DE1623204B2

DE1623204B2 - Verfahren und einrichtung zur beruehrungslosen material dickenmessung mit hilfe von ultraschall

Info

Publication number: DE1623204B2
Application number: DE19671623204
Authority: DE
Inventors: Anatohj Dmitnjewitsch Kiew Tschebyschew (Sowjetunion)
Original assignee: Institut Ukrmiplastmasch, Kiew (Sowjetunion)
Priority date: 1967-10-12
Filing date: 1967-10-12
Publication date: 1971-08-19
Also published as: DE1623204A1; GB1147417A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sichere Einrichtung zur Durchführung dieses Ver-

berührungslosen Materialdickenmessung, insbeson- fahrens geschaffen werden.

dere zur Messung der Wandstärke eines dünnwan- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gedigen Rohres od. dgl., wobei ein mit hochfrequenten löst, daß die zum Meßobjekt ausgestrahlten Ultraelektrischen Schwingungen gespeister piezoelek- 5 schallwellen durch Dreiecksimpulse frequenzmodutrischer Ultraschallsender über ein flüssiges Kontakt- liert werden und durch Überlagerung der von den medium das zu untersuchende Meßobjekt einseitig beiden Flächen des Meßobjektes reflektierten Wellen mit Ultraschallwellen bestrahlt und ein Empfänger am Ausgang des Empfängers hochfrequente amplidie von der Außen- und der Innenfläche des Meß- tudenmodulierte elektrische Schwingungen entstehen, Objektes reflektierten Wellen aufnimmt und in elek- io sowie daß ein die Frequenz der Hüllkurve dieser trische Schwingungen umwandelt, sowie auf eine Schwingungen kennzeichnendes Signal erzeugt wird, Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. welches zur automatischen Nachregelung der der zu

Bei einem bekannten derartigen Verfahren zur messenden Wandstärke des Meßobjektes proportio-Materialdickenmessung mit Hilfe von Ultraschall nalen Dauer der Dreieckimpulse verwendet wird,
wird die zeitliche Verschiebung der von einer äußeren 15 Die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfah- und einer inneren Fläche des Meßobjektes reflektier- rens zeichnet sich dadurch aus, daß am Eingang des ten Ultraschallwellen gemessen. Die Einrichtung zur piezoelektrischen Ultraschallsenders ein Generator Verwirklichung des bekannten Verfahrens enthält für Dreiecksimpulse in Reihe mit einem Frequenzeinen Ultraschallsender, der an einen Kurzzeit- modulator, einem Hochfrequenzoszillator und einem impulsgenerator angeschlossen ist, einen Empfänger 20 Leistungsverstärker angeordnet ist und der Ultra- und eine Einrichtung zur Messung des zeitlichen schallempfänger einen Hochfrequenzverstärker in Abstandes der nacheinander reflektierten Wellen. Reihe mit einem Amplitudendemodulator aufweist, Bei der Messung dünnwandiger Objekte müssen an dessen Ausgang eine NF-Verstärkereinheit liegt, jedoch sehr kurze Ultraschallimpulse überlagert und die mit einem Impulsdauermeßgerät zur Messung der getrennt werden, wodurch das Auflösungsvermögen 25 Dreiecksimpulsdauer verbunden ist.
bzw. die Empfindlichkeit der Meßeinrichtung begrenzt Die NF-Verstärkereinheit besteht vorzugsweise aus sind. zwei parallelgeschalteten NF-Resonanzverstärkem, die

Weiter ist ein Verfahren zur Dickenmessung be- über einen Frequenzdiskriminator mit dem die Dreikannt, bei dem das Meßobjekt mit Ultraschallwellen ecksimpulse erzeugenden Generator verbunden sind, bestrahlt wird und die von der inneren und äußeren 30 Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird Fläche des Objektes reflektierten Schwingungen an- eine berührungslose Materialdickenmessung erreicht, schließend summiert werden. In diesem Falle wird die sich durch hohes Auflösungsvermögen auszeichdie Materialdicke durch Subtrahieren der Extrem- net und Präzisionsmessungen gestattet,
werte der reflektierten Wellen ermittelt. Da es sehr Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausschwierig ist, die Extremwerte der Hochfrequenz- 35 führungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichschwingungen genau zu bestimmen und deren nung näher erläutert. Es zeigt

