<Desc/Clms Page number 1>
Tastkopfeinrichtung zur Fehlerortung mittels Ultraschall im
Nah-und Fernfeld
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit vier Schallköpfen, durch die Ultraschallenergie gesendet, und empfangen werden kann. Abstrahlung und Empfang der Schallenergie kann auf folgende Arten erfolgen : Über einen der vierSchallköpfe allein, zyklisch über jeden Schallkopf, wobei jeweils nur einer angeschlossen ist, zwei gegenüberliegende Schallköpfe sind gleichzeitig angeschlossen und bilden eine Sendegruppe, die dazu senkrechte Sendegruppe ist angeschlossen, periodischer Wechsel der Sendegruppen, gleichzeitiger Betrieb aller vier Schallköpfe.
Nach dem Stand heutiger physikalischer Erkenntnisse gilt für die Fehlerortung mittels des ImpulsEchoverfahren: a) Zur gleichzeitigen Erfassung eines möglichst grossen Prüfbereiches, soll der Strahlungswinkel des verwendeten Schallsenders möglichst gross sein. b) Zur genauen Lokalisierung eines Fehlers muss der Strahlungswinkel möglichst klein, der Durchmesser des Strahlers damit möglichst gross sein.
Diese prinzipiellen Forderungen führen nach dem heutigen Stand der Technik zu einem wiederholtenTastkopfwechsel bei der Fehlerortung. Zur genauen Charakterisierung des heutigen Standes der Technik soll das Schallfeld willkürlich in zwei Gebiete eingeteilt werden : das Nahfeld, das sich in der Nähe desSchallkopfes befindet und das daran anschliessende Fernfeld. Für die Fehlerortung in diesen beiden Bereichen des Schallfeldes werden an die Ultraschallbündelung gänzlich verschiedene Ansprüche gestellt, was nach dem heutigen Stand der Technik zu Prüfungsschwierigkeiten führt.
Zur Untersuchung imNahfeld verwendet man Strahler mit einem grossen Öffnungswinkel, da nur diese die gleichzeitige Untersuchung eines genügend grossen Bereiches gestatten. Bei Feststellung eines Fehlers muss man zu seiner genauen Ortung einen Tastkopf mit möglichst kleinem Strahlungswinkel haben. Daher ist störendesAustauschen des Tastkopfes während der Messung nötig. Die Fehlerortung erfolgt bei Verschieben desSchallkopfes durchAussuchen des Maximums eines Echos. Da sich dieses über den Durchmesser des Schallgebers praktisch nicht ändert, ist als oberste Genauigkeitsschranke der Schallgeberdurchmes- ser anzusehen. Zur Fehlerortung werden also Intensitätsschwankungen herangezogen.
Daher ist es nachteilig, dass der Tastkopf auf dem Prüflung ausgewechselt bzw. verschoben werden muss, da sich damit die Ankoppelungsbedingungen während der Messung ändern. Diese beeinflussen sehr stark die Intensität eines Echos und können in ihrer Auswirkung nur schwer berücksichtigt werden.
Zur Untersuchung im Fernfeld benötigt man einen Tastkopf mit kleinem Öffnungswinkel = Strahlungswinkel, um eine möglichst grosse Energiedichte im Fernfeld zu erhalten. Zur Unterbindung von störenden Echos, wie sie gerade bei der Prüfung im Fernfeld auftreten, soll dieser Winkel möglichst klein sein. Bei Feststellung einer Fehlerstelle soll der Strahlungswinkel noch weiter verkleinert werden können (Tastkopfwechsel), um eine eindeutige Ortung zu ermöglichen. Da jeder Strahler bei festgelegter Frequenz einen festgelegten Strahlungswinkel hat, sind zur Untersuchung im Nah-bzw. Fernfeld eigene Tastköpfe nötig und auch bei Untersuchung in einem einzigen Bereich (Nah-Fernfeld) ist ein Tastkopfwechsel zur eindeutigen Fehlerortung unumgänglich. Alle die angeführten Mängel behebt die Erfindung durch ein wirksameres Ortungsverfahren.
