DE2330542A1

DE2330542A1 - Akustische emission erfassende messwertwandleranordnung

Info

Publication number: DE2330542A1
Application number: DE2330542A
Authority: DE
Inventors: Walter C Leschek
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-06-20
Filing date: 1973-06-15
Publication date: 1974-01-17
Also published as: CA995347A; CH569280A5; SE399127B; GB1423061A; US3855847A; FR2189720B1; JPS5410313Y2; BE801093A; JPS4953096A; FR2189720A1; ES416069A1; IT990678B; JPS5398587U

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER 2330542

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 14. Juni 1973 43,789
7382

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Akustische Emission erfassende Meßwertwandleranordnung -

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur akustischen Überwachung von Fehlstellen eines unter mechanischer Beanspruchung stehenden Gefüges, insbesondere auf ein System, das die akustische Emissionsaktivität und Vorgeschichte eines bestimmten Metallaufbaus bei normalem Betrieb in feindlicher Umgebung überwacht, um Fehlstellen, Hisse o. dgl. zu erfassen und mögliche Störungen im Gefügeaufbau vorauszusagen.

Es ist allgemein bekannt, daß ein mechanisch beanspruchtes Metall akustische Signale erzeugt, die scharfe, breitbandige Impulse mit einem Spektrum von Hörfrequenz bis zu etwa 50 MHz darstellen. Solche Signale lassen sich leicht erfassen, indem elektro-akustische Meßwertwandler verwendet werden, die an die Oberfläche einer interessierenden Materialprobe angesetzt werden. Signale akustischer Emission v/erden durch die Relativ-Bewegung, Wiederausrichtung, Wachstum

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und Kontraktion der einzelnen Kristalle, Körner und Bezirke, die das Material bilden, sowie durch Fehlstellenbildung und/oder Wachstum ausgelöst.

Es wurde gefunden, daß einige Metalle (beispielsweise Magnesium) akustische Signale mit großer Amplitude emittieren, während andere Metalle wie Edelstahl Signale mit kleiner Amplitude aussenden. Ferner wurde gefunden, daß die Art der emittierten akustischen Signale wie die Impuls folgefrequenz" und die gesamte Impulszahl sich in Abhängigkeit von der einwirkenden Beanspruchung sowie anderer Faktoren wie Ermüdungserscheinungen etc. ändern, wobei jedes Metall sein eigenes, ausgeprägtes Verhalten hat. Die wichtigste Erkenntnis ist es jedoch gewesen, daß die akustische Emissionsaktivität und die Vorgeschichte eines bestimmten Metallaufbaus ausgewertet werden können, um Fehlstellen, Risse o. dgl. zu überwachen und damit vorauszusagen, ob bzw. wann eine einer Katastrophe entsprechende Störung erwartet werden kann.

Es sind eine Reihe Meßwertwandler für die Erfassung akustischer Emission sowie entsprechende Überwachungssysteme entwickelt worden, die sich für den Einsatz in Verbindung mit Kernreaktoren eignen. Die beiden hervorstechendsten Nachteile solcher akustische Emission erfassender Meßwertwandler bzw. entsprechender Überwachungssysteme nach dem Stand der Technik sind die ungünstige akustische Kopplung der Meßwertwandler mit den Meßproben sowie die Notwendigkeit gewesen, innerhalb des Behälters nahe dem Meßwertwandler eine Vorver-

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stärkerstufe zu halten, üblicherweise kommt es in der hohe Temperatur, hohe Strahlung sowie hohe Feuchtigkeit aufweisenden Umgebung bald zu einer Störung des Vorverstärkers. Die' Meßwertwandler selbst leben normalerweise länger als die zugehörigen Vorverstärker, können jedoch über eine längere Zeitdauer nicht zuverlässig arbeiten.

Das Problem der ungünstigen akustischen Kopplung wird hauptsächlich durch die Wahl des Materials für das Meßwertwandler-Fenster und durch die verwendeten Bindemittel für die Herstellung der entsprechenden Haftverbindung hervorgerufen. Normalerweise wird entweder mit einem dicken dielektrischen Kunststoff-Fenster und einer dünnen Bindemittel-Haftverbindung oder aber mit einem dünnen geerdeten Metallfenster und einer dicken nichtleitenden Bindemittel-Haftverbindung gearbeitet. Diese konstruktiven Ausführungen werden eingesetzt, um das elektro-akustische Element gegenüber dem Testkörper elektrisch zu isolieren und damit Erdungsproblerne auszuschließen. Der sich dabei ergebende Aufbau hat sich jedoch als akustisch unzureichend erwiesen. Die groBe Differenz in dem akustischen Widerstand zwischen dem Metall-Prüfkörper, dem Epoxy- oder Gummi-Bindemittel, dem Kunststoff-Fenster und dem piezoelektrischen elektro-akustischen Element verursachen-.eine erhebliche Dämpfung des akustischen Signals, wenn dieses über die Grenzflächen zu dem elektro-akustischen Element fortschreitet. Eine schlechte akustische Kopplung macht sich als hoher mechanischer Q-Faktor für das Element bemerkbar, d. h., das Element spricht bei jeder seiner mechanischen Eigenfrequenzen mit scharfen Spitzen an.

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Ein nach dem Stand der Technik eingesetztes Meßwertwandlersystem für die Prüfung elastischer Werkstoffe wie Metalle hinsichtlich innerer Fehlstellen bzw. Risse wird in der US-Patentschrift 2 803 129 - G. Bradfield,.vom 20. 8. 57.- beschrieben. Der dort gezeigte Meßwertwandler ist als Off-Line-Teetgerät ausgebildet, das mit ein und demselben piezoelektrischen Kristall arbeitet, um mechanische Energie auszusenden und diese wiederum von einem Prüfkörper aufzunehmen, um dann innere Mangel aufzuzeichnen. Das Meßwertwandlersystem nach der vorgenannten US-Patentschrift ist jedoch nicht in der Lage, ein Ausgangssignal ausreichender Amplitude abzugeben, das auf die allein in dem Prüfkörper erzeugte akustische Energie anspricht, so daß dieses Signal über die Entfernung ausgesandt werden könnte, wie sie für On-Line-Kernreaktorüberwachungsbetrieb in Frage kommt, und dieses Meßwertwandlersystem besitzt auch nicht die Eigenschaften, die erforderlich sind, um den Umgebungsbedingungen standzuhalten, die in einer Reaktorumgebung herrschen.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein akustisches On-Lineüberwachungssystem mit einem hochempfindlichen Meßwertwandler für die Erfassung akustischer Emissionsenergie zu schaffen, das in der Lage ist, lange Kabelabschnitte zu speisen, die zu einer außerhalb des Überwachungsbereiches angeordneten Vorverstärkungsstufe führen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine akustische Emission erfassende Meßwertwandler-Anordnung zur Überwachung akustischer Signale, die

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von einer mechanischer Beanspruchung unterworfenen Metallprobe erzeugt werden, mit einem rohrförmigen Gehäuse, dessen Boden von

dünnen
einem/Metällfenster gebildet ist, einem mit dem Boden akustisch gekoppelten piezoelektrischen Element, einer mit de» piezoelektrischen Element elektrisch gekoppelten positiven Elektrode sowie einer Einrichtung zur elektrischen Isolierung der Elektrode und des piezoelektrischen Elements gegenüber der Seitenwändünaf iSeiS" ^iU Gehäuses erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Abdichtung des piezoelektrischen Elements gegen Feuchtigkeit, so daß Feuchtigkeit daran gehindert wird, das Element kurzzuschließen, jedoch die Elektrode durch die Einrichtung zur Abdichtung hindurch zugänglich bleibt, sowie durch eine Einrichtung zur mechanischen Dämpfung sowohl von Resonanzen des piezoelektrischen Elements als auch von sporadischen Resonanzen des Gehäuses.

Der vorgesehene Umgebungsschutz isoliert das pieζokeramisehe Kristall gegenüber örtlicher Feuchtigkeit, Strahlung und Vibration und dient dazu, Resonanzerscheinungen des piezokeramischen Elements sowie sporadische Resonanzerscheinungen des Gehäuses mechanisch zu dämpfen. Das piezokeramische Kristall wird infolge der dünnen Haftverbindung, die zwischen dem Kristall und dem ITetallfenster des «leßwertwandlers vorgesehen ist, effektiv nur durch den Metall-Prüfkörper belastet. Der hohe akustische Widerstand (Impedanz) dieser Haftverbindung trägt zur Schaffung eines niedrigen mechanischen Q-Faktors bei und vergrößert die Empfindlichkeit des Meßwertwandlers. Der Meßwertwandler-Ausgang ist elektrisch an einen

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Transformator angeschlossen, der so ausgelegt 1st, daß er maximale Energie von dem Meßwertwandler an eine Ausgangs-Übertragungsleitung koppelt. Der Transformator ist dabei vorzugsweise so gewählt, daß die Impedanz des Meßwertwandlers an diejenige der übertragungsleitung angepaßt wird. Die an ihren beiden Enden durch ihren Wellenwiderstand abgeschlossene übertragungsleitung eliminiert stehende Wellen und überträgt Energie von der Quelle zur Last mit einem Minimum an Dämpfung, unabhängig von der Frequenz.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Ausführungsform eines akustische Emission erfassenden Meßwertwandler nach der Erfindung;

Fig. 2 schematisch den Aufbau des Akustische-Emission-Meßwertwandlers der Fig. 1 in seiner Verbindung mit dem zugehörigen Transformator;

Fig. 3 schematisch den Aufbau des Akustische-Emission-Meßwertwandlers der Fig. 1 bei Kopplung mit dem Prüfkörper;

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Fig. 4 ein Blockschaltbild eines typischen Akustische-Emission-Uberwachungssystem, wie es im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt;

Fig. 5 schematisch die Ausgestaltung einer weiteren Ausführungsform des Akustische-Emission-Überwachungssystems nach der Erfindung; und

Fig. 6 schematisch eine abgewandelte Ausführungsform des Akustische-EiaiBsion-Meßwertwandlers nach der Erfindung.

Der Akuetische-Emission-Meßwertwandler der Flg. 1 weist ein rohrförmiges Gehäuse 10 aus einem Material wie 304-Edelstahl auf. Für den Einsatz in Kernreaktorgebiet ist es wünschenswert, daß das Gehäuse aus einem Material mit einer verhältnismäßig kurzen radioaktiven Halbzeit in der Größenordnung von einem Monat besteht. Das gezeigte Gehäuse hat einen Außendurchmesser von gut 6 mm, einen Innendurchmesser von knapp 5 mm, eine Höhe von gut 6 mm und eine Fensterstärke (Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Element und "dem Prüfkörper) von etwa 0_f4 mm. Es versteht sich jedoch, daß ebenso mit anderen Abmessungen gearbeitet werden kann und daß die angegebenen Abmessungen nur dazu dienen sollen, dem einschlägigen Fachmann einen gewissen Anhaltspunkt für seine Vorstellung zu geben. Zur Erzielung der besten Ergebnisse ist es wünschenswert, daß das Gehäuse und das Fenster aus Werkstoffen herge-

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stellt sind, die im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, um auch bei hohen Temperaturen einsatzfähig zu sein.

An dem Boden des rohrförmigen Gehäuses 10 ist ein piezokeramisches Element 12 mittels eines leitenden hochtemperaturfesten Bindemittels 16 befestigt, wie das weiter unten beschrieben wird. Bleizirkonat-Titanat (wie es von Gulton Industries, Inc., Piezo-Products Div., Fullerton, Kalifornien, hergestellt wird) stellt ein piezokeramisches Material dar, das für die Fertigung des piezoelektrischen Elements verwendet werden kann. Dieses Material hat eine Curie-Temperatur von 360° C und kann bei einer Temperatur von 260° C kontinuierlich arbeiten, ohne irgendwie ernsthafte Schäden hinsichtlich seiner Empfindlichkeit zu erleiden. Für höhere Betriebstemperaturen kann Bleimetaniobat (538° C Curie-Temperatur) und Wismuthstrontium-Titanat (593° C Curie-Temperatur) als piezokeramisches Material verwendet werden. Diese für höhere Temperaturen geeigneten Materialien bzw. Elemente sind jedoch nicht so empfindlich. Das piezoelektrische Element hat vorzugsweise die Form einer Scheibe, wobei Dicke und Durchmesser so gewählt sind, daß seine Dicken- und Radial-Resonanzfrequenzen annähernd die gleichen sind.

An das piezoelektrische Element bzw. den piezoelektrischen Körper 12 ist eine positive Elektrode 14 angeschlossen, die vorzugsweise aus einem Material wie sauerstoSfreiem hochleitendem Kupfer besteht. Für die meisten Fälle des Reaktorbetriebs ist es vorteilhaft, sauerstofffreies hochleitendes Kupfer zu verwenden, weil es auch bei

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hohen Temperaturen gut arbeitet, für eine relativ gute Dämpfung sorgt und keinen Sauerstoff abgibt, der sonst die Kunststoff-Bindemittel angreifen könnte, die bei hohen Temperaturen verwendet werden. Diese Eigenschaften sind für den Betrieb in einer kritischen Reaktorumgebung besonders geignet. Sofern die Umstände es gestatten, können jedoch auch andere hochleitende Materialien für die Herstellung der positiven Elektrode Verwendung finden.

Das Gehäuse 10 aus Edelstahl, der piezokeramische Körper 12 und die positive Elektrode 14 sind durch eine Haftverbindung miteinander vereinigt, wobei von einem für hohe Temperaturen geeigneten, elektrisch leitenden Bindemittel 16 Gebrauch gemacht wird. Das leitende Bindemittel wird verwendet, um einen guten elektrischen Kontakt «wischen äußeren Elektroden und dem piezoelektrischen Kristall IU gewährleisten. Ein solches hochtemperaturfestee, leitendes Epoxy-Bindemittel, das sich für diesen Zweck eignet,, ist im einschlägigen Bereich allgemein unter der Handelsbezeichnung Epo-Tek 418H bekannt, wobei es von der Epoxy Technology Inc., Watertown, Massachusetts, hergestellt wird und kurzzeitig bis zu Temperaturen von 328° C eingesetzt werden kann. Es wurde jedoch gefunden, daß sich noch bessere Ergebnisse erzielen lassen, indem ein leitendes Polyimid-Bindemittel verwendet wird, das durch Mischung von drei Teilen Silber mit einem Teil Polyimid-Bindemittel erhalten wird und unter der Handelsbezeichnung PI»D-70O-Polyimid-Bindemittel bekannt ist, wobei die Fertigung durch BLH Electronics, Inc., Walthae, Massachusetts, erfolgt. Dieses Material IUt sich

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bis zu 400° C verwenden. Das resultierende Bindemittel weist infolge der hohen molekularen Quervernetzung von Polyimid eine sehr hohe Haftfestigkeit und eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber StrahlungBschäden auf. Stattdessen kann auch mit metallischen Haftverfahren wie Thermodruckverblndung mit Ultraschallunterstützung, Weich- oder Hartlötung mit Induktionserhitzung etc. gearbeitet werden.

Sowohl der pieaokeramieche Körper 12 als auch die positive Elektrode 14 sind gegenüber der Seitenwandung des Gehäuses 10 durch eine keramische Vergußmasse 18 isoliert, wie sie unter der Handelsbezeichnung Cerama-Dip 538 bekannt ist und von Aremco Products,Inc., Briar Cliff Manor, New York, hergestellt wird. Statt dessen kann die Vergußmasse auch durch geformtes Keramikmaterial oder eine hochtemperaturfeste Kunststoffkappe ersetzt sein. Die keramische Vergußmasse sorgt für eine weitere Festlegung der Elektroden-/ piezokeramiseher Körper-Anordnung innerhalb des Edelstahlgehäuses, schützt die Kunststoff-Bindemittel-Haftverbindung gegenüber Oxydationsschaden und trägt dazu bei, Resonanzerscheinungen des piezoelektrischen Körpers und sporadische Resonanzerscheinungen des Gehäuses mechanisch zu dämpfen. Wird mit einer keramischen Vergußmasse oder einer anderen porösen Masse gearbeitet, so wird eine Abdichtung 20, die beispielsweise aus Silikon besteht, verwendet, um die Poren der Vergußoberfläche abzudichten, die sonst freiliegen wurden. Die Abdichtung verhindert, daß Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff den Aufbau durchdringt und das Kristall kurzschließt

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oder aber die Bindemittel-Haftverbindung beeinträchtigt, so das also die Lebensdauer des Meßwertwandlers erhöht wird·

Der vollständige akustische Emission-Meßwertwandler-Aufbau ist mit Fig. 2 wiedergegeben. Dieser vollständige Aufbau enthält grundsätzlich ein vorderes Wandler-Ende 24, eine Rohrverbindung mit einem Stirnanschluß aus einem Material wie Edelstahl, ein Transformatorgehäuse 34, nicke!plattierten sauerstofffreien Kupferdraht 26, einen geflochtenen Fiberglas-Isolierschlauch 28, einen Anpassungsund Isolier-Traneformator 30, eine Isolierscheibe 35 sowie einen Koaxialanschluß 32. Das Edelstahlgehäuse des Endes 24 ist bei dieser Ausführungsform in Verbindung mit inertem Gas mit dem Stirnanschluß des Transformatorgehäuses 34 wolframverschweißt, während die hochleitende Elektrode aus sauerstofffreiem Kupfer elektrisch mit dem nickelplattierten sauerstofffreien Kupferdraht verbunden ist. Es versteht sich, daß die beschriebenen Materialien nur zur Veranschaulichung dienen und statt dessen ebenso andere Materialien verwendet werden können, die für den beabsichtigten Anwendungszweck in einer feindlichen oder aggressiven Umgebung kompatibel sind.

Die Primärwicklung des Transformators 30 ist über das äußere Gehäuse der Meßwertwandler-Anordnung geerdet, während die Sekundärwicklung über den Koaxialanschluß geerdet ist, wobei die beiden Erd- bzw. Masseanschlüsse voneinander durch die Isolierscheibe getrennt sind. Diese Ausführungsform macht es möglich, den Meßwertwandler in unmittelbaren elektrischen Kontakt mit dem Metall-Prüf-

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körper (d. h. dem Druckbehälter) zu bringen, dennoch aber eine elektrische Isolierung gegenüber der Verstärkermasse (die allgemein mit dem Koaxialanschluß 32 gekoppelt ist) einzuhalten, so daß Potentialprobleme hinsichtlich Hasse vermieden werden. So ist es möglich, die Druckbehälter-Masse gegenüber der Verstärker-Masse elektrisch zu isolieren, gleichzeitig jedoch zu ermöglichen, daß das Meßwertwandler-Fenster in gutem akustischem Kontakt mit dem Druckbehälter steht. Treten keine Masse-Potentialprobleme auf oder sind andere Maßnahmen getroffen, um hierjfür eine Absicherung zu sorgen, so kann es auch wünschenswert sein, die beiden Massen zusammenzufassen, um so elektromagnetische Überlagerungen auf ein Minimum herabzusetzen.

Der Transformator 3o ermöglicht es, die Meßwertwandler-Quellenimpedanz von annähernd 9,5 Kiloohm an den I/ellenv/iderstand der angeschlossenen Übertragungsleitung von annähernd 50 Ohm anzupassen und so für eine maximale Energieübertragung zu sorgen. Der induktive Blindwiderstand der Primärwicklung des Transformators wird auch verwendet, um den größten Teil des unerwünschten kapazitiven Blindwiderstandes des piezokeramischen Kristalls und des kurzen Kabelabschnitts zwischen dem Kristall und dem Transformator aufzuheben.

Die Art und Weise, in der die akustische Emission-Meßwertwandler-Anordnung an dem Prüfkörper angebracht wird, ist mit Fig. 3 veranschaulicht. Die mit Fig. 2 gezeigte Masse-Isolation macht es

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möglich, das Meßwertwandler-Fenster unmittelbar an den Prüfkörper anzulegen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 v/ird die !eßwertwandler-Änordnung mit dem zu prüfenden Behälter durch eine Haftverbindung vereinigt, wobei nur ein dünner Film eines hochtemperaturfesten Bindemittels verwendet wird. Ebenso können aber andere mechanische Befestigungselemente und dünne Haftverbindunjen für den gleichen Zweck herangezogen werden. Der dünne Haftverbindungsfilm v/eist im Vergleich zu der akustischen rtebenschlußimpedanz des Iletallfensters und des Metall-Prüfkörpers eine hohe akustische Nebenschlußimpedanz auf. In gleicher Ueise weist auch die dünne Haftverbindung zwischen dem piezokeramischen Element und dem letallfenster im Vergleich zu der Mebenschlußimpedanz des piezokeramischen Clements und des Fensters eine hohe Nebenschlußimpedanz auf. Somit wird das piezokeranische Element effektiv nur durch die Impedanz des Metall-Prüfkörpers belastet, während die Haftverbindung infolge ihrer dünnen Ausbildung und der sich daraus ergebenden hohen Nebenschlußimpedanz zu keiner Beeinträchtigung führen kann. Da nur durch das rietall eine Belastung c (spezifische akustische Impdedanz) erfolgt, besitzt der Meßwertwandler einen sehqtiiedrigen mechanischen Q-Faktor.

Fig. 4 gibt ein Blockschaltbild einer Ausführungsforn eines Akustische Emission-Uberwachungssystems wieder, wie es im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt. Der Heßwertwandler besitzt in dem 4OO kHz bis 800 kHz-Frequenzband eine hohe Empfindlichkeit und ein relativ flaches Ansprechverhalten. Der Meßwertwandler ist mit der

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übertragungsleitung über eine Isolations- und Irpedanzanpassungs-Transformator verbunden, dessen VJindungsverhältnis im Hinblick auf eine maximale Energieübertragung gewählt ist, wobei die 9,5 kOhnlleßwertwandler-Quellenimpedanz an die 50 Ohm-übertragungsleitungsimpedanz angepaßt ist.

Somit wird die übertragungsleitung praktisch durch eine Impedanz gespeist, die ihrem Wellenwiderstand (50 Ohm) gleich ist. Nachdem die Maximalenergie an die übertragungsleitung weitergegeben worden is'^:, pflanzt sie sich in der Leitung praktisch ohne Dämpfung fort. Das andere Ende der Leitung mündet in einen 50 Ohm-Lastwiderstand. Durch den Abschluß der Übertragungsleitung an ihren beiden Enden mit dem Wellenwiderstand werden stehende Wellen eliminiert, und die Energie wird von der Quelle an die Last mit geringer Dämpfung, unabhängig von der Frequenz, übertragen.

Die abgeschlossene Übertragungsleitung v/ird mit dem Vorverstärker mittels eines Impedanzanpassungstransformators gekoppelt. Dieser Transformator v/andelt die Impedanz der durch ihren Abschlußwxderstand überbrückten Leitung in die Quellenimpedanz {Impedanz für minimales Rauschen) um, die benötigt wird, um dem Vorverstärker eine minimale Rauschzahl (12 kOhm für den gezeigten Verstärker) zu verleihen. Dieser Transformator erhöht auch das Spannungssignal, das in den Vorverstärker eingespeist wird (maximale Energieübertragung zu der übertragungsleitung, Spannung kann am Leitungsabschluß in Strom umgesetzt werden). Der Transformator sorgt auch

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dafür, daß die Verstärker-Eingangsimpedanz, wie sie sich im Uindungsverhältnis niederschlägt, dem 50 Ohm-Abschluß parallel geschaltet wird. Da jedoch die Verstärker-Eingangsimpedanz sehr hoch ist, ist auch die Nebenschluß-:Impedanz sehr hoch, so daß der 50 Ohm-Abschluß in keiner Weise beeinträchtigt wird.

Der Vorverstärker verstärkt dann das empfangene akustische Emissionssignal, das dann für eine Spektralanalyse oder andere Signalverarbeitungsvorgänge wie etwa eine Zählung der Ereignisse pro Seiteinheit und/oder der Gesamtereignisse zur Verfügung steht.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Akustische Emission-Ubertragungseinrichtung, die zusätzlich eine elektrostatische Abschirmung 42 umfaßt. Eine Aluminiurioxid-Scheibe 44 wird (mit guter akustischer Kopplung) zwischen dem Ileßwertwandler-Fenster und dem Prüfkörper angeordnet, um die elektrostatische Isolierung des Systems zu erhöhen. Aluminiumoxid hat eine sehr hohe Schallgeschwindigkeit und einen sehr hohen akustischen Widerstand, so daß die Kopplung zwischen dem Prüfkörper und dem Meßwertwandler nicht beeinträchtigt wird. Die elektrostatische Abschirmung 42 umschließt das gesamte übertragungssystem und ist über den Prüfkörper sowie den Vorverstärker 56 geerdet, um Probleme hinsichtlich eventueller Massepotentialdifferenzen zu vermeiden und die Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störerscheinungen auf ein Minimum herabzusetzen. Die Primärwicklung des Transformators 46 ist über zwei verdrillte elektrische Lei-

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tungsdrähte 58 nit der potdtiven Elektrode und rer negativen /lernne des Meßwertv/analer-Gehäuses gekoppelt. Die verdrillten Leitungsdrähte dienen dazu, die Zufälligkeit gegenüber elektromagnetischen Störerscheinungen auf ein Minimum herabzusetzen. Die Sekundärwicklung des Transformators 46 ist über eine nittelanzapfung 40 geerdet, um ein in bezug auf ^asse symmetrisches Ausgangssignal zu erhalten. Zwischen die Primär- und Sekundärwindungen ist eine elektrostatische Abschirmung geschaltet, um zu verhindern, daß unerv/ünschte Streusignaleüjer Streukapazitätwege auftreten. Ein zweites Paar verdrillter elektrischer Leitungsdrähte 60 erstreckt sich von der
Sekundärwicklung des Transformators 46 zu dem Abschlußwiderstand an der Primärwicklung des Transformators 54. Der Parallel-Abschlußwiderstand 50 bildet eine Referenz-Impedanz, um die durch den
Transformator gebildete Impedanz zu stabilisieren. Auch hier ist
die Primärwicklung über eine :iittelanzapfung gaerdet, um ein gegenüber Masse symmetrisches Ausgangssignal zu erhalten. Die Sekundärwicklung des Transformators 54 ist in der gleichen Weise, wie das
in Verbindung mit dem vorigen Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, direkt mit dem Eingang des Vorverstärkers 56 gekoppelt. Die
verdrillten Leitungsdrähte 58 und 60 sind anstelle der zuvor beschriebenen Koaxialkabel-Übertragungsleitung vorgesehen worden, um für eine verringerte Anfälligkeit gegenüber elektromagnetischen
Störungen zu sorgen. Im übrigen ist das Ausführungsbeispiel nach
Fig. 5 den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen identisch.

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fit Fig. 6 ist eine abgewandelte Ausführungsform des Meßwertwandlers der Fig. 1 wiedergegeben. Das rohrförmige Gehäuse 10, der piezokeramische Körper 12 und die positive Elektrode 14 sind den zuvor erläuterten entsprechenden Elementen identisch. Eine hochtemperaturfeste Isolierkappe 66 ersetzt die keramische Isolierruasse, die weiter oben in Verbindung mit Fig. 1 vorgeschlagen und dort mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet wurde. Das VJandlerfenster 22 ist in Verbindung mit inertem Gas mit dem unteren Ende des rohrförmigen Gehäuses 10 wolframverschweißt,und eine negative Elektrode 72 ist an die üehäusewand»ung hart angelötet, um einen Endanschluß für die verdrillten Leitungsdrähte 5 3 zu bilden. Der andere Leiter dar verdrillten Leitungsdrähte 58 ist elektrisch an die positive Elektrode 14 angeschlossen. Die verdrillten Leitungsdrähte 58 können mit der Primärwicklung eines Transformators in ähnlicher Weise, wie das in Verbindung mit Fig. 5 gezeigt worden war, verbunden werden. Zusätzlich sind ein elektrostatischer Abschirmungskragen 62 und ein akustisches Fenster 64 vorgesehen worden, um für einen Schutz gegen elektrostatische und elektromagnetische Störeinflüsse durch die Umgebung zu sorgen. Die elektrostatische Abschirmung ist im Hinblick darauf so ausgelegt, daß sie - wie in Fig. 5 angedeutet sich über den gesamten Aufbau erstreckt. Eine Aluniniumoxld-Scheibe 44, wie sie zuvor in Verbindung mit Fig. 5 gezeigt wurde, ist zwischen das Wandlerferister 22 und das akustische Fenster 64 geschaltet. Zwischen den Abschirmungskragen 62 und das Gehäuse 10 ist weiter ein Mantel 68 aus hochtemperaturfestem Kunststoff geschaltet, um die Dämpfung unerwünschter sporadischer Gehäuseresonanzen zu

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unterstützen und den "gesamten Aufbau zusätzliche mechanische Festigkeit zu verleihen. Das äußere akustische Fenster 64 ist mit einem podestartiyen Aufsatz 70 versehen, e'er neben dem oiezokeramischen Körper 12 angeordnet ist. Der spezielle gezeigte Aufsatz 70 kann Leispielsv/eise einen Durchmesser von ca. 2,5 vix und eine Höhe von ca. 0,63 mm haben. Vorzugsweise entspricht dabei seine effektive, dem akustischen Fenster benachbarte Stirnfläche im wesentlichen der Stirnfläche des piezokeramischen /vörpers. Der podestartige Aufsatz 70 sorgt für einen punktartig konzentrierten Kontakt mit dem Prüfkörper, um so die akustische Kopplung zu maximieren.

Wo mit hohen Betriebstemperaturen zu rechnen ist, kann ein thermischer Abstandskörper 74 verwendet v/erden, um die thermische Isolierung zu erhöhen und die Empfindlichkeit des Meßwertwandlers zu verstärken. Fig. 6 zeigt einen solchen Abstandskörper 74 in optimaler Ausführung. Der Abstandskörper kann aus einem '!aterial wie Quarz hergestellt sein und v/eist vorzugsweise die Form eines Kegelstumpfes auf. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, ist die Stirnfläche 76, die die Oberseite des Kegelstumpfes bildet, so bemessen, daß ihre effektive Fläche im wesentlichen gleich der Fläche des Aufsatzes 70 ist. Die Grundfläche des kegelförmigen Abstandskörpers 74 kann entweder so ausgelegt sein, daß sie eine Ausnehmung für die Aufnahme des Aufsatzes 70 auf v/eist oder aber erhabene Schenkel 78 hat, deren Höhe im wesentlichen gleich der Dicke des podestartigen Aufsatzes 70 ist. Die Stirnfläche 76 wird

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in kontakt mit de:n Prüfkörper gebracht, wobei sie unter Druck gesetzt v/erden kann, um eine optimale akustische dopplung zu erhalten. Um eine Dämpfung zu vermeiden, v/eist der Abstandskörper 74 eine Länge auf, die annähernd einer halben Wellenlänge (im vorliegenden Anwendungsfall bei einer Frequenz von 500 kHz) entspricht. Die beschriebene spezielle Kegelform weist strukturelle Vorzüge auf, da ein punktförmig konzentrierter Kontakt mit dem Prüfkörper sichergestellt wird, zugleich jedoch eine große Grundfläche mit guter mechanischer Festigkeit an der neßwertwandler-/ iYostandskörper-Grenzflache zur Verfügung steht. Zusätzlich vergrößern die Schenkel 7 8 die durch den Abstandskörper geschaffene thermische Isolierung.

Die Erfindung stellt somit einen hochempfindlichen Ultraschall-'Leßwertwandler zur Verfügung, für den Materialien verwendet werden, die speziell mit einer feindlichen Kernreaktor-Umgebung kompatibel sind. Der Meßwertwandler i3t nit den Reaktor-Druckbehglter im Hinblick auf eine Verringerung der Verluste hinsichtlich des akustischen Eingangssignals optimal gekoppelt. Ein Transformator sorgt für eine maximale übertragung von Energie von dem !leßwertwandler an eine übertragungsleitung, so daß der Viert des empfangenen akustischen Signals effektiv vergrößert wird. Es wird eine übertragungsleitung mit niedrigem Verlust verwendet, um diese Energie über sehr lange Strecken von dem Meßwertwandler zu einer angepaßten Last zu übertragen, die in Nähe des Vorverstärker-Eingangs angeordnet ist. Durch Abschluß der übertragungsleitung an

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ihren beiden Enden mit dem Wellenwiderstand kann Leistung|unabhängig von der Frequenz über lange Strecken mit geringer Dämpfung übertragen werden. Ein zweiter Transformator dient zur Anpassung der Impedanz der Übertragungsleitung, der ihr Abschlußwiderstand parallel geschaltet ist, an den Vorverstärker, so daß eine minimale Rauschzahl erhalten wird, die das Rauschniveau des Systems wirksam verringert. Dementsprechend erhöhen die beiden Transformatoren gemeinsam in wirksamer Weise das Signal-/Rauschverhältnis des Systems. Darüber hinaus wird besondere Aufmerksamkeit darauf gerichtet zu gewährleisten, daß die erste Stufe des Vorverstärkers eine Rauschzahl hat, die so niedrig wie möglich liegt.

Auf diese Weise macht das Akustische Emission-Meßwertv7andler-Erfassungssystem nach der Erfindung es möglich, akustische Emissionsinformation in feindlicher Kernreaktor-Umgebung zu erhalten und diese Information über lange Leitungsabschnitte zu verarbeitenden Geräten gelangen zu lassen, die innerhalb des Reaktor-Kontrollraums angeordnet sind, ohne daß in I\'ähe der Meßv/ertwandler innerhalb der Reaktor-Druckbehälter angeordnete Vorverstärker zu Hilfe genommen v/erden müßten. Das sich so ergebende System macht es möglich, ein zuverlässiges On-Line-/Real-Time-Akustische Enission-Überwachungssystem für Reaktorkomponenten zu schaffen.

Es versteht sich, daß die beschriebene Teßwertwandler-Anordnung sich nicht nur in Verbindung mit der Überwachung etwa von Kernreaktor-Druckbehältern einsetzen läßt, sondern überall dort, wo

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akustische Signale in einer feindlichen Ungebung erfaßt veroen sollen, t Is weitere Einsatzgebiete ko'^on so'"it ^l-"C:ispie] ^rr-;eirjc 3t.:n in J-'rage: di-j '.)'... jr 'ac'iung von ."c"v-:eiOun:jen auf "''.is se der ion.-jtige '"aijel N-.^ihrono. <"«j^r ..erijtolluny ler ociv.'oißuncj; c"ie -bervacl'.un«j von iavitationsersciicinungen oder Xochvorg^ngen in Flüs- :-;iij!ceiton; das Abliören von TurLinenac'iaufel-^rnüdunfjserschoinun- ;cn und eier einsetzenden Lacjoraonutzung in großen Turbinen; <"io Jl er.vacliung von PrHfkorpern v;.ihren« ."rmebohancüungen; oie Erfassung von Leckerscheinungen in ilernrea!:toren; lie !iberv/achuny von Teilen '-/ährenci ihrer si-anache'-.-enden Eoar'^eitung; so'./ie alle ./eiteren verwandten An^endumisf ".1Ie .

Patentansprüche:

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Claims

Patent _a__n__s_ _£_ r_ ί| c_ }i_ e j_

./Akustische Ln.ission erfassende "eßwertv/analcranorcnun^ zur "~ ünerwachuncj akustischer Sijnale, aie von einer riecnaniscner ueansnruchunc unterworfenen .'etallprobe erzeugt weracn, ι it einer., rohrförmigen Gehäuse/ dessen Boden von eine^ri dünnen Metallfenster gebildet ist, einei·.. r.iit Ger- boaen akustisch <jeko^oelten piezoelektrischen L'ln.-.ent, einer r.-it .io.i piezoelektrischen LiIe: ent elektrisch {,c-koppolten positiver ..l-?ktro'io sowio einer einrichtung zur elektrx3c!,c-n Isoliaruir ..-;r ulektroue uiio aes piezoelektrischen ^Ic.'.onts -/.jf-r^iber t;tr Eciitenv/annuii;, 'ies Gsh'iuses, ^kennzeichnet curcit eir-.r. ..inrichtun^ zur /Jjuichtun-..· "ies piezoelektrifjchoi: Ie: or.ts -_,e_uen Feuchtigkeit/ se uaß Fauchti-jkeit cäran ^ehiiu'ort v/irJ, ^cxs Lie ient kurz=zu=sCiiließeri, jedoch c.ie ^lüktrot.e (1») -ure, die Linrichtun^" zar /:b:iichtan_u hincVarcn zu-j-iin^lich Liei.oL, scv.'iG äurch eine rinrientun^ zur ι echanischor. l> >'·.: .rruir so'./ohl von Resonanzen u2S piezoelektrischen ^lerents ala aüc.i von sporadischen Resonanzen les Gehäuses (IJ)·

2. !lcßwertv/ancleranordnunc r.ac.i Anspruch 1, cacurch gekennzeichnet, daß aas piezoelektrische _;le, .ent als Scheibe ausgebildet ist, cersn Dicken- una Radial-Rescnanzfrequenzcn annäiierna rleich sind.

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3. Heßwertv/andleranordnuny nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode (14) aus sauerstofffreiem hochleitenden Kupfer aufgebaut ist.

4. lleßwertwandler anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) und das Fenster aus Werkstoffen bestehen, die im wesentlichen gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.

5. Meßwertwandleranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und das Fenster aus einem Material bestehen, das eine radioaktive Halbwertzeit in der Größenordnung von einem Monat hat.

G. Meßwertwandleranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element an dem Boden des Gehäuses mittels einer dünnen Schicht aus elektrisch leitendem und hochtemperaturfesteia Bindemittel festgelegt ist.

7. Meßwertwandleranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende, hochtemperaturfeste Bindemittel drei Teile Silber und ein Teil Polyimid-Bindemittel aufweist.

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8. MeßwertwandleranOrdnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Isolierung der Elektrode und des piezoelektrischen Elements sowie die Einrichtung zur mechanischen Dämpfung keramisches Material aufweisen.

9. Meßwertwandleranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Abdichtung aus Silikon besteht.

10. MeßwertwandleranOrdnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Isolierung der Elektrode und des piezoelektrischen Elements, die Einrichtung zur Abdichtung des piezoelektrischen Elements und die Einrichtung zur mechanischen Dämpfung des piezoelektrischen Elements ein inneres rohrförmiges Gehäuse aus hochtemperaturfestem und besonders feuchtigkeitsbeständigem Material aufweisen, das eng in das rohrförmige Gehäuse eingepaßt ist, und daß das innere Gehäuse einen inneren Kanal aufweist, der das piezoelektrische Element und die positive Elektrode längs deren Umfang eng uraschließt.

11. Meßwertwanaler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Fläche des in akustischem Kontakt mit der Metallprobe stehenden Fensters im

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wesentlichen gleich der Fläche des in Kontakt mit den Fenster stehenden piezoelektrischen Elements ist.

12. 'leßwertwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Flache des Fensters von aen >ießwertwanäler aus podestartig nach außen vorragt.

13. ''ießv/ertwancileranordnung nach.einem oder mehreren aer Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame !'lache dos Fensters von der Metallprobe durch einen akustisch leitenden thermischen Schild getrennt ist.

14. Meßwertwandleranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Schild nach Art eines Kegelstumpfes ausgebildet ist, dessen obere 3egrenzungsflache ir; wesentlichen gleich der wirksamen Fläche des Fensters una ./at der >-etallprobe akustisch gekoppelt ist, währena die Grundfläche des nach Art eines Kegelstumpfes ausgebildeten thermischen Schildes akustisch r.iit ue.u Fenster gekoppelt ist, um so einen thermisch isolierten akustischen Pfad von der Metallprobe zu dem piezoelektrischen rllenent zu biluen.

15. Meßwertv/andleranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des nach Art eines Xegelstumpfes ausgebildeten Schildes ira wesentlichen einer halben Wellenlänge des akustischen Signals entspricht.

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16. ließwertv/andleranordnung nach Anspruch 14 oaer 15, aaaurch gekennzeichnet, daß der thermische Schild aus ^uarz besteht.

17. ileßwertwandleranoranuna nach Anspruch 1 zur Aussendung eines an der positiven Elektrode auftretenden Meßwertwandler-Ausgangsignals, hiit eineM zwei Leitungsdrähte aufweisenden Verbindungskabel, wobei aer eine Leitungsdraht an seinem einen Enae über das Gehäuse an Masse gelegt ist unu aer andere Leitungsdraht an seiner, einen Enae elektrisch :iit aer positiven Elektrode gekoppelt ist, sowie räit einer Übertragungsleitung, die zwei Leitungsdrähte aufweist, von denen der eine positiv und der andere geerdet ist, gekennzeichnet durch einen Transformator (46) mit einer Primärwicklung una einer Sekundärwicklung zur Anpassung der mit der Prin.ärwicklung des Tran»fonnators (46) gekoppelten Meßwertwanaler-Ir.ipedanz über die Verbincungs leitung an den Wellenwiderstana der wit der Sekundärwicklung des Transformators (46) gekoppelten übertragungsleitung, wobei jeweils ein Enae cer Primärwicklung über gesonderte, elektrisch voneinander isolierte Punkte geerdet sind und der Erdanschluß der Primärwicklung gegenüber den Erdanschluß der Sekundärwicklung isoliert ist.

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13. Meßwertwandler nach Anspruch 17, mit einem an das Ende der übertragungsleitung angeschlossenen Vorstärker, gekennzeichnet durch einen zweiten Transformator (54) zur Anpassung der Impedanz der übertragungsleitung an die Minimum-Impedanz des Vorverstärkers.

19. Meßwertwandleranordnung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen Abschlußwiderstand (50), der der Primärwicklung des zweiten Transformators (54) parallel geschaltet ist und damit einen Bestandteil der Übertragungsleitung bildet.

20. ließwertwandleranordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung des ersten Transformators (46) und die Primärwicklung des zweiten Transformators (54) geerdete Mitte!anzapfungen (48, 52) haben.

21. Meßwertwandleranordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch •gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung und die Übertragungsleitung verdrillte Leitungsdrähte (58; 60) aufweisen.

22. Meßwertwandleranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fenster und der Metallprobe eine Aluminiumoxidschicht angeordnet ist.

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