EP0458426A2 - Elektrodynamischer Ultraschallwandler und Ultraschalleinrichtung - Google Patents

Elektrodynamischer Ultraschallwandler und Ultraschalleinrichtung Download PDF

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EP0458426A2
EP0458426A2 EP91250095A EP91250095A EP0458426A2 EP 0458426 A2 EP0458426 A2 EP 0458426A2 EP 91250095 A EP91250095 A EP 91250095A EP 91250095 A EP91250095 A EP 91250095A EP 0458426 A2 EP0458426 A2 EP 0458426A2
Authority
EP
European Patent Office
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workpiece surface
transducer
ultrasonic transducer
coil
housing
Prior art date
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EP91250095A
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English (en)
French (fr)
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EP0458426A3 (en
EP0458426B1 (de
Inventor
Alfred Dipl.-Phys. Graff
Jürgen Verhoeven
Michael Dr. rer. nat. Wächter
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Vodafone GmbH
Original Assignee
Mannesmann AG
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Publication date
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Publication of EP0458426A2 publication Critical patent/EP0458426A2/de
Publication of EP0458426A3 publication Critical patent/EP0458426A3/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/04—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with electromagnetism

Definitions

  • the invention relates to an electrodynamic ultrasound transducer or an ultrasound device according to the preamble of claims 1 and 14.
  • Ultrasonic transducers or ultrasonic devices of the generic type are shown in the as yet unpublished German patent application P 40 03 215.9-52.
  • the magnet system and the transducer coil are arranged with respect to one another in such a way that eddy currents are induced in the workpiece surface via the transducer coil, which is acted upon by high-frequency alternating current, and are superimposed on the field lines generated by the magnet system.
  • the thus generated movements of the electrons near the surface couple to the metal grid and thus generate density fluctuation waves, ie ultrasound.
  • the resulting ultrasound waves are given a selectable preferred direction depending on the magnetic field geometry and the selected AC frequency in the converter coil.
  • German publication DE 26 55 804 it is also known that the transducer or winding geometry specifies the track wavelength of the ultrasonic wave generated by electrodynamic means.
  • the known ultrasonic transducers or ultrasonic devices shown above are not suitable for use at high temperatures due to their design.
  • the measures for the most resonant operation of the transmitter and receiver converters shown in the German specification 26 55 804 do not take into account the influence of longer cable lengths between the converter and the signal processing unit.
  • preamplifiers are placed near the transducers at long distances between the signal processing unit and transducers, which pre-process the signal in order to exclude inductive and capacitive interference effects of the signal lines.
  • the high-frequency signal generated by the transducers which has an amplitude in the range of only about 1 millivolt, is processed in such a way that the signal can be transported from the preamplifiers to the signal processing unit over longer lengths.
  • the object of the invention is therefore to provide an ultrasound device and to further develop the above-mentioned ultrasound transducer in such a way that trouble-free operation is ensured with temperature cycles from 23 degrees Celsius to 300 degrees Celsius and the use of large transmission and reception line lengths, with no preamplifiers can and the converter should also be resistant to splash water and radiation in the entire temperature range mentioned above.
  • the magnet system consists of a soft magnetic housing open to the workpiece surface, within which a permanent magnet is aligned with its polar axis perpendicular to the workpiece surface and with the pole surface facing away from the workpiece surface Housing is held magnetically and is connected to the other pole face with a carrier receiving the transducer coil, that the electrical connection consists of a single or multi-core coaxial cable, which extends through an opening in the housing and is firmly connected to the same, that at least one free
  • the wire end of the converter coil is flexible and is connected to one of the line wires of the coaxial cable and is brazed at the contact point (s) and the soldering points and the converter coil wires with a high temperature resistant Plastic are insulated.
  • the housing is can-shaped and consists of soft iron. At changing operating temperatures, it proves to be particularly advantageous to design the invention in such a way that the housing has a recess on the surface that abuts the pole face of the permanent magnet, the extent of which is parallel to the pole face so large that the edge of this pole face is separated from the Side surfaces of the recess at room temperature is included forming an air gap.
  • the use of Sm2Co17 as a permanent magnet material according to the invention advantageously ensures a high and temperature-stable remanence.
  • the carrier consists of a soft magnetic powder composite material with low electrical conductivity and high temperature resistance, for. B.
  • Corovac OF (company vacuum melt) and is connected to the permanent magnet held only magnetically. It is particularly advantageous to design the carrier as a truncated cone tapering towards the workpiece surface.
  • the carrier can also consist of a temperature-resistant non-magnetic material, e.g. B. made of ceramic or a temperature-resistant, radiation-resistant and waterproof plastic compound. PEEKK is particularly suitable for this.
  • the carrier is formed like a comb with grooves open towards the workpiece surface.
  • the coaxial cable is advantageously steel-coated and welded to the housing at the opening.
  • the insulated solder joints are firmly connected to the housing in a further embodiment.
  • two electrically independent converter coils are arranged in the carrier.
  • at least the wire end of the converter coil, which is flexibly connected to one of the line wires of the coaxial cable, is designed as a wire loop.
