DE1773811A1

DE1773811A1 - Ultraschallmikrometer

Info

Publication number: DE1773811A1
Application number: DE19681773811
Authority: DE
Inventors: Jacques Dory
Original assignee: Realisations Ultrasoniques SA
Current assignee: Realisations Ultrasoniques SA
Priority date: 1967-07-10
Filing date: 1968-07-10
Publication date: 1971-09-23
Also published as: US3651687A; FR1547473A; GB1226987A

Description

D. 4--32.

München, den lo, Juli 1968 Mein Zeichen: ^5 - 500

Beschreibung zu der Patentanmeldung der Firma REALISATIONS ULTRASONIQUES (S,A₀)

S, Chaussee de Paris
Villenoy-les-Meaux (S»&.M„)

Frankreich
betreffend
Ultraschallmikrometer

Die üblichen Komparatoren oder Mikrometer verwenden zur Feststellung von Abmessungscharakteristiken mechanischer Teile die Methode von Borda* Die Anzeigevorrichtung wird auf null gestellt, wenn der Maßstab zwischen die im Gleichgewicht befindliche Meßkette geschaltet wird, und wird sodann in dieser durch das zu messende Teil ersetzt, so daß die Anzeigevorrichtung den Unterschied zwischen dem Maßstab

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und dem zu messenden Teil angibt.

Diese mechanisch aufgebauten Geräte weisen häufig einen feststehenden Amboß auf» der das xu Keseend« Teil trägt, so wie einen Taster, der mit letzterem in Berührung gebracht wird, um die Messung auszuführen. Die Genauigkeit liegt bei etwa 1/loc ram, wenn die Wirkung des Tasters auf das zu messende Teil nicht sehr groß iut, wenn insbesondere die Biegungedifferenz, dia durch Gewichtsunterschiede des Maßstabes und des zu »essenden Teiles herrührt, eine Fehlerquelle bildet, und wenn die auf den Taster ausgeübte Meßkraft keine wesentlichen Schwankungen macht. · '

Wenn ein Teil gemessen werden soll» da» sich in Bewegung befindet oder sehr schnelle Vibrationen durchmacht,lassen sich wegen

dessen Trägheit nur sehr schwierig Messungen durchführen. Es treten allgemein zahlreiche Problese auf, beispielsweise die Angleichung der Temperaturen des Maßstabes und des zu messenden Teiles und die Angleiohung von Verschiebungen beim Messen von Bohrungen. :

Die üblichen Techniken zum Messen von Abmessungen verwenden auch pneumatische oder elektrische Systeme. Die pneumatischen Systeme weisen jedoch ei.ne verhältnismäßig große Trägheit auf

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und einen verringerten Meßbereich, während die elektrischen Meßvorrichtungen, etwa durch Messen von Kapazitäten oder Induktionen, nur in einem geringen Entfernungsbereich linear sind, wobei die Anzeigen außerdem von der Beschaffenheit der Wände ab«» hängen, die in gewissen Fällen metallisiert sein müssenο

Bei Messungen an vibrierenden Systemen verwendet man außerdem Beschleunigungsmesserα Diese Geräte weisen den Nachteil auf, daß sie in innigem Kontakt mit den vibrierenden Elementen stehen müssen, wobei die Gefahr besteht, daß deren Wirkungsweise beeinträchtigt wird«

Ganz allgemein läßt sich sagen, daß die Anwendungsbereiche jeder der obenstehend genannten bekannten Vorrichtungen verhältnismäßig begrenzt sind, so daß mehrere Gerätearten erforderlich sind, wenn man verschiedenartige Meßprobleme lösen willc

Außerdem geht die Tendenz heutzutage dahin, bei Meßketten Meßwandler 2U verwenden, dVh„ die zu messende Größe in eine elektrische Größe umzuwandeln, welche vorzugsweise numerische Werte liefert, etwa in Form von elektrischen Impulsen»

Schließlich weisen die bekannten Meßvorrichtungen nicht die Annehmlichkeiten auf _s die man von einem modernen Meßinstrument

erwartet=

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde» eine Längenmeßvorrichtung zu schaffen, die von dem bekannten Prinzip der Entfernungsmessung durch die Bestimmung der Hin- und Rücklaufzeit von Impulsen eines Ultrasciiallbündels bestimmt wird, ««lohes mit hoher Reflexionsfrequenz auf eine Oberfläche eines zu messenden Teiles zu richten, um mit hoher Präzision die Stellung oder Verschiebung einer Oberfläche oder eines Punktes dieser Oberfläche in statischem oder dynamischem Zustand zu messen,,

Die bekannten Entfernungsraeßvorrichtungen lassen sich nicht als Mikrometer verwenden ₉ da dies erfordert, daß man die Messung über eine Distanz ohne mechanischen Kontakt mit dem zu messenden Teil von im allgemeinen weniger als 10 cm und bis herab zu 1 mm durchführen kann» und zwar mit einer größeren Genauigkeit als

—3
Io des Relativwertes in einem Bereich von l/loo mm und 1 Mikron< Die Fühler derartiger Vorrichtungen sind als elektroakustischer Wandler aufgebaut, um verhältnismäßg große Entfernungen messen zu können und also ültraechallimpulse mit einer verhältnismäßig schwachen Folge zu übertragen <,

Bei gewissen bekannten Vorrichtungen werden Ultraschallimpulse mit einer genügend hohen Folge übertragen» um verhältnismäßig kleine Entfernungen messen zu können- Dabei ist jedoch der Wandler in Berührung mit der Oberfläche des zu messenden Milieus, etwa einem festen Stoff oder einer Flüssigkeit, dessen mechanische Dicke beispielsweise gemessen werden sollt. Dadurch wird

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BAD ORiGlNAL

offensichtlich die Fortleitung des Ultraschalls zwischen dem Wandler und dem zu untersuchenden Stoff verbessert, jedoch lassen sich derartige Vorrichtungen nicht als Mikrometer verwenden.

Mit den bekannten Vorrichtungen läßt sich außerdem nicht der Auftreffbereich des Ultraschalls auf die zu messende. Oberfläche genau bestimmen,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung für Entfernungen unter Verwendung von Ultraschallimpulsreflektionen zu schaffen, die sich insbesondere als Mikrometer verwenden läßt und zu dem Zweck ein Ultraschallstrahlenbündel auf einen wohl bestimmten Punkt der zu messenden Oberfläche aussendet, wobei eine genaue Messung eines kleinen Abstandes in Luft erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsforn weist der Fühler einer derartigen Vorrichtung ein· aktive Feder aus einem piezoelektrischen Material auf, welche zwischen einem Klotz mit starkem Dämpfungskoeffizienten für Ultraschall eingeklemmt ist, der von der Feder erzeugt wird, sowie eine Feder aus einem wenig absorbierenden Stoff, deren Dicke vorzugsweise gleich IA Wellenlänge ist und die eine sphärische Oberfläche aufweist, die die Emissionsoberfläche des Wandlers bildet und die eine Krümmung aufweist,

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welche eine Sammelwirkung des Ultraschallstrahlenbündels in einer Entfernung von einigen Millimetern ergibt*

Der Absorptioneklotz ermöglicht, daß der Wandler Impulsfolgen von sehr kurzer Dauer aussendet, beispielsweise von einigen Mikrosekunden, so daß die Wiederholungsfrequenz der Impulse sehr hoch sein kann, während die Anpassung der akustischen Impedanz durch das -jr Blättchen ein Aufnehmen der Impulsechos mit genügender Amplitude ermöglicht, so daß die aufgenommenen Signale für den Empfänger der Vorrichtung verwendbar sind, trotz der Ausbreitung der Wellen in Luft, und daß wegen der erforderlichen Dämpfung zur Erzielung von Impulsfolgen genügend kurzer Dauer eine sehr schwache akustische Energie verwendet wird.

Das Sammeln des Ultraschallatrahlenbündels ermöglicht die genaue Lokalisierung der Oberflächenstelle dee zu messenden Teiles„

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsfora sind zwei symmetrisch zu dem Wandler angeordnete Lichtquellen vorgesehen und einem geeigneten optischen System zugeordnet und richten zwei konvergieren« de Strahlenbündel auf den Brennpunkt des Ultraschallstrahlenbündels ·

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben.

