DD272203A3 - Vorrichtung zur messung von ultraschallamplituden - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Ultraschallamplituden, die durch einen elektromechanischen Resonanzwandler, der nach dem Laengsschwingungsmodus arbeitet, erzeugt werden und ueber ein Arbeitswerkzeug in das Wirkmedium oder auf die Wirkstelle uebertragen werden. Typische Anwendungsgebiete sind dort, wo eine genaue Anzeige und Auswertung von Ultraschallamplituden erforderlich ist, zum Beispiel bei der Ultraschall-Desintegration in der Biotechnologie und bei industriellen Ultraschallverfahren (zum Beispiel Plastschweissen). Die Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Messung von Ultraschallamplituden zu entwickeln, die eine genaue, beruehrungslose, rueckwirkungsfreie und ueberlastungssichere Messung und Ueberwachung der Ultraschallamplitude gestattet, insbesondere bei unterschiedlichen Belastungen des Arbeitswerkzeuges und bei Alterung des aktiven Teiles des Ultraschallwandlers. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem mittels einer ringfoermigen Spule (Koppelschleife) die Longitudinalschwingungen des Wandlers eine periodische Aenderung der Resonanzkreisfrequenz eines HF-Oszillators bewirken. Die entstehende elektrische Wechselspannung steht in Beziehung zur tatsaechlichen, an der Spitze des Arbeitswerkzeuges auftretenden Ultraschallamplitude. Figur

Description

Vorrichtung zur Messung von Ultraschal1amplituden Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo eine genaue Anzeige und Auswertung von Ultraschall ampIituden im Wirkmedium erforderlich ist. Typische Anwendungsgebiete sind die Ultraschall-Desintegration in der Biotechnologie und industrielle Ultraschal 1 verfahren (zum Beispiel' Plastschweinen) .

Charakteristik bekannter technischer Lösungen

Vorrichtungen zur Messung von Ultraschal larr.pl i tuden sind realisierbar mit elektromechaniscnen Schwingungsaufnehmern, die direkt oc*ar über ein Koppelmedium die Ul traschall ampl i tude aufnehmen und einer nachfolgenden Signalverarbeitung zuführen. Dabei kommen die in der elektrischen Informationstechnik allgemein üblichen Methoden der analogen Signalverarbeitung zur Anwendung.

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Direkt gekoppelte Vorrichtungen haben den Nachteil einer unbestimmbaren Rückwirkung auf den elektromechanischen Resonanzwandler. Hervorzuheben sind insbesondere die zeitliche Instabilität der Befestigung und eine Rückwirkung der Messung auf den Wandler. Ebenso wird seine Effektivität r>«chteilig beeinflußt. Bekannte Schwingungsaufnehmer dieser Art, zum Beispiel piezoelektrische oder magnetostriktive besitzen außerdem Eigenresonanzen im interessierenden Ultraschal Ifrequenzbereich, die sich stärend auf die genaue Messung auswirken (DE 2832762, DE 235792 und DD 232755).

Dehnungsmeßstreifen haben außerdem den Nachteil einer zu niedrigen Grenzfrequenz <s. beispielsweise DD 25078). Ul traschal 1 mikrofone benötigen ein ungestörtes Schall feld im Koppelmedium, welches sich in der Praxis nur schwer realisieren laßt <siehe auch DE 2823361 und DE 271422). Allen diesen Vorrichtungen gemein sind ihre Anfälligkeit gegenüber betriebsbedingten Überlastungen,die bei Überschreitung der zulässigen Ultraschallamplitude zum Ausfall führt, und ihre elektrischen Verkopplungserscheinungen, die sich störend auf die'Signalverarbeitung auswirken. Die oben genannten Vorrichtungen benötigen einen relativ hohen Herstel1ungsaufwand.

Von den möglichen Vorrichtungen mit kapazitiven oder induktiven Schwingungsaufnehmern sind nur wenige mit induktiven Aufnehmern bekannt, die sich speziell auf Anwendungsfälle im niederfrequenten Bereich beschränken (DE 181567).