  • an ultrasonic device consisting of a plurality of electrodynamic ultrasonic transducers according to claim 1, in which one of the ultrasonic transducers can be controlled as a transmitter and at least one further ultrasonic transducer as a receiver, the windings of the transducer coils being arranged in a meandering manner and largely parallel to a workpiece surface and with electrical connections a signal triggering and signal processing unit, the object is achieved according to the invention in that the electrical connections consist of coaxial cables with a length of more than 10 m, that the transducer coil of the transmitter and the receiver each consist of several meandering elements, so that the number of turns of each transducer coil is chosen is that the impedance of the converter coil compensates for the impedance of the coaxial cable and the inputs of the signal tripping and signal processing unit, the meandering elements of the transmitter each having an h have here number of turns than the respective meander elements of the receiver.
  • a particularly advantageous embodiment of the ultrasonic device according to the invention results from the fact that when an 80 m long coaxial cable is used, the transducer coil of the transmitter consists of three meandering elements with 15 turns each and the transducer coil of the receiver consists of three meandering elements with 7 turns each, and that the Track wavelength 8 mm and the winding length is 27 mm. All resulting inductances and capacitances compensate each other in such a way that the entire electrical arrangement is ohmic.
  • the high temperature resistance of the Corovac OF material thus also guarantees trouble-free operation at high temperatures, up to 300 degrees Celsius.
  • the connection of the individual parts to one another, which is brought about by exclusively magnetic forces, ensures in a particularly advantageous manner that no mechanical stresses occur in the transducer, even when the coefficients of thermal expansion vary widely. This advantage comes into play particularly when the converter is briefly exposed to high temperature differences or temperature cycles.
  • the use of the plastic PEEKK not only ensures high temperature resistance in the insulation area, but advantageously uses the properties of radiation resistance and splash water resistance in the entire temperature range between room temperature and 300 degrees Celsius.
  • Corovac OF it proves to be particularly advantageous to design the support as a truncated cone tapering towards the workpiece surface.
  • Corovac OF As the material for the carrier, it is possible to use ceramic or PEEKK.
  • the connection between the carrier and the permanent magnet is brought about by a correspondingly temperature-resistant adhesive.
  • the comb-like configuration of the carrier with grooves open towards the workpiece surface has the advantage of receiving the converter coil wires in a very simple manner and of facilitating the energy transfer between the workpiece surface and the converter coil.
  • the use of the steel-sheathed coaxial cable, which is welded to the housing at the opening, ensures trouble-free operation in, for example, a fixed installation, even under operating conditions according to the task.
  • the arrangement of two electrically independent transducer coils on a common carrier has the advantage that the transmitting and receiving location are concentrated on a common ultrasonic transducer.
  • the electrodynamic ultrasonic transducer at high temperature cycles, the fixed arrangement of the individual parts is ensured, while at the same time providing a mechanically stress-free connection, in that the housing has a recess on the surface that abuts the pole face of the permanent magnet, the recess of which is parallel to the pole face Extent is so large that the permanent magnet is enclosed on the side surfaces around this pole surface at room temperature to form an air gap.
  • This air gap can be chosen so that it closes when a specified high temperature is used. Under these conditions of thermal expansion effects, it proves to be particularly advantageous that at least the wire end of the transducer coil, which is flexibly connected to one of the line wires of the coaxial cable, is designed as a wire loop.
  • the advantage of the ultrasound device proposed according to the invention is that the signal triggering or signal processing unit can be arranged at a considerable distance from the transmitter or receiver, especially for use in or at systems up to 300 degrees Celsius. It is essential here that the signal can not be processed, for example by preamplifiers.
  • the high-frequency signal, with an amplitude of approximately 1 mV, can be transmitted over the entire distance between the converter and signal processing without electronic effort.
  • the electrical adaptation proposed according to the invention means that trouble-free operation is ensured even under these extreme conditions.
  • the use of the converter coil which is matched according to the invention with respect to the coaxial cable results in a particularly advantageous suitability for, for example, a fixed installation of a plurality of transmitters and receivers in a system.
  • the proposed ultrasonic device is therefore particularly suitable for checking fill levels and flow rates in hot containers.
  • the other properties also make it particularly suitable for use in power plants.
  • the individual ultrasonic transducers which are used, for example, in a pipeline system of a power plant for a checking device, can be used by the Responsibility can be summarized in a monitoring control center using the 80 m long cables.
  • Figure 1 shows the electrodynamic ultrasonic transducer in a sectional view.
  • the housing 2 made of soft iron has a recess 11 or lateral holding projections where the permanent magnet 3 abuts.
  • the dimensions of this recess 11 or these projections are such that an air gap is present between the side surfaces of the magnet 3 and the projections 11 at room temperature. This ensures that even with the present materials, despite different expansion coefficients, there is no mechanical stress at higher temperatures.
  • the depth of the recess 11 or the projections are, however, designed such that a desired position of the permanent magnet 3 within the housing 2 is nevertheless given.
  • the coaxial cable 7 is passed laterally through a bore 8 in the housing 2 and glued to the outside of the housing in a watertight manner.
  • the signal line 12 of the coaxial cable 7 extends into the interior of the housing 2 and forms the electrical contact via a brazed connection and a wire loop 9 the converter wires.
  • the brazing point is generously insulated and cast with a block 13 made of PEEKK.
  • the block 13 is firmly glued to the housing inner wall near the entry point of the coaxial cable into the housing 2.
  • one of the loose converter wire ends 9 is led, for example as a loop, to the brazing point.
  • this wire 9 is insulated with PEEKK.
  • the carrier 6 for the transducer coil 5 is designed and arranged such that it bears against the permanent magnet 3 over a smooth, flat surface in the illustrated position and has the comb-like toothing on the side facing the workpiece surface 1, in which the transducer wires 5 are arranged.
  • the carrier 6 consists of Corovac OF.
  • the magnetic field lines are introduced into the workpiece surface 1 by the permanent magnet 3 via the carrier 6, the soft iron housing 2 then bringing about the necessary magnetic inference of the field lines. All individual magnetic parts, ie housing 2, permanent magnet 3 and Corovac carrier 6 are held together exclusively by magnetic forces.
  • the entire ultrasonic transducer is free of mechanical stresses and thus also free of possible operational disturbances, even with different thermal expansion coefficients in a temperature range up to 300 degrees Celsius .
  • the permanent magnet material Sm2CO17 has the specific property of maintaining the high remanence even in the temperature range mentioned.
  • the use of the PEEKK insulation material ensures the splash water and radiation resistance even at higher temperatures, ie up to 320 degrees Celsius.
  • Figure 2 shows a detailed drawing of the carrier.
  • the side view poses the carrier 6 similar to that shown in Figure 1.
  • the carrier 6 is designed so that a comb-like toothing is also formed in the plan view along the line AA in the edge region of the longitudinal sides 14.
  • An embodiment of this type is only relevant when using non-magnetic materials, such as. B. ceramics or PEEKK.
  • Corovac a configuration of the carrier, as shown in the top view, would not be suitable, because strongly inhomogeneous magnetic field line profiles would occur on the additional comb-like teeth.
  • FIG. 3 shows an electrodynamic ultrasound transducer for the special application of vertical insonification.
  • the transmitting and receiving coils are wound on a common carrier 6 made of Corovac.
  • the coaxial cable 7 is in this case multi-core, i. H. here provided with two signal lines 12, 12 '.
  • the resulting soldered connections are embedded in a common insulation block 13 made of PEEKK and, as shown in FIG. 1, connected to the inner wall of the housing.
  • the carrier 6, which in this case consists of Corovac OF, is designed in the shape of a truncated cone and is oriented such that the truncated cone tapers towards the workpiece surface 1.
  • the concentrator effect thus achieved improves the efficiency of the ultrasound generation.
  • the common arrangement of the transmitting and receiving transducer coil in a common ultrasonic transducer is not mandatory, i. H. Transmitter and receiver transducer coils can also be accommodated in various ultrasonic transducers.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Ultraschallwandler bestehend aus einem an eine Werkstückoberfläche anzulegenden Magnetsystem mit Permanentmagnet, einer in der Nähe der Werkstückoberfläche und des Permanentmagneten angeordneten Wandlerspule und einem elektrischen Aschluß. Um eine Ultraschalleinrichtung zu schaffen und einen bisher bekannten Ultraschallwandler derart weiterzubilden, daß bei Temperaturzyklen von 23 Grad Celsius bis zu 300 Grad Celsius und der Verwendung großer Sende- und Empfangsleitungslängen ein störungsfreier Betrieb gewährleistet ist, wobei auf Vorverstärker verzichtet werden kann und der Wandler außerdem im gesamten oben genannten Temperaturbereich spritzwasser- und strahlenresistent sein soll, wird vorgeschlagen, daß das Magnetsystem aus einem weichmagnetischen zur Werkstückoberfläche (1) hin offenen, den magnetischen Rückschluß bildenden Gehäuse (2) besteht, innerhalb dessen der Permanentmagnet (3) mit seiner Polachse (4) senkrecht zur Werkstückoberfläche (1) ausgerichtet ist und mit der der Werkstückoberfläche abgewandten Polfläche (3') am Gehäuse innen ausschließlich magnetisch gehalten anliegt und mit der anderen Polfläche (3'') mit einem die Wandlerspule (5) aufnehmenden Träger (6) verbunden ist, daß sich der aus einem ein- oder mehradrigen Koaxialkabel (7) bestehende elektrische Anschluß durch eine Öffnung (8) im Gehäuse (2) hindurcherstreckt und mit demselben fest verbunden ist und daß mindestens ein freies Drahtende (9) der Wandlerspule (5) flexibel und mit jeweils einer der Leitungsadern des Koaxialkabels (7) verbunden ist und an der bzw. den Kontaktstellen (10, 10'...) hartverlötet und die Lötstellen und die Wandlerspulendrähte (5) mit einem hochtemperaturfesten Kunststoff isoliert sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Ultraschallwandler bzw. eine Ultraschalleinrichtung gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 14.
  • Ultraschallwandler bzw. Ultraschalleinrichtungen der gattungsgemäßen Art sind in der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 40 03 215.9-52 dargestellt. Hierbei sind Magnetsystem und Wandlerspule so zueinander angeordnet, daß über die mit hochfrequentem Wechselstrom beaufschlagte Wandlerspule in der Werkstückoberfläche Wirbelströme induziert werden, die mit den durch das Magnetsystem erzeugten Feldlinien überlagern. Die so erzeugten Bewegungen der oberflächennahen Elektronen koppeln an das Metallgitter und erzeugen so Dichteschwankungswellen, d. h. Ultraschall. Die dadurch entstehenden Ultraschallwellen erhalten je nach Magnetfeldgeometrie und gewählter Wechselstromfrequenz in der Wandlerspule eine wählbare Vorzugsrichtung. Aus der deutschen Auslegeschrift DE 26 55 804 ist des weiteren bekannt, daß die Wandler- bzw. Wicklungsgeometrie die Spurwellenlänge der auf elektrodynamischem Wege erzeugten Ultraschallwelle vorgibt.
  • Die oben dargestellten bekannten Ultraschallwandler bzw. Ultraschalleinrichtungen sind aufgrund ihrer konstruktiven Ausgestaltung nicht für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet. Die in der deutschen Auslegeschrift 26 55 804 dargestellten Maßnahmen zum möglichst resonanten Betrieb der Sender- und Empfängerwandler berücksichtigen nicht den Einfluß größerer Kabellängen zwischen Wandler und Signalverarbeitungseinheit.
  • Außerdem würden bei den oben dargestellten bekannten Ultraschallwandlern bzw. Ultraschalleinrichtungen wegen der Verwendung teils beweglicher und teils fester Verbindungen im Warmbetrieb erhebliche Störungen auftreten. Des weiteren weisen die o. g. Wandler keine besonderen Schutzmaßnahmen für den Einsatz in strahlen- und/oder spritzwassergefährdeten Bereichen auf.
  • In bekannten Ultraschalleinrichtungen werden bei großen Entfernungen zwischen Signalverarbeitungseinheit und Wandlern Vorverstärker in der Nähe der Wandler plaziert, die um induktive und kapazitive Störeffekte der Signalleitungen auszuschließen, das Signal aufbereiten. Das über die Wandler erzeugte hochfrequente Signal, welches eine Amplitude im Bereich von nur etwa 1 Millivolt besitzt, wird dabei so aufbereitet, daß das Signal von den Vorverstärkern über größere Längen zu der Signalverarbeitungseinheit transportiert werden kann. Dies hat den Nachteil, daß die Ultraschalleinrichtung durch die zusätzliche Verwendung von Vorverstärkern aufbändig und störanfällig ist. Die Tatsache, daß die Vorverstärker in der Nähe der Wandler plaziert werden müssen und die in den Vorverstärkern angeordneten elektronischen Bauelemente weder strahlenresistent noch temperaturfest sind, hat nachteiligerweise die Folge, daß eine so aufgebaute Ultraschalleinrichtung nicht unter diesen genannten Extrembedingungen, d. h. hohe Temperatur, hohe Strahlenbelastung und Spritzwassergefährdung, einsetzbar sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Ultraschalleinrichtung zu schaffen und den oben genannten Ultraschallwandler derart weiterzubilden, daß bei Temperaturzyklen von 23 Grad Celsius bis zu 300 Grad Celsius und der Verwendung großer Sende- und Empfangsleitungslängen ein störungsfreier Betrieb gewährleistet ist, wobei auf Vorverstärker verzichtet werden kann und der Wandler außerdem im gesamten oben genannten Temperaturbereich spritzwasser- und strahlenresistent sein soll.
  • Die gestellte Aufgabe wird bei einem elektrodynamischen Ultraschallwandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, daß das Magnetsystem aus einem weichmagnetischen zur Werkstückoberfläche hin offenen Gehäuse besteht, innerhalb dessen ein Permanentmagnet mit seiner Polachse senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet ist und mit der der Werkstückoberfläche abgewandten Polfläche am Gehäuse magnetisch gehalten anliegt und mit der anderen Polfläche mit einem die Wandlerspule aufnehmenden Träger verbunden ist, daß der elektrische Anschluß aus einem ein- oder mehradrigen Koaxialkabel besteht, welches sich durch eine Öffnung im Gehäuse hindurcherstreckt und mit demselben fest verbunden ist, daß mindestens ein freies Drahtende der Wandlerspule flexibel und mit jeweils einer der Leitungsadern des Koaxialkabels verbunden ist und an der bzw. den Kontaktstellen hartverlötet und die Lötstellen und die Wandlerspulendrähte mit einem hochtemperaturfesten Kunststoff isoliert sind. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse dosenförmig ausgestaltet und besteht aus Weicheisen. Bei wechselnden Betriebstemperaturen erweist es sich als besonders vorteilhaft, die Erfindung dahingehend auszugestalten, daß das Gehäuse an der Fläche, die an der Polfläche des Permanentmagneten anliegt, eine Ausnehmung aufweist, dessen zu der Polfläche parallele Erstreckung so groß ist, daß der Rand dieser Polfläche von den Seitenflächen der Ausnehmung bei Raumtemperatur luftspaltbildend umfaßt ist. Die erfindungsgemäße Verwendung von Sm2Co17 als Permanentmagnetmaterial gewährleistet vorteilhafterweise eine hohe und temperaturstabile Remanenz. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung besteht der Träger aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und hoher Temperaturfestigkeit, z. B. Corovac OF (Firma Vakuumschmelze) und ist mit dem Permanentmagneten ausschließlich magnetisch gehalten verbunden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, den Träger als sich zur Werkstückoberfläche hin verjüngenden Kegelstumpf auszubilden. Alternativ dazu kann der Träger auch aus einem temperaturfesten unmagnetischen Material bestehen, z. B. aus Keramik oder aus einer temperaturfesten, strahlenresistenten und wasserdichten Kunststoffverbindung. Hierzu ist PEEKK besonders geeignet. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Träger kammartig mit zur Werkstückoberfläche hin offenen Nuten ausgebildet. Das Koaxialkabel ist vorteilhafterweise stahlummantelt und an der Öffnung mit dem Gehäuse verschweißt. Die isolierten Lötstellen sind dabei in weiterer Ausgestaltung mit dem Gehäuse fest verbunden.
  • Zur wahlweisen Anbringung von Sende- und Empfangswandlerspule auf einem gemeinsamen Träger sind im Träger zwei elektrisch unabhängige Wandlerspulen angeordnet. Zur Gewährleistung einer flexiblen Verbindung zwischen Koaxialkabel und Wandlerspule ist in vorteilhafter Ausgestaltung mindestens das mit einer der Leitungsadern des Koaxialkabels flexibel verbundene Drahtende der Wandlerspule als Drahtschlaufe ausgebildet.
  • Bei einer Ultraschalleinrichtung bestehend aus einer Mehrzahl von elektrodynamischen Ultraschallwandlern nach Anspruch 1, bei der einer der Ultraschallwandler als Sender und mindestens ein weiterer Ultraschallwandler als Empfänger ansteuerbar ist, wobei die Wicklungen der Wandlerspulen mäanderförmig und weitgehend parallel zur einer Werkstückoberfläche angeordnet sind und über elektrische Anschlüsse mit einer Signalauslöse- und Signalverarbeitungseinheit verbunden sind, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrischen Anschlüsse aus Koaxialkabeln mit mehr als 10 m Länge bestehen, daß die Wandlerspule des Senders und des Empfängers aus jeweils mehreren Mäanderelementen besteht, daß die Windungszahl jeder Wandlerspule so gewählt ist, daß der Scheinwiderstand der Wandlerspule den Scheinwiderstand des Koaxialkabels und der Eingänge der Signalauslöse- und Signalverarbeitungseinheit kompensiert, wobei die Mäanderelemente des Senders jeweils eine höhere Windungszahl aufweisen, als die jeweiligen Mäanderelemente des Empfängers. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Ultraschalleinrichtung ergibt sich daraus, daß bei der Verwendung eines jeweils 80 m langen Koaxialkabels die Wandlerspule des Senders aus drei Mäanderelementen besteht mit je 15 Windungen und die Wandlerspule des Empfängers aus drei Mäanderelementen mit je 7 Windungen besteht und daß dabei die Spurwellenlänge 8 mm und die Windungslänge 27 mm beträgt.
    Sämtliche entstehenden Induktivitäten und Kapazitäten kompensieren sich hierbei derart, daß die gesamte elektrische Anordnung ohmsch ist.
  • Die besondere Eignung des erfindungsgemäßen elektrodynamischen Ultraschallwandlers für hohe Temperaturen und extreme Einsatzbedingungen resultiert aus der Tatsache, daß lediglich das Koaxialkabel selbst und die isolierten Lötstellen mit dem Gehäuse fest verbunden sind. Alle anderen Verbindungen sind im wesentlichen durch magnetische Kräfte bewerkstelligt. Durch die Verwendung von Sm2Co17 als Permanentmagnetenmaterial ist gewährleistet, daß dieser Magnet die für die ortsfesten Verbindungen der einzelnen Teile nötigen Kräfte aufbringt. Die Verwendung von Corovac OF als Material für den Träger der Wandlerspule gewährleistet durch die Eigenschaft seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit, daß im Prinzip keine Ultraschallwellen in den Wandler selbst eingekoppelt oder in dem Wandler selbst erzeugt werden. Dies führt dann vorteilhafter Weise dazu, daß eine Verschiebung der einzelnen Teile des Wandlers durch ultraschallbedingte Vibrationen verhindert wird. Die hohe Temperaturfestigkeit des Materials Corovac OF gewährleistet somit auch den störungsfreien Betrieb bei hohen Temperaturen, etwa bis 300 Grad Celsius. Durch die durch ausschließlich magnetische Kräfte bewerkstelligte Verbindung der Einzelteile untereinander ist in besonders vorteilhafter Weise gewährleistet, daß selbst bei teilweise stark unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten keine mechanischen Spannungen im Wandler entstehen. Dieser Vorteil kommt besonders dann zum Tragen, wenn der Wandler kurzzeitig hohen Temperaturunterschieden bzw. Temperaturzyklen ausgesetzt ist. Die Verwendung des Kunststoffs PEEKK (beispielsweise Hostatec der Firma Hoechst) gewährleistet dabei im Isolationsbereich nicht nur eine hohe Temperaturfestigkeit, sondern setzt hier vorteilhafterweise die Eigenschaften der Strahlenresistenz und Spritzwasserresistenz im gesamten Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 300 Grad Celsius ein. Bei der Verwendung von Corovac OF erweist es sich als ganz besonders vorteilhaft, den Träger als sich zur Werkstückoberfläche hin verjüngenden Kegelstumpf auszubilden. Der Vorteil ergibt sich daraus, daß ein derart ausgerichteter Kegelstumpf die Eigenschaft hat, als Konzentrator für Magnetfeldlinien zu wirken. Durch diese Maßnahme kann die Oberflächenfeldstärke im Bereich des Ultraschallerzeugungsortes wesentlich erhöht werden, was dazu führt, daß größere Ultraschallamplituden erreichbar sind.
  • Alternativ zu der Verwendung von Corovac OF als Material für den Träger ist es möglich Keramik oder PEEKK einzusetzen. Hierbei wird die Verbindung zwischen Träger und Permanentmagnet durch entsprechend temperaturfesten Klebstoff bewerkstelligt.
  • Die kammartige Ausgestaltung des Trägers mit zur Werkstückoberfläche hin offenen Nuten hat den Vorteil, die Wandlerspulendrähte in sehr einfacher Weise aufzunehmen und die Energieübertragung zwischen Werkstückoberfläche und Wandlerspule zu erleichtern. Der Einsatz des stahlummantelten Koaxialkabels, welches an der Öffnung mit dem Gehäuse verschweißt ist, gewährleistet einen störunempfindlichen Betrieb bei einer beispielsweise ortsfesten Installation, selbst bei Einsatzbedingungen gemäß der Aufgabenstellung.
  • Die Tatsache, daß die isolierten Lötstellen mit dem Gehäuse fest verbunden sind, hat den Vorteil, daß die elektrischen Anschlüsse innerhalb des Wandlers bei hinreichender Flexibilität trotzdem ortsfest angebracht sind. Dies reduziert im übrigen die Störanfälligkeit des Wandlers.
  • Die Anordnung von zwei elektrisch unabhängigen Wandlerspulen auf einem gemeinsamen Träger hat den Vorteil, daß Sende- und Empfangsort auf einen gemeinsamen Ultraschallwandler konzentriert sind. Beim Einsatz des elektrodynamischen Ultraschallwandlers bei hohen Temperaturzyklen wird die ortsfeste Anordnung der Einzelteile unter gleichzeitiger Maßgabe einer mechanisch spannungsfreien Verbindung dadurch gewährleistet, daß das Gehäuse an der Fläche, die an der Polfläche des Permanentmagneten anliegt, eine Ausnehmung aufweist, dessen zu der Polfläche parallele Erstreckung so groß ist, daß der Permanentmagnet an den Seitenflächen um diese Polfläche herum bei Raumtemperatur luftspaltbildend umfaßt ist. Dieser Luftspalt kann dabei so gewählt sein, daß sich dieser beim Einsatz einer angegebenen Höchtstemperatur schließt. Unter diesen genannten Voraussetzungen thermischer Ausdehnungseffekte, erweist es sich als besonders vorteilhaft, daß mindestens das mit einer der Leitungsadern des Koaxialkabels flexibel verbundene Drahtende der Wandlerspule als Drahtschlaufe ausgebildet ist.
  • Der Vorteil bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschalleinrichtung besteht darin, daß speziell für den Einsatz in bzw. an bis zu 300 Grad Celsius warmen Anlagen die Signalauslöse- bzw. Signalverarbeitungseinheit in erheblicher Entfernung zum Sender bzw. Empfänger angeordnet werden kann. Dabei ist wesentlich, daß auf eine Aufbereitung des Signals beispielsweise durch Vorverstärker verzichtet werden kann. Das hochfrequente Signal, mit einer Amplitude von etwa 1 mV kann über die gesamte Entfernung zwischen Wandler und Signalverarbeitung ohne elektronischen Aufwand übertragen werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene elektrische Anpassung führt dazu, daß selbst unter diesen extremen Bedingungen ein störungsfreier Betrieb gewährleistet ist. Aus der Verwendung der bezüglich des Koaxialkabels erfindungsgemäß abgestimmten Wandlerspule ergibt sich eine besonders vorteilhafte Eignung für eine beispielsweise ortsfeste Installation einer Mehrzahl von Sender und Empfänger in einer Anlage.
  • Die vorgeschlagene Ultraschalleinrichtung eignet sich daher besonders zur Überprüfung von Füllständen und Durchflüssen in heißen Behältnissen. Die übrigen Eigenschaften führen zusätzlich zu einer besonderen Eignung für den Einsatz in Kraftwerken. Die einzelnen Ultraschallwandler, die beispielsweise in einem Rohrleitungssystem eines Kraftwerks zu einer überprüfenden Einrichtung eingesetzt sind, können durch die Ansprechbarkeit über die beispielsweise 80 m langen Kabel in einem Überwachungsleitstand zusammengefaßt werden.
  • Die Erfindung ist anhand von Zeichnungen nachstehend näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    Aufbau elektrodynamischer Ultraschallwandler,
    Figur 2
    Träger aus Keramik oder PEEKK,
    Figur 3
    elektrodynamischer Ultraschallwandler für die Senkrechteinschallung.
