DE102011011764A1 - Ultrasonic measuring system for determining pre-stressing force in e.g. screw of e.g. steel girder, has data processing unit that is structurally separated from and connected to data acquisition unit via wired or wireless connection - Google Patents

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Abstract

The ultrasonic measuring system has a data acquisition unit (20), and a transducer (12) for transmitting an ultrasonic pulse to a connecting element (10) and for receiving the ultrasonic pulse echoes from the connecting element, where the data acquisition unit is connected with the transducer. A data processing unit (24) is structurally separated from the data acquisition unit and connected to the data acquisition unit via a wired or wireless connection (22). An independent claim is included for method for performing ultrasonic measurement.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallmesssystem, welches einen Ultraschall-Transducer umfasst und genaue Laufzeitmessungen von Ultraschallpulsen in unter mechanischer Spannung stehenden Verbindungselementen, wie zum Beispiel Schrauben, Bolzen, Nieten oder dergleichen erlaubt.The present invention relates to an ultrasonic measuring system which includes an ultrasonic transducer and allows accurate transit time measurements of ultrasonic pulses in stressors such as screws, bolts, rivets, or the like, under tension.

Stand der TechnikState of the art

Aus DE 42 25 035 A1 und DE 42 32 254 A1 sind Ultraschallprüfverfahren bekannt. DE 10 2004 038 638 bezieht sich auf ein Verbindungsbauteil, in dessen Kopf- oder Fußbereich sich ein Ultraschallsensor befindet, dessen Aufbau als Schichtaufbau ausgebildet ist.Out DE 42 25 035 A1 and DE 42 32 254 A1 Ultrasonic testing methods are known. DE 10 2004 038 638 refers to a connection component, in whose head or foot area there is an ultrasonic sensor whose structure is formed as a layer structure.

DE 10 2009 060 441 A1 betrifft ein Sensorelement. Ein Verbindungsbauteil umfasst einen integrierten Ultraschallsensor zur Analyse der mechanischen Spannungsverteilung, insbesondere zur Bestimmung der Vorspannkraft des Verbindungsbauteiles, wobei der Ultraschallsensor einen zumindest zweischichtigen Aufbau mit einer Elektrodenschicht und mindestens einer Schicht aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften aufweist. Die Elektrodenschicht und die Schicht aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften sind an mindestens einem frei zugänglichen Ende des Verbindungsbauteiles aufgedampft, insbesondere aufgesputtert, wobei in der Elektrodenschicht Strukturen durch Erzeugung ausgelaserter Bereiche ausgeführt sind. DE 10 2009 060 441 A1 relates to a sensor element. A connecting component comprises an integrated ultrasonic sensor for analyzing the mechanical stress distribution, in particular for determining the pretensioning force of the connecting component, the ultrasonic sensor having an at least two-layered construction with an electrode layer and at least one layer of a material having piezoelectric properties. The electrode layer and the layer of a material having piezoelectric properties are vapor-deposited, in particular sputtered, on at least one freely accessible end of the connection component, wherein structures are formed in the electrode layer by producing lasered-out regions.

Das wichtigste Gebiet von Ultraschall-Messverfahren ist in der Untersuchung mechanischer Spannungszustände, insbesondere die Messung der Vorspannkraft in Verbindungselementen verschiedener Bauart zu erblicken. Ein weiteres sehr breites Gebiet ist das ”Health Monitoring” von Verbindungselementen und Bauteilen, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Grundlage dieser Messungen besteht in der Anregung, der Ausbreitung und dem Nachweis mechanischer Ultraschall-Wellen in den zu untersuchenden Materialien, die die unter Belastung oder Spannung stehenden Bereiche der Bauteile durchlaufen und dabei ihre Eigenschaften in zu charakteriesender Art und Weise ändern. Speziell bei der Kraftmessung wird die Differenz der Laufzeiten eines Ultraschall-Pulses zwischen einem unter mechanischer Spannung stehendem Verbindungselement und einem unbelasteten Referenzzustand bestimmt. Durch die mechanische Spannung wird sowohl eine Verlängerung des Verbindungselementes erzwungen, als auch die Schallgeschwindigkeit im Material verringert. Es lässt sich somit eine Vergrößerung der Schalllaufzeit messen, die wiederum über empirische Kalibrationsparameter in Kräfte umgerechnet werden kann.The most important field of ultrasonic measuring methods is the investigation of mechanical stress conditions, in particular the measurement of the prestressing force in connecting elements of various types. Another very broad area is health monitoring of fasteners and components exposed to dynamic loads. The basis of these measurements is the excitation, the propagation and the detection of mechanical ultrasonic waves in the materials to be investigated, which pass through the stressed or stressed areas of the components, thereby changing their properties in characterizing manner. Especially in the case of force measurement, the difference between the transit times of an ultrasound pulse between a connecting element under mechanical tension and an unloaded reference state is determined. Due to the mechanical tension, both an extension of the connecting element is forced, and the speed of sound in the material is reduced. It is thus possible to measure an increase in the sound propagation time, which in turn can be converted into forces via empirical calibration parameters.

Die o. g. Verfahren zur Ausstattung von Verbindungselementen mit geklebten oder gesputterten Transducern platzieren einen Konverter, der elektrische Signale und Wellenformen in mechanische Ultraschall-Pulse und zurück verwandelt, direkt auf dem Verbindungselement. Zur Anregung des Transducers und der Registrierung der Echos ist eine Kombination aus digitaler und analoger Elektronik notwendig, die mit dem Transducer über Kabel in Verbindung gebracht wird. Zur Datenanalyse, Datenspeicherung und Darstellung der Messergebnisse wird ein in die Messeinheit integrierter Computer verwendet. Die Pulssende- und Echoempfangselektronik ist zusammen mit dem Auswerterechner in einer gemeinsamen Gehäuse oder einem Einschub-Rack untergebracht. Um Störungen der Messsignale zu vermeiden und die Signalschwächung zu begrenzen, muss die integrierte Messeinheit selbst in der Nähe der Messstelle platziert werden.The o. G. Methods of providing connectors with glued or sputtered transducers place a converter, which converts electrical signals and waveforms into mechanical ultrasonic pulses and back, directly on the connector. To excite the transducer and register the echoes, a combination of digital and analog electronics is required, which is connected to the transducer via cable. For data analysis, data storage and presentation of the measurement results, a computer integrated in the measuring unit is used. Pulse-transmitting and echo-receiving electronics are housed together with the evaluation computer in a common housing or rack. In order to avoid interference of the measuring signals and to limit the signal attenuation, the integrated measuring unit itself must be placed in the vicinity of the measuring point.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Messsystem bereitzustellen, mit dem nach dem Prinzip der Ultraschallpuls-Echo-Methode eine Untersuchung des mechanischen Spannungszustandes und der inneren Struktur polykristalliner Materialien durch Ultraschall-Transducer erlaubt.The present invention has for its object to provide an ultrasonic measuring system, with the principle of the ultrasonic pulse echo method allows an investigation of the mechanical stress state and the internal structure of polycrystalline materials by ultrasonic transducers.

Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Bestimmung der Vorspannkraft in Verbindungselementen verschiedener Bauart, wie zum Beispiel Schrauben, Bolzen oder der Nieten, zuverlässig zu ermöglichen.In particular, the present invention has the object, the determination of the biasing force in fasteners of various types, such as screws, bolts or rivets to allow reliable.

Zur Messung der Spannungszustände in den Verbindungselementen ist am Ort der Messung allerdings lediglich die analog/digital – Komponente der Pulssende- und Echoempfangselektronik nötig, da die beteiligten Analogsignale von und zum Transducer nicht kabellos übertragen werden können. Nach der Digitalisierung der Echosignale können alle weiteren Verarbeitungsschritte sowohl räumlich als auch zeitlich getrennt von Ort und Zeitpunkt der Anregung des Transducers durchgeführt werden. Eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Trennung der analog-digitalen Pulssende-Echoempfangselektronik von der dahintergeschalteten Datenanalyse- und Speichereinheit ist in den Fällen von Vorteil, wo es am Messort starke räumlich Beschränkungen gibt und keine Messelektronik installiert werden kann, wo der Messort nicht ständig zugänglich ist und zeitlich kontinuierlich der Zustand überwacht werden soll, oder mit kleinstmöglicher Baugrösse manuelle Messungen punktuell oder in einem Inspektionsmodus gemacht werden sollen.To measure the voltage states in the connecting elements, however, only the analog / digital component of the pulse transmitting and echo receiving electronics is necessary at the location of the measurement since the analog signals involved can not be transmitted to and from the transducer wirelessly. After the digitization of the echo signals, all further processing steps can be performed both spatially and temporally separated from the location and time of the excitation of the transducer. An inventively proposed separation of the analog-digital pulse-transmitting echo receiving electronics from the data analysis and storage unit connected behind is advantageous in cases where there are strong spatial limitations at the measuring location and no measuring electronics can be installed where the measuring location is not constantly accessible and continuous in time the condition is to be monitored or, with the smallest possible size, manual measurements are to be made at a specific point or in an inspection mode.

Insbesondere können mit modernen kabellosen Übertragungs-Methoden digitale Daten ohne Störung und Verluste zu einem Analysesystem mit entsprechender Auswertesoftware übertragen werden, die losgelöst von spezieller Hardware auf jedem geeigneten Rechnersystem laufen kann und sich damit einfach auf erweiterte Anforderungen hinsichtlich der Analysemethoden anpassen lässt oder verbesserte Rechner-Technologien (z. Bsp. schnellere CPUs) für z. Bsp. größere Messraten ausnutzen kann. Die Festlegung des Anwenders auf eine bestimmte Hardware und Messgeräteausstattung wird wesentlich vermindert. Eine separate Entwicklung der analog-digitalen Pulssende- und Echoempfangselektronik und deren rein informationstechnische Verbindung mit einem entsprechenden industriekompatiblen Rechnersystem verkleinert die Turnaround-Zeit bei technischen Änderungen. In particular, with modern wireless transmission methods, digital data can be transmitted without disruption and loss to an analysis system with corresponding evaluation software, which can run on any suitable computer system detached from special hardware and can thus easily be adapted to extended requirements with regard to the analysis methods or improved computer systems. Technologies (eg faster CPUs) for z. For example, can exploit larger measurement rates. The determination of the user to a specific hardware and instrumentation equipment is significantly reduced. A separate development of the analog-digital pulse transmitting and echo receiving electronics and their purely information technology connection with a corresponding industry-compatible computer system reduces the turnaround time for technical changes.

Wird das Verbindungselement mit der genannten analog-digitalen Pulssende- und Echoempfangselektronik fest ausgestattet, wird die vormals passive, mit einem Transducer versehene Schraube mit der Elektronik zu einem aktiven Element einer Verbindung, die als physikalischer Sensor wie etwa für Druck/Temperatur agieren und sich selbst monitoren kann. Eine Fortentwicklung ist die Integration der Transducer/Elektronik-Kombination in die Schraube schon bei deren Herstellung, die aktive Schraube kann dann mit Ihrer Umgebung in Verbindung treten, entweder aktiv abgefragt werden oder selbsttätig alle notwendigen Daten über ihren Zustand senden, ohne dass zwingend eine ständige Verbindung mit einem Empfänger der Daten verlangt wird.When the connector is fixedly mounted with said analog-digital pulse-transmitting and echo-receiving electronics, the previously passive transducer-provided screw becomes an active element of a connection acting as a physical sensor such as pressure / temperature and itself can monitor. A further development is the integration of the transducer / electronics combination in the screw already during their production, the active screw can then connect with your environment, either actively queried or automatically send all necessary data about their condition, without necessarily a permanent Connection with a receiver of the data is required.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, wird die Differenz der Laufzeiten eines Ultraschall-Pulses zwischen einem unter mechanischer Spannung stehenden Verbindungselement und einem unbelasteten Referenzzustand bestimmt, der über empirische Kalibrationsparameter in Kräfte umgerechnet werden kann. Die Laufzeit eines Ultraschall-Pulses in einem Material wiederum ist gegeben durch die Länge eines Verbindungselementes zusammen mit der Schallgeschwindigkeit, wobei der ausgesandte Puls an dem dem Sender entgegengesetzten Ende reflektiert wird. Das Verfahren der Kraftmessung basiert auf den physikalischen Prinzipien der Längenänderung eines Verbindungselementes unter mechanischer Spannung und der damit einhergehenden Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle. Beide Mechanismen führen zur Vergrößerung der Laufzeit eines Ultraschall-Pulses in einem Verbindungselement im eingebauten, d. h. belasteten Zustand.Following the solution proposed according to the invention, the difference between the transit times of an ultrasound pulse between a connecting element under mechanical tension and an unloaded reference state is determined, which can be converted into forces via empirical calibration parameters. The transit time of an ultrasound pulse in a material in turn is given by the length of a connecting element together with the speed of sound, wherein the emitted pulse is reflected at the opposite end of the transmitter. The method of force measurement is based on the physical principles of the change in length of a connecting element under mechanical stress and the concomitant reduction in the propagation velocity of a shaft. Both mechanisms lead to increase the transit time of an ultrasonic pulse in a connecting element in the built-in, d. H. charged condition.

Für die Erzeugung eines Ultraschall-Pulses in einem Verbindungselement ist ein Konverter erforderlich, der beim Senden des Pulses elektrische Signalformen in entsprechende mechanische Wellenformen umwandelt und beim Empfang des Echos umgekehrt in ein elektrisches Analogsignal zurückverwandelt. Solche Ultraschall-Transducer existieren in den verschiedensten Bauformen und weisen unterschiedlichste Wandlungscharakteristiken auf. Es ist insbesondere der im Hochvakuum aufgebrachte Piezo-Dünnschicht-Transducer gemäß DE 10 2009 060 441 A1 zu nennen, der eine sehr breitbandige Wandlungscharakteristik besitzt und relativ schwache Echo-Signale liefert. Im Gegensatz dazu stehen beispielsweise klassische geklebte Piezo-Scheiben-Transducer, die sehr schmalbandig sind und entsprechend stärkere Ultraschall-Echo-Signale zu liefern im Stande sind.For the generation of an ultrasonic pulse in a connecting element, a converter is required, which converts electrical signal forms into corresponding mechanical waveforms upon transmission of the pulse and conversely reconverts to an electrical analogue signal upon receipt of the echo. Such ultrasonic transducers exist in a wide variety of designs and have a wide variety of conversion characteristics. In particular, it is the piezo-thin-film transducer applied in a high vacuum according to FIG DE 10 2009 060 441 A1 to name a, which has a very broadband conversion characteristic and relatively weak echo signals. In contrast, for example, are classic glued piezo-disk transducers, which are very narrow-band and correspondingly stronger ultrasonic echo signals to deliver.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschall-Messsystem nutzt in enger Verbindung mit einer digitalen Hardware diese unterschiedlichen Ausprägungen, d. h. unterschiedliche Wandlungscharakteristika der Transducer und sorgt für die notwendige Organisation des Mess-Zyklus', der eine Wellenformdefinition, ein Senden des Ultraschall-Pulses, aus Abwarten einer vorher spezifizierten Zeitspanne bis zur Rückkehr des Echos, sowie dessen Digitalisierung und Weiterleitung mit zusätzlichen Daten umfasst.The inventively proposed ultrasonic measuring system uses in close conjunction with digital hardware these different characteristics, d. H. different transducer transducer characteristics and provides the necessary organization of the measurement cycle, including waveform definition, ultrasound pulse transmission, waiting a pre-specified period of time to return the echo, and digitizing and forwarding it with additional data.

Eine direkt damit verbundenen Analogsignal-Komponente übernimmt die Aufgabe des Konvertierens des Sende- und Empfangspulses zwischen der analogen und digitalen Signalform sowie des Filterns und Verstärkens der insbesondere bei Dünnschicht-Transducern sehr schwachen Signale der Ultraschall-Echos.A directly connected analog signal component takes over the task of converting the transmit and receive pulse between the analog and digital signal form as well as filtering and amplifying the very weak signals of the ultrasonic echoes, especially in the case of thin-film transducers.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend wird nur die für die Anregung des Tranducers und die Detektion der Echos zwingend notwendige Elektronik am Ort der Messung platziert. Die gesammelten Informationen werden in digitaler Form mittels Kabel oder kabellos zu den entsprechenden anderen Komponenten des Messsystems übertragen, die räumlich vom Ort der Messung getrennt sein können, während die Auswertung der übertragenen Informationen sowohl räumlich als auch zeitlich getrennt von der Datenaufnahme stattfinden kann.Following the solution proposed according to the invention, only the electronics which are absolutely necessary for the excitation of the tranducer and the detection of the echoes are placed at the location of the measurement. The collected information is transmitted in digital form via cable or wireless to the corresponding other components of the measuring system, which may be spatially separated from the location of the measurement, while the evaluation of the transmitted information may take place both spatially and temporally separate from the data acquisition.

Neben Einzelmessungen mit entsprechendem externem Trigger sind vom Ultraschall-Messsystem auch wiederholte oder automatische Messserien zu steuern, bis hin zu einem weitgehend autonomen Abarbeiten von vordefinierten Messzyklen, wobei eine Verbindung mit dem externen Datenanalyse- und Kontrollsystem nicht immer gewährleistet sein muss.In addition to individual measurements with a corresponding external trigger, the ultrasonic measuring system can also be used to control repeated or automatic measurement series, up to a largely autonomous execution of predefined measuring cycles, whereby a connection to the external data analysis and control system does not always have to be guaranteed.

Es ist vorteilhaft, die Datenakquisitionseinheit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems möglichst nahe am Ort der Messungen anzubringen. Da dies die Einbausituation bzw. die Zugängigkeit aber nicht in allen Fällen erlaubt, kann das elektrische Analog-Signal des Sendepulses sowie das Signal des Echos durch Kabel variabler Länge geleitet werden. Aufgrund der endlichen Signalgeschwindigkeit im Kabel ergibt sich ein nicht zu vernachlässigender Beitrag zur Gesamt-Laufzeit des Pulses, der separat bestimmt und abgezogen werden muss, um auf die reine Ultraschall-Laufzeit des Ultraschall-Pulses im Verbindungselement zu schließen. Das Ultraschall-Messsystem muss in Verbindung mit der Hardware das notwendige Verfahren bereitstellen, diese sogenannte Kabellaufzeit direkt zu messen oder eine als Zahlenwert vorliegende extern gemessene Kabellaufzeit zu übernehmen und für die Ultraschall-Laufzeitmessungen korrekt in Ansatz zu bringen.It is advantageous to attach the data acquisition unit of the ultrasonic measuring system proposed according to the invention as close as possible to the location of the measurements. Since this does not allow the installation situation or the accessibility in all cases, For example, the electrical analog signal of the transmit pulse and the signal of the echo can be routed through variable length cables. Due to the finite signal speed in the cable, there is a not inconsiderable contribution to the total transit time of the pulse, which must be separately determined and subtracted in order to conclude on the pure ultrasonic transit time of the ultrasonic pulse in the connecting element. In conjunction with the hardware, the ultrasound measurement system must provide the necessary method to directly measure this so-called cable runtime or to assume an externally measured cable runtime as a numerical value and to correctly use it for the ultrasonic transit time measurements.

In vorteilhafter Weise kann die Datenakquisitionseinheit des Ultraschall-Messsystems zum universellen Einsatz in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten in ein transportabel gehaltenes Gehäuses integriert sein. Es handelt sich bevorzugt um eine Kombination einer speziell entworfenen Analogelektronik in Verbindung mit einem digitalen Teil zur Steuerung. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausprägung der Trennung der Datenakquisitionseinheit von der Datenauswerteeinheit ist in erster Linie die Handhabung aufgrund der möglichen Miniaturisierung als auch die Kraft-Messrate sowie der Stromverbrauch wesentlich günstiger. Die Datenakquisitionseinheit kann wesentlich flexibler eingesetzt werden und gegebenenfalls auch erweiterte Richtlinien, insbesondere Anforderungen an Explosionssicherheit erfüllen. Im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystem ist eine strikte Trennung der Messung von Daten und der Datenaufbereitung verwirklicht, so dass die Möglichkeit gegeben ist, mehrere Datenakquisitionseinheiten an nur einer Datenauswertestation (z. Bsp. via Ethernet oder WLAN) zu betreiben. Die Datenakquisitionseinheit bleibt für den Anwender unsichtbar, arbeitet fast völlig wartungsfrei und kann aufgrund seines weitgehend geringen Komplexitätsgrades auf den eigentlichen Messprozess – vorrangig im Hinblick auf Geschwindigkeit – optimiert werden.Advantageously, the data acquisition unit of the ultrasonic measuring system can be integrated into a transportable housing for universal use in a wide variety of application areas. It is preferably a combination of a specially designed analog electronics in conjunction with a digital part for control. By virtue of the embodiment of the separation of the data acquisition unit from the data evaluation unit as proposed according to the invention, handling is substantially more advantageous primarily because of the possible miniaturization and also the force measurement rate and power consumption. The data acquisition unit can be used much more flexible and possibly also meet extended guidelines, in particular requirements for explosion safety. In the ultrasonic measuring system proposed according to the invention, a strict separation of the measurement of data and of the data processing is realized, so that the possibility exists of operating a plurality of data acquisition units on only one data evaluation station (eg via Ethernet or WLAN). The data acquisition unit remains invisible to the user, works almost completely maintenance-free and can be optimized due to its largely low level of complexity to the actual measurement process - primarily with regard to speed.

Zusammenfassend zeichnet sich die Datenakquisitionseinheit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems mit strikter Trennung von Datenaufnahme und Datenaufbereitung durch eine sehr große Transparenz gegenüber dem Anwender aus. Das Messsystem ist äußerst wartungsarm, da es nur wenige Konfigurationsparameter gibt. Des Weiteren ist über Ethernet oder WLAN eine einfache Aktualisierungsmöglichkeit gegeben. Die Datenakquisitionseinheit erstellt eine detaillierte Fehlerberichtsanalyse und zeichnet sich durch eine hohe Datenaufnahmegeschwindigkeit und geringe Leistungsaufnahme bei gleichzeitiger hoher Kraftmessrate aus. Ferner ist die Datenakquisitionseinheit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems äußerst leicht handhabbar, was nicht zuletzt auf ein kleines und kompaktes Gehäuse zurückzuführen ist.In summary, the data acquisition unit of the ultrasound measuring system proposed according to the invention with a strict separation of data acquisition and data processing is characterized by a very high degree of transparency towards the user. The measuring system is extremely low maintenance because there are only a few configuration parameters. Furthermore, there is a simple update option via Ethernet or WLAN. The data acquisition unit generates a detailed error report analysis and is characterized by a high data acquisition speed and low power consumption with a high force measurement rate. Furthermore, the data acquisition unit of the inventively proposed ultrasonic measuring system is extremely easy to handle, which is not least due to a small and compact housing.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung für ein Ultraschall-Messsystem umfasst die Datenakquisitionseinheit als analog arbeitender Teil die Verbindung zum Ultraschall-Transducer, während die digitale Komponente zur Datenaufbereitung der Organisation der Datenakquisitionseinheit eingesetzt wird und darüber hinaus die Schnittstelle zum Benutzer bzw. Anwender darstellt.In the solution proposed according to the invention for an ultrasound measuring system, the data acquisition unit comprises the connection to the ultrasound transducer as an analogue working part, while the digital component is used for data processing of the organization of the data acquisition unit and furthermore represents the interface to the user or user.

Der analog arbeitende Teil der Hardware-Komponente lässt sich in die beiden Signalwege des Sendepulses der Datenakquisitionseinheit zum Transducer und des Echo-Signals vom Transducer zur Datenakquisitionseinheit aufteilen. Beide Signalwege benutzen außerhalb der Datenakquisitionseinheit zwingend das gleiche Signalkabel, insbesondere ausgebildet als Koaxialkabel. Der Aufwand bei der Verbindung der Datenakquisitionseinheit mit dem Transducer ist hierbei auf das absolut notwendige Minimum beschränkt. Besondere Anforderungen werden speziell an die Generierung und Übertragung der Wellenformen zum und vom Transducer gestellt. Die hohe Dynamik der zu erwartenden Echo-Signale bei der Wellenformübertragung wird durch verschiedene Transducer-Bauformen, der (für die Messung solch kleiner Kräfte) sehr hohen Genauigkeitsanforderung an die Laufzeitmessung und die teilweise sehr starken Einflüsse des durchlaufenden Materials bestimmt.The analog operating part of the hardware component can be divided into the two signal paths of the transmission pulse of the data acquisition unit to the transducer and the echo signal from the transducer to the data acquisition unit. Both signal paths necessarily use the same signal cable outside the data acquisition unit, in particular designed as coaxial cable. The effort involved in connecting the data acquisition unit to the transducer is limited to the absolute minimum. Special requirements are made especially for the generation and transmission of the waveforms to and from the transducer. The high dynamics of the expected echo signals in the waveform transmission is determined by different transducer designs, the (for the measurement of such small forces) very high accuracy requirement for the transit time measurement and the sometimes very strong influences of the passing material.

Es ist anzustreben, die Signalübertragung daher möglichst rauschfrei, mit großer Verstärkung, unverzerrt, innerhalb der angeregten Bandbreite des Transducers frequenzunabhängig, phasenstabil und weitestgehend ohne Zeitunschärfe mit hoher absoluter Zeitauflösung durchzuführen.It is desirable to carry out the signal transmission as noise-free as possible, with high gain, undistorted, independent of frequency within the excited bandwidth of the transducer, phase-stable and largely without time uncertainty with high absolute time resolution.

Die digitale Hardware-Komponente dient zum zeitlichen Steuern und Regeln der analogen Hardware-Komponente und der Ultraschall-Laufzeit-Messzyklen insgesamt. Alle notwendigen Parameter zur Definition der Pulswellenform und der Ablaufsteuerung liegen zum Zeitpunkt einer Messung vor. Dies ist durch die Software dieser Komponente sichergestellt. Der Benutzer des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems steht mit dieser Komponente in Verbindung, um Ultraschall-Laufzeit-Messungen zu initiieren und deren Resultate in Form von digitalisierten Echos und weiteren Informationen zu erhalten. Zur Weiterverbearbeitung der Messungen ist ein Export und Transfer der digitalisierten Echo-Signale zusammen mit allen weiteren für die Messung relevanten Parameter zu einer nachgeschalteten, räumlich von der Datenakquisitionseinheit getrennten Datenverarbeitungseinheit vorgesehen.The digital hardware component is used to time control and regulate the analog hardware component and the total ultrasonic transit time measurement cycles. All necessary parameters for the definition of the pulse waveform and the sequence control are available at the time of a measurement. This is ensured by the software of this component. The user of the ultrasonic measuring system proposed according to the invention is in contact with this component in order to initiate ultrasonic transit time measurements and to obtain their results in the form of digitized echoes and further information. For further processing of the measurements, an export and transfer of the digitized echo signals together with all other parameters relevant for the measurement to a downstream, spatially separated from the data acquisition unit data processing unit is provided.

Da auch Temperaturänderungen die Länge von Verbindungselementen und damit Ultraschall-Laufzeiten ändern, ist eine separate synchronisierte Messung der Temperatur während der Propagation des Ultraschall-Pulses erforderlich. Dies erfolgt über ein hochgenaues temperatursensitives Widerstandselement, so zum Beispiel einen Pt100-Messfühler. Since temperature changes also change the length of connecting elements and thus ultrasonic transit times, a separate synchronized measurement of the temperature during the propagation of the ultrasound pulse is required. This is done via a high-precision temperature-sensitive resistance element, such as a Pt100 sensor.

Obwohl die Datenakquisitionseinheit so nahe wie möglich am Ort der Laufzeitmessungen angebracht werden sollte, kann nicht in allen Fällen diese optimale Situation gewählt werden. Es entsteht daher die Notwendigkeit, das elektrische Analogsignal des Sendepulses sowie das Signal des Echos durch Kabel variabler Länge zu leiten. Wegen der endlichen Signalgeschwindigkeit innerhalb des Kabels, ergibt sich ein nicht zu vernachlässigender Beitrag zur Gesamtlaufzeit des Ultraschall-Pulses, der separat bestimmt und abgezogen werden muss, um die reine Ultraschalllaufzeit in den Verbindungselementen zu bestimmen. Die digitale Hardware-Komponente stellt eine Möglichkeit bereit, die Laufzeit des elektrischen Signals im angeschlossenen Kabel direkt zu bestimmen und über das Benutzer-Interface zu exportieren, so dass sie von der insgesamt gemessenen Laufzeit abgezogen werden kann.Although the data acquisition unit should be placed as close as possible to the location of the runtime measurements, this optimal situation can not always be chosen. Therefore, there arises a need to conduct the electrical analog signal of the transmission pulse and the signal of the echo through cables of variable length. Because of the finite signal speed within the cable, there is a not inconsiderable contribution to the total transit time of the ultrasound pulse, which must be separately determined and subtracted in order to determine the pure ultrasonic transit time in the connecting elements. The digital hardware component provides a way to directly determine the duration of the electrical signal in the connected cable and export it via the user interface so that it can be subtracted from the total measured transit time.

Für die beiden zu erfassenden Messgrößen Laufzeit und Temperatur werden hardwareseitig ein hochgenauer Quarzoszillator und externe Temperatursensoren eingesetzt. Diese müssen wiederum in regelmäßigen Zeitabständen ihrerseits mit entsprechenden Referenznormalen kalibriert werden, um die Funktionalität und Korrektheit der Messergebnisse zu gewährleisten. Dazu sind entsprechende Signaleingänge vorgesehen.On the hardware side, a high-precision quartz oscillator and external temperature sensors are used for the two measured variables, transit time and temperature. These must in turn be calibrated at regular intervals with corresponding reference standards in order to ensure the functionality and correctness of the measurement results. For this purpose, corresponding signal inputs are provided.

Zur Durchführung eines Ultraschall-Zyklus' führt das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschall-Messsystem unter Kombination aus digital arbeitenden und analog arbeitenden Hardware-Komponenten folgende Aufgaben aus:
Es wird eine analoge, komplexe, zeitlich begrenzte elektrische Pulswellenform erzeugt. Es besteht optional die Möglichkeit einer variablen Verstärkung des generierten Analogsignales zum Anregen von Ultraschall-Transducern verschiedener Bauart. Es erfolgt eine Übertragung der generierten elektrischen Wellenform zum Ort des Transducers. Nach dem Senden des Ultraschall-Pulses wird die Ausgangssignalkette abgeschaltet zur Vermeidung unnötiger Störung in der Empfangssignalkette. Nach Ablauf einer vorgegebenen variabel definierbaren Zeitspanne werden Ultraschall-Echos detektiert. Gleichzeitig erfolgt die Bestimmung der Temperatur des Verbindungselementes während der Ultraschall-Pulsausbreitung im Material des zu vermessenden Bauteiles.
To carry out an ultrasonic cycle, the ultrasound measuring system proposed according to the invention, with the combination of digitally operating and analog hardware components, performs the following tasks:
An analog, complex, time-limited electrical pulse waveform is generated. Optionally there is the possibility of a variable amplification of the generated analog signal for exciting ultrasound transducers of various types. There is a transfer of the generated electrical waveform to the location of the transducer. After transmitting the ultrasound pulse, the output signal chain is switched off to avoid unnecessary interference in the received signal chain. After a predetermined variable definable period of time ultrasonic echoes are detected. At the same time, the determination of the temperature of the connecting element during the ultrasonic pulse propagation takes place in the material of the component to be measured.

Danach erfolgt eine Bandpassfilterung und Verstärkung der sehr schwachen Echosignale des nun als Empfänger arbeitenden Transducers. Daran schließt sich eine Digitalisierung des verstärkten Eingangssignales über einen vorgegebenen Zeitbereich nach dem Senden des Pulses an, sowie gegebenenfalls dessen Mittelung über viele Echos zur Erhöhung des Signal-zu-Rauschverhältnisses.This is followed by bandpass filtering and amplification of the very weak echo signals of the transducers, which now operate as receivers. This is followed by a digitization of the amplified input signal over a predetermined time range after the transmission of the pulse, and optionally its averaging over many echoes to increase the signal-to-noise ratio.

Abschließend wird eine vollständige Zeitserie, d. h. ein Messzyklus zusammen mit weiteren komplementären Daten über einen Datentransferkanal (z. Bsp. Ethernet) zu einem PC-ähnlichen System zur weiteren Datenanalyse weitergeleitet.Finally, a complete time series, i. H. a measurement cycle along with other complementary data over a data transfer channel (eg Ethernet) forwarded to a PC-like system for further data analysis.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.With reference to the drawing, the invention will be described below in more detail.

Es zeigt:It shows:

1 den schematischen Aufbau des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems, 1 the schematic structure of the inventively proposed ultrasonic measuring system,

2 eine Darstellung der Komponenten der Datenakquisitionseinheit, 2 a representation of the components of the data acquisition unit,

3 eine Detaildarstellung der Komponenten, die in einem Pulssendemodul und einem Echoempfangsmodul der Datenakquisitionseinheit enthalten sind. 3 a detailed representation of the components contained in a pulse transmitting module and an echo receiving module of the data acquisition unit.

Ausführungsvariantenvariants

Der Darstellung gemäß 1 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems zu entnehmen.The representation according to 1 is a schematic representation of the inventively proposed ultrasonic measuring system.

Der Darstellung gemäß 1 ist ein Verbindungselement 10 zu entnehmen, bei dem es sich in der Darstellung gemäß 1 um eine Schraube handelt. Alternativ dazu kann das Verbindungselement 10 auch durch einen Niet, einen Bolzen oder ein anderes Verbindungsbauteil dargestellt sein. 1 zeigt des Weiteren, dass am Kopf des Verbindungselementes 10 ein Transducer 12 angeordnet ist. Bei dem Transducer 12 kann es sich um einen solchen handeln, der in Dünnschichttechnik ausgebildet ist oder um einen anderen, kommerziell erhältlichen Ultraschall-Transducer (12).The representation according to 1 is a connecting element 10 to be taken, in which it is shown in the illustration 1 is a screw. Alternatively, the connecting element 10 also be represented by a rivet, a bolt or other connection component. 1 further shows that at the head of the connecting element 10 a transducer 12 is arranged. In the transducer 12 it may be one formed by thin film technology or another commercially available ultrasonic transducer ( 12 ).

Das Verbindungselement 10 umfasst einen Schaft 14. An den Schaft 14 des Verbindungselementes 10 – ausgebildet als eine Schraube – schließt sich ein Abschnitt mit einem Gewinde 16 an. Über den Transducer 12 ist das Verbindungselement 10 gemäß der Darstellung in 1 mit einer Datenakquisitionseinheit 20 mit integriertem Analog/Digital-Konverter verbunden.The connecting element 10 includes a shaft 14 , To the shaft 14 of the connecting element 10 - designed as a screw - closes a threaded section 16 at. About the transducer 12 is the connecting element 10 as shown in 1 with a data acquisition unit 20 connected with integrated analog / digital converter.

Die Kabelverbindung 18 zwischen dem Transducer 12 und der Datenakquisitionseinheit 20 ist bevorzugt durch ein Koaxialkabel gegeben. Die Kabelverbindung 18 zwischen der Datenakquisitionseinheit 20 und dem Transducer 12 ist nicht zwingend erforderlich. Gestatten es die Einbauverhältnisse des Verbindungselementes 10, so kann die Datenakquisitionseinheit 20 unmittelbar auf die Oberseite des Transducers 12 aufgesetzt werden. Dadurch kann die elektrische Ankopplung des Transducers 12 direkt an die Datenakquisitionseinheit 20 erfolgen. Sollten dies die Einbauverhältnisse des Verbindungselementes 10 hingegen nicht zulassen, so besteht optional die Möglichkeit, den Transducer 12 auf der Oberseite des Verbindungselementes 10 mit Messmodul 20 über die Kabelverbindung 18 zu verbinden und auf diese Weise die Anregungssignale zum Transducer 12 zu leiten und die erhaltenen Echos über die insbesondere als Koaxialkabel gestaltete Kabelverbindung 18 an die Datenakquisitionseinheit 20 zu übertragen. The cable connection 18 between the transducer 12 and the data acquisition unit 20 is preferably given by a coaxial cable. The cable connection 18 between the data acquisition unit 20 and the transducer 12 is not mandatory. Allow the installation conditions of the connecting element 10 so the data acquisition unit can 20 directly on the top of the transducer 12 be put on. This allows the electrical coupling of the transducer 12 directly to the data acquisition unit 20 respectively. Should this be the installation conditions of the connecting element 10 On the other hand, it is not possible to optionally use the transducer 12 on the top of the connecting element 10 with measuring module 20 over the cable connection 18 to connect and in this way the excitation signals to the transducer 12 to conduct and the echoes received on the particular designed as a coaxial cable connection 18 to the data acquisition unit 20 transferred to.

Über eine kabelgebundene oder kabellose Verbindung 22, bei der es sich zum Beispiel um Ethernet oder WLAN oder dergleichen handelt, ist die Datenakquisitionseinheit 20 ihrerseits mit einem eine Datenaufbereitung ermöglichenden System, insbesondere eines PC, verbunden, das zur Auswertung der Daten dient, in Figur angedeutet durch die Datenauswerteeinheit 24.Via a wired or wireless connection 22 which is, for example, Ethernet or WLAN or the like, is the data acquisition unit 20 in turn connected to a data processing enabling system, in particular a PC, which serves to evaluate the data, indicated in Figure by the data evaluation unit 24 ,

Der Darstellung gemäß 2 sind Komponenten der Datenakquisitionseinheit zu entnehmen.The representation according to 2 are components of the data acquisition unit refer.

Wie 2 zeigt, steht die Datenakquisitionseinheit 20 über die Kabelverbindung 18 mit dem Verbindungselement 10, hier ausgebildet als eine Schraube, in Verbindung. Die Datenakquisitionseinheit 20 umfasst ein Pulssendemodul 26, mit dem ein Ultraschallpuls über die Kabelverbindung 18 und den in 2 nicht dargestellten Transducer in das Verbindungselement 10 eingeleitet wird. Des Weiteren umfasst die Datenakquisitionseinheit 20 ein Echoempfangsmodul 28, welches – ebenfalls über die Kabelverbindung 18 – vom Verbindungselement 10 über den in 2 nicht dargestellten Transducer das Echo des durch das Pulssendemodul 26 ausgesandten Ultraschallimpulses empfängt. Des Weiteren sind in der Datenakquisitionseinheit 20 gemäß der schematischen Darstellung gemäß 2 ein Kontrollmodul 30 sowie ein Kommunikationsmodul 32 enthalten. Über das Kommunikationsmodul 32 werden über die kabellose Verbindung 22 entsprechend aufbereitete Daten zur Datenauswerteeinheit 24 übermittelt. Das Kontrollmodul 30 übernimmt die logische und zeitliche Ablaufsteuerung aller am Messprozess beteiligten Komponenten. Insbesondere erfolgt in dem Kontrollmodul 30 eine Korrektur der Laufzeit des Ultraschallpulses im Verbindungselement 10 um den Laufzeitanteil, der auf die Laufzeit in der Kabelverbindung 18 entfällt. Des Weiteren erfolgt im Kontrollmodul 30 auch eine Temperaturkompensation der gemessenen Ultraschallpulslaufzeit durch das Verbindungselement 10.As 2 shows stands the data acquisition unit 20 over the cable connection 18 with the connecting element 10 , trained here as a screw, in conjunction. The data acquisition unit 20 includes a pulse transmission module 26 , with which an ultrasonic pulse via the cable connection 18 and the in 2 not shown transducer in the connecting element 10 is initiated. Furthermore, the data acquisition unit comprises 20 an echo receiving module 28 , which - also via the cable connection 18 - from the connecting element 10 over the in 2 not shown transducer the echo of the pulse transmission module 26 emitted ultrasonic pulse receives. Furthermore, in the data acquisition unit 20 according to the schematic representation according to 2 a control module 30 as well as a communication module 32 contain. About the communication module 32 be over the wireless connection 22 Correspondingly prepared data for the data evaluation unit 24 transmitted. The control module 30 assumes the logical and temporal sequence control of all components involved in the measuring process. In particular, in the control module 30 a correction of the duration of the ultrasonic pulse in the connecting element 10 by the maturity portion, which depends on the duration in the cable connection 18 eliminated. Furthermore, it takes place in the control module 30 also a temperature compensation of the measured ultrasonic pulse transit time through the connecting element 10 ,

Ferner erfolgt die Berücksichtigung des Temperatureinflusses auf die Ultraschallecholaufzeit innerhalb des als Schraube ausgebildeten Verbindungsbauteiles 10 im Kontrollmodul 30, da dieses mit einer entsprechenden algorithmischen Intelligenz ausgestattet ist. Entsprechend auf die reine Ultraschallsignallaufzeit im Verbindungselement 10 korrigierte Daten werden über das Kommunikationsmodul 32 und die kabelgebundene oder kabellose Verbindung 22 an die Datenauswerteeinheit 24 – hier angedeutet durch einen Laptop – übermittelt.Furthermore, the consideration of the influence of temperature on the ultrasonic roller transit time takes place within the connecting component formed as a screw 10 in the control module 30 because this is equipped with a corresponding algorithmic intelligence. Corresponding to the pure ultrasound signal transit time in the connecting element 10 Corrected data is sent via the communication module 32 and the wired or wireless connection 22 to the data evaluation unit 24 - indicated here by a laptop - transmitted.

Der Darstellung gemäß 3 sind einzelne Komponenten des in 2 dargestellten Pulssendemoduls sowie des in 2 dargestellten Echoempfangsmoduls der Datenakquisitionseinheit zu entnehmen.The representation according to 3 are individual components of the in 2 shown Pulssendemoduls and the in 2 shown echo receiving module of the data acquisition unit.

Aus 3 geht hervor, dass das Pulssendemodul 26 analog zur Darstellung gemäß 2 über die Kabelverbindung 18 mit dem hier als Schraube ausgebildeten Verbindungsbauteil 10 unter Zwischenschaltung eines in 3 nicht dargestellten Transducers verbunden ist. Das Pulssendemodul 26 umfasst einen Ausgangsverstärker mit welchem der Ultraschallpuls mittels der Kabelverbindung 18 in das Verbindungselement 10 eingekoppelt wird. Darüber hinaus umfasst das Pulssendemodul 26 gemäß der Darstellung in 3 einen Pulsformspeicher 38, in dem verschiedene Ultraschallpulsformen in digitaler Form abgebildet sind. Zwischen dem Pulsformspeicher 38 und dem Ausgangsverstärker 34 ist ein Digitial-/Analog-Konverter 36 vorgesehen, welcher die in digitaler Form vorliegenden Ultraschallpulse, die im Pulsformspeicher 38 gespeichert sind, in entsprechende Analogsignale umwandelt, die mittels des Ausgangsverstärkers 34 in die Kabelverbindung 28 zum Transducer 12 des Verbindungsbauteiles 10 eingekoppelt werden.Out 3 it turns out that the pulse transmitting module 26 analogous to the representation according to 2 over the cable connection 18 with the connecting element formed here as a screw 10 with the interposition of an in 3 not shown Transducers is connected. The pulse transmission module 26 includes an output amplifier with which the ultrasonic pulse by means of the cable connection 18 in the connecting element 10 is coupled. In addition, the pulse transmitting module includes 26 as shown in 3 a pulse shape memory 38 in which different types of ultrasonic pulses are imaged in digital form. Between the pulse form memory 38 and the output amplifier 34 is a digital to analogue converter 36 provided, which the present in digital form ultrasonic pulses in the pulse form memory 38 are stored, converted into corresponding analog signals, by means of the output amplifier 34 in the cable connection 28 to the transducer 12 of the connection component 10 be coupled.

Das in der Datenakquisitionseinheit 20 enthaltene Echoempfangsmodul 28 umfasst auf der Eingangsseite einen Eingangsverstärker 40, mit dem die aus dem Verbindungsbauteil 10, über den in 3 nicht dargestellten Transducer 12 und die Kabelverbindung 18 enthaltenen Ultraschallechos verstärkt werden. Dem Eingangsverstärker 40 des Echoempfangsmoduls 28 ist ein Bandpassfilter 42 nachgeschaltet; diesem wiederum ein Analog-/Digital-Konverter 44. Über den Analog-/Digital-Konverter 44 werden die analogen Echosignale in Digitalsignale umgewandelt, die in einem Ultraschallechospeicher 46 des Echoempfangsmoduls 38 der Datenakquisitionseinheit 20 gespeichert werden.That in the data acquisition unit 20 included echo receiving module 28 includes an input amplifier on the input side 40 with which the from the connecting component 10 , about in 3 not shown transducer 12 and the cable connection 18 amplified ultrasonic echoes are amplified. The input amplifier 40 of the echo receiving module 28 is a bandpass filter 42 downstream; this in turn an analog / digital converter 44 , About the analog / digital converter 44 The analogue echo signals are converted into digital signals stored in an ultrasonic echo memory 46 of the echo receiving module 38 the data acquisition unit 20 get saved.

Aus den 1 und 2 geht hervor, dass die Verbindung 22 beispielsweise als kabellose Verbindung zwischen der Datenakquisitionseinheit 20 und der Datenauswerteeinheit 24 ausgebildet ist. Als kabellose Verbindung kommt beispielsweise eine WLAN-Verbindung in Frage. Alternativ dazu kann die Verbindung 22 auch kabelgebunden ausgebildet sein und beispielsweise als eine Ethernet-Verbindung ausgestaltet sein. From the 1 and 2 it shows that the connection 22 for example, as a wireless connection between the data acquisition unit 20 and the data evaluation unit 24 is trained. As a wireless connection is for example a wireless connection in question. Alternatively, the connection may be 22 be designed to be wired and designed, for example, as an Ethernet connection.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschallmesssystem wie vorstehend anhand der 1 bis 3 beschrieben, kann in einer weiteren vorteilhaften Anwendung auch dazu eingesetzt werden, eine Mehrfachverschraubung, so zum Beispiel an einem Flansch vorzunehmen. Im Rahmen einer Mehrfachverschraubung werden zum Beispiel vier, sechs oder eine andere Anzahl von Verbindungselementen 10, wie beispielsweise Schrauben an einer Nabe, beispielsweise an einem Windradmotor und an einer Nabe eines Windradrotors verschraubt. Dazu kommen in der Regel mehrere gleichzeitig betriebene Anziehwerkzeuge zum Einsatz, in denen jeweils eine Datenakquisitionseinheit 20 wie vorstehend beschrieben integriert ist und das entstandene Gesamtsystem zu mehreren Anziehwerkzeugen mit jeweils integrierten Datenakquisitionseinheiten an sich wird über einen Regelkreis derart betrieben, dass eine Mehrfachverschraubung gleichzeitig an allen Verbindungselementen 10 mit definierten Vorspannkräften erzeugt werden kann.The inventively proposed ultrasonic measuring system as above based on the 1 to 3 described, in a further advantageous application can also be used to make a Mehrfachverschraubung, so for example on a flange. In the context of a multiple screw connection, for example, four, six or a different number of fasteners 10 for example, screws bolted to a hub, for example to a wind turbine motor and to a hub of a wind turbine rotor. For this purpose, usually several simultaneously operated tightening tools are used, in each of which a data acquisition unit 20 As described above is integrated and the resulting overall system to several tightening tools each with integrated data acquisition units per se is operated via a control loop such that a Mehrfachverschraubung simultaneously on all fasteners 10 can be generated with defined biasing forces.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Verbindungselementconnecting element
1212
TranducerTranducer
1414
Schaftshaft
1616
Gewindeabschnittthreaded portion
1818
Kabelverbindungcable connection
2020
DatenakquisitionseinheitData acquisition unit
2222
kabellose Verbindungwireless connection
2424
Datenauswerteeinheitdata evaluation
2626
Puls-SendemodulPulse transmitter module
2828
EchoempfangsmodulEcho reception module
3030
Kontrollmodulcontrol module
3232
Kommunikationsmodulcommunication module
3434
Ausgangsverstärkeroutput amplifier
3636
Digital-/Analog-KonverterDigital / analog converter
3838
PulsformspeicherPulse shape memory
4040
Eingangsverstärkerinput amplifier
4242
BandpassfilterBandpass filter
4444
Analog-/Digital-KonverterAnalog / digital converter
4646
Echospeicherecho memory

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 4225035 A1 [0002] DE 4225035 A1 [0002]
  • DE 4232254 A1 [0002] DE 4232254 A1 [0002]
  • DE 102004038638 [0002] DE 102004038638 [0002]
  • DE 102009060441 A1 [0003, 0012] DE 102009060441 A1 [0003, 0012]

Claims (15)

Ultraschall-Messsystem mit einer Datenakquisitionseinheit (20), und einem Transducer (12) zur Einkopplung eines Ultraschallpulses in ein Verbindungselement (10) und zur Auskopplung eines Ultraschallpuls-Echos aus dem Verbindungselement (10), dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Datenakquisitionseinheit (20) umfasst, die von einer Datenverarbeitungseinheit (24) baulich getrennt und mittels einer kabelgebundenen oder kabellosen Verbindung (22) mit dieser gekoppelt ist.Ultrasonic measuring system with a data acquisition unit ( 20 ), and a transducer ( 12 ) for coupling an ultrasonic pulse into a connecting element ( 10 ) and for coupling out an ultrasonic pulse echo from the connecting element ( 10 ), characterized in that it comprises a data acquisition unit ( 20 ) provided by a data processing unit ( 24 ) structurally separated and by means of a wired or wireless connection ( 22 ) is coupled with this. Ultraschall-Messsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) mit den am Messort zwingend notwendigen analogen und digitalen Komponenten zur Anregung des Transducers (12) und zum Echoempfang ausgestattet ist und eine kleinstmögliche Bauform aufweist.Ultrasonic measuring system according to claim 1, characterized in that the data acquisition unit ( 20 ) with the necessary analogue and digital components to excite the transducer ( 12 ) and is equipped for echo reception and has a smallest possible design. Ultraschall-Messsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (22) kabelgebunden oder kabellos ausgeführt ist.Ultrasonic measuring system according to claim 1, characterized in that the compound ( 22 ) is wired or wireless. Ultraschall-Messsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitung in der Datenverarbeitungseinheit (24) räumlich und zeitlich getrennt von der Anregung des Tranducers (12) und dem Echoempfang ausgeführt wird.Ultrasonic measuring system according to claim 1, characterized in that the data processing in the data processing unit ( 24 ) spatially and temporally separated from the excitation of the Tranducer ( 12 ) and echo reception. Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) in enger räumlicher Nähe zum Messort platziert wird, insbesondere direkt auf und fest verbunden mit einem Verbindungselement (10) ohne weitere Kabelverbindung zum Transducer (12).Ultrasonic measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the data acquisition unit ( 20 ) is placed in close spatial proximity to the measuring location, in particular directly on and firmly connected to a connecting element ( 10 ) without further cable connection to the transducer ( 12 ). Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unabhängige Datenakquisitionseinheiten (20) mit einer einzigen zentralen Datenverarbeitungseinheit (24) durch Verbindungen (22) verbunden sind.Ultrasonic measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of independent data acquisition units ( 20 ) with a single central data processing unit ( 24 ) by connections ( 22 ) are connected. Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) nach entsprechender Konfiguration selbstständig in regulären oder irregulären zeitlichen Abständen den Zustand des Verbindungselements (10) automatisch feststellt und die Informationen weiterreicht.Ultrasonic measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the data acquisition unit ( 20 ) after appropriate configuration independently at regular or irregular time intervals, the state of the connecting element ( 10 ) automatically detects and passes on the information. Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) als Teil eines manuellen Inspektionsgeräts zusammen mit einer weiteren Komponente zur Identifikation des Verbindungselements (10) wie ein Barcode Reader oder Kamera kombiniert wird, zur vereinfachten und fehlerfreien Nachmessung und Überwachung des Spannungszustands von Verbindungselementen (10).Ultrasonic measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the data acquisition unit ( 20 ) as part of a manual inspection device together with another component for identifying the connecting element ( 10 ) how a barcode reader or camera is combined for simplified and error-free remeasurement and monitoring of the stress state of connecting elements ( 10 ). Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) direkt in das Verbindungselement (10) integriert ist, so dass aus dem Verbindungselement (10) mit ansteuerbarem Transducer (12) zur Ultraschallmessung ein aktives Verbindungselement (10) wird, das seinen eigenen Zustand selbstständig ermittelt und an eine Datenauswerteeinheit (24) übermittelt.Ultrasonic measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the data acquisition unit ( 20 ) directly into the connecting element ( 10 ) is integrated, so that from the connecting element ( 10 ) with controllable transducer ( 12 ) for ultrasonic measurement an active connection element ( 10 ), which determines its own state independently and to a data evaluation unit ( 24 ) transmitted. Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Datenakquisitionseinheit (20) direkt bei der Produktion des Verbindungselementes (10) in dieses integriert wird und so ein aktives Verbindungselement mit Sensorcharakteristik bereits bei der Herstellung entsteht.Ultrasonic measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the data acquisition unit ( 20 ) directly in the production of the connecting element ( 10 ) is integrated into this and so an active connection element with sensor characteristic already arises during manufacture. Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) in Anziehwerkzeuge integriert oder mit diesen in funktionserweiternder Weise verbunden ist, um Verschraubungen von Verbindungselementen (10) ultraschall-gesteuert mit definierter Vorspannkraft auszuführen.Ultrasonic measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the data acquisition unit ( 20 ) is integrated with or connected in a function-expanding manner with tightening tools in order to fasten fasteners ( 10 ) ultrasonically controlled with defined preload force. Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren gleichzeitig betriebenen Anziehwerkzeugen jeweils eine Datenakquisitionseinheit (20) integriert ist und das so erhaltene Gesamtsystem über einen Regelkreis so kontrolliert wird, dass ein Mehrfachverschraubung gleichzeitig an allen Verbindungselementen (10) mit definierten Vorspannkräften erfolgt.Ultrasonic measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that in a plurality of simultaneously operated tightening tools each have a data acquisition unit ( 20 ) is integrated and the total system thus obtained is controlled via a control loop so that a multiple screw simultaneously on all fasteners ( 10 ) takes place with defined preload forces. Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit (24) als separates digitales System in die Datenaufnahmeeinheit integriert ist, so dass der mechanische Spannungszustand des Verbindungselementes (10) direkt ohne weitere externe Auswerteeinheiten direkt vom Benutzer abgelesen wird.Ultrasonic measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the data processing unit ( 24 ) is integrated as a separate digital system in the data recording unit, so that the mechanical stress state of the connecting element ( 10 ) directly without further external evaluation units read by the user. Verwendung des Ultraschall-Messsystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dies zur Lebensdauerüberwachung von Bauteilen, insbesondere Stahlträgern oder Hydraulikbauteilen und dergleichen eingesetzt wird.Use of the ultrasonic measuring system according to one of claims 1 to 13, characterized in that this is used for life monitoring of components, in particular steel beams or hydraulic components and the like. Verfahren zur Durchführung von Ultraschallmessungen in Verbindungselementen (10) mit einem Ultraschall-Messsystem gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Generieren einer analogen komplexen zeitlich begrenzten elektrischen Puls-Wellenform, b) Übertragen der generierten Puls-Wellenform zum Ort des Transducers (12), c) Abschalten einer Ausgangssignalkette nach dem Senden des Pulses zur Vermeidung unnötiger Störungen in einer Empfangssignalkette, d) Detektieren eines Ultraschall-Echos nach einer vorgegebenen variablen Zeitspanne, e) Bestimmen der Temperatur des Verbindungselementes (10) zum Zeitpunkt der Ultraschallpulsausbreitung im Verbindungselement (10), f) Bandpassfilterung und Verstärkung der Echosignale des als Empfänger arbeitenden Transducers (12), g) Digitalisierung des verstärkten Eingangssignales über einen vorgegebenen Zeitbereich nach dem Senden des Pulses und/oder dessen Mittelung über eine Anzahl von Echos und h) Weiterleiten einer vollständigen Zeitserie zusammen mit weiteren komplementären Daten über kabelgebundene oder kabellose Verbindungen (22) zu einer Datenauswerteeinheit (24).Method for carrying out ultrasonic measurements in connecting elements ( 10 ) with an ultrasonic measuring system according to one or more of the preceding claims, with the following method steps: a) generating an analog complex time-limited electrical pulse waveform, b) transmitting the generated pulse waveform to the location of the transducer ( 12 c) switching off an output signal chain after transmission of the pulse to avoid unnecessary interference in a received signal chain, d) detecting an ultrasonic echo after a predetermined variable period of time, e) determining the temperature of the connecting element (FIG. 10 ) at the time of ultrasonic pulse propagation in the connecting element ( 10 f) bandpass filtering and amplification of the echo signals of the transducers working as receivers ( 12 g) digitizing the amplified input signal for a given time period after transmitting the pulse and / or averaging it over a number of echoes and h) forwarding a complete time series together with further complementary data via wired or wireless connections ( 22 ) to a data evaluation unit ( 24 ).
DE201110011764 2011-02-18 2011-02-18 Ultrasonic measuring system for determining pre-stressing force in e.g. screw of e.g. steel girder, has data processing unit that is structurally separated from and connected to data acquisition unit via wired or wireless connection Ceased DE102011011764A1 (en)

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