DE4016741C1

DE4016741C1 -

Info

Publication number: DE4016741C1
Application number: DE4016741A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Phys. 4300 Essen De Graff; Juergen 4130 Moers De Verhoeven; Michael Dr.Rer.Nat. 4030 Ratingen De Waechter
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1990-05-21
Filing date: 1990-05-21
Publication date: 1991-06-20
Anticipated expiration: 2010-05-22
Also published as: EP0458426B1; EP0458426A3; DE59104457D1; EP0458426A2

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Ultraschallwandler bzw. eine Ultraschalleinrichtung gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 14.The invention relates to an electrodynamic ultrasonic transducer or an ultrasonic device according to the preamble of claims 1 and 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erzeugten Ultraschallwelle vorgibt.Ultrasonic transducers or ultrasonic devices of the generic type are in the as yet unpublished German patent application P 40 03 215.9-52. Magnet system and transducer coil are like this arranged to each other that over that with high-frequency alternating current acted upon transducer coil eddy currents in the workpiece surface induced with those generated by the magnet system Overlay field lines. The movements of the near-surface generated in this way Electrons couple to the metal grid and thus generate Density fluctuation waves, d. H. Ultrasonic. The resulting Depending on the magnetic field geometry and selected, ultrasonic waves are obtained AC frequency in the converter coil a selectable preferred direction. From German publication DE 26 55 804 it is also known that the transducer or winding geometry on the track wavelength Ultrasonic wave generated electrodynamically pretends.

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.The known ultrasonic transducers or Ultrasonic devices are due to their constructive design not suitable for use at high temperatures. The in the German Auslegeschrift 26 55 804 measures outlined as possible Consider resonant operation of the transmitter and receiver converters not the influence of longer cable lengths between converter and Signal processing unit.

Außerdem würden bei den oben dargestellten bekannten Ultraschallwandlern bzw. Ultraschalleinrichtungen werden 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 addition, the known ultrasonic transducers described above or ultrasound devices are partially movable and the use sometimes fixed connections in hot operation considerable disturbances occur. Furthermore, the above-mentioned. Converter no special protective measures for use in areas prone to radiation and / or splash water on.

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.In known ultrasound devices at long distances between signal processing unit and converters preamplifier in the Placed near the transducers, around inductive and capacitive interference exclude the signal lines, prepare the signal. The above the transducer generated high frequency signal, which has an amplitude in the Has a range of only about 1 millivolt is processed in such a way that the signal from the preamplifiers over longer lengths to the Signal processing unit can be transported. This has the Disadvantage that the additional ultrasound device Use of preamplifiers is laborious and prone to interference. The The fact that the preamplifiers are placed near the transducers must and the electronic arranged in the preamplifiers Components are neither radiation-resistant nor temperature-resistant disadvantageously the result that a so constructed Ultrasound device not under these extreme conditions mentioned, d. H. high temperature, high radiation exposure and Splash water hazard, can be used.

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.The object of the invention is therefore to provide an ultrasonic device create and the above ultrasonic transducer to further develop that with temperature cycles of 23 degrees Celsius up to 300 Degrees Celsius and the use of long transmission and reception line lengths Trouble-free operation is guaranteed, with preamplifier can be dispensed with and the converter also in the whole above temperature range mentioned splash water and radiation resistant should.

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 hohe 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.The task is with an electrodynamic Ultrasonic transducer according to the preamble of claim 1 thereby solved that the magnet system from a soft magnetic to Workpiece surface is open housing, within which a Permanent magnet with its polar axis perpendicular to the workpiece surface is aligned and with that facing away from the workpiece surface Pole surface is held magnetically on the housing and with the other Pole face is connected to a carrier receiving the transducer coil, that the electrical connection from a single or multi-core Coaxial cable exists, which is through an opening in the housing extends through and is firmly connected to the same that at least a free wire end of the converter coil flexible and with one of each Line wires of the coaxial cable is connected and at the or Contact points brazed and the solder joints and the Transducer coil wires insulated with a high temperature resistant plastic are. In a particularly advantageous embodiment of the invention The casing is box-shaped and made of soft iron. At changing operating temperatures it turns out to be special advantageous to design the invention in that the housing on the surface that bears against the pole surface of the permanent magnet Has recess whose extension parallel to the pole face so is large that the edge of this pole face from the side faces of the Recess is formed at room temperature forming an air gap. The inventive use of Sm2CO17 as a permanent magnet material advantageously ensures a high and temperature-stable Remanence. In a further advantageous embodiment, the carrier consists of a soft magnetic powder composite with low electrical Conductivity and high temperature resistance, e.g. B. Corovac OF (company Vacuum melt) and is exclusive to the permanent magnet magnetically connected. It is particularly advantageous Carrier as a truncated cone tapering towards the workpiece surface to train. Alternatively, the carrier can also be made from a temperature-resistant non-magnetic material exist, for. B. made of ceramic or from a temperature-resistant, radiation-resistant and waterproof Plastic connection. PEEKK is particularly suitable for this. In another advantageous embodiment of the invention, the carrier is comb-like grooves open towards the workpiece surface. The coaxial cable is advantageously steel sheathed and at the opening with the housing welded. The isolated solder joints are further Design firmly connected to the housing.