  • Figur 1 zeigt den elektrodynamischen Ultraschallwandler in Schnittdarstellung. Das aus Weicheisen bestehende Gehäuse 2 besitzt dort eine Ausnehmung 11 bzw. seitliche Haltevorsprünge, wo der Permanentmagnet 3 anliegt. Diese Ausnehmung 11 bzw. diese Vorsprünge sind in ihrer Dimensionierung so ausgelegt, daß bei Raumtemperatur zwischen den Seitenflächen des Magneten 3 und der Vorsprünge 11 ein Luftspalt vorhanden ist. Dies gewährleistet, daß auch bei den vorliegenden Materialien trotz unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten bei höherer Temperatur keine mechanische Verspannung entsteht. Die Tiefe der Ausnehmung 11 bzw. die Vorsprünge sind in ihrer Dimensionierung jedoch so gestaltet, daß trotzdem eine Soll-Position des Permanentmagneten 3 innerhalb des Gehäuses 2 gegeben ist. Das Koaxialkabel 7 ist in dieser Darstellung seitlich durch eine Bohrung 8 im Gehäuse 2 hindurchgeführt und an der Außenseite des Gehäuses wasserdicht verklebt. Die Signalleitung 12 des Koaxialkabels 7 reicht in den Innenraum des Gehäuses 2 hinein und bildet über eine Hartlötverbindung und eine Drahtschlaufe 9 den elektrischen Kontakt mit den Wandlerdrähten. Die Hartlötstelle ist hierbei großzügig mit einem Klotz 13 aus PEEKK isoliert und vergossen. Der Klotz 13 ist dabei in der Nähe der Eintrittsstelle des Koaxialkabels in das Gehäuse 2 mit der Gehäuseinnenwandung fest verklebt. Zur Bewerkstelligung einer flexiblen Verbindung zwischen Lötstelle und Wandlerspule ist eines der losen Wandlerdrahtenden 9, beispielsweise als Schlaufe bis zur Hartlötstelle hingeführt. Dieser Draht 9 ist wie die Drähte der Wandlerspule 5 mit PEEKK isoliert. Der Träger 6 für die Wandlerspule 5 ist so ausgestaltet und angeordnet, daß derselbe über eine glatte ebene Fläche in dargestellter Position an dem Permanentmagneten 3 anliegt und an der der Werkstückoberfläche 1 zugewandten Seite die kammartige Verzahnung aufweist, in denen die Wandlerdrähte 5 angeordnet sind. Der Träger 6 besteht hierbei aus Corovac OF. Die Magnetfeldlinien werden vom Permanentmagneten 3 über den Träger 6 in die Werkstückoberfläche 1 eingebracht, wobei das Weicheisengehäuse 2 dann den nötigen magnetischen Rückschluß der Feldlinien bewirkt. Alle magnetischen Einzelteile, d. h. Gehäuse 2, Permanentmagnet 3 und Corovac-Träger 6 sind ausschließlich über magnetische Kräfte zusammengehalten. Die einzigen festen Verbindungen bestehen zwischen Koaxialkabel 7 bis Gehäuse 2 und Lötstelle 10 bis Gehäuse 2. Der gesamte Ultraschallwandler ist in dieser Ausgestaltung selbst bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in einem Temperaturbereich bis zu 300 Grad Celsius frei von mechanischen Spannungen und somit auch frei von dadurch möglichen Betriebsstörungen. Das verwendete Permanentmagnetmaterial Sm2CO17 besitzt die spezifische Eigenschaft, die hohe Remanenz auch im genannten Temperaturbereich zu erhalten. Die Verwendung des Isolationsmaterials PEEKK gewährleistet die Spritzwasser- und Strahlenresistenz selbst bei höheren Temperaturen, d. h. bis zu 320 Grad Celsius.
  • Figur 2 zeigt eine Detailzeichnung des Trägers. Die Seitenansicht stellt den Träger 6 ähnlich wie in Figur 1 dar. Der Träger 6 ist so ausgestaltet, daß in der Draufsicht entlang der Linie A-A im Randbereich der Längsseiten 14 ebenfalls eine kammartige Verzahnung entsteht. Eine Ausgestaltung dieser Art ist aber nur bei der Verwendung von unmagnetischen Materialien relevant, wie z. B. Keramik oder PEEKK. Bei der Verwendung von Corovac wäre eine Ausgestaltung des Trägers, wie sie die Draufsicht zeigt, nicht geeignet, weil an den zusätzlichen kammartigen Verzahnungen stark inhomogene Magnetfeldlinienverläufe auftreten würden.
  • Figur 3 zeigt einen elektrodynamischen Ultraschallwandler für den speziellen Einsatzfall der Senkrechteinschallung. Sende- und Empfangsspule sind hierbei auf einen gemeinsamen Träger 6 aus Corovac gewickelt. Das Koaxialkabel 7 ist in diesem Fall mehradrig ausgeführt, d. h. hier mit zwei Signalleitungen 12,12' versehen. Die sich ergebenden Lötverbindungen sind dabei in einem gemeinsamen Isolationsblock 13 aus PEEKK gebettet und wie in Figur 1 dargestellt mit der Gehäuseinnenwand verbunden. Der Träger 6 der in diesem Falle aus Corovac OF besteht ist kegelstumpfförmig ausgestaltet und so ausgerichtet, daß sich der Kegelstumpf zur Werkstückoberfläche 1 hin verjüngt. Die somit erzielte Konzentratorwirkung verbessert dabei die Effizienz der Ultraschallerzeugung. Die gemeinsame Anordnung von Sende- und Empfangswandlerspule in einem gemeinsamen Ultraschallwandler ist dabei nicht zwingend, d. h. Sende- und Empfangswandlerspule können auch in verschiedenen Ultraschallwandlern untergebracht werden.

Claims (15)

  1. Elektrodynamischer Ultraschallwandler bestehend aus einem an eine Werkstückoberfläche anzulegenden Magnetsystem mit Permanentmagnet, einer in der Nähe der Werkstückoberfläche und des Permanentmagneten angeordneten Wandlerspule und einem elektrischen Anschluß,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß das Magnetsystem aus einem weichmagnetischen zur Werkstückoberfläche (1) hin offenen, den magnetischen Rückschluß bildenden Gehäuse (2) besteht, innerhalb dessen der Permanentmagnet (3) mit seiner Polachse (4) senkrecht zur Werkstückoberfläche (1) ausgerichtet ist und mit der der Werkstückoberfläche abgewandten Polfläche (3') am Gehäuse innen ausschließlich magnetisch gehalten anliegt und mit der anderen Polfläche (3'') mit einem die Wandlerspule (5) aufnehmenden Träger (6) verbunden ist,
    - daß sich der aus einem ein- oder mehradrigen Koaxialkabel (7) bestehende elektrische Anschluß durch eine Öffnung (8) im Gehäuse (2) hindurcherstreckt und mit demselben fest verbunden ist,
    - daß mindestens ein freies Drahtende (9) der Wandlerspule (5) flexibel und mit jeweils einer der Leitungsadern des Koaxialkabels (7) verbunden ist und an der bzw. den Kontaktstellen (10,10'..) hartverlötet und die Lötstellen und die Wandlerspulendrähte (5) mit einem hochtemperaturfesten Kunststoff isoliert sind.
  2. Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Gehäuse (2) dosenförmig ausgestaltet ist und aus Weicheisen besteht.
  3. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Gehäuse (2) an der Fläche, die an der Polfläche (3') des Permanentmagneten (3) anliegt, eine Ausnehmung (11) aufweist, dessen zu der Polfläche (3') parallele Erstreckung so groß ist, daß der Rand dieser Polfläche (3') von den Seitenflächen der Ausnehmung (11) bei Raumtemperatur luftspaltbildend umfaßt ist.
  4. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Permanentmagnet (3) aus Sm₂CO₁₇ besteht.
  5. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Träger (6) aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und hoher Temperaturfestigkeit besteht und mit dem Permanentmagneten (3) ausschließlich magnetisch gehalten verbunden ist.
  6. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Träger (6) als sich zur Werkstückoberfläche (1) hin verjüngender Kegelstumpf ausgebildet ist.
  7. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Träger (6) aus einem temperaturfesten, wasserdichten und strahlungsresistenten Kunststoff besteht.
  8. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Träger (6) aus Keramik besteht.
  9. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Träger (6) kammartige zur Werkstückoberfläche (1) hin offene Nuten (6') aufweist.
  10. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Koaxialkabel (7) stahlummantelt und an der Öffnung (8) mit dem Gehäuse (2) verschweißt ist.
  11. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die isolierten Lötstellen (10,10'..) mit dem Gehäuse fest verbunden sind.
  12. Elektrodynamischer Ultraschallwandlernach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß im Träger (6) zwei elektrisch unabhängige Wandlerspulen angeordnet sind.
  13. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß mindestens das mit einer der Leitungsadern des Koaxialkabels flexibel verbundene Drahtende der Wandlerspule als Drahtschlaufe ausgebildet ist.
  14. Ultraschalleinrichtung bestehend aus einer Mehrzahl von elektrodynamischen Ultraschallwandlern nach Anspruch 1, bei der einer der Ultraschallwandler als Sender und mindestens ein weiterer Ultraschallwandler als Empfänger ansteuerbar ist, wobei die Wicklungen der Wandlerspulen mäanderförmig und weitgehend parallel zu einer Werkstückoberfläche angeordnet sind und über elektrische Anschlüsse mit einer Signalauslöse- und Signalverarbeitungseinheit verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die elektrischen Anschlüsse aus Koaxialkabeln mit mehr als 10 m Länge bestehen, daß die Wandlerspule des Senders und des Empfängers aus jeweils mehreren Mäanderelementen besteht, daß die Windungszahl jeder Wandlerspule so gewählt ist, daß der Scheinwiderstand der Wandlerspule den Scheinwiderstand des Koaxialkabels und der Eingänge der Signalauslöse- und Signalverarbeitungseinheit kompensiert, wobei die Mäanderelemente des Senders jeweils eine höhere Windungszahl aufweisen, als die jeweiligen Mäanderelemente des Empfängers.
  15. Elektrodynamische Ultraschalleinrichtung nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß bei der Verwendung eines 80 m langen Koaxialkabels die Wandlerspule des Senders aus drei Mäanderelementen mit je 15 Windungen und die Wandlerspule des Empfängers aus drei Mäanderelementen mit je 7 Windungen besteht und daß dabei die Spurwellenlänge der Wandlerspule 8 mm und die Windungslänge 27 mm beträgt.
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