen, daß die in ihnen auftretenden Spannungen im Falle einer mechanischen Belastung des Kerns 3 sich addieren.

Figur 2 zeigt eine Anordnung, mit der Dampf- oder Gasblasen in einer Flüssigkeit nachgewiesen werden können und in der Wandler von der in Figur 1 dargestellten Art eingesetzt sind. Die Wandler sind mit 12 und 15 bezeichnet; der Wandler 12 wird aus sinem Oszillator 16 mit einer Wechselspannung gespeist; er ist daher ein Schwingungs¹-erreger, während der Wandler 13 ein Schallaufnehmer ist, dessen Ausgangsspannung in einem Verstärker 17 verstärkt und in einem Anzeigegerät 18 angezeigt wird. Die beiden Wandler 12 und 13 sind über Koppelstäbe 10 und 11 auf ein Rohr 8 aufgesetzt, durch das die auf Dampf- oder Gasblasen zu überwachende Flüssigkeit 19 strömt. Die Koppelstäbe 10 und 11 sind mit dem Rohr 8 verschweißt. Die Wandler können über angeschweißte, geschlitzte Kupplungen mit einer Spannvorrichtung an die Koppelstäbe gepreßt sein. Die Flüssigkeit 19 ist z.B. flüssiges Natrium* Die Länge der Koppelstäbe ist dann so bemessen, daß die Kupplungen mit den Wandlern außerhalb der Wärmeisolation des Rohres 8 angebracht werden können. Auf den Wandlern sind Gegenmassen 14 und 15 aufgebracht.

Die Anordnung arbeitet in der Weise, daß der Schwingungserreger 12 Schwingungen über den Koppelstab 10, das Rohr und die in diesem enthaltene Flüssigkeit 19 und den Koppelstab 11 auf den Aufnehmer 13 gibt. Je nach dem Gasgehalt der Flüssigkeit 19 absorbiert diese mehr oder iveniger Schall energie, so daß aus der Amplitude des Ausgangssignals des Verstärkers 17 auf den Gasgehalt der Flüssigkeit 19 geschlos sen werden kann.

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Prinzipiell kann die Oszillatorspä/vritisig eijaen beliebigen zeitlichen Verlauf, z.B. Sinusform, haben. Es zeigt sich aber, daß es schwierig ist, bei konstanter Frequenz eine konstante Ausgangsspannung zu erzielen, da die Übertragung der Schwingungen vom Erreger 12 zum Aufnehmer 13 frequenz- und temperaturabhängig ist. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, kann man die Oszillatorfrequenz wobbeln, so daß der Mittelwert über einen bestimmten Frequenzbereich gebildet wird und dadurch die Fehler kompensiert werden. Eine andere, vorteilhafte Möglichkeit, die in dem Ausführtingsbeispiel eingesetzt wurde, ist, den Erreger 12 mit kurzen Impulsen anzuregen, deren Dauer klein gegenüber der Laufzeit bis zum Schwingungsaufnehmer 13 ist- Es kann daher am Ort des Aufnehmers 13 das Signal nicht durch Interferenz ausgelöscht werden.

Das Schaltbild eines Impulsgenerators ist in Figur 3 dargestellt. Den Klemmen R und M wird die Netzspannung von 220 Volt zugeführt. In der positiven Halbwelle wird ein Kondensator C1 über eine Drossel Dr1 und einen Gleichrichter N1 aufgeladen. Erreicht die Ladespannung des Kondensators die Zenerspannung einer Zenerdiode N2, so fließt durch diese Strom und ein Thyristor T1 wird gezündet, d.h. der Kondensator C1 wird über die Primärwicklung eines Transformators M1 entladen, dessen Sekundärwicklung mit der Wicklung Wl des Erregers 12 verbunden ist. Der Transformator M1 dient zur Potentialtrennung der Erregerwicklung vom Netz. Die Drossel Dr1 hat die Aufgabe, den Netzstrom nach dem Zünden des Thyristors TI zu begrenzen. Die Zenerdiode stellt sicher, daß die Impulsspannung unabhängig von den Schwankungen der Netzspannung ist.

Der auf die Wicklung W1 des Erregers 12 gegebene Spannungsimpuls bewirkt, daß sich der Kern des Erregers infolge Magnetostriktion streckt. Er stützt sich an der Gegenmasse

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-V-

ab und gibt soirit einen Impuls auf den Koppelstab 10 und damit auf das Rohr 8. Der durch die Flüssigkeit 19 gedämpfte Impuls gelangt auf den Kern des Schallaufnehmers 13, auf den er eine mechanische Spannung ausübt, so daß in dessen Wicklung W2 eine elektrische Spannung induziert wird.

An die Wicklung W2 des Aufnehmers 13 können handelsübliche Verstärker mit geringem Eingangsrauschen angeschlossen werden. Durch den Einsatz eines Verstärkers, dessen Eingangswiderstand an den geringen Wicklungswiderstand des Schallaufnehmers angepaßt ist, kann die Empfindlichkeit gesteigert werden. Ein Ausführungsbeispiel eines Verstärkers zeigt Figur 4. Ober einen Widerstand R1 wird der Wicklung W2 des Schallaufnehmers 13 ein Vorstrom zugeführt, der die erforderliche Vormagnetisierung des Kernes erzeugt. Die vom Aufnehmer 13 in der Wicklung W2 erzeugte Wechselspannung wird von zwei in Emitterschaltung betriebenen Transistoren Ts1 und Ts2 verstärkt. Mit Gegenkopplungswiderständen R2 und R3 werden die Arbeitspunkte der Transistoren eingestellt. Kondensatoren C2, C3 und C4 bewirken ein Hochpaßverhalten.

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Claims (5)

- L ': * t' ': 7.3.1975 Go/Di 24.226.9 ^ANSPRÜCHE

1. Elektroakustischer Wandler mit einem magnetostriktiven Element,

dadurch gekennzeichnet,

daß der ferromagnetische Körper (3) des magnetostriktiven Elementes einen Längsschlitz aufweist und auf die beiden Schenkel, deren Enden miteinander verbunden sind zv^i Wicklungen (4, 5) aufgebracht sind mit entgegenge-

^c setzter Wicklungsrichtung.

2. Wandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das magnetostriktive Element in einem Rohr (1) untergebracht ist, auf dessen verstärkten Boden (2) es aufgelötet ist.

3. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Rohrboden (2) an seiner Außenseite einw nach außen weisende Spitze aufweist.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,zum Feststellen von Gas- oder Dampfblasen in einer in einem Gefäß enthaltenen Flüssigkeit_s

dadurch gekennzeichnet,

daß oin Wandler (12) als Erreger und ein zweiter Wandler (13) als Schallaufnehmer an gegenüberliegenden Stellen auf das Gefäß (8) aufgesetzt oder in die Flüssigkeit getaucht sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Wandler (12, 13) über Koppelstäbe (10, 11) auf j das Gefäß (8) aufgesetzt sind.

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