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. For the optional attachment of transmitter and receiver converter coils on one common carriers are two electrically independent carriers Transducer coils arranged. To ensure a flexible connection between coaxial cable and converter coil is more advantageous Design at least that with one of the line wires of the Coaxial cable flexibly connected wire end of the converter coil as Wire loop formed.

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 zu 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 Wandlerelementen 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.In the case of an ultrasound device consisting of a plurality of Electrodynamic ultrasonic transducers according to claim 1, wherein one the ultrasonic transducer as a transmitter and at least one other Ultrasonic transducer can be controlled as a receiver, the windings the transducer coils meandering and largely parallel to one Workpiece surface are arranged and with electrical connections a signal triggering and signal processing unit are connected the object achieved in that the electrical Connections made of coaxial cables with a length of more than 10 m consist of Transducer coil of the transmitter and the receiver each of several There are transducer elements that the number of turns of each transducer coil is chosen that the impedance of the transducer coil Impedance of the coaxial cable and the inputs of the signal trigger and signal processing unit compensated, the meander elements of the transmitter each have a higher number of turns than that respective meander elements of the recipient. A particularly beneficial one Design of the ultrasonic device according to the invention results from the fact that when using an 80 m long coaxial cable the transmitter coil of the transmitter consists of three meandering elements, each with 15 Windings and the transducer coil of the receiver made of three meandering elements with 7 turns each and that the track wavelength 8 mm and the winding length is 27 mm.

Sämtliche entstehenden Induktivitäten und Kapazitäten kompensieren sich hierbei derart, daß die gesamte elektrische Anordnung ohmsch ist.All inductances and capacities that arise are compensated here such that the entire electrical arrangement is ohmic.

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.The particular suitability of the electrodynamic according to the invention Ultrasonic transducer for high temperatures and extreme operating conditions results from the fact that only the coaxial cable itself and the insulated solder joints are firmly connected to the housing. All other connections are essentially due to magnetic forces accomplished. By using Sm2Co17 as Permanent magnet material ensures that this magnet is used for the fixed connections of the individual parts required forces applies. The use of Corovac OF as material for the wearer of the Transducer coil guaranteed by the property of its low electrical conductivity that in principle no ultrasonic waves in coupled the converter itself or generated in the converter itself will. This then advantageously leads to a shift of the individual parts of the transducer due to ultrasonic vibrations is prevented. The high temperature resistance of the Corovac OF material thus also guarantees trouble-free operation at high Temperatures, up to 300 degrees Celsius. Through through exclusively Magnetic forces created connection of the individual parts among each other it is ensured in a particularly advantageous manner that even with sometimes very different ones Thermal expansion coefficient no mechanical stresses in the Converters arise. This advantage is particularly important when the converter briefly high temperature differences or Exposed to temperature cycles. The use of the plastic PEEKK (for example Hostatec from Hoechst) guarantees in Insulation area not only high temperature resistance, but advantageously sets the properties of radiation resistance here and splash water resistance in the entire temperature range between Room temperature and 300 degrees Celsius. When using Corovac OF proves to be particularly advantageous to the wearer as a truncated cone tapering towards the workpiece surface to train. The advantage arises from the fact that such a Aligned truncated cone has the property as a concentrator for Magnetic field lines to act. Through this measure, the Surface field strength in the area of the ultrasound production site be significantly increased, which leads to larger Ultrasonic amplitudes are achievable.

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.As an alternative to using Corovac OF as a material for the wearer it is possible to use ceramic or PEEKK. Here, the Connection between carrier and permanent magnet through accordingly temperature-resistant adhesive.

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.The comb-like configuration of the carrier towards the workpiece surface Open slots has the advantage of making the transformer coil wires very simple Way to absorb and transfer energy between To facilitate workpiece surface and transducer coil. The use of the steel-coated coaxial cable, which is at the opening with the housing is welded, ensures trouble-free operation a fixed installation, for example, even at Operating conditions according to the task.

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.The fact that the insulated solder joints with the housing firmly are connected has the advantage that the electrical connections nevertheless stationary within the converter with sufficient flexibility are attached. This also reduces the susceptibility of the Converter.

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 Höchsttemperatur 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.The arrangement of two electrically independent converter coils on one Common carrier has the advantage that the sending and receiving location on one common ultrasound transducer are concentrated. When using the electrodynamic ultrasonic transducer at high temperature cycles the fixed arrangement of the individual parts with simultaneous stipulation a mechanically stress-free connection ensures that the housing on the surface that on the pole surface of the permanent magnet abuts, has a recess whose parallel to the pole face Extent is so large that the permanent magnet on the side surfaces this pole face is enclosed around at room temperature to form an air gap. This air gap can be chosen so that this at Use of a specified maximum temperature closes. Under these conditions of thermal expansion effects, it proves prove to be particularly advantageous that at least that with one of the Line wires of the coaxial cable flexibly connected wire end of the Transducer coil is designed as a wire loop.

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.The advantage with the proposed according to the invention Ultrasonic device is that specially for use in or in systems up to 300 degrees Celsius the signal triggering or Signal processing unit at a considerable distance from the transmitter or Receiver can be arranged. It is essential that on a The signal is not processed, for example, by a preamplifier can be. The high-frequency signal, with an amplitude of approximately 1 mV can cover the entire distance between the converter and Signal processing can be transmitted without electronic effort. The electrical adaptation proposed according to the invention leads to that even under these extreme conditions, trouble-free operation is guaranteed. From the use of the coaxial cable A converter coil tuned according to the invention results in a particular one advantageous suitability for a fixed installation, for example a plurality of transmitters and receivers in one system.

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.The proposed ultrasound 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 that for example in a pipeline system of a power plant checking facility are used by the Responsibility via the 80 m long cable in one Monitoring control center can be summarized.

Die Erfindung ist anhand von Zeichnungen nachstehend näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to drawings. It shows

Fig. 1 Aufbau elektrodynamischer Ultraschallwandler, Fig. 1 structure of electrodynamic ultrasonic transducers,

Fig. 2 Träger aus Keramik oder PEEKK, Fig. 2 support of ceramic or PEEKK,

Fig. 3 elektrodynamischer Ultraschallwandler für die Senkrechteinschallung. Fig. 3 electrodynamic ultrasonic transducer for vertical insonification.

Fig. 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. Fig. 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. In this illustration, 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 with the converter wires via a brazed connection and a wire loop 9 . 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 . In order to achieve a flexible connection between the soldering point and the converter coil, one of the loose converter wire ends 9 is led , for example as a loop, to the brazing point. Like the wires of the converter coil 5, 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 position shown 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 only fixed connections are between coaxial cable 7 to housing 2 and solder joint 10 to housing 2 . In this embodiment, 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.

Fig. 2 zeigt eine Detailzeichnung des Trägers. Die Seitenansicht stellt den Träger 6 ähnlich wie in Fig. 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. Fig. 2 shows a detailed drawing of the carrier. The side view shows the carrier 6 similar to that in FIG. 1. The carrier 6 is designed in such a way that a comb-like toothing is also formed in the plan view along the line AA in the edge region of the long sides 14 . An embodiment of this type is only relevant when using non-magnetic materials, such as. B. ceramics or PEEKK. When using 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 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 Fig. 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. Fig. 3 shows an electrodynamic ultrasonic transducer for the special application of vertical sound. The transmitting and receiving coils are wound on a common carrier 6 made of Corovac. The coaxial cable 7 is made in this case multi-core, that is provided here 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, that is, the transmitting and receiving transducer coil can also be accommodated in different ultrasonic transducers.

Claims

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.

1. Electrodynamic ultrasonic transducer consisting of a magnet system to be applied to a workpiece surface with a permanent magnet, a transducer coil arranged in the vicinity of the workpiece surface and the permanent magnet and an electrical connection, characterized in that

- That the magnet system consists of a soft magnetic to the workpiece surface ( 1 ) open, the magnetic yoke forming housing ( 2 ), within which the permanent magnet ( 3 ) with its polar axis ( 4 ) is aligned perpendicular to the workpiece surface ( 1 ) and with which Pole surface ( 3 ′ ) facing away from the workpiece surface rests exclusively magnetically on the inside of the housing and is connected to the other pole surface ( 3 ′ ′ ) with a carrier ( 6 ) receiving the transducer coil ( 5 ),
- That the electrical connection consisting of a single or multi-core coaxial cable ( 7 ) extends through an opening ( 8 ) in the housing ( 2 ) and is firmly connected to the same,
- That at least one free wire end ( 9 ) of the transducer coil ( 5 ) is flexible and connected to one of the line wires of the coaxial cable ( 7 ) and at the contact point (s) ( 10, 10 '...) and the solder joints and the Transducer coil wires ( 5 ) are insulated with a high temperature resistant plastic.

2. Elektromagnetischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) dosenförmig ausgestaltet ist und aus Weicheisen besteht.2. Electromagnetic ultrasonic transducer according to claim 1, characterized in that the housing ( 2 ) is designed can-shaped and consists of soft iron.

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.3. Electrodynamic ultrasonic transducer according to claim 2, characterized in that the housing ( 2 ) on the surface which bears on the pole face ( 3 ' ) of the permanent magnet ( 3 ) has a recess ( 11 ) whose to the pole face ( 3' ) parallel extent is so large that the edge of this pole face ( 3 ' ) of the side surfaces of the recess ( 11 ) at room temperature is formed to form an air gap.

4. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (3) aus Sm₂CO₁₇ besteht.4. Electrodynamic ultrasonic transducer according to claims 1 to 3, characterized in that the permanent magnet ( 3 ) consists of Sm ₂ CO ₁₇ .

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.5. Electrodynamic ultrasonic transducer according to claims 1 to 4, characterized in that the carrier ( 6 ) consists of a soft magnetic powder composite material with low electrical conductivity and high temperature resistance and is connected to the permanent magnet ( 3 ) held only magnetically.

6. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) als sich zur Werkstückoberfläche (1) hin verjüngender Kegelstumpf ausgebildet ist. 6. Electrodynamic ultrasonic transducer according to claim 5, characterized in that the carrier ( 6 ) is formed as a truncated cone towards the workpiece surface ( 1 ).

7. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) aus einem temperaturfesten, wasserdichten und strahlungsresistenten Kunststoff besteht.7. Electrodynamic ultrasonic transducer according to claims 1 to 4, characterized in that the carrier ( 6 ) consists of a temperature-resistant, waterproof and radiation-resistant plastic.

8. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) aus Keramik besteht.8. Electrodynamic ultrasonic transducer according to claims 1 to 4, characterized in that the carrier ( 6 ) consists of ceramic.

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.9. Electrodynamic ultrasonic transducer according to one or more of the preceding claims, characterized in that the carrier ( 6 ) comb-like to the workpiece surface ( 1 ) towards open grooves ( 6 ' ).

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.10. Electrodynamic ultrasonic transducer according to one or more of the preceding claims, characterized in that the coaxial cable ( 7 ) is steel sheathed and welded to the housing ( 2 ) at the opening ( 8 ).

11. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierten Lötstellen (10, 10′ . . .) mit dem Gehäuse fest verbunden sind.11. Electrodynamic ultrasonic transducer according to one or more of the preceding claims, characterized in that the insulated solder joints ( 10, 10 '...) Are firmly connected to the housing.

12. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Träger (6) zwei elektrisch unabhängige Wandlerspulen angeordnet sind.12. Electrodynamic ultrasonic transducer according to one or more of the preceding claims, characterized in that two electrically independent transducer coils are arranged in the carrier ( 6 ).

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.13. Electrodynamic ultrasonic transducer according to one or more of the previous claims, characterized, that at least that with one of the line wires of the coaxial cable flexibly connected wire end of the converter coil as a wire loop is trained.

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 Ein gänge der Signalauslöse- und Signalverarbeitungseinheit kompen siert, wobei die Mäanderelemente des Senders jeweils eine höhere Windungszahl aufweisen, als die jeweiligen Mäanderelemente des Empfängers.14. Ultrasound device consisting of a plurality of Electrodynamic ultrasonic transducers according to claim 1, wherein one of the ultrasonic transducers as a transmitter and at least one other Ultrasonic transducer can be controlled as a receiver, the Windings of the converter coils are meandering and largely parallel are arranged to a workpiece surface and via electrical Connections with a signal triggering and signal processing unit are connected, characterized, that the electrical connections from coaxial cables with more than 10 m Length exist that the transducer coil of the transmitter and the receiver consists of several meandering elements that the number of turns each converter coil is selected so that the impedance of the Converter coil the impedance of the coaxial cable and the one gears of the signal triggering and signal processing unit siert, the meandering elements of the transmitter each have a higher Have number of turns than the respective meander elements of the Recipient.

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.15. Electrodynamic ultrasonic device according to claim 13, characterized, that when using an 80 m long coaxial cable Transducer coil of the transmitter made of three meandering elements, each with 15 Turns and the transducer coil of the receiver of three There are meander elements with 7 turns each and that the Track wavelength of the converter coil 8 mm and the winding length 27 mm is.