DE1698149B2

DE1698149B2 - Ultraschallsender zur zerstoerungsfreien werkstoffpruefung

Info

Publication number: DE1698149B2
Application number: DE19681698149
Authority: DE
Inventors: Jan Cornells Dipl Ing Odijk Somer (Niederlande)
Original assignee: Nederlandse Organisaüe voor Toege past Natuurwetenschappehjk Onderzoek ten behoeve van de Volksgezondheid, Den Haag
Priority date: 1967-03-07
Filing date: 1968-03-07
Publication date: 1973-08-23
Also published as: DE1698149A1; DE1698149C3; GB1204258A; FR1556043A; US3516054A; NL148458B; NL6703603A

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallsender zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit einer Kette von elektroakustischen Wandlerelementen, einer die Wandlerelemente anstoßenden Oszillatoranordnung und einer Einrichtung zum Einschalten der Wandlerelemente mit gleicher Frequenz, jedoch in einstellbarer unterschiedlicher Phase, die von einem für alle Wandlerelemente gemeinsamen Impulsgenerator beaufschlagt wird.

Zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung ist aus der USA.-Patentschrift 3 021 706 bereits eine Ultraschall-Sender-Empfängereinrichtung bekannt, bei der einzelne Wandlerelemente auf einem Kreis verteilt in etwa gleichabständiger Folge räumlich angeordnet sind. Diese Wandlerelemente lassen sich einzeln oder alle zugleich erregen, so daß sich entweder ein wenig scharf gebündelter Einzelstrahl oder eine Raumwelle erzeugen bzw. empfangen läßt. Zur punktgenauen Abtastung, insbesondere von durchlaufendem Gut, eignet sich diese bekannte Sender-Empfängereinrichtung wenig, da einerseits kein scharf gebündelter Einzelstrahl ohne starke Nebenfrequenzbänder vorliegt und andererseits keine punktgenaue Verschwenkungsmöglichkeit für einen Einzelstrahl besteht und zudem beim Drehen der Wandlerelemente selbst die am Meßpunkt auftreffende Energie verändert wird. In ähnlicher Weise sind beim Ultraschal'-Sender-Empfänger gemäß der USA.-Patentschrift 3 052 115

jo die Wandlerelemente räumlich angeordnet und teilen sich in Sender- und Empfängerelemente auf. Werden die Senderelemente nacheinander aktiviert, so sind die Empfangselemente parallel geschaltet oder umgekehrt. Auch hier wird einem schwenkbaren Strahlenbündel jeweils nur die Energie von einem Element zugeführt, oder es läßt sich der Empfänger schwenken, dann jedoch strahlen alle Elemente zugleich ab. Bei einer hinsichtlich der Energiebündelung besseren, ebenfalls bekannten Vorrichtung dieser Art (USA.-Patentschrift 3 086 195) besteht die Einrichtung zum Einschalten der elektroakustischen Wandlerelemente aus einem regelbaren Oszillator, welcher eine Verzögerungsleitung mit einer der Anzahl der Wandlerelemente entsprechenden Anzahl von Abschnitten speist. Ein auf einer Festfrequenz arbeitenden Oszillator synchronisiert einen Modulator, der ein impulsförmiges Signal mit einer der Schwebungsf requeri7 beider Oszillatoren entsprechender Frequenz abgibt. Weiterhin ist eine Anzahl von weiteren Modulatoren vorgesehen, denen jeweils ein durch eine entsprechende Anzahl von Abschnitten der Leitung verzögertes Signal sowie das Ausgangssignal des ersten Modulators aufgeprägt wird und deren Ausgangssignale über jeweils zugeordnete Filter und Verstärker an jeweils eines der Wandlerelemente abgegeben werden.

Gemeinsam mit den ersterwähnten Ultraschallsender-Empfängereinrichtungen weist auch diese bekannte Vorrichtung noch den Nachteil auf, daß sie keine Ultraschallimpulse kurzer Dauer zu liefern vermag, da — insofern speziell — ihre Schaltelemente und insbesondere ihre Modulatoren Nebenfrequenzbänder erzeugen, welche durch die Filter ausgefiltert werden müssen. Da diese Filter Schmalbandfilter sein müssen, kann die Vorrichtung nicht für kurze Impulse eingesetzt werden, welche eine große Bandbreite erfordern. Kurze Ultraschallimpulse sind jedoch für die Werkstoffprüfung wesentlich, damit von den beispielsweise von einer festzustellenden Fehlerste'le im Werkstoff herrührenden Echos ein gutes Bild der Form dieses Materialfehlers erhalten werden kann.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine leicht und möglichst vollelektronisch einstellbare Anordnung zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen für die Werkstoffprüfung zu schaffen, bei ν elcher die untere Grenze der Impulslänge nur durch die verwendeten Wandlerelemente selbst bestimmt wird und mit der sich eine große Anpassungsfähigkeit des Meßstrahls an die durch das zu prüfende Gut bestimmten Bedingungen gewährleisten läßt.

Die Erfindung besteht bei einem Ultraschallsender zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach der eingangs genannten Gattung darin, daß die Oszillator- anordnung für jedes einzelne Wandlerelement einen Oszillator mit einem Kippeingang aufweist, daß die Einrichtung zum Einschalten der elektroakustischen Wandlerelemente für jedes einzelne Wandlerelement

einen monostabilen Multivibrator mit einem mit dem Impulsgenerator verbundenen Starteingang, eine Einrichtung zur Einstellung der Impulslänge der durch diesen Multivibrator angeregten Impulse sowie einen zwischen den Ausgang des zugehörigen Multivibrators und den Kippeingang des zugehörigen Oszillators eingeschalteten Detektor zur Feststellung des Auftretens _ier Hinterflanke dieser Impulse umfaßt.

Die elektroakustischen Elemente des Wandlers, die z\\ ec^l'mäßigerweise nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind, werden nacheinander mit sleicher Frequenz. jedoch mit gewisser Phasenverschiebung eingeschaltet, um einen Schallstrahl in einer bestimmten Richtung innerhalb dieser Ebene auszusenden. Die Detektoren, welche das Einschalten der elektroakustischen Elemente gewährleisten, werden durch die Hinterflanken der durch die monostabilen Multi- \ibratoren angeregten Impulse gesteuert. Die Multivibratoren werden sämtlich zu gleicher Zeit durch den allen elektroakustischen Elementen gemeinsamen Impulsgenerator in Betrieb gesetzt. Aus diesem Grund bestimmt die Impulslänge die Phase des den Elementen zugeführten elektrischen Signals.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung bestehen die Einrichtungen zur Einstellung der Länge der angeregten Impulse aus einer allen Einrichtungen gemeinsamen Steuerspannungsquelle und einem fest eingestellten Spannungsteiler für jeden Ivluitivibrator, wobei diese gemeinsame Steuerspannungsquelle vorzugsweise so einstellbar ist, daß sie eine Änderung des Schallstrahls in einer Ebene ermöglicht.

Um eine Ebene Schritt für Schritt abtasten zu können, kann die Spannung der zentralen Steuer-Spannungsquelle stufenweise eingestellt werden, wobei sich die Spannung beim Auftreten eines vom Impulsgenerator abgegebenen Signals jeweils um eine Stufe ändert.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung näher beispielsweise erläutert. F: zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsfoim eines Ultraschallsenders mit den Merkmalen der Erfindung,

F ig. 2 ein Blockschaltbild eines Generators für die Anregung einer sich schrittweise ändernden Stoßspannung und

F i g. 3 ein Einzelheiten der Vorrichtung gemäß F i g. 1 zeigendes Schaltbild.

In den Figuren sind einander entsprechende Bauteile mit jeweils gleichen Bezugsziffern und Buchstrben bezeichnet.

