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
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
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
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:
Ausführungsvariantenvariants
Der Darstellung gemäß
Der Darstellung gemäß
Das Verbindungselement
Die Kabelverbindung
Über eine kabelgebundene oder kabellose Verbindung
Der Darstellung gemäß
Wie
Ferner erfolgt die Berücksichtigung des Temperatureinflusses auf die Ultraschallecholaufzeit innerhalb des als Schraube ausgebildeten Verbindungsbauteiles
Der Darstellung gemäß
Aus
Das in der Datenakquisitionseinheit
Aus den
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschallmesssystem wie vorstehend anhand der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Verbindungselementconnecting element
- 1212
- TranducerTranducer
- 1414
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- 3434
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- Eingangsverstärkerinput amplifier
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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