DD272203A3

DD272203A3 - DEVICE FOR MEASURING ULTRASOUND AMPLITUES

Info

Publication number: DD272203A3
Application number: DD30024687A
Authority: DD
Inventors: Rainer Jung; Wilhelm Schelle
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1987-02-27
Publication date: 1989-10-04
Also published as: DE3910200A1

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. FigurThe invention relates to a device for measuring ultrasonic amplitudes, which are generated by an electromechanical resonant converter, which operates according to the Laengsschwingungsmodus, and are transmitted via a working tool in the active medium or on the site of action. Typical applications are where accurate display and evaluation of ultrasound amplitudes is required, for example, in ultrasonic disintegration in biotechnology and in industrial ultrasound techniques (eg, plastic welding). The object is to develop a device for measuring ultrasonic amplitudes, which allows an accurate, contactless, feedback-free and overload-proof measurement and monitoring of the ultrasonic amplitude, in particular with different loads of the working tool and aging of the active part of the ultrasonic transducer. According to the invention, the object is achieved by using a ring-shaped coil (coupling loop), the longitudinal vibrations of the transducer cause a periodic change in the resonant circuit frequency of an RF oscillator. The resulting electrical alternating voltage is related to the actual ultrasonic amplitude occurring at the tip of the working tool. figure

Description

Vorrichtung zur Messung von Ultraschal1amplituden Anwendungsgebiet der Erfindung Device for measuring ultrasonic amplitudes Field of application of the invention

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) .The invention can be applied wherever an accurate display and evaluation of ultrasonic amplitudes in the active medium is required. Typical fields of application are ultrasonic disintegration in biotechnology and industrial ultrasonic processes (for example 'plastic pigs').

Characteristic of known technical solutions

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.Devices for measuring ultrasound arrays are feasible with electromechanical vibration transducers which receive the ultrasound ampli fi cation directly via a coupling medium and supply them to a subsequent signal processing. In this case, the methods of analog signal processing generally used in electrical information technology are used.

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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).Direct coupled devices have the disadvantage of indeterminable feedback on the electromechanical resonant converter. Particularly noteworthy are the temporal instability of the attachment and a retroactive effect of the measurement on the transducer. Likewise, its effectiveness is influenced over and over. Known vibration transducers of this type, for example, piezoelectric or magnetostrictive also have natural resonances in the interesting ultrasonic Ifrequenzbereich, which have a stronger effect on the accurate measurement (DE 2832762, DE 235792 and 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.Strain gages also have the disadvantage of too low cutoff frequency <s. for example DD 25078). Ul traschal 1 microphones need an undisturbed sound field in the coupling medium, which is difficult to realize in practice <see also DE 2823361 and DE 271422). Common to all these devices is their susceptibility to operational overloads, which results in failure if the allowable ultrasonic amplitude is exceeded, and their electrical coupling phenomena, which interfere with signal processing. The above devices require a relatively high manufacturing effort.

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).Of the possible devices with capacitive or inductive vibration sensors only a few are known with inductive pickups, which are limited specifically to applications in the low-frequency range (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.There are also radiation-optic devices as set forth, for example, in patent documents DE 31t4355 and DD 213290. However, a broad application is opposed by the complexity and technical complexity of these devices.

Object of the invention

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.The aim of the invention is the development of a device for measuring ultrasonic amplitudes of electromechanical resonant converters which enables reproducible sawing over ultrasonic effects at any time and which, for example, saves working time and sample material when using Ultraechal1 disingrators and welding devices.

Explanation of the essence of the invention

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.The object is to develop a device for measuring Ultraechal1amplituden that allows accurate, non-contact, non-reactive and overload-proof measurement and monitoring of Ultraschallalum amplitude, especially at different loads on the working tool and aging of the active part of the ultrasonic transducer. According to the invention, the object is achieved by starting from the known configuration of a transducer with a connected working tool <a), which generates ultrasound according to the longitudinal vibration mode.

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.A high frequency carrier frequency is determined by the e. inventive device frequency modulated with the mechanical resonance frequency of the transducer. For this purpose, the plane of the coil / coupling loop (b>, which is part of the resonant circuit of the RF oscillator <1>), arranged at a small distance around the transducer (a) and at right angles to its axis a periodic change of the resonant circuit frequency of the RF oscillator <1>, which should be at least fifty times greater than the mechanical resonance frequency of the converter <a> Preferably, the coil / coupling loop (b) is located between the drive unit and the action of the transducer < a>, irr. area of a changing cross-section and at the same time at the geometric location of its swinging abdomen.

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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.The relative movement occurring during operation between this transverse sectional plane of the converter <a> and the coil <b) influences its inductance. The HF oscillator <1) and the subsequent processing electronics have no galvanic connection to the drive voltage of the converter (a). The chosen principle is not based on an induction voltage generation and allows over the prior art, a substantial electrical decoupling between the necessary drive voltage of the converter and the measuring device. The coupling loop according to the invention is simple, non-contact and reaction-free. At the same time (hit the invention achieved that the measurement is independent of the maximum Ultraschallamplitudu the Wandlere and operational overloads of the transducer do not affect the measuring device.

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),The frequency- and amplitude-modulated RF voltage produced at the output of the RF oscillator <1) is advantageously further processed with the methods for frequency-modulated signals customary in electrical information technology such that an increase in the frequency sweep (4) with the aim of widening The interference voltage distance takes place and a portion of the electrical output voltage is fed back to suppress low-frequency interference and drift phenomena (7) A measured variable is an electrical alternating voltage <u) which adequately matches the mechanical ultrasonic amplitude of the transducer <a> is largely independent of temperature, can easily be displayed and / or used as a control signal for stability compensation. A calibration for the actual ultrasound amplitude occurring at the tip of the working tool takes place only once for a specific device (transducer and measuring device). and stays . In addition, the invention can also be used when using electrically conductive non-ferrous materials for resonant converters. The device according to the invention and its evaluation electronics comprise the electromechanical resonance converter <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.the coupling loop (b), the RF oscillator <1>, the RF oscillator <2>, the mixer <3>, the Vurviel fächerstufe <4>, the limiter <5>, the demodulator for ft equenzmodulierte signals <& ) and the low-pass member <7) in the feedback two g.

embodiment

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 , die in Betrag und Phasa der Ultraschal1amplitude entspricht. Zur Unterdrückung niederfrequenter Störungen und Drifte, ^cheinungen der Vorrichtung wird ein Teil der Meßgröße über den Tiefpaß <7> zum HF-Oszillator <2> zurückgeführt.The drawing shows the erfinu.tngsgemäße device for measuring ultrasonic 1amplituden an electromechanical Resonanzwandl ers with attached working tool. The illustrated transducer <a> has the resonance length ü and. exhibits an abrupt change in cross section at the geometric location of a bellied belly. At this point, there is formed as a ring coupling loop <b) of electrically conductive material. It is adjusted at a small distance to the transducer and at right angles to its Achta contactless. The coupling loop is part of the resonant circuit of the RF oscillator (1). The generated during operation of the ultrasonic lamp 1 i tuden the converter <a> thereby cause a frequency and amplitude modulated signal at the output of the RF oscillator <1). In the subsequent Oegentaktmischstufe (3) from the frequencies of the RF oscillator (I) and a voltage-controlled RF 0s2i1lators (2) an RF signal with a low differential frequency is formed and fed into the multiplier stage <4>. The resulting RF signal has a larger frequency sweep than the original one caused by the mechanical ultrasonic amplitude. The following Begrenzerstufe (5) suppresses the remaining amplitude modulation and in the phase-sensitive demodulator <6) ensteht, the frequency-modulated RF signal an electrical AC voltage , which corresponds in magnitude and Phasa the Ultraschalllamplitude. In order to suppress low-frequency interference and drifting of the device, a portion of the measured variable is fed back via the low-pass filter <7> to the HF oscillator <2>.

Der Betrag dar Wechselspannung wird digitalisiert, für die Ultraschall-Stabilisierung benutzt und als Maß für die mechanische Ultraschal1amplitude angezeigt.The amount of AC voltage is digitized, used for ultrasonic stabilization, and displayed as a measure of the mechanical ultrasonic amplitude.

Claims

claims

1. A device for measuring Ultraschallalampiituden a working in Längeschwingungsmodus electromechanical resonance transducers, inductively coupled to a one HF-0s2illator <1) with processing electronics, characterized in that the converter <a> electrically isolated coil <b), the frequency-determining component of the HF oscillator (I) is in the range of a change in cross section of the transducer <a>,

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that, the coil is a coupling loop of only one Mindung.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the coil <b) is annular and non-contact at a small distance and at right angles to the axis of the transducer <a) is arranged.

4. Apparatus according to claim 2, characterized in that the coupling loop is not connected self-supporting with insulating support material.

5. Apparatus according to claim 1, characterized in that in the region of a change in cross section of the transducer (a), where the coil is , a vibration of the transducer <a> is.

6. Apparatus according to claim 1, characterized in that the change in cross section of the transducer (a) in the region of the coil (b) is discontinuous.

drawing

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