DE3507577A1

DE3507577A1 - Druckwellen-wandler

Info

Publication number: DE3507577A1
Application number: DE19853507577
Authority: DE
Inventors: Michael Burton-on-Trent Staffordshire Sadler
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1984-03-14
Filing date: 1985-03-04
Publication date: 1985-09-19
Also published as: GB2155732B; US4578611A; CH662417A5; GB2155732A; DK114285A; DK114285D0; FR2561384A1; FR2561384B1; JPS60202325A; GB8406699D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler zur

Feststellung von Druckwellen und zur Erzeugung

eines elektrischen Ausgangs, der die Größe derartiger festgestellter Druckwellen anzeigt.

Die GB-PS 11 16 581 beschreibt einen Druckwellen-Wandler, der einen piezoelektrischen Kristall aufweist, welcher in der Weise angeordnet ist, daß er durch die Druckwellen deformiert wird. Die Deformation des Kristalls führt zur Erzeugung einer Potentialdifferenz, die die Größe der Druckwellen anzeigt. Wandler dieser Art können unechte Anzeigen von Druckwellen liefern, wenn der Kristall durch Druckwellen deformiert wird, die bereits auf den Kristall eingewirkt haben, die aber danach von anderen Bauteilen des Wandlers nach dem Kristall zurückreflektiert wurden. Der Wandler gemäß der GB-PS 11 16 581 sucht dieses Problem durch Anordnung eines Stützstabes auf der Rückseite des piezoelektrischen Kristalls zu verhindern. Die Stange ist von einem Dämpfungsmaterial, z.B. Silikongummi eingeschlossen, so daß jede Druckwelle, die durch den piezoelektrischen Kristall läuft, danach in die Stange gelangt und durch das Dämpfungsmaterial gedämpft wird, wodurch gewährleistet wird, daß keine reflektierten Druckwellen den Kristall erreichen.

Die Wandler gemäß der GB-PS 11 16 581 sind zwar in der Lage, die Größe von Druckwellen anzuzeigen, jedoch sind sie im Hinblick auf ihre Größe nur beschränkt einsetzbar. Infolge der Größe des Dämpfungsstabes,

den sie aufweisen, sind derartige Wandler ziemlich raumgreifend. Eine weitere Beschränkung ergibt sich durch die Temperaturgrenzen des Materials, welches zum Dämpfen der Stange benutzt wird. Geeignete Materialien zur Dämpfung, beispielsweise die unter den Warenzeichen "Plasticene" und "Neoprene" verkauften Werkstoffe können nur bei Temperaturen bis zu 150⁰C arbeiten. Außerdem sind derartige Wandler im Hinblick auf Beschleunigung und Vibration empfindlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wandler zur Feststellung von Druckwellen zu schaffen, der kompakt ausgebildet und in der Lage ist, auch bei höheren Temperaturen als bisher möglich, wirksam zu arbeiten und der weniger empfindlich gegenüber Vibrationen und Beschleunigungen ist.

Gemäß der Erfindung umfaßt ein Wandler zur Feststellung von Druckwellen einen piezoelektrischen Körper, ein elektrisch leitfähiges Stützglied, auf dem der piezoelektrische Körper in elektrischer Kontaktberührung hiermit montiert ist, und einen Bornitrid-Träger, der sowohl den piezoelektrischen Körper als auch das Stützglied tragt, wobei der piezoelektrische Körper so angeordnet ist, daß er betriebsmäßig den Druckwellen ausgesetzt wird, so daß derartige Druckwellen den piezoelektrischen Körper veranlassen, sich zu deformieren und dadurch ein Ausgangssignal liefern, dessen Größe die Größe der Druckwellen anzeigt.

In der Beschreibung soll der Ausdruck "Druckwelle" sowohl Druckwellen umfassen, die in gasförmigen und flüssigen Medien wandern, als auch akustische Emissionswellen, die sich in flüssigen oder festen Medien fortpflanzen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Axialschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Druckwellen-Wandlers.

Der Druckwellen-Wandler 10 weist eine Scheibe 11 auf, die aus einem piezoelektrischen Bleizirkonat-Titanat-Kristall besteht und mittels eines Epoxydharzes auf einem scheibenartigen Stützglied 12 aus Messing aufqeklebt ist. Obgleich die Scheibe 11 gemäß dem Ausführungsbeispiel aus einem Bleizirkonat-Titanat-Kristal1 besteht, können auch andere Materialien benutzt werden, die piezoelektrische Eigenschaften besitzen.

Das Epoxyd-Kunstharz ist sparsam zwischen der Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11 und dem aus Messing bestehenden Stützglied 12 derart aufgebracht, daß der Durchtritt eines elektrischen Stromes dazwischen nicht verhindert wird. Sollte die Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11 deformiert werden und dadurch einen elektrischen Ausgang erzeugen, dann wird aufgrund dieser elektrischen Verbindung dieser Ausgang nach dem aus Messing bestehenden Stützglied 12 übertragen.

Das aus Messing bestehende Stützglied ist in der Mitte mit einem Loch 13 versehen, das den Mittelleiter 14 eines Koaxialkabels 15 aufnimmt. Die Abschirmung 16 des Koaxialkabels 15 wird von der inneren Oberfläche eines aus rostfreiem Stahl bestehenden Rohres 17 aufgenommen, welches das Gehäuse des Wandlers 10 bildet.

Das Rohr 17 des Wandlers 10 ist auf der rechten Seite (gemäß der Darstellung in der Zeichnung betrachtet) mit einem im Durchmesser vergrößerten Abschnitt 18 versehen, der einen Flansch aufweist, um eine metallische Endkappe 19 aufzunehmen. Die Kappe 19 besitzt eine Frontseite 20, die dünner ist als der übrige Teil der Kappe und so eine Membran über einem Ende des Wandlers 10 bildet. Die Kappe 19 umschließt einen hohlen zylindrischen Träger 21 aus Bornitrid, der außen bei 23 abgestuft ist, um einen Einbau in den mit Flansch versehenen Abschnitt 18 des Wandlers zu ermöglichen. Eine Innenstufe 24 bildet einen Anschlag für das Messing· Stützglied 12 und die Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11, die darin zu liegen kommen. Der Bor-Nitrid-Träger 21 trägt zusätzlich eine mit Platin überzogene Silikat-Scheibe 22, die zwischen der Membran 20 und der Blei-Zirkonat-Titanat-Scheibe 11 liegt.

Die Membran 20 und die mit Platin überzogene Silikat-Scheibe 22 dient zum Schutz der Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11 gegen Beschädigungen, falls der Wandler 10 in einer Umgebung benutzt werden muß, die voraussichtlich eine schädliche Einwirkung auf die Scheibe 12 hat.

Diese Schutzscheiben sind jedoch hinreichend transparent gegenüber den Druckwellen, so daß dann wenn der Bleizirkonat-Titanat-Kristall bei Auftreffen von Druckwellen genügender Größe deformiert wird und dadurch eine Potentialdifferenz erzeugt. Die erzeugte Potentialdifferenz richtet sich nach dem Ausmaß der Deformation der Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11 und demgemäß nach der Größe der Druckwellen, denen der Kristall ausgesetzt wird. So liefert die Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11 einen elektrischen Ausgang, dessen Größe die Größe der Druckwellen anzeigt.

Der elektrische Ausgang der Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11 wird über die Messing-Stützscheibe 12 dem Innenleiter 14 des Koaxialkabels 15 zugeführt. Der Innenleiter 14 ist mit einem nicht dargestellten herkömmlichen Verstärker verbunden, der einen geeigneten Ausgang liefert, wenn Druckwellen entweder mit konstantem Pegel oder fluktuierenden Pegeln vom Wandler 10 aufgenommen werden. Der Verstärkerausgang wird benutzt, um geeignete Mittel zu erregen, um die Größe der festgestellten Druckwellen anzuzeigen.

Das spezielle Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einem Wandler 10 beschrieben, der mit einer Membran 20 und einer mit Platin überzogenen Silikat-Scheibe 11 ausgerüstet ist, um die Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11 zu schützen, jedoch können unter gewissen Umgebungsbedingungen derartige Vorkehrungen unnötig sein.

Es ist daher davon auszugehen, daß unter solchen Umständen die Membran 20 und die mit Platin überzogene Silikatscheibe wegfallen können. Wenn der Wandler 10 beispielsweise in einer Umgebung benutzt wird, in der die Druckwellen, die aufgefangen werden sollen, durch Druckänderungen eines Gases oder einer Flüssigkeit gebildet werden, die unter hohen Temperaturen stehen und korrosiv sind, dann liefert die Membran 20 einen Korrosionsschutz und die mit Platin überzogene Silikatscheibe 20 ergibt einen thermischen Schutz für die Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11. Wenn der Wandler 10 jedoch benutzt wird, um Druckwellen festzustellen, die die Gestalt akustischer Emissionen innerhalb eines Festkörpers aufweisen, dann können Membran 20 und die mit Platin überzogene Silikat-Scheibe 22 möglicherweise wegfallen, wobei die Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 12 in Berührung mit dem zu prüfenden Körper gebracht oder in unmittelbarer Nähe hierzu angeordnet wird. Stattdessen könnte die Silikat· Scheibe 22 auf der äußeren Oberfläche der Membran 20 so angeordnet werden, daß sie als Abnutzungsschuh wirkt, um die Membran 20 zu schützen, wenn der Wandler 10 in unmittelbare Berührung mit einer harten Oberfläche gebracht wird.

Der Bornitrid-Träger 21 dient einem doppelten Zweck. Zunächst dient er zur thermischen Isolierung des Trägers für die Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11, so daß der Wandler 10 in der Lage ist, in einer heißen Umgebung zu arbeiten, ohne daß die Arbeitsweise der

Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11 ungünstig beeinflußt wird. Tatsächlich hat sich in Versuchen ,die zur Ermittlung der Wirkung der Temperatur auf die Arbeitsweise des Wandlers 10 durchgeführt wurden herausgestellt, daß bei Temperaturen zwischen O⁰C und 250⁰C die Möglichkeit bestand, Druckwellen innerhalb eines Frequenzbereiches zwischen 35 Hz und 2 MHz festzustellen.

Die zweite Funktion des Bornitrid-Trägers 21 besteht darin, Druckwellen zu absorbieren, nachdem sie durch die Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11 und die Messing-Stützscheibe 12 hindurchgetreten sind. Wenn eine solche Absorption nicht erreicht wird, dann könnten reflektierte Druckwellen durch die Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11 reflektiert werden und dadurch darin eine Resonanz erzeugen, was wiederum zu fehlerhaften Signalen am Ausgang des Wandlers 10 führt. Es hat sich bei der Benutzung des Wandlers 10 gezeigt, daß über den Druckwellen-Frequenzbereich von 35 Hz bis 2 MHz keine merkliche Resonanz innerhalb der Bleizirkonat-Titanat-Scheibe 11 auftritt.

Es zeigt sich daher, daß der Wandler 10 in der Lage ist, bei höheren Temperaturen zu arbeiten als dies bei bekannten Wandlern der Fall ist, die Dämpfungsstäbe zur Ausschaltung von Resonanzen aufweisen und es zeigt sich, daß der erfindungsgemäße Wandler einen kompakten Aufbau im Vergleich mit bekannten Wandlern aufweist. Es hat sich gezeigt, daß es möglich ist, Wandler 10 der beschriebenen Bauart zu

erzeugen, die eine Gesamtgroße von 2,5 mm Durchmesser und 8 mm Länge besitzen. Da der Wandler 10 kompakte Abmessungen besitzt und keine nichtstarren Dämpfungsmaterialien benötigt, ist er weniger gegenüber Beschleunigungen und Vibrationen anfällig als bekannte Wandler.

Claims

Patentanwätte · ;:,:..; ; -Oj pHv-KQ .Curt Wallach

^ Europäische Patentvertreter ""*" *" """" "-Dipt.'^ng. Günther Koch

S European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

o Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

4. März 1985 Datum:

RollS-Royce Limited Unser Zeichen: 18 091 - K/Ap

Buckingham Gate
London SW1E 6AT
England

Druckwel1 en-Wandler

Patentansprüche:

1. Wandler zur Feststellung von Druckwellen

mit einem piezoelektrischen Körper, einem elektrisch leitfähigem Stützglied, auf dem der piezoelektrische Körper festgelegt ist und der hiermit in elektrischer Kontaktberührung steht, wobei der piezoelektrische Körper so angeordnet ist, daß er in Betrieb den Druckwellen ausgesetzt wird, so daß derartige Druckwellen eine Deformation des piezoelektrischen Körpers bewirken und dadurch einen elektrischen Ausgang erzeugen, dessen Größe die Größe der Druckwellen anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Körper (11) und das Stützglied (12) von einem Träger (21) aus Bornitrid abgestützt sind.

2. Wandler nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem piezo elektrischen Körper (11) un*d dem Erzeuger derartiger Druckwellen eine Schutzwand (22) vorgesehen ist, die für derartige Druckwellen im wesentlichen durchlässig ist.

3. Wandler nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzwand (22) aus einem mit einem metallischen Überzug versehenen Silikatelement besteht.

4. Wandler nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzwand (22) außerdem eine metallische Membran (20) aufweist.

5. Wandler nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Körper und das mit Metall überzogene Silikatelement (22) scheibenförmig ausgebildet sind, und daß der Bornitrid-Träger (21) als Hohlzylinder ausgebildet ist und der piezoelektrische Körper (11) und das mit Metall überzogene Silikatelement (22) innerhalb des Bornitrid-Trägers (21) koaxial hierzu von diesen umschlossen sind.

6. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Körper (11) aus einem Bleizirkonat-Titanat-Kristall besteht.

7. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitfähige Stützglied (12) aus Messing besteht.