Jedem einzelnen Element 1 bis I²⁰ einer Reihe von Wandlern sind ein Oszillator 4 bis 4²⁰, ein Hinterflanken-Detektor 6 bis 6²⁰, ein monostabiler Multivibrator 7 bis 7²⁰ und ein Spannungsteiler 8 bis 8²⁰ zugeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform bestehen die Elemente 1 bis l^?0 aus piezoelektrischen Kristallen. An die Oberseite 2 bis 2²⁰ und die Unterseite 3 bis 3²° jedes Kristalls ist je eine Elektrode angelegt. Durch Anordnung der einundzwanzig Kristalle 1 bis I²⁰ mit aneinanderliegenden Langseiten, Zwischenfügung von isolierenden Teflon-Streifen zwischen die einzelnen Elektroden und Einbettung der ganzen Anordnung in eine feste Umhüllung aus Kunstharz wird eine geschlossene Transduktoranordnung von beispielsweise 10-11 mm Größe erhalten.

Die Elektroden 3 bis 3²⁰ sind an die jeweils zügehörigen Oszillatoren 4 bis 4²⁰ angeschlossen, deren Kippeingänge 5 bis 5"-° jeweils an den zugehörigen Hinterflanken-Detektor 6 bis 6-° angeschlossen sind, welcher seinerseits mit dem zugehörigen monostabilen Multivibrator 7 bis 7²'¹ verbunden ist.
In dem Augenblick, in welchem ein angestoßener Multivibrator 7 bis 7-'° wieder in dem Normalzustand zurückkehrt, erzeugt der nachgeschaltcte Detektor 6 bis 6²⁰ einen kurzen Impuls, welcher den zugeordneten Oszillator 4 bis 4-° anregt, worauf letzterer mit einer kurzen Folge von Impulsen frei schwingt.

Die Oszillatoren 4 bis 4-ⁿ sind r.ämtlich auf dieselbe Frequenz abgestimmt, wurden jedoch nachemander dadurch in verschiedenen Augenblicken angestoßen, daß die Multivibratoren 7 bis 7-^>n in verschiedenen Augenblicken angestoßen, daß die Multivibratoren 7 bis 7-° in verschiedenen Augenblicken in ihren Normalzustand zurückkehren. Durch richtige Auswahl der Kurve dieser Phasenverschiebungen kann die Haupikeule des Schallstrahls in eine bestimmte Richtung gelenkt werden.

Der Augenblick der Rückstellung in den Normalzustand wird für jeden mo.iostabilen Multivibrator 7 bis 7^ä0 einzeln durch Spannungsteiler 8 bis 8²⁰ festgelegt, wobei die Zeitspannen, während welcher sich die einzelnen monostabilen Multivibratoren 7 bis 7²⁰ in ihrem angestoßenen Zustand befinden, unmittelbar proportional der Spannung sind, welche die Spannungsteiler 8 bis S²⁰ von der zentralen Steuerspannung E abzweigen. Die M'ütivibratoren 7 bis 7²⁰ werden sämtlich im selben Augenblick mittels eines durch einen je Sekunde 1000 Impulse abgebenden zentralen Impulsgenerator an einen Impulseingang 10 angelegten Startsignals angestoßen.

In Fig. 2 ist eine Reihe von Binärziffer-Zählern 13 bis 17 dargestellt, denen jeweils ein Widerstand einer Gruppe von Parallelwiderständen 18 bis 22 zugeordnet ist. Dieser Kreis gibt bei jedem durch den Impulsgenerator an die Klemme 10 angelegten Impuls über einen Gleichspannungsverstärker 23 eine um jeweils eine Stufe reduzierte Spannung an Klemmen 11 und 12 ab, wobei der jeweils dreiunddreißigste Impuls wieder auf die volle Spannung führt. Diese an die Klemmen 11 und 12 gemiß Fig. 1 angelegte Stufenspannung bewirkt, daß der Schallstrahl pro _c 1 j 1000 . . . ,, .„. _π. ,.

Sekunde -^- mal in zweiunddreißig Richtungen ausgestrahlt wird, da infolge der Änderung der Spannung E der Augenblick der Rückstellung der monostabilen Multivibratoren 7 bis 7²⁰ in den Normalzustand geändert wird.

In F i g. 3 sind das Element 1 zusammen mit den zugeordneten Schaltungen, dem Oszillator 4, dem Detektor 6, dem einstellbaren monostabilen Multivibrator 7 und dem Spannungsteiler 8, die sämtlich durch die gestrichelten Umrisse angedeutet sind, genauer veranschaulicht.

Der Detektor 6 weist eine Einrichtung zur Anpas-

sung de_a Startsignals auf, um einen im Einschalt- bzw. Oszillatorkreis 4 liegenden Thyristor 25 kurzzeitig

_ZUm Zünden zu bringen und somit sinen Kondensator

27 sich über eine Selbstinduktivität 26 entladen zu lassen. Nach jeder Entladung wird der Kondensator 27 wieder durch eine an einer Klemme/1 liegende

Gleichspannung über einen hochohmigen Widerstand

aufgeladen.

Im gezündeten Zustand bildet der Thyristor 25 zusammen mit einer Diode 28 einen geschlossenen Schalter für beide Richtungen, welcher einen LC-

Kreis 26 bis 27 schließt, so daß infolge der Entladung des Kondensators 27 eine kurze gedämpfte Schwingung von nur einigen wenigen Perioden mit einer Frequenz von etwa 1,3 MHz angeregt wird, die an den Kristall 1 angelegt wird, welcher hierdurch zum Schwingen gebracht wird.

Die Schaltungen 6 und 7 sind von herkömmlich Bauart und brauchen daher an dieser Stelle nie näher erläutert zu werden.

Die bei dieser AusfUhrungsform der Erfindung ve wendeten Bauteile besitzen die in der folgenden T belle angegebenen Werte.

Verwendete Bauelemente

	Widerstände	27	Kondensatoren
29	10OkQ	52	1 000 pF
37	68 kn	53	82OpF
38	8,2 k Ω	54	15OpF
39	lkß	55	82 pF
40	560 fi	56	33OpF
41	1,8 kß	57	15 00OpF
42	47 kß	58	2 20OpF
43	33 kn		2 700 pF
44,	46 390 Ω
45	l,2kn
47	680 Ω
48	3,3 k Ω
49	22 kΩ

Transistoren 30, 31 .... Kenndaten wie Motorola MM 2711 Transistoren 32, 33, 34,

35, 36 Kenndaten wie

Motorola MM 2711 Thyristor 25 Kenndaten wie

RCA TA 2653

Diode 28 Kenndaten wie

Philips OA 202

Selbstinduktivität 26 ... 25 Piezoelektrische Elemente 1—I*⁰

besehend aus 21 Kristallen von jeweils Läng«, 0,48 mm Dicke und 1,4 mm Höhe.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ukraschallsender zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit einer Kette von elektroakustischen Wandlerelementen, einer die Wandlerelemente anstoßenden Oszillatoranordnung und einer Einrichtung zum Einschalten der Wandier-Memente mit gleicher Frequenz, jedoch in einstellbarer unterschiedlicher Phase, die von einem für alle Wandlerelemente gemeinsamen Impulsgenerator beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoranordnung für jedes einzelne Wandlerelement (1 bis Γ-") ein;n Oszillator (4 bis 4²⁰) mit einem Kippeingang (5 bis 5-'°) aufweist, daß die Einrichtung zum Einschalten der elektroakustischen Wandlerelemente für jedes einzelne Wandlerelement. einen mono?tabilen Multivibrator (7 bis 7²⁸) mit einem mit dem Impulsgenerator verbundenen Starteingang (10), eil e Einrichtung (8) zur Einstellung der Impulslänge der durch diesen Multivibrator angeregten Impulse sowie einen zwischen den Ausgang des zugehörigen Multivibrators und den Kippeingang des zugehörigen Oszillators eingeschalteten Detektor (6 bis 6^2U) zur Feststellung des Auftretens der Hinterflanke dieser Impulse umfaßt.

2. üitraschallsender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne, daß alle Einrichtungen zur Einstellung der Länge der ange^regten Impulse an eine gemeinsame Steuerspannungsquelle (E) angeschlossen sind und jeweils ein^n fest eingestellten Spannungsteiler (8 bis 8²⁰) aufweisen.

3. Ultraschallsender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die allen Einrichtungen (8) gemeinsame Steuerspannungsquelle (E) einstellbar ist.

4. Ultraschallsender nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die allen Einrichtungen gemeinsame Steuerspannungsquelle (E) stufenweise einstellbar ist und sich bei jedem Auftreten eines vom Impulsgenerator abgegebenen Signals um eine Stufe ändert.