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Fig= 1 zeigt das Gz'undschaltbild eines Ultraschallmikrometers für statische und dynamische Messungen;

Fig„ 2 zeigt den Fühler eines derartigen Mikrometers j

Fig_o 3 ist eine Schnittansicht des aktiven Teiles des Wandlers;

Fig. 4 zeigt einen Phasenschieber für die Vorrichtung nach Fig» I;

Figo 5 und 6 veranschaulichen die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 für die Untersuchung einer Schwingung}

Fig, 7 zeigt das Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Registrieren von Niveaukurven;

Figo 8 zeigt ein akustisches Mikrometer für differentielle Messungen im Blockschaltbild;

Figc 9 zeigt Wellenformen an verschiedenen Stellen der Vorrichtung von Figo 8j

Figo Io zeigt die Verwendung der Vorrichtung für die Messung einer Flußmenge$

Fig, 11 zeigt ein akustisches Mikrometer für genaue Dikkenmessungen, und

Figo 12 zeigt Wellenformen an verschiedenen Stellen der Vorrichtung nach Figur 11.

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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt einen elektrischen Impulsgenerator 1 an sich bekannter Bauart, der einen elektroakustischen Wandler 2 speist» Der Generator 1 umfaßt einen Hochfrequenzgenerator, vorzugsweise in dem Frequenzbereich zwischen 1 und 3 MHz, und Einrichtungen zum Umformen der Hochfrequenzschwingungen in Impulse kurzer Dauer, vorzugsweise in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden, mit einer veränderbaren Impulsrate.

Wie im folgenden noch erläutert, können die Augenblicke der Impulsaussendungen synchronisiert werden, und zwar durch zeitlich regelbares Verschieben der Vibrationen des zu messenden Teiles P bei der Untersuchung von vibrierenden Teilen. Das Ergebnis erhält man mittels eines feststehenden Fühlers 3, der ein einfaches Mikrophon darstellen kann, welches in unmittelbarer Nähe der vibrierenden Oberfläche mittels eines elektrostatischen Fühlers oder einer entsprechenden anderen Vorrichtung erreicht ist„

Die von dem Fühler 3 erzeugte elektrische Schwingung wird in einem Verstärker *f verstärkt und in einem Phasenschieber 5 phasenverschoben, wobei ein Zähler die Phase verschiebt, bevor auf an sich bekannte Weise die Aussendung von Impulsen durch den Generator 1 synchronisiert wird.

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Der Wandler 2 wandelt die elektrischen Impulse in akustische Impulse um, welche an der Oberfläche P reflektiert werden.» Die Echosignale werden durch den Wandler in elektrische Signale umgeformt, welche verstärkt und in einem Empfänger 6 bekannter Bauart festgestellt werden*

An den Ausgang des Empfängers ist eine Meßvorrichtung .7 bekannter Bauart angeschlossen, etwa eine Analog- oder Digitalmeßvorrichtung O

Im ersten Fall wird eine Gleichspannung erzeugt, die proportional dem Impulsabstand zwischen dem Sendeimpuls und dem Echoimpuls ist» und im zweiten Fall ist ein elektronischer Zähler vorhanden, welcher die Zeit mißt durch Zählen der Impulse einer Zeitbasis mit fester Irapulsfolgefrequenz _c

In beiden Fällen erreicht man eine Messung der Entfernung d CFigol), (| und das Meßergebnis kann entweder registriert werden oder dargestellt werden, so daß man eine kontinuierliche Anzeige der Ziffern und eine Anzeige der Abweichungen erhalte

Die Vorrichtungen nach den Figuren I₉ 6 und 7 weisen vorzugsweise nooh Weiterbildungen auf, die im französischen Patent der Anmelderin vom 25, November 1964 betreffend'Öispositif de mesure d^fepaisseur et de distance <t moyens ultrasons" und vom 8_O Februar 1966

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betreffend "procede et dispositif de mesure digital de distance au moyen d¹ impulsion ultrasonore¹' und vom lo« Februar 1966 betreffend "procedl et dispositif de mesure analogique de distance au moyen d'impulsion ultrasonore" und vom 8_O November 1966 betreffend "appareil de mesure de niveau par reflexion d^fimpulsions ultrasonores" beschrieben sind«,

Die Vorrichtung nach der erstgenannten Patentschrift dient dazu, Meßfehler auszuschalten, die ihren Ursprung in der Zerstreuung des Echos beispielsweise durch Turbulenzen in dem Luftzwischenraum d haben, den das Ultraschallstrahlenbündel durchquerte

Diese Vorrichtung kann zum gleichen Zweck durch eine sehr einfache anti-fading-Vorrichtung ersetzt seine

Die Vorrichtungen gemäß der zweiten und dritten Patentschrift dienen zum Ausschalten von Meßfehlern, die ihren Ursprung in Änderung der Ausbreitungseigenschaften haben_s beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen₀ Bei einem akustischen Mikrometer ist es von grundlegender Bedeutung, eine derartige Vorrichtung oder eine ähnliche Vorrichtung zu verwenden, um genaue Messungen zu erhalten«

Die in dem vierten Patent beschriebene Vorrichtung dient zur Korrektur von Fehlern, welche von ungenauen Echoimpulsformen herrühren.

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Es ist allgemein vorzuziehen, eine derartige Vorrichtung bei akustischen Mikrometern zu verwenden, selbst wenn die Entfernung d sehr klein ist und diese Fehlerquelle verhältnismäßig wenig Einfluß hatο

Der Wandler 2 ist insbesondere in den Figuren 2 und 3 dargestellt -,

In Fig ~, 3, die eine Schnittzeichnung eines Teiles des Wandlers ^ darstellt, sind die relativen Dicken der Schichten 21 und 22 der Klarheit halber sehr übertrieben. Das aktive Element bildet ein Blättchen 21, vorzugsweise aus einem piezoelektrischen keramischen Material, das mit einer Schicht 22„ etwa einer Kunststoffschicht, bedeckt ist, deren Dicke einer Viertelwellenlänge entspricht. Die beiden Blättchen sind von außen gesehen konkav ausgebildet j so daß ein Ultraschallstrahlenbündel in einer Entfernung d gesammelt wird.- Um die Entfernung zu ändern, reicht es offensichtlich wenn der Wandler ausgetauscht wird·

Die Blättchen 21 und 22 sind auf einen Kunststoffklotz 20 festgeklebt» der als akustischer Schwingungsdämpfer dient; Durch die Anwesenheit dieses Klotzes formt der Wandler einen kurzen elektrischen Impuls in einsn einzigen akustischen Impuls mit gleicher Impulsform um Bei der Anwendung für Mikrometer ist es von Bedeutung, daß die erzeugten akustischen Impulse sehr kurz sind und keine Impulsnachlaufer aufweisen, welche den Empfang von Impulsechos stören würdenη da diese eine sehr schwache Amplitude haben und von dem Wandler eine sehr kurze Zeit nach der Impulsaussendung '■xx&m^en _w.^_%1, 1098 3 9/0 5 07 ■■

Das Blättchen 22 verbessert die akustische Kupplung zwischen dem Blättchen 21, das den eigentlichen elektrischen Impulserzeuger darstellt, und der Luft, in der der Ultraschall sich ausbreiten soll. Man verringert auf diese Weise die Einführtangeverluste aufgrund des Unterschiedes der akustischen Impedanz zwischen der Luft und dem aktiven Element. Praktisch ist die Verringerung der EinfUhrungsverluste beim Aufbau von akustischen Mikrometern unerläßliche Die Wandler nüssen nämlich aus den oben genannten Gründen sehr gedämpft sein, so daß ein großer Teil der erzeugten akustischen Energie in dem Klotz 20 vernichtet wird. Daher steht nur eine verhältnismäßig schwache akustische Energie zur Verfügung für die Erzeugung eines Echosignalee, das sich in Luft ausbreiten soll, d.h. in einem Milieu, welches ungünstige Fortpflanzungseigenschaften aufweist»

Das Problem der akustischen Anpassung und der Dämpfung ist besonders wichtig bei Mikrometern, welche anderen als den oben beschriebenen Lösungen dienen sollen, beispielsweise als Schallquelle großer Kohärenz, die aus mehreren Materialschichten zusammengesetzt ist mit sehr niedrigen akustischen Impedanzen, oder einer progessiv-variablen Impedanz.

Die beschriebene Lösung ist zugleich einfach und wirksam. Die Krümmung der Emissionsfläche, d.h. der äußeren Oberfläche des Blättchens 22, wird derart festgelegt, daß ein Strahlenbündel

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mit einem Querschnitt von weniger als law» in der Brennebene 23 (Fig. 2) erzeugt wird.

Die optische Vorrichtung umfaßt zwei Lichtquellen mit den Lampen 2t und 25, welche jeweils in llchtundurchläesigen Rohren 26, 27 untergebracht sind, die mit Öffnungen 28, 29 und zugeordneten Kondensoren 30 bzw. 31 versehen sind. Diese Lichtquellen erzeugen zwei Lichtstrahlenbündel, deren Brennpunkte mit m dem Brennpunkt 23 zusammenfallen. Die Vorrichtung ermöglicht es , den Fühler in der richtigen Entfernung anzuordnen. Scbald nämlich die Oberfläche P das Ultraschallstrahlenbündel beispielsweise außerhalb dessen Brennpunkt schneidet, etwa an der Stelle P', sisht man zvrei Leuohtflecke ¹T, und T,. _t die gegeneinander versetzt aind. Der Fühler muß daher rechtwinklig zur Oberfläche P so lange verschoben werJen, bis die beiden Leuchtflecke zusammenfallen.

Es ist offeneichtlich_s daß die genaue Einstellung des Brennpunktes eines Ultraschalletrahlanbündels besondere wichtig ist bei der ™ Untersuchung von vibrierenden Systemen, um sehv nahe beieinander liegende Knoten und Schwingungszentren feststellen zu können.

Die Einstellung ist jedoch auch von Bedeutung bei rein statischen Messungen. Sie verbessert die Lokalisierung d*r zu messenden Stelle und ermöglicht ferner, daß ein wesentlicher T»sil der ausgesandten akustischen Energie in den Empfänger zurückgelangt.

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Die Verschiebung des Fühlers zwecks richtiger Einstellung und Abtastung der Oberfläche P geschieht entweder von Hand oder mittels einer automatisch arbeitenden Vorrichtung 8 (Fig_β 1). Zwischen den Verstärker 6 und die Meßvorrichtung 7 ist ein Filter eingefügt, so daß verschiedene nicht gewünschte Komponenten des empfangenen Signals ausgesiebt werden, wie im folgenden noch erläutert ist.

Dieser Phasenregler umfaßt einen Transistor 32, der über Widerstände 33, 34, 35 an eine Gleichspannung angeschlossen ist und an dessen Basis das Ausgangsaignal des Verstärkers 4 geschaltet ist. Parallel zu den Widerständen 33 und 34 liegt die Serienschaltung aus einer Kapazitätsvariationsdiode 36 und einem Widerstand 37« Der gemeinsame Anschlußpunkt dieser Teile ist mit der Vorrichtung 1 verbunden. Der Zähler Io gibt eine Spannung Üb3x< cen Transformator 33 an die Anschlüsse der Kapasitütsv&riationsdiode 3S,

Dar Zähler Io weist einen Analogausgang auf, d.h. daß die Ausgangsspannung desselben in Amplitudenstufen bis zu einem Pegel wächst, der der maximalen Kapazität des Zählers entspricht, und daß sie dann auf null zurückgeht., um wieder bei jedem Stufenanstieg entsprechend einer Vibraticnsperiode des Detektors 3 anzusteigen*,

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Die durch die Vorrichtung 4 bei der Vibration erzeugte Phasenverschiebung ist also proportional zu der Spannung an der Kapazitätsvariationsdiode. Die Phasenverschiebung wächst also in bestimmter Weise von einer zur nächsten Periode»

Daher nimmt die Phasenverschiebung des von dem Generator 1 ausgesandten Impulses in Bezug auf die Schwingung V regelmäßig zu, wie bei der Wellenform in Fig. 5 dargestellt ist, welche die Lagen mehrerer aufeinanderfolgend ausgesandter Impulse E₁-E₂ usw.. zeigte Die Phasenverschiebung ist übertrieben dargestellt, damit man sie besser erkennt. Im Betrieb stellt man den Phasenregler so ein, daß der Impuls in einer vollständigen Periode beispielsweise 5o mal gesendet wird.

Der Impulsabstand zwischen aufeinanderfolgenden Emissionslupulsen von den entsprechenden Echoeaspfangs impