DE10234590C1

DE10234590C1 - Vorrichtung zum Detektieren von Unregelmäßigkeiten in der Topographie von Oberflächen an Gegenständen

Info

Publication number: DE10234590C1
Application number: DE2002134590
Authority: DE
Inventors: Joachim Frangen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2022-07-31

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Detektieren von Unregelmäßigkeiten in der Topographie von Oberflächen an Gegenständen vorgeschlagen, bei der mit einer Düse (3) ein wirbelarmer Gasstrom erzeugt und auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet wird, wobei mit einem Schalldetektor (12) der von dem Gasstrom erzeugte Schall erfasst wird. Erfindungsgemäß wird die Empfindlichkeit dadurch verbessert, dass die Düsenöffnung gegenüber der Strömungsrichtung des Gasstroms abgeschrägt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren von Unregelmäßigkeiten wie Risse, Kanten, Poren oder dergleichen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 52 454 A1 beschrieben. Eine solche Vorrichtung erzeugt mit einer Düse einen wirbelartigen, auf eine zu untersuchende Oberfläche eines Gegenstandes gerichteten Gasstrom, wobei mit einem Schalldetektor der durch den Gasstrom an der Oberfläche erzeugte Schall aufgenommen und analysiert wird. Auf diese Weise ist es möglich, feinste Risse, Kanten, Poren oder dergleichen in der Topographie von Oberflächen zu erkennen und zu lokalisieren.

Weiterhin ist eine derartige Vorrichtung sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18 aus DGZfP Jahrestagung 2001; ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung, Berlin, 21.-23. Mai 2001, Berichtsband 75-CD, Beitrag: J. Frangen "Turbulenzsensor zur Riss- und Porendetektion - Ein neues Prüfverfahren" bekannt.

Aus der EP 0 164 738 A2 ist es ferner bekannt, in einem Luftverteilerkasten Auslassdüsen derart anzuordnen, dass die Luft schräg aus dem Luftverteilerkasten austritt, wobei die Auslassdüsen eine elliptische Querschnittform aufweisen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Vorrichtung mit verbesserter Empfindlichkeit vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Stand der Technik der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die größere Empfindlichkeit einer erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung wird durch eine Verbesserung des Luftstroms zur Anströmung der Oberfläche erreicht. Hierzu wird eine Ausströmdüse vorgeschlagen, die an ihrem Austrittsende eine Abschrägung bezogen auf die Strömungsrichtung aufweist. Es hat sich gezeigt, dass mit einer solchen Düse ein Luftstrom zur Anströmung einer Oberfläche erzeugt werden kann, der beim Auftreffen auf eine glatte Oberfläche deutlich weniger Geräusche verursacht, so dass durch Unregelmäßigkeiten erzeugte Geräusche empfindlicher messbar sind.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat es sich bewährt, eine elliptische Düsenöffnung auszubilden, was beispielsweise durch schräges Abschneiden eines zylinderförmigen Rohres zu bewerkstelligen ist.

Weiterhin kann die Luftströmung dadurch positiv beeinflusst werden, dass im Zulauf der Düse Luftleitelemente angebracht werden. Durch derartige Luftleitelemente lässt sich die Wirbelbildung beim Austritt aus der erfindungsgemäß ausgebildeten Luftdüse reduzieren.

Neben der geometrischen Ausbildung der Düse sowie der genannten Maßnahmen im Zulaufbereich ist die Materialauswahl für die Qualität der Luftströmung von großer Bedeutung. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Düse wenigstens teilweise aus Glas und/oder Keramik zu fertigen. Insbesondere ist hierdurch eine besonders glatte Innenwandung der Düse möglich, so dass an dieser Stelle wenig Luftreibung entsteht.

Zum Schutz gegen mechanische Einwirkungen werden hierbei bevorzugt ein oder mehrere mechanische Schutzelemente, beispielsweise in Form eines Schutzmantels aus entsprechend mechanisch belastbaren Material, beispielsweise aus einem Metall wie Stahl oder dergleichen vorgesehen.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung wird zudem im Zulauf der Düse ein Filterelement angebracht, um die einströmende Luft von Schmutz, beispielsweise Staub zu reinigen und die durch das Auftreffen von solchen Schmutzpartikeln auf der Oberfläche entstehenden Störgeräusche zu vermeiden.

Weiterhin kann es von Vorteil sein, der Gasdüse einen abgewinkelten Verlauf zu geben, so dass auch an schlecht zugänglichen Stellen eine erfindungsgemäße Oberflächenprüfung möglich ist. Die Winkelung ist hierbei so anzubringen, dass die im Idealfall laminare Luftströmung nicht nennenswert gestört wird.

Gute Ergebnisse lassen sich in einer Ausführungsform der Erfindung erzielen, bei der die Gasdüse zur Spitze hin stetig verjüngt ist. Insbesondere die Kombination mit einem kreisförmigen Innenquerschnitt, der an der Austrittsöffnung einen Innendurchmesser im Bereich von 50 Mikrometer bis 1 Millimeter aufweist, hat sich als vorteilhaft erwiesen. Eine gute Luftströmung im Sinne der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist beispielsweise mit einem typischen Durchmesser der Austrittsöffnung im Bereich von 250 Mikrometern zu erzielen.

Weiterhin ist der freie Abstand der Gasaustrittsöffnung der Düse zu der zu prüfenden Objektoberfläche (d. h. der sogenannte Arbeitsabstand) von Bedeutung. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird dieser Arbeitsabstand im Bereich von 0,1 mm bis 3 mm gewählt.

Je nach Anwendungsfall kann es auch von Vorteil sein, den Arbeitsabstand und/oder die Winkellage der Düse gegenüber der zu prüfenden Oberfläche zu verändern. Hierzu wird vorzugsweise im Detektor eine entsprechende Verstellvorrichtung vorgesehen.

In Verbindung mit einer zusätzlichen Messvorrichtung im erfindungsgemäßen Detektor, welche den Arbeitsabstand, bzw. Änderungen des Arbeitsabstandes und gegebenenfalls auch die Winkellage der Düse erfassen kann, können diese Größen bei der Auswertung berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann der Arbeitsabstand und/oder die Winkellage der Düse regelbar ausgebildet und somit nach entsprechender Vorgabe exakt eingestellt werden.

Weiterhin wird in einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung der Gasdruck bzw. der Massestrom variabel ausgestaltet. Auf diese Weise kann der Luftstrom an die jeweiligen Oberflächenverhältnisse der zu prüfenden Oberfläche sowie die sonstigen einstellbaren Parameter angepasst werden, um ein besonders gutes Messergebnis zu haben.

Auch hinsichtlich des Gasdrucks bzw. des Massestroms wird in einer Weiterbildung eine zusätzliche Messvorrichtung vorgesehen, um diese Größen bzw. Änderungen derselben zu erfassen und gegebenenfalls bei der Auswertung der Messung zu berücksichtigen. Diese Messvorrichtung ermöglicht außerdem die regelbare Einstellung des Gasdrucks bzw. Massestroms und somit die genaue Einstellung nach einer bestimmten Vorgabe.

Weiterhin wird in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung eine periodische Modulation des Gasdrucks vorgesehen. Eine solche periodische Modulation kann beispielsweise durch Einspeisen einer Schallwelle in den Gasstrom erzeugt werden. Diese Modulation kann mit einem entsprechenden Sensorelement, z. B. dem ohnehin vorhandenen Schalldetektor, aber auch einem zusätzlichen Sensorelement aufgenommen und hinsichtlich der Amplitude, Frequenz und/oder Phase ausgewertet werden. Aus dieser Auswertung können zusätzliche Informationen über den Oberflächenzustand erhalten werden.

Vorzugsweise wird eine in der Düsenposition verstellbare Düse vorgesehen. Zum einen ist hierdurch eine lokale Auflösung der Messwerte möglich, zum anderen kann durch gezielte Variation der Position und entsprechende Auswertung auch eine zusätzliche Information über den Oberflächenzustand gewonnen werden.

Auch kann die Düsenposition mit einer periodischen Modulation verändert werden und aus der entsprechenden Amplitude, Frequenz und/oder Phase des dabei gewonnenen Messsignals eine zusätzliche Information über den Oberflächenzustand oder den ein oder anderen Betriebsparameter abgeleitet werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird zudem ein Leuchtmittel vorgesehen, dessen Licht in die Düse eingekoppelt wird. Das Licht, das dementsprechend an der Düsenspitze austritt, erleichtert einem Bediener die Einstellung der Düse, da so ein Leuchtpunkt an der zu prüfenden Oberfläche erkennbar ist. Ein solches Leuchtmittel kann beispielsweise in Form einer Diode oder dergleichen vorgesehen werden. Das Licht ist hierbei nach Möglichkeit ohne Behinderung des Luftstromes in die Düse einzukoppeln. Dies ist beispielsweise mit Hilfe einer transparenten Düsenwandung möglich.

Bei einer Druckbeaufschlagung des Schallführungselements mit Reinigungsgas kann die Druckbeaufschlagung permanent oder intermittierend vorgesehen sein. Eine permanente Druckbeaufschlagung, die so einzustellen ist, dass die Schallführungsfunktion nicht nennenswert beeinträchtigt wird hat den Vorteil einer dauerhaften Funktion ohne zusätzliche Einstell- bzw. Steuerorgane.

Die intermittierende Verwendung des Reinigungsgases lässt hingegen eine regelmäßige Reinigung außerhalb der Messungen zu, so dass die Messung völlig separat von den entsprechenden Reinigungsvorgängen durchgeführt werden kann.

Weiterhin ist es von Vorteil, ein Schallunterdrückungselement in der Reinigungsgasleitung anzubringen. Ein solches Schallunterdrückungselement, das beispielsweise mit Hilfe eines Fasergrundstoffs wie Textilien, Zellulose oder dergleichen zu realisieren ist, gewährleistet insbesondere im permanenten Betrieb der Reinigungsgasleitung, dass die Messung durch den Reinigungsvorgang nicht gestört wird.

Ein solches Schallunterdrückungselement wird vorzugsweise so ausgebildet, dass es zumindest stellenweise den Querschnitt der Reinigungsgasleitung vollständig füllt, wobei das Schallunterdrückungselement entsprechend gasdurchlässig ausgebildet wird.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.

Im Einzelnen zeigen

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und

Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Funktion einzelner Baukomponenten.

Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 umfasst ein Gehäuse 2 indem eine Düse 3 mit Schutzmantel 4 befestigt ist. Die Düse 3 ist über eine Gaszufuhr 5 mit einem Anschlussstutzen 6 verbunden, an dem eine Gasquelle, z. B. eine Druckluftleitung anzuschließen ist.

Ein Schallführungsrohr 7, dessen Achse S sich an der zu prüfenden Oberfläche (in Fig. 1 nicht dargestellt) mit der Achse L der Düse 3 kreuzt, trägt an seinem hinteren Ende ein Mikrophon 8. Ein Seitenanschluss 9 des Schallführungsrohres 7 dient für den Anschluss einer Reinigungsgaszufuhr 10, die über einen Anschlussstutzen 11 mit Reinigungsgas zu versorgen ist. Das Mikrophon 8 ist mit einem Mikrophonvorverstärker 12 verbunden, der sich noch im Gehäuse 2 befindet und dessen Ausgang Signale über einen elektrischen Anschluss 13 abgreifbar sind.

Die Düse 3 ist, wie oben angeführt, vorzugsweise aus Glas oder Keramik gefertigt und verjüngt sich stetig zur Austrittsöffnung hin. Die sehr dünne, im Einzelnen nicht erkennbare Austrittsöffnung wird vorzugsweise abgeschrägt, so dass die zu prüfenden Oberfläche erfindungsgemäß besser angeströmt wird.

Im Blockdiagramm gemäß Fig. 2 ist die Vorrichtung 1 mit der Düse 3 und dem Schallführungsrohr 7 schematisch vor einer zu prüfenden Oberfläche 14 dargestellt. Die Anschlüsse 6, 11 und 13 sind an der Vorrichtung 1 angedeutet.

Das Reinigungsgas wird über eine Reinigungsgasleitung 15 und ein erstes Magnetventil 16 zugeführt. Das Prüfgas wird über ein Prüfgasleitung 17 und ein zweites Magnetventil 18 zugeführt. Die Gaszufuhr sowohl für das Reinigungsgas des Schallführungsrohrs 7 als auch zum Freiblasen der Düse 3 über den Prüfluftanschluss 6 und das zweite Magnetventil 18 erfolgt über eine gemeinsame Gasleitung 19 sowie eine Gasaufbereitungsanlage 20, die im Falle von Druckluft z. B. aus einem Ölabscheider und/oder einem Filter hinter einer Druckluftquelle bestehen kann.

Die Gasaufbereitungsanlage 20 ist darüber hinaus mit einem Druckregler 21 verbunden, der den Gasdruck für das Prüfgas möglichst präzise, vorzugsweise zwischen 0 und 2 bar regelt. Ein Drucksensor 22 erlaubt die Kontrolle des Prüfgasdrucks vor dem Eintritt ist das zweite Magnetventil 80 und die Prüfgasleitung 17.

Beide Magnetventile 16, 18 sind über elektrische Anschlüsse 23, 24 mit einer Anlagensteuerung 25 verbunden, die ebenfalls über eine weitere Verbindungsleitung 26 mit dem Drucksensor 22 verbunden ist.

Eine Sensorauswerteelektronik 27 ist über den elektrischen Anschluss 13 mit dem Mikrofonvorverstärker 12 verbunden und erhält so die von der Vorrichtung 1 aufgenommenen Schallsignale. Über eine Aktivbox 28 ist die Schallauswertung akustisch kontrollierbar.

Die Sensorauswerteelektronik 27 ist an ein Prozessüberwachungssystem 29 angeschlossen, das seinerseits mit der Anlagensteuerung 25 verbunden ist.

Das Prozessüberwachungssystem erfasst die über die Vorrichtung 1 und die Sensorauswerteelektronik 27 erhaltenen Daten und stellt diese einerseits als Prüf- oder Messergebnis zur Verfügung. Andererseits gibt die Sensorauswertelektronik die für die Steuerung relevanten Daten an die Anlagensteuerung 25 weiter. Die Anlagensteuerung 25 regelt sowohl die Prüfgaszufuhr als auch die Reinigungsgaszufuhr über die Magnetventile 16, 18. Mit Hilfe des Prozessüberwachungssystems 29 besteht demnach eine Rückkopplung und somit ein Regelkreis zur genauen Einstellung der Betriebsparameter.

Die verschiedenen Komponenten der in Fig. 2 dargestellten Anlage veranschaulichen beispielhaft, wie eine Vorrichtung 1 zu betreiben ist. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist dabei einerseits die Ausbildung der Düse 3 mit einer schräg zur Achse L geneigten Austrittsöffnung und andererseits die Ausbildung des Schallführungsrohrs 7 mit der Reinigungsgaszufuhr 10. Die Vorteile der Reinigungsgaszufuhr 10 sowie der sonstigen, mit dem Schallführungsrohr 7 zusammenhängenden Merkmale einerseits und die mit der Düsengeometrie verbundenen Vorteile andererseits sind im Übrigen auch unabhängig voneinander erzielbar.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Gehäuse

3

Düse

4

Schutzmantel

5

Gaszufuhr

6

Anschlussstutzen

7

Schallführungsrohr

8

Mikrofon

9

Seitenanschluss

10

Reinigungszufuhr

11

Anschlussstutzen

12

Mikrofon-Vorverstärker

13

Elektrischer Anschluss

14

Oberfläche

15

Reinigungsgasleitung

16

Magnetventil

17

Prüfgasleitung

18

Magnetventil

19

Gasleitung

20

Gasaufbereitungsanlage

21

Druckregler

22

Drucksensor

23

Elektrischer Anschluss

24

Elektrischer Anschluss

25

Anlagensteuerung

26

Verbindungsleitung

27

Auswerteelektronik

28

Aktivbox

29

Prozessüberwachungssystem

Claims

1. Vorrichtung zum Detektieren von Unregelmäßigkeiten wie Risse, Kanten, Poren oder dergleichen in der Topografie von Oberflächen an Gegenständen mit einer Düse zur Erzeugung eines auf die zu untersuchende Oberfläche gerichteten wirbelarmen Gasstroms und mit einem Schalldetektor zur Erfassung des durch den Gasstrom erzeugten Schalls, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung gegenüber der Strömungsrichtung des Gasstroms abgeschrägt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elliptische Düsenöffnung vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zulauf der Düse (3) Gasleitelemente vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) wenigstens teilweise aus Glas und/oder Keramik besteht.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) einen Schutzmantel (4) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zulauf der Düse (3) ein Reinigungsfilter vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) gekrümmt oder angewinkelt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düse (3) zur Spitze hin stetig verjüngt.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsabstand zwischen der Gasaustrittöffnung der Düse (3) und der zu prüfenden Oberfläche (14) im Bereich von 0,1 bis 3 mm liegt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsabstand und/oder die Winkellage der Düse variabel ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung zur Erfassung des Arbeitsabstandes oder von Änderungen des Arbeitsabstandes vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfgasdruck während der Prüfung im Bereich von 0,1 bis 2 bar liegt.

13. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck und/oder der Massestrom des Prüfgases variabel ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwertaufnehmer für den Prüfgasdruck und/oder Prüfgasmassestrom vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine periodische Modulation des Prüfgasdrucks vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine periodische Modulation der Winkelanordnung der Düse vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leuchtmittel als Einstellhilfe vorgesehen ist, dessen Licht aus dem Innenren der Düse (3) durch die Düsenöffnung austritt.

18. Vorrichtung zum Detektieren von Unregelmäßigkeiten wie Risse, Kanten, Poren oder dergleichen in der Topografie von Oberflächen an Gegenständen mit einer Düse zur Erzeugung eines auf die zu untersuchende Oberfläche gerichteten wirbelarmen Gasstroms, mit einem Schalldetektor zur Erfassung des durch den Gasstrom erzeugten Schalls und mit einem Schallführungselement, insbesondere nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei eine Reinigungsgasleitung zur Zu- und/oder Abfuhr von Reinigungsgas mit dem Schallführungselement verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine permanente oder eine intermittierende Druckbeaufschlagung des Reinigungsgases für das Schallführungselement (7) vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallunterdrückungselement in der Reinigungsgasleitung vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallunterdrückungselement einen Fasergrundstoff umfasst.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Schallunterdrückungselement wenigstens stellenweise den Querschnitt der Reinigungsleitung vollständig ausfüllt.