Differenz zu berechnen, wird keine ausreichende Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des erfindungsge-

Meßgenauigkeit erzielt. mäßen Meßverfahrens,

Nach einem weiteren bekannten Verfahren werden Fig. 2 ein Blockschaltbild der Einrichtung zur

Ultraschallimpulse in das Meßobjekt eingestrahlt und 40 Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

nach jedem eingestrahlten Impuls eine vorbestimmte Ein mit hochfrequenten elektrischen Schwingun-

Anzahl der aus der äußeren und der inneren Fläche gen gespeister piezoelektrischer Ultraschallsender 1

des Objekts reflektierten und aufgenommenen Im- (F i g. 1) bestrahlt über ein flüssiges Kontaktmedium

pulse von einem Impulszähler gezählt, wobei das das zu untersuchende Meßobjekt 2 (Rohr) mit Ultra-

Impulszählintervall als Maß für die Objektdicke aus- 45 schallwellen, die durch Dreieckimpulse frequenzmo-

gewertet wird. duliert sind und sich in Richtung 3 ausbreiten. Ein

Ferner sind noch Dickenmeßeinrichtungen be- Teil dieser Wellen wird von der Außenfläche des

kannt, die auf der Grundlage des Resonanzverfahrens Meßobjektes 2 in Richtung 4 reflektiert und von

arbeiten, bei dem über einen elektroakustischen einem Empfänger 5 aufgenommen; der andere Teil

Wandler kontinuierliche Ultraschallwellen in das plat- 50 der Wellen dringt in das Innere der Wandung des

tenförmige Meßobjekt gesendet werden. Wenn die Meßobjektes 2 ein, wird von der Innenfläche reflek-

Plattendicke einem ganzzahligen Vielfachen der hai- tiert und gelangt in Richtung 4' ebenfalls zum Emp-

ben Wellenlänge der Ultraschallwellen im Meßobjekt fänger 5.

gleich ist, bilden sich stehende Wellen aus und der Dadurch, daß phasenverschobene Ultraschallwellen

Prüfling schwingt in Resonanz mit der Schwingung 55 gleichzeitig auf dem Empfänger 5 einwirken, entsteht

der Ultraschallwellen. Die Platte entzieht dem Sen- eine Verstärkung bzw. Abschwächung der elektri-

der ein Maximum an Energie, was sichtbar gemacht sehen Schwingungen am Ausgang des Empfängers 5

werden kann. . . . je nach der Größe der Phasenverschiebung zwischen

Die beiden letztgenannten Verfahren sind zur den von der Außen- und Innenfläche des Meßobjek-

Dickenmessung besonders geformter Meßobjekte 60 tes 2 reflektierten Ultraschallwellen. Die Größe dieser

nicht immer günstig und zum Teil mit einem erheb- Phasenverschiebung wird durch die Wegdifferenz der

liehen Schaltungsaufwand verbunden. von den beiden Flächen des Meßobjektes 2 reflek-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein tierten Ultraschallwellen, d. h. durch die Wandstärke

Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, des Meßobjektes 2 und die Wellenlänge der Ultra-

durch das ein einheitliches, der gesuchten Material- 65 schallwellen im Meßobjekt 2 bestimmt,

dicke proportionales Signal ohne vorherige Trennung Wenn nun die ausgestrahlten Ultraschallwellen

der vom Objekt reflektierten Wellen erzeugt werden durch Dreieckimpulse frequenzmoduliert werden, so

kann. Außerdem soll eine einfache und betriebs- werden am Ausgang des Empfängers 5 amplituden-

Claims

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modulierte elektrische Schwingungen erhalten, da eine Elemente nach allgemein bekannten Schaltungen auf-

einer bestimmten Wandstärke des Meßobjektes ent- gebaut sind.

sprechende zeitliche Verschiebung der auf den Emp- Im folgenden wird die Wirkungsweise der befänger einwirkenden Ultraschallwellen infolge der der schriebenen Einrichtung erklärt:
Frequenz umgekehrt proportionalen Wellenlänge zu 5 Der Generator 6 gibt an den Frequenzmodulator 7, einer sich zeitlich ändernden Phasenverschiebung welcher die Frequenz des Hochfrequenzoszillators 8 führt. Diese zeitliche Änderung der Phasenverschie- steuert, Dreiecksimpulse von variabler Dauer ab. Zur bung der Ultraschallwellen erfolgt um so schneller, Steuerung des Hochfrequenzoszillators 8 wird der je größer deren zeitliche Verschiebung ist, d. h. je zweite Impulsteil der Dreiecksimpulse verwendet, größer die Wandstärke des Meßobjektes ist. Es ergibt io Während der Erzeugung des ersten Dreieckimpulssich, daß die Frequenz der Hüllkurve der Ausgangs- teiles wird der Hochfrequenzoszillator 8 durch die schwingungen des Empfängers 5 der Wandstärke des vom Generator 6 kommenden negativen Impulse ge-Meßobjektes 2 proportional ist. sperrt.

Um die Frequenz der Hüllkurve der Ausgangs- Durch die Abschaltung des Hochfrequenzoszillaschwingungen des Empfängers 5 konstant zu halten, 15 tors 8 während der Einwirkung des ersten Dreieckswerden die Ausgangsschwingungen zur automatischen impulsteils auf den Frequenzmodulator 7 wird der Nachregelung der Dauer der erwähnten Dreieck- Einfluß von Übergangsvorgängen auf die Einrichtung impulse verwendet. Die Dauer der Dreiecksimpulse beseitigt.

ist dann der gesuchten Wandstärke des Meßobjektes 2 Die vom Ultraschallsender 1 ausgestrahlten, fre-

proportional. zo quenzmodulierten Ultraschallwellen werden von der

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Wand- Außen- und der Innenfläche des Meßobjektes 2 re-

stärkemessung nach dem beschriebenen Verfahren flektiert und wirken auf den piezoelektrischen Emp-

enthält einen Generator 6 (Fig. 2) für Dreieck- fänger 5 ein. Durch Überlagerung der von den beiden

impulse aus einem unsymmetrischen Multivibrator Flächen des Meßobjektes 2 reflektierten Wellen ent-

und einen Entladeregelkreis (in der Zeichnung nicht 25 stehen am Ausgang des Empfängers 5 hochfrequente

dargestellt), die derart geschaltet sind, daß im Gene- elektrische amplitudenmodulierte Schwingungen. Die

rator 6 die Dauer des ersten Impulsteiles konstant Frequenz der Hüllkurve dieser Schwingungen ist von

bleibt, während die Dauer des zweiten Impulsteiles der Dauer der Dreiecksimpulse abhängig,

stufenlos regelbar ist. Die elektrischen Schwingungen werden vom Breit-

An den Generator 6 ist ein Frequenzmodulator 7 30 band-Hochfrequenzverstärker 10 verstärkt und geangeschlossen, der induktiv mit einem Hochfrequenz- langen zum Amplitudenmodulator H. Die auf diese oszillator 8 gekoppelt ist. Der Hochfrequenzoszilla- Weise entstehenden niederfrequenten Schwingungen tor 8 liegt am Eingang eines Leistungsverstärkers 9, werden den beiden parallelgeschalteten Niederfreder einen Phasenschieberkreis und einen Gegentakt- quenz-Resonanzverstärkern 12 und 13 zugeführt, die ausgang (in der Zeichnung nicht gezeigt) besitzt. Der _{35 so} auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind, daß Leistungsverstärker 9 ist durch eine Transformato- _es eine mittlere Frequenz gibt, die in der Bandbreite renkopplung mit einem piezoelektrischen Wandler 1 beider Niederfrequenz-Resonanzverstärker 12, 13 verbunden, der das Meßobjekt 2 mit Ultraschall- Hegt. Von den Niederfrequenz-Resonanzverstärkern wellen bestrahlt. 12 und 13 gelangen die niederfrequenten Schwingun-

Der piezoelektrische Empfänger 5, der analog dem 40 gen zum Frequenzdiskriminator 14, dem je nach der

Ultraschallsender 1 aufgebaut ist, nimmt die vom Frequenz der Schwingungen eine positive bzw. nega-

Meßobjekt 2 reflektierten Wellen auf und gibt sie als tive Spannung entnommen und dem Generator 6 zur

elektrische Schwingungen zur Verstärkung an einen Steuerung des zweiten Teiles der Dreiecksimpulse

Breitband-Hochfrequenzverstärker 10 mit Frequenz- zugeführt wird.

gangkorrektur und anschließend an einen Amplitu- 45 Somit wird bei Änderung der Wandstärke des

dendemodulator 11 weiter. Die niederfrequenten Meßobjektes 2 die Niederfrequenz der Schwingungen

Schwingungen gelangen vom Amplitudendemodulator nicht geändert, sondern zur Steuerung der Dreiecks-

11 zu den beiden parallelgeschalteten Niederfrequenz- impulse verwendet. Die Wandstärke des Meßobjek-

Resonanzverstärkern 12 und 13 mit frequenzabhän- tes 2 ergibt sich dadurch, daß man die Dauer des

giger Rückkopplung. 50 zweiten Teiles der Dreiecksimpulse mit dem Impuls-

An die Niederfrequenz-Resonanzverstärker 12 und dauermeßgerät 15 mißt, welches ein der zu messen-

13 ist ein Frequenzdiskriminator 14 angeschlossen, den Wandstärke proportionales Signal abgibt, das

der zwei Amplitudenmodulatoren und einen Span- dem Schreiber 16 zur Aufzeichnung und Ablesung

nungsaddierer (in der Zeichnung nicht gezeigt) ent- der Wandstärke zugeführt wird,

hält. 55 Zur Abstimmung der Einrichtung ist ein NuIl-

Der Generator 6 ist mit einem Impulsdauermeß- anzeiger 17 vorgesehen.

gerät 15 verbunden, das die zeitlichen Änderungen Die automatische Regelung der Verstärkung erfolgt

der Impulse in ein der Dauer dieser Impulse propor- durch den Verstärkungsregler 18, der Signale von den

tionales Gleichstromsignal umformt. Zur Registrie- Niederfrequenz-Resonanzverstärkern 12 und 13 er-

rung der Meßergebnisse ist ein Schreiber 16 an das 60 hält. Von dem Verstärkungsregler 18 gelangt das

Impulsdauermeßgerät 15 angeschlossen. Signal gleicher Polarität zu dem Verstärker 10.

An den Frequenzdiskriminator 14 zur Messung der .. ,
Nachregelungsspannung ist ein Nullanzeiger 17 ange- Patentansprüche:
schlossen. Die Einrichtung enthält außerdem einen 1. Verfahren zur berührungslosen Materialautomatischen Verstärkungsregler 18, der mit dem 65 dickenmessung, insbesondere zur Messung der Niederfrequenz-Resonanzverstärkern 12 und 13 in Wandstärke eines dünnwandigen Rohres od. dgl., Verbindung steht. Die konkrete Ausführung der an- wobei ein mit hochfrequenten elektrischen geführten Elemente wird nicht beschrieben, da diese Schwingungen gespeister piezoelektrischer Ultra-

schallsender über ein flüssiges Kontaktmedium das zu untersuchende Meßobjekt einseitig mit Ultraschallwellen bestrahlt und ein Empfänger die von der Außen- und der Innenfläche des Meßobjektes reflektierten Wellen aufnimmt und in elektrische Schwingungen umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Meßobjekt (2) ausgestrahlten Ultraschallwellen durch Dreiecksimpulse frequenzmoduliert werden und durch Überlagerung der von den beiden Flächen des Meßobjekts reflektierten Wellen am Ausgang des Empfängers (5) hochfrequente amplitudenmodulierte elektrische Schwingungen entstehen sowie daß ein die Frequenz der Hüllkurve dieser Schwingungen kennzeichnendes Signal erzeugt wird, welches zur automatischen Nachregelung der der zu messenden Wandstärke des Meßobjektes proportionalen Dauer der Dreiecksimpulse verwendet wird.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des piezoelektrischen Ultraschallsenders (1) ein Generator (6) für Dreiecksimpulse in Reihe mit einem Frequenzmodulator (7), einem Hochfrequenzoszillator (8) und einem Leistungsverstärker (9) angeordnet ist und der Ultraschallempfänger (5) einen Hochfrequenzverstärker (10) in Reihe mit einem Amplitudendemodulator (11) aufweist, an dessen Ausgang eine NF-Verstärkereinheit (12, 13) liegt, die mit einem Impulsdauermeßgerät (15) zur Messung der Dreiecksimpulsdauer verbunden ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die NF-Verstärkereinheit aus zwei parallelgeschalteten NF-Resonanzverstärkern (12,13) besteht, die über einen Frequenzdiskriminator (14) mit dem die Dreiecksimpulse erzeugenden Generator (6) verbunden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen