DE2506998C2 - Akustischer Meßwertumformer - Google Patents

Akustischer Meßwertumformer

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DE2506998C2
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acoustic
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Philip E. Elmira N.Y. Carpentier
Walter C. Pittsburgh Pa. Leschek
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Description

Die Erfindung betrifft einen akustischen Meßwertumformer mit einer im wesentlichen rohrförmigen metallischen Kammer, die neben akustisch dämpfenden sowie elektrisch isolierendem Material ein piezoelektrisches Element enthält und an einem Ende für das piezoelektri-
if sehe Element ein abgedichtetes akustisches Übertra- £ gungsfenster bildet, mit einem, einem ersten elektri- ■■■ sehen Anschluß zugeordneten ersten elektrischen Lei- ;; ter, der mit derjenigen Seite des piezoelektrischen EIe- y, mentes elektrisch verbunden ist, welche innerhalb der ■/ Kammer nach innen gerichtet ist, und welcher Leiter f; sich durch das elektrisch isolierende Material hindurch ί erstreckt, sowie mit einer, einen zweiten elektrischen :> Anschluß mit dem piezoelektrischen Element herstellu lenden Elektrode. '■: Ein derartiger akustischer Meßwertumformer ist aus % der DE-OS 23 30 542 bereits bekannt
ν· Derartige akustische Meßwertumformer lassen sich r> als elektro-akustische Meßfühlerelemente, insbesonde- '.:' re als Durchflußmengen-Detektoren sowie als Detek- };; toren für Risse in Metallgefäßen verwenden. In seiner £ einfachsten Form ist ein piezoelektrisches Element aku-H stisch mit dem Medium verbunden, welches abgefühlt ι werden soll, wobei das von dem piezoelektrischen EIe-4> ment abgeleitete Signal den Zustand des untersuchten Mediums anzeigt Auf Schallemission ansprechende Meßwertumformer, die als passive Detektoren arbeiten und das von sich verbreiternden Rissen ausgehende Geräusch messen, lassen sich zur Überwachung der Metallwand von Kernreaktordruckgefäßen einsetzen. Elektro- ; akustische Meßwertumformer dieser Bauart sind an der Außenwand des Druckgefäßes befestigt und verbleiben - an einer Stelle zur Überwachung des Zustandes der ; Gefäßwand während des Betriebs. Für diesen Verwendungszweck muß der Meßwertumformer jedoch die hohen Temperaturen sowie die Sirahlungsbeiastung aushalten, die von dem Reaktorgefäß ausgehen. Hierzu ist die Verwendung einer metallischen, gegenüber hohen Temperaturen beständigen rohrförmigen metallischen Kammer für das (aktive) piezoelektrische Element von Wichtigkeit, welche metallische Kammer das Element dicht umschließt. An einem Ende der Wandleranordnung ist ein dünner, metallischer, für akustische Schallenergie durchlässiger Bereich (Fenster) vorgesehen, welcher Bereich mechanisch und akustisch mit der zu überwachenden Einrichtung, wie beispielsweise das erwähnte Druckgefäß eines Kernreaktors, verbunden ist. Natürlich muß auch innerhalb der Kammer für eine wirksame akustische Kopplung zwischen dem Fensterbereich und dem piezoelektrischen Element gesorgt werden, was beim eingangs erwähnten Stand der Technik durch Verklebung bewerkstelligt wird, beispielsweise mittels eines organischen Klebemittels auf Polyamidbasis.
Zur Unterdrückung von unerwünschten Schwingungserscheinungen ist bei der bekannten Anordnung der in der Kammer verbleibende Hohlraum mit einem Dämpfungsmaterial gefüllt, das gleichzeitig auch einen elektrisch isolierenden Mantel bildet.
Zur Ableitung der elektrischen Signale, die in dem piezoelektrischen Element durch Schallenergie erzeugt werden, dient ein elektrischer Leiter, der (über eine gleichfalls am piezoelektrischen Element durch Klebung befestigte) Elektrode am piezoelektrischen Element angeschlossen ist. Der zweite Anschluß erfolgt über die rohrförmige metallische Kammer.
Nachteilig bei der bekannten Konstruktion ist zum einen, daß zum korrekten Verbinden des piezoelektrischen Elementes mit der metallischen Kammer einerseits und mit der Leitungselektrode andererseits sorgfältige mechanische und chemische Behandlung der in Kontakt gelangenden Oberfläche notwendig ist, wobei als weiterer Nachteil ein späterer Austausch eines derartig montierten piezoelektrischen Elementes nicht oder zumindest nur mit großen Schwierigkeiten möglich ist Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn der akustische Meßwertumformer seinerseits durch eine Klebeverbindung mit der zu überwachenden Wand verbunden wurde und daher gleichfalls nur schwer ausgewechselt werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, den akustischen Meßwertumformer der eingangs genannten Art, der auch unier widrigen Umgangsbedingungen zuverlässig arbeitet, dahingehend zu verbessern, daß er keine aufwendigen Oberflächenbehandlungen der mechanischen bzw. elektrischen Kontaktflächen erfordert und außerdem im Bedarfsfall ohne große Probleme einen Austausch des piezoelektrischen Elementes gestattet
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß bei einem akustischen Meßwertumformer der eingangs genannten Art das akustisch dämpfende Material elektrisch leitet und im Kontakt mit derjenigen Seite des piezoelektrischen Elementes steht, die innerhalb der Kammer nach innen gerichtet ist, daß das akustisch dämpfende, elektrisch leitende Material unmittelbar von dem elektrisch isolierenden Material in Form eines Mantels umgeben ist daß ein einteiliges Druckglied innerhalb der Kammer vorgesehen ist, das den elektrisch isolierenden Mantel gegen das Dämpfungsmaterial und dieses dadurch gegen das piezoelektrische Element drückt, und daß ein zweiter, mit der Elektrode des piezoelektrischen Elementes verbundener elektrischer Leiter sich ebenfalls durch den Mantel erstreckt
Dadurch, daß das akustisch dämpfende Material elektrisch leitet und im Kontakt mit derjenigen Seite des piezoelektrischen Elementes steht, die innerhalb der Kammer nach innen gerichtet ist, ergibt sich zum einen der Vorteil, daß Schallreflektionen, wie sie beim Stand der Technik an der dort benutzten Elektrode noch auftreten können, hier abgedämpft werden, andererseits sich die Möglichkeit eröffnet, auf dieses elektrisch leitende, dämpfende Material einen Anpreßdruck auszuüben, der über einen elektrisch isolierenden Mantel von einem Druckglied (Druckfeder 57) aufgebracht wird, welche beiden Bauteile ebenfalls innerhalb der Kammer angeordnet sind. Diese Konstruktion ermöglicht in einfacher Weise den netwendigen elektrischen und mechanischen Kontakt zwischen den aktiven Wandlerelementen und dem akustischen Fensterbereich für die Schallenergie sowie für die Anschlußelektroden, ohne daß dazu komplizierte Oberflächenbehandlungen zur Herstellung zuverlässiger Klebeflächen notwendig wären. Hinzu kommt der Vorteil, daß das piezoelektrische Element problemlos ausgetauscht werden kann.
Zwar ist aus der US-PS 35 69 749 an sich bereits bekannt, ein piezoelektrisches Element durch Federkraft unter Zwischenschaltung weiterer Elemente in einem Gehäuse einzuspannen, jedoch geht es bei dieser Druckschrift im wesentlichen um möglichst günstige Wärmeableitungseffekte, während das Problem der Dämpfung von störenden Schwingungen nicht angesprochen wird und daher die dort gewählte Konstruktion nicht ohne weiteres auf den hier vorliegenden Fall übertragen werden kann.
Von Bedeutung ist auch, daß der zweite, mit der anderen Elektrode des piezoelektrischen Elementes verbundene elektrische Leiter sich ebenfalls durch das Isoliermaterial hindurch erstreckt, wie der erste Leiter auch, weil dadurch eine im wesentlichen symmetrische Anordnung geschaffen werden kann, was bei bestimmten Meßschaltungen von Vorteil ist. Beim Stand der Tech-
nik dient dagegen das Gehäuse als zweiter elektrischer Verbindungsweg zum piezoelektrischen Element. Dadurch können unerwünschte Erdschleifen entstehen, die Störsignale erzeugen können.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines akustischen Meßwertumformers unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert; es stellt dar
F i g. 1 eine Seitenansicht des Meßwertumformers im Kontakt mit einem Metallgefäß,
F i g. 2 eine Querschnittsansicht des vorderen Teiles des Meßwertumformers, und
F i g. 3 ein schematisches elektrisches Schaltbild zur Erläuterung der Bauteile des Meßwertumformers.
Gemäß F i g. 1 befindet sich der Meßwertumformer 10 in einer Position im Kontakt mit einer metallischen Gefäßwand 12. Der Meßwertumformer 10 wird im Kontakt mit der Gefäßwand 12 durch eine federbelastete Halteeinrichtung 14 gehalten, welche mit der Gefäßwand 12 mechanisch verbunden oder durch eine nicht dargestellte Magnetkupplung stationär befestigt sein kann. Die Haltefeder 15 erstreckt sich zwischen der Halteeinrichtung 14 und einem Flansch 17, welcher um ein Vorderteil 16 herum angeordnet ist
Der Meßwertumformer 10 enthält neben dem Vorderteil 16 einen flexiblen Leitungsabschnitt mit Anschlußgliedern 18 und einen als Übertragergehäuse ausgebildeten Endabschnitt 20.
Das Vorderteil 16 ist deutlicher aus F i g. 2 ersichtlich. Es enthält eine im allgemeinen rohrförmige, gegenüber hohen Temperaturen beständige metallische Kammer bzw. Hülle 22. Die Kammer 22 besteht aus einer Nickel-Eisen-Kobalt-Legierung und ist gegenüber hohen Temperaturen beständig und auch im allgemeinen chemisch widerstandsfähig. Es können jedoch auch andere Nikkel-Eisen-Legierungen verwendet werden. Die leitfähige Metallkammer 22 ist auch elektrisch geerdet und dient als Abschirmung, so daß die Ausbildung von Erdschleifen in der Meßfühlerschaltung vermieden wird. Ein metallisches, gegenüber hohen Temperaturen beständiges Umformerfenster 24, welches in diesem Beispiel als dünne Metallscheibe ausgebildet ist ist an einem Ende der Kammer 22 eingelötet. Das Abschirmungsfenster 24 besteht aus derselben Legierung wie die Kammer 22. Das scheibenförmige, isolierende Keramikfenster 26, welches auf beiden Hauptflächen metallisiert ist ist auf die Innenfläche des Endfensters 24 aufgelötet Das isolierende Scheibenfenster 26 besteht aus Aluminiumoxid, einem keramischen Material mit hoher Schallgeschwindigkeit und einer guten spezifischen akustischen Impedanzanpassung an das Metallfenster 24. Aluminiumoxid hat auch einen sehr geringen Abschwächur.gskceffizienten gegenüber Ultraschall und hat eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante. Das metallische Abschirmungsfenster 24 ist ein relativ dünnes Glied mit einer maximalen Dicke von etwa 0,75 mm und einem Kontaktdurchmesser von etwa 3,3 mm. Der Oberflächenkontaktbereich wird durch den Abschnitt der Außenfläche des Umformers gebildet welcher sich in akustischem Kontakt mit dem untersuchten Teil, beispielsweise der Wand eines Druckgefäßes befindet Der Durchmesser des Flächenkontakts des Fensters ist etwa gleich der Hälfte der Wellenlänge einer Oberflächenwelle nach Rayleigh bei einer Frequenz von etwa 500 kHz. Ein geeigneter Bereich von Betriebsfrequenzen für die erläuterte Umformeranordnung erstreckt sich von 300 bis 700 kHz.
Der Durchmesser des Oberflächenkontaktes des Fensters ist nicht kritisch, jedoch könnten größere Kontaktdurchmesser die Ansprechempfindlichkeit wegen WeI-lenauslöschung herabsetzen, während wesentlich kleinere Durchmesser die Ansprechempfindlichkeit durch Herabsetzung der Apertur beeinträchtigen würden, durch welche die akustische Energie hindurchgelassen wird. Der Oberflächehkontaktdurchmesser des Fensters ist derart gewählt, daß eine gute akustische Kopplung erreicht wird, indem die Fläche des Meßwertumformers gegen die Gefäßwandung 12 mit einer Druckkraft von etwa 13 kp gedrückt wird, welche durch die federbelastete Halterungseinrichtung 14 ausgeübt wird. Bei einer solchen Druckkraft ist kein flüssiges Kopplungsmittel erforderlich. Die Dicke von 0,75 mm des Fensters ergibt eine ausreichende Festigkeit und erhält eine gute akusti-
sehe Übertragung ohne die Ausbildung von Stehwellen, aufrecht. Die parallelen Flächen des Metallfensters 24 sind flach und haben eine Rauhigkeit von etwa 0,203 mm, um eine gute akustische Kopplung der Fläche mit kleinem Durchmesser mit dem überprüften Teil und eine gute Lötverbindung der Fläche mit großem Durchmesser und dem Tonerdekeramikmaterial sicherzustellen. Das isolierende scheibenförmige Fenster 26 aus Tonerde hat typischerweise einen Durchmesser von etwa 5 mm und eine Dicke von etwa 0,64 mm. Der Durchmesser des Fensters 26 ist auf die piezoelektrische Scheibe 28 abgestimmt, mit welcher das Fenster verlötet wird. Das isolierende Scheibenfenster 26 hat eine Dicke, die kleiner als die Wellenlänge von Schall in Tonerde bei einer Frequenz von 500 kHz ist. Die Scheibe 26 aus Tonerde ist auf beiden Hauptflächen durch ein bekanntes Molymanganverfahren metallisiert, wodurch feuerfeste Metalle chemisch mit der üblicherweise inerten Tonerde bei einer wesentlich erhöhten Temperatur in Wasserstoffatmosphäre gebondert und danach mit Nickel plattiert werden. Die Nickelplattierung dient sowohl dazu, das feuerfeste Material gegen Oxidation während des Betriebs des Meßwertumformers bei hoher Temperatur zu schützen als auch als eine Art Flußmittel während des Anlötens der Isolationsscheibe an dem Metallfenster 24.
Ein Anschluß des Meßwertumformers an negatives Potential ist als ringförmiges Glied 30 mit dem gleichen Gesamtdurchmesser wie die Isolationsscheibe 26 ausgebildet und an der Isolationsscheibe angelötet und hat eine zentrale Öffnung 32. Ein elektrischer Leiter 34 ist mit dem Anschluß 30 verbunden. Die ringförmige Klemme 30 besteht ebenfalls aus Kovar und der Innendurchmesser der öffnung 32 ist zur Aufnahme der piezoelektrischen Scheibe 28 geeignet Ein Ende der piezoelektrisehen Scheibe 28 befindet sich daher in Kontakt mit der metallisierten Oberfläche des isolierenden Scheibenfen-
Scheibe 28 hat eine typische Abmessung von etwa 23 mm und etwa 1,9 mm Dicke. Diese Werte sind derart ausgewählt daß das beste elektroakustische Verhalten im Bereich der Betriebsfrequenzen von 300 bis 700 kHz erhalten wird. Die piezoelektrische Scheibe 28 besteht bespielsweise aus einem Blei-Zirkonat-Titanat und ist elektrisch in axialer Richtung gepolt Das zugehörige Material hat eine hohe Ansprechempfindlichkek, Widerstandsfähigkeit und Stabilität über einen weiten Temperaturbereich. Wie noch erläutert wird, ist die elektroakustische Empfindlichkeit relativ wenig von der Temperatur abhängig.
In Richtung der piezoelektrischen Scheibe 28 ist ein stangenförmiger Dämpfungsblock 36 angeordnet der an einem Ende mit der Scheibe 28 in Kontakt steht Der Dämpfungsblock 36 besteht aus einem elektrisch leitfä-
higen Material, beispielsweise Graphit oder aus Kohle/ Graphit zusammengesetzten Materialien, welche derart ausgewählt sein müssen, daß sie gute mechanische Dämpfungseigenschaften für Ultraschall, eine gute elektrische Leitfähigkeit, eine mäßige Empfindlichkeit gegenüber hohem Druck und eine gute Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweisen. Es ist wichtig, daß die Endfläche des Dämpfungsblockes, welche den Kontakt mit der piezoelektrischen Scheibe ausbildet, so geschliffen wird, daß sie flach ist und eine Rauhigkeit von 0,203 mm hat. Dadurch wird eine trokkene akustische Kopplung des Dämpfungsblocks mit dem piezoelektrischen Element erleichtert. Insbesondere Graphit hat sich als gut leitfähiges Dämpfungsmaterial herausgestellt und verbessert die Ansprechempfindlichkeit der Anordnung durch Reduzierung von störenden Einschwingvorgängen.
In die Kammer 22 ist um den Dämpfungsblock 36 ein längsgestreckter Isolationsmantel 38 eingepaßt. Der Isolationsmantel 38 hat einen Endabschnitt 40 mit großem Durchmesser am vorderen Ende nahe dem piezoelektrischen Element. Eine den Dämpfungsblock aufnehmende Kammer 42 ist zentral in dem Endabschnitt 40 mit vergrößertem Durchmesser des Isoliermantels 38 ausgebildet. Diese Kammer 42 ist durch eine sich zentral erstreckende Kammer 50 mit kleinerem Durchmesser fortgesetzt, welche als Durchgang für eine elektrische Durchführung durch den Isolationsmantel 38 dient. Ein Leiter 43 ist mit einem Anschluß 44 für positives Potential verbunden, welcher aus einem leitfähigen Metallglied mit einer abgeflachten Endfläche mit einem Durchmesser besteht, der etwa gleich demjenigen des Dämpfungsblocks 36 entspricht und an diesem anliegt. Die Metallelektrode 44 ist ein kolbenähnliches Glied mit einem Kopfstück 46 und einem stangenförmigen Abschnitt 48. Das Kopfstück 46 und der Dämpfungsblock 36 sind in einer Kammer zur Aufnahme des Dämpfungsblocks eingepaßt, die in dem Isolationsmanie! 38 ausgebildet ist
Eine Druckplatte 52 mit Außengewinde ist mit dem Innengewinde 54 der Kammer 22 an dem dem Fensterabschnitt gegenüberliegenden Ende verschraubt Durch die Druckplatte erstreckt sich eine zentrale öffnung 56. und der Durchmesser der Druckplatte ist ausreichend bemessen, so daß der Isolationsmantel hindurchgelangen kann. Um den Isolationsmantel 38 herum erstreckt sich eine auch bei hohen Temperaturen beständige Scheibenfederanordnung 57, die sich zwischen der Druckplatte 52 und dem Endabschnitt 40 mit vergrößertem Durchmesser des Isolationsmantels 38 erstreckt Wenn die Druckplatte 52 durch den Eingriff mit der
(^A.<.;«Jnfi^u9 ca J-- ν *v* r *. ,ι ι_* : ι
u^niiiuciiauic jr uci ivaiiiuiGi A^ lcaigcaCiuduui wiiu, wird die Scheibenfeder zusammengedrückt und hält die Umformerabschnitte in der Kammer unter dem Einfluß der Druckkraft zusammen. Eine Scheibenfeder gibt eine relativ hohe Druckkraft bei einem kurzen Hub auf kleinem Raum. Es kann eine Anzahl von Scheibenfedern mechanisch in Reihe verbunden sein, um die gewünschte Druckkraft auszuüben, welche beispielsweise 13 kp betragen kann, wodurch ein Druck von 151,8 kp/cm2 entsteht, welcher auf die piezoelektrische Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 0,25 mm einwirkt Entlang der Länge des Isolationsmantels 38 ist eine Durchführungsöffnung 58 vorgesehen, welche den Durchgang des Leiters 34 gestattet, der mit dem Anschluß 30 für negatives Potential verbunden ist
Die Lötverbindung, die zwischen dem Metallfenster 24, dem isolierenden Scheibenfenster 26 und auf der Fläche der Isolationsscheibe angebracht ist, mit welcher die piezoelektrische Scheibe unter Druck verbunden ist, enthält einen Prozentsatz eines relativ dehnbaren metallischen Bestandteiles, beispielsweise Palladium, welches hinreichend mechanisch anpassungsfähig ist, so daß eine von Fehlstellen freie akustisch durchlässige Stoßverbindung ausgebildet wird. Eine speziell geeignete Lötlegierung hat eine nominelle Zusammensetzung von 58% Silber, 32% Kupfer und 10% Palladium. Sie verflüssigt sich bei 852°C und erstarrt bei 824°C. Die Lötlegierung wird in einer vorgeformten Scheibe von etwa 5 mm Durchmesser und etwa 0,25 mm Dicke verwendet. Beim Erhitzen bondert die Lötlegierung das isolierende Scheibenfenster 26 mit dem Metallfenster 24 und der ringförmigen Klemme 30 für negatives Potential. Zusätzlich bedeckt die Lötlegierung die freiliegende Fläche des Fensters 26, wodurch die nachfolgende trokkene akustische Kopplung der piezoelektrischen Scheibe 28 mit dem Fenster 26 insbesondere aufgrund der Druckkraft erleichtert wird, die auf das Fenster durch die Scheibenfederanordnung 57 ausgeübt wird,
Mit dem offenen Ende der im allgemeinen rohrförmigen Kammer 22 ist ein längsgestrecktes flexibles Metallführungsglied 18 abgedichtet, und die positiven und negativen elektrischen Leitungen sind durch diesen flexiblen Leitermantel hindurchgeführt und gehalten. Der Leitermantel enthält eine luftdichte Manschette aus nicht-rostendem Stahl mit einem Innendurchmesser von 6,2 mm über einer doppelt geflochtenen Hülle aus nichtrostendem Stahl und ist mit festen rohrförmigen Endfassungen versehen. Der Leitermantel ist luftdicht zur Kammer 22 abgedichtet Ein Gehäuseendabschnitt 20 für einen Übertrager ist luftdicht am anderen Ende des flexiblen Leitermantels 18 abgedichtet und enthält einen im allgemeinen rohrförmigen Körper, innerhalb dessen sich ein Übertrager mit einem Topfkern befindet. Der Übertrager ist derart dimensioniert, daß er die elektrische Ausgangsimpedanz des piezoelektrischen Elementes an die Impedanz der Übertragungsleitung anpaßt, welche das Signal an das elektronische Abfühlsystem überträgt Ein luftdicht abgeschlossenes Kammerglied 60 befindet sich am Ende des Gehäuseendabschnittes 20 für den Übertrager, und durch dieses Endglied 60 erstrecken sich elektrische Ausgangsleitungen zur Ver-
bindung des Meßwertumformers mit der Übertragungsleitung.
In Fig.3 ist schematisch ein elektrisches Schaltbild des Meßwertumformers 10 dargestellt wobei der zusammengesetzte Aufbau mit der Kammer 22, dem metallischen Fenster 24, dem Leitermantel 18, dem Gehäuseendabschnitt 20 für den Übertrager und das Kammer-
gncu w dia i^icxtii lävii gbwiutti. ivaiiiiiicinaiiu uaigc* stellt sind, die elektrisch in Reihe mit dem metallisierten akustischen Tonerdefenster verbunden ist welches die elektrische Kapazität CVhat Die elektrische Ausgangsimpedanz des piezoelektrischen Kristalls ist komplex aufgrund der vielen mechanischen Resonanzen, welche sich in dem interessierenden Frequenzband ausbilden. Aus diesem Grund ist diese Impedanz mit Zc bezeichnet Das in dem Kristall erzeugte elektrische Signal ist mit Ec bezeichnet, und die elektrische Kapazität zwischen den positiven und negativen Leitungen gleicht CpN- Die Kapazität zwischen der positiven Leitung und der Abschirmung und zwischen der negativen Leitung und der Abschirmung ist mit Cps und Css bezeichnet Die Induktivität Lp stellt die Leerlaufinduktivität der Primärwicklung des Übertragers dar und C bezeichnet die .gesamte Wicklungskapazität des Übertragers, bezo-
ίο
gen auf die Primärseite. Afc ist die Nummer der Windungen der Primärwicklung und Ns ist die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung. Der Mittelpunkt der Sekundärwicklung ist geerdet, so daß der Ausgang des Übertragers elektrisch gegenüber Masse abgeglichen ist. Die leitfähige Kammer 22, die flexible Leitung 18 und der leitfähige Übertrager umfassen die elektrisch geerdete Abschirmung, welche in F i g. 3 um die aktiven Bauteile herum angedeutet ist.
Der Abschlußwiderstand Ro entspricht der Impedanz des Meßwertumformers. Es ist üblich, daß der Ausgang des Umformers direkt mit einem Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz verbunden wird, statt die Leitung gemäß F i g. 3 abzuschließen und das Ausgangssignal an dem Widerstand Ro abzunehmen. Es wurde herausgefunden, daß ein solcher Abschluß die bisher beobachtete große Variationsbreite der Temperaturempfindlichkeit herabsetzt. Bei dieser Belastung ist die elektroakustische Empfindlichkeit relativ wenig abhängig von der Temperatur. Die Empfindlichkeit der Anordnung nimmt nur um etwa 1,5 dB ab, wenn die Betriebstemperatur gegenüber der Raumumgebungstemperatur auf 287° C erhöht wird.
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Claims (10)

  1. Patentansprüche:
    L Akustischer Meßwertumformer mit einer im wesentlichen rohrförmigen metallischen Kammer (22), die neben akustisch dämpfendem sowie elektrisch isolierendem Material (36,38) ein piezoelektrisches Element (28) enthält und an einem Ende für das piezoelektrische Element (28) ein abgedichtetes akustisches Übertragungsfenster (24) bildet, mit einem, einem ersten elektrischen Anschluß zugeordneten ersten elektrischen Leiter (43), der mit derjenigen Seite des piezoelektrischen Elementes (28) elektrisch verbunden ist, welche innerhalb der Kammer (22) nach innen gerichtet ist, und welcher Leiter (43) sich durch das elektrisch isolierende Material (38) hindurch erstreckt, sowie mit einer, einen zweiten elektrischen Anschluß mit dem piezoelektrischen Element (28) herstellenden Elektrode (30), dadurch gekennzeichnet, daß das akustisch dämpfende Material (36) elektrisch leitet und im Kontakt mit derjenigen Seite des piezoelektrischen Elementes (28) steht, die innerhalb der Kammer (22) nach innen gerichtet ist, daß das akustisch dämpfende, elektrisch leitende Material (36) unmittelbar von dem elektrisch isolierenden Material in Form eines Mantels (38) umgeben ist, daß ein einteiliges Druckglied innerhalb der Kammer (22) vorgesehen ist, das den elektrisch isolierenden Mantel (38) gegen das Dämpfungsmaterial (36) und dieses dadurch gegen das piezoelektrische Element (28) drückt, und daß ein zweiter, mit der Elektrode (30) des piezoelektrischen Elementes (28) verbundener elektrischer Leiter (34) sich ebenfalls durch den Mantel (38) erstreckt.
  2. 2. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckglied eine um den langgestreckten, elektrisch isolierenden Mantel (38) herum angeordnete Federeinrichtung (57) aufweist, ein Ende der Federeinrichtung an dem Mantel (38) anliegt und das andere Ende der Federeinrichtung (57) durch ein Abschlußglied (52) gehalten wird, welches längs der Achse der rohrförmigen Kammer (22) derart bewegbar ist, daß ein vorbestimmter Druck auf den Mantel (38) ausgeübt wird und der Mantel (38) das akustisch dämpfende und elektrisch leitende Material (36) in Form eines Stabes erfaßt.
  3. 3. Meßwertumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der langgestreckte, elektrisch isolierende Mantel (38) einen im wesentlichen zylindrischen Körper mit einer Kammer (42) an einem Ende zur Aufnahme des Stabes und einen Abschnitt (40) mit vergrößertem Durchmesser an dem Ende nahe des Stabes aufweist und die Federeinrichtung (57) gegen diesen Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser abgestützt ist.
  4. 4. Meßwertumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (48,44) für positives Potential innerhalb der den Stab aufnehmenden Kammer des Mantels (38) eingesetzt ist und eine ebene Fläche aufweist, die unter Druck gegen die Stirnfläche des Stabes abgestützt ist.
  5. 5. Meßwertumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Übertragungsfenster (24) für das piezoelektrisehe Element (28) ein gegenüber hohen Temperaturen beständiges, elektrisch isolierendes dünnes Scheibenglied aufweist, das akustisch mit einer Fläche des metallischen Fensterbereiches der Kammer (22) gekoppelt ist, wobei das piezoelektrische Element (28), das ebenfalls eine dünne Scheibe darstellt, akustisch mit der anderen Seite der isolierenden Scheibe (26) gekoppelt ist.
  6. 6. Meßwertumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Seiten der isolierenden Scheibe (26) mit einer hitzebeständigen Metallschicht metallisiert und mit einer auf dieser Schicht befindlichen Nickelplattierungsschicht versehen sind.
  7. 7. Meßwertumformer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (30) für negatives Potential ein ringförmiges Metallglied umfaßt, das auf der metallisierten Oberfläche der isolierenden Scheibe (26) angeordnet ist, welche dem piezoelektrischen Element (28) gegenüberliegt, und daß das piezoelektrische Element innerhalb des durch die Elektrode (30) definierten ringförmigen Bereichs angeordnet ist
  8. 8. Meßwertumformer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das den Meßwertumformer abschirmende Fenster, die metallisierte Scheibe (26) und die Elektrode (30) für negatives Potential akustisch durch eine Stoßlötverbindung miteinander verbunden sind und das Lötmaterial bei hohen Temperaturen beständig und mechanisch derart beschaffen ist, daß die Bildung einer akustisch durchlässigen Stoßverbindung ohne Fehlstellen dadurch sichergestellt ist, daß das Lötmaterial die metallisierte Oberfläche der Isolationsscheibe (26) bedeckt, welche gegen die piezoelektrische Scheibe gedrückt ist, und daß das Lötmaterial eine Silber-Kupfermischung enthält, welche mit einer kleinen Menge aus Palladium legiert ist.
  9. 9. Meßwertumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Stabes, der aus einem zylindrischen Graphitkörper besteht, unter Druck im Kontakt mit dem piezoelektrischen Element (26) steht und derart flach geschliffen ist, daß eine effektive trockene akustische Kopplung zwischen diesen Elementen sichergestellt ist.
  10. 10. Meßwertumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die rohrförmige Metallkammer (22) als geerdeter Schirm dient und mit einem luftdicht abgeschlossenen, geerdeten Leitermaterial verbunden ist, der zu einem abgedichteten, im wesentlichen rohrförmigen Übertragergehäuse (20) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des geerdeten Leitermantels (18) das Paar elektrischer Leiter (34, 43) zur Primärwicklung des Übertragers geführt ist, dessen Sekundärwicklung mit Ausgangsleitungen verbunden ist, welche als symmetrische Ausgangsleitungen abgedichtet durch das geschlossene Ende des Übertragergehäuses nach draußen geführt sind, wobei die Ausgangsleiter zur Impedanzanpassung mit einem Widerstand abgeschlossen sind.
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