Es gibt auch strahlungs-optisehe Vorrichtungen, wie zum Beispiel in den Patentschrifetn DE 31t4355 und DD 213290 dargelegt. Einer breiten Anwendung stehen aber die Kompliziertheit und der technische Aufwand dieser Vorrichtungen entgegen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer Vorrichtung zur Messung von Ultraschallamplituden eloktromechanischer Resonanzwandler die jederzeit, reproduzierbare Aussägen über Ultraschal1Wirkungen ermöglicht und zum Beispiel bei der Anwendung von Ultraechal1-Desintgratoren und -Schweißgeräten Arbeitszeit und Probenmaterial einspart.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Messung von Ultraechal1amplituden zu entwickeln, die eine genaue, berührungslose, rückwirkungsfreie und Uberlastungssichere Messung und überwachung der Ultraschal1amplitude gestattet, insbesondere bei unterschiedlichen Belastungen des Arbeitswerkzeuges und bei Alterung dee aktiven Teiles des Ultraschallwandlers. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, indem von der bekannten Konfiguration eines Wandlers mit angeschlossenem Arbeitswerkzeug <a), der nach dem Längsschwingungsmodus arbeitend Ultraschall erzeugt, ausgegangen wird.

Eine hochfrequente Trägerfrequenz wird mittels der e. findungsgemäßen Vorrichtung mit der mechanischen Resonanzfrequenz des Wandlers frequenzmoduliert. Dazu wird die Ebene der Spule / Koppel schleife (b>, die Teil des Resonanzkreises des HF-Oszillators <1> ist, in geringem Abstand um den Wandler (a) und im rechten Winkel zu seiner Achse angeordnet. Damit bewirkt die Longitudinalschwingung des Wandlers eine periodische änderung der Resonanzkreisfrequenz des HF-Oszillators <1>, die um mindestens fünfzigmal größer als die mechanische Resonanzfrequenz des Wandlers <a> sein soll. Vorzugsweise befindet sich die Spule / Koppel schleife (b) zwischen der Antriebseinheit und der Wirkungsetelle des Wanders <a> , irr. Bereich eines sich verändernden Querschnitts und gleichzeitig am geometrischen Ort seines Schwi ngungsbauches.

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Die im Betrieb entstehende Relativbewegung zwischen dieser Querschnitteebene des Wandlers <a> und der Spule <b) beeinflußt ihre Induktivität. Der HF-Oszillator <1) und die nachfolgende Verarbeitungselektronik besitzen keine galvanische Verbindung zur Antriebsspannung des Wandlers (a). Das gewählte Prinzip beruht nicht auf einer Induktionsspannungserzeugung und gestattet gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine weitgehende elektrische Entkopplung zwischen der notwendigen Antriebsspannung des Wandlere und der Meßanordnung. Die erfindungsgemäße Koppel schleife ist einfach, berührungslos und rückwirkungsfrei. Gleichzeitig wird (hit der Erfindung erreicht, daß die Messung unabhängig von der maximalen Ultraschallamplitudu des Wandlere ist und sich betriebsbedingte Überlastungen des Wandlers nicht auf die Meßvorrichtung auswirken.

Die am Ausgang des HF-Oszillators <1) entstehende frequenz- und amplitudenmodulierte HF-Spannung wird mit den in der elektrischen Informationstechnik üblichen Methoden für frequenzmodulierte Signale vorteilhaft so weiter vorar— beitet, daß eine Vergrößerung des Frequenzhubes (4> mit dem Ziel einer Aufweitung das Störspannungsabstandes erfolgt und zur Unterdrückung niederfrequenter Störungen und Drifterscheinungen dfc.- Vorrichtung ein Teil der elektrischen Ausgangsspannung zurückgeführt wird (7). Als Meßgröße entsteht eine elektrische Wechselspannung <u), die der mechanischen Ultraschal 1amplitude des Wandlers <a> in Betrag und Phase adäquat ist, weitgehend temperaturunabhängig ist, leicht angezeigt und/oder als Steuersignal für Stabi lisiorungszwack"· verwendet werden kann. Eine Eichung zur tats chlichen an der Spit:.'θ des Arbeitswerkzeuges auftratenden Ultraschal1amplitude erfolgt nur einmalig für ein bestimmtes Gerät (Wandler und Meßvorrichtung) und bleibt .anga Zeit stabil. Darüber hinaus \st die Erfindung auch bei Verwendung von elektrisch leitenden Nichteisen-Wer ' stoffen für Resonanzwandler anwendbar. Die erf indungsgcmäße Vorrichtung und ihre Auswert ei» 1 ektr onik umfaßt den elektromechanischen Resonanzwandler <a),

die Koppel schleife (b), den HF-Oszillator <1>, den HF-Oszillator <2>, die Mischstufe <3>, die Vurviel fächerstufe <4>, den Begrenzer <5>, den Demodulator für ft equenzmodulierte Signale <&) und das Tiefpaßglied <7) im Rückkopplungszwei g.

Ausführungsbeispiel

Die Zeichnung zeigt die erfinu.tngsgemäße Vorrichtung zur Messung von Ultraschal 1amplituden eines elektromechanischen Resonanzwandl ers mit angeschlossenem Arbeitswerkzeug. Der dargestellte Wandler <a> hat die Resonanz länge ü und . weist, am geometrischen Ort eines Bchwingungsbauches eine abrupte Querschnittsänderung auf. An dieser Stelle befindet sich die als Ring ausgebildetes Koppel schleife <b) aus elektrisch leitendem Material. Sie ist in geringem Abstand um den Wandler und im rechten Winkel zu seiner Achta berührungslos justiert. Die Koppelschleife ist Teil des Resonanzkreises des HF-Oszillators (1). Die im Betrieb erzeugten Ultraschal lamp 1 i tuden des Wandlers <a> bewirken dadurch ein frequenz- und amplitudenmoduliertea Signal am Ausgang des HF-Oszillators <1). In der sich anschließenden Oegentaktmischstufe (3) wird aus den Frequenzen des HF-Oszillators (I) und eines spannungsgesteuerten HF-0s2i1lators (2) ein HF-Signal mit niederer Differenz frequenz gebildet und in die Vervielfacherstufe <4> eingespeist. Das entstehende HF-Signal weist einen größeren Frequenzhub auf als das ursprüngliche durch die mechanische Ultraschal1amplitude hervorgerufene. Die nachfolgende Begrenzerstufe (5) unterdrückt die noch vorhandene Amplitudenmodulation und im phasenempfindlichen Demodulator <6) ensteht aus, dem frequenzmodulierten HF-Signal eine elektrische Wechselspannung <u>, die in Betrag und Phasa der Ultraschal1amplitude entspricht. Zur Unterdrückung niederfrequenter Störungen und Drifte, ^cheinungen der Vorrichtung wird ein Teil der Meßgröße <u> über den Tiefpaß <7> zum HF-Oszillator <2> zurückgeführt.

Der Betrag dar Wechselspannung <u> wird digitalisiert, für die Ultraschall-Stabilisierung benutzt und als Maß für die mechanische Ultraschal1amplitude angezeigt.

Claims (6)

1. Patentansprüche

   1. Vorrichtung zur Messung von Ultraschal1ampiituden eines im Längeschwingungsmodus arbeitenden elektromechanischen Resonanzwandlern, dir induktiv an einen einen HF-0s2illator <1) mit Verarbeitungselektronik angekoppelt ist, gekennzeichnet dadurch, daß die vom Wandler <a> elektrisch isolierte Spule <b), die frequenzbestimmender Bestandteil des HF-Oszillators (I) ist, sich im Bereich einer Querschnittsänderung des Wandlers <a> befindet,
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß, die Spule <b> eine Koppel schleife aus nur einer Mindung ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spule <b) ringförmig und berührungslos in geringem Abstand und rechten Winkel zur Achse des Wandlers <a) angeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Koppelschleife nicht selbsttragend mit isolierendem Stützmaterial verbunden ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Bereich einer Querschnittsänderung des Wandlers (a), wo sich die Spule <b> befindet, ein Schwingungsbauch des Wandlers <a> ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Querschnittsänderung des Wandlers (a) im Bereich der Spule (b) diskontinuierlich ist.

   Zeichnung

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