Dieses garantiert eine wirksame Fehlersuche im Nah- und Fernfeld ohne Tastkopfwechsel. Zur Fehlerortung im Nahfeld ist keine Verschiebung nötig, wobei die Ankoppelungsver-
<Desc/Clms Page number 2>
hältnisse die Messung in diesem Bereich nicht beeinflussen, da zur Fehlerortung keine Intensitätsschwankungen herangezogen werden. Durch die Erfindung ist bei gleichzeitiger Beobachtung eines grossen Winkelraumes im Nahfeld eine exakte Fehlerortung möglich. Bei Fehlerortung im Fernfeld ergibt sich bei der erfindungsgemässen Einrichtung ein kleiner Öffnungswinkel des Schallstrahles und damit eine grosse Genauigkeit. Um mit einem Schallgeber den gleichen Öffnungswinkel wie bei der Erfindung zu erreichen, müsste dieser, wie aus Seite 4, Absatz 2 hervorgeht, einen Radius R = 1. 22 d haben.
Die Tastkopfeinrichtung ist wie folgt aufgebaut :
EMI2.1
sowohl für Senkrecht-Einstrahlung (Fig. 2) wie auch für Schräg-Einstrahlung (Fig. l) verwendet werden. b bedeutet einen prismatischen Körper als Zwischenmedium für Schräg-Einstrahlung.
Durch diese Einrichtung kann Einstrahlung und Empfang von Ultraschallenergie über ein schalleitendes Medium an vier Punkten erfolgen, ohne diese Einrichtung abheben oder verschieben zu müssen. Ein im Energiegerät vorhandenes Umschaltgerät, das im wesentlichen aus zwei Drehschaltern D1 und D2 (in den Zeichnungen nicht zu sehen) besteht, die entweder von Hand aus oder motorisch in Funktion gesetzt werden, gestattet folgende Anschlussmöglichkeiten der vier voneinander ganz unabhängigen Scnallköpfe 1-4 : a) Mittels einesDr & hschaltersD kann jeder der vier Schallköpfe einzeln als Sender und Empfänger betätigt werden. Ohne die ganze Einrichtung vom Prüfstück abheben zu müssen, ist damit eine Schall-Einstrahlung und Empfang an vier verschiedenen Stellen möglich.
Der Drehschalter Di besitzt also vier Arbeitsstellungen. b) Wird derDrehschalter Dl motorisch betrieben, so wird zyklisch jederderSchallköpfe 1-4 einzeln an das heisse Leitungsende gelegt. Aus den sich so beim Empfang ergebenden Oszillogrammenergeben sich neue Prüfungsmöglichkeiten zur Fehlersuche. c) Mittels eines weiteren Drehschalters D2 werden zwei gegenüberliegende Schallköpfe, in den Fig. 1und2mit1und2oder3und4bezeichnet,gleichphasigundgleichzeitigandasheisseleitungsende gelegt. Auf diese Art ist es möglich, die gesendete Schallenergie auf jene Ebene zu konzentrieren, die senkrecht auf der Verbindungslinie von den Schallköpfen 1 und 2 bzw. 3 und 4 liegt.
Der Drehschalter D2 hat also zwei Arbeitsstellungen. d) Wird derDrehschalter D motorisch getrieben, so kann abwechselnd die Zweiergruppe 1 und 2 oder 3 und 4 der Schallköpfe in Betrieb gesetzt werden. Da immer, in steter Abwechslung, eine Schallkonzentration in zwei zueinander senkrechten Ebenen erfolgt, ergeben sich dadurch neue, bisher nicht bekannte Prüfungsmöglichkeiten. e) Schwingen die vier Schallköpfe 1- 4 mit der gleichen Frequenz, so können sie gleichzeitig und phasengleich betrieben werden.
Dadurch kommt es zu einer bekannten Schallbündelung in Richtung der Achse g, was für Untersuchungen im Fernfeld von grossem Vorteil sein kann. f) Die Frequenz jedes Schallkopfes kann vom Energiegerät aus in festgelegten Intervallen, die mit der Grundfrequenz des Schwingers im Schallkopf in einem bestimmten Verhältnis steht, geändert werden. g) Die Schallkopfgruppen 1 und 2 sowie 3 und 4 können mit verschiedenen Frequenzen strahlen und empfangen, wodurch ohne Tastkopfwechsel eine Auswahl zwischen zwei Grundfrequenzen gegeben ist, was die Prüfarbeit sehr erleichtert.
Physikalische Beschreibung der Funktionsweise :
Aus der Arbeit "Ultraschall - Abschwächungsmessungen im Nah- und Femfeld" von Dieter Gudel, Dissertation an der philosophischen Fakultät der Leopold-Franzens-Universität zu Innsbruck (Innsbruck, Juni 1961) geht folgendes hervor : Nach Seite 12 dieser Arbeit ergibt sich für die Strahlungscharakteristik einer kreisförmigen Kolbenmembran ein Bild wie in Fig. 3 ersichtlich. Dabei gibt lo die Grenze jenes
EMI2.2
kungen in Richtung der Schwingerachse und senkrecht zu derselben stattfinden. Für lo gilt nach Seite 8 der zitierten Arbeit
EMI2.3
A... Wellenlänge der Schallwellen im Medium vor dem Schallgeber.
<Desc/Clms Page number 3>
Wie auch aus dem Werk "Der Ultraschall in der Medizin" (Kongressbericht der Erlanger Ultraschalltagung 1949, Hirzel Verlag Zürich 1949, Seite 43, 3a-c) hervorgeht, kommt es im Nahfeld vor dem kolbenförmig schwingenden Schallgeber zu grossen örtlichen Schwankungen der Energiedichte. Diese Intensitätsschwankungen würden die Fehlersuche mit der erfindungsgemässen Tastkopfeinrichtung in diesem Bereich beeinträchtigen ; daher wird dieser Bereich wie auf Seite 9, Absatz 3 angegeben, von der Platte h (s. Fig. 2) aufgenommen.
Für q ergibt sich wie sofort ersichtlich
EMI3.1
Nach Seite 12, Fig. 9 der zitierten Arbeit, hat das Schallfeld ausserhalb von lo eine Form wie bei einem Punktstrahler, der sich in S1 bzw. in S2 (s. Fig. 3) befindet.
Für den Strahlungswinkel einer kreisförmigen Kolbenmembran gilt bekanntlich
EMI3.2
Für die Untersuchung im Nahfeld ergibt sich z. B. folgende Ortungsmöglichkeit : DieSchallköpfe 1, 3, 2, 4 werden hintereinander zyklisch an dasEnergiegerät angeschlossen, so dass jeder kurzzeitig sendet und empfängt. Dazu ist, wie bereits erwähnt, der Drehschalter D vorgesehen (in den Figuren nicht dargestellt), der von Hand oder mittels eines Motors in Funktion gesetzt wird. Ist ein Schallkopf durch den Drehschalter Di angeschlossen, so erfolgen Sendung und Empfang ausschliesslich über den jeweils angeschlossenen Schallkopf, dessen Funktion durch die Stellung von D, gegeben ist.
DieEmpfangssignale eines jeden der vier Schallköpfe können z. B. auf einem Oszillographenschirm parallel zueinander aufgezeichnet werden. Die Synchronisation für die Aufzeichnung der vier übereinanderliegenden Bilder wird auch durch D durchgeführt. Um ein stehendes, flimmerfreies Bild zu erhalten, beträgt die Folgefrequenz der vier Bilder 25 Hz.
Die Fehlerortung erfolgt durch Vergleich der vier übereinanderliegenden Signale auf dem Leuchtschirm. Nur wenn ein Fehler genau auf der Achse g (Fig. l und 2 bzw. 3 und 4) der Tastkopfeinrichtung liegt, liegt sein Echo in allen vier Bildern auf dem Leuchtschirm, die von den Schallköpfen 1-4 stammen, genau übereinander. Die Lage eines nicht auf der Achse g liegenden Fehlers kann entweder aus den Bildern berechnet werden, oder die Tastkopfeinrichtung wird verschoben, bis der Fehler auf g liegt.
Diese Ortungsmöglichkeit ist nur im Teil A des Schallfeldes möglich (s. Fig. 3). Im Teil B des Schallfeldes zeigt sich die Lage eines Feldes dadurch, dass sein Echo in einem oder mehreren Bildern ausfällt. Im Teil C des Schallfeldes, der ja von keinem Schallkopf mit Energie versorgt wird, kann ein Fehler überhaupt nicht festgestellt werden. Diesen Bereich nimmt die Platte h auf. Damit muss die Platte h eine Dicke von
EMI3.3
haben, wie aus Seite 4, Zeile 43 folgt.
Kennzeichnend für die Erfindung ist daher, dass nicht die Intensität des Echos zur Fehlerortung herangezogen wird und allen damit verbundenen Schwierigkeiten so aus dem Wege gegangen wird.
Diese Fehlerortung kann nur bis zu einer bestimmten Entfernung erfolgen, da für grössere Entfernungen sich die Radien rl, r, r2 nur wenig unterscheiden (s. Fig. 4), was nur eine kleine Signalverschiebung in den Bildern zur Folge hat. Für einen Fehler, der auf der Symmetrieachse eines der Schallköpfe liegt, ergibt sich dieGrenze zu L "'7d, wenn angenommen wird, dass die"Fehlerechos"am Rande des Leuchtschirmes abgebildet werden (Totalausschlag) und eine Signaldifferenz von 2% desTotalausschlages abge- lesen werden kann. L stellt damit die Grenze des Nahfeldes dar (s. Fig. 3).
Ortung im Fernfeld :
Dabei wird von der Interferenz Gebrauch gemacht. Innerhalb des Bereiches A des Schallfeldes (Fig. 3) kommt es bei gleichzeitiger phasengleicher Energieabstrahlung von zwei Schallgebern zur Interferenz.
EMI3.4
Im Fernfeld kann man unter der Annahme V- < 100 mit allein rechnen und es ergeben sich für gleichzeitigen und gleichphasigen Betrieb der gegenüberliegenden Tastköpfe 1 und 2 oder 3 und 4 nach der Interferenztheorie Ebenen maximaler Schallkonzentration. deren Neigungswinkel -'n gegen die yer-
<Desc/Clms Page number 4>
bindungslinie der Tastköpfe l und 2 bzw. 3 und 4 gegeben ist durch
EMI4.1
Für die Ebenen geringster Intensitä gilt :
EMI4.2
EMI4.3
bzw. 3 und 4. auf.
Die Bündelung senkrecht zu dieser Ebene ist ausserordentlich scharf, denn es ergibt sich für diese Richtung ein Strahlungswinkel :
EMI4.4
Die Intensität ist in dieser Ebene viermal so gross wie jene, die von einem Schallsender stammt.
Vergleicht man den Strahlungswinkel T* einer Tastkopfgruppe l und 2 oder 3 und 4 mit dem Strahlungswinkel ss eines kolbenförmig schwingenden Einzelstrahlers, für den bekanntlich
EMI4.5
EMI4.6
EMI4.7
besitzen.
<Desc/Clms Page number 5>
Sie stellt einZwischenmedium dar, daher soll ihr Schallwellenwiderstand zwischen dem desSchwingers und dem des Prüfgegenstandes liegen.
Da die Platte die oben angegebene Mindestdicke aufweist, nimmt sie auch die Intensitätsschwankungen, die vor einer Kolbenmembran bis zu einer Entfernung von lo auftreten, auf.
Weiters dient sie als Montageplatte der zylindrischen Schallköpfe.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Tastkopfeinrichtung zur Fehlerortung mittels Ultraschall im Nah- und Fernfeld, bei welcher meh- rereSchallköpfezueinerGruppe vereinigtsind, dadurch gekennzeichnet, dass vierzylindrische Schallköpfe mit einer oberen gemeinsamen Befestigungsplatte (f), in welcher das vierpolige Anschlusskabel eingeführt ist und mit einer unteren gemeinsamen, ein Zwischenmedium bildenden Platte (h) eine Einheit bilden, wobei diese Schallköpfe die Eckpunkte eines Quadrates bilden, so dass dieVerbindungslinien derMitten derSchallköpfe (l und 2 bzw. 3 und 4) aufeinander senkrecht stehen und jeder Schallkopf unabhängig von dem andern, vom Energiegerät betrieben werden kann.
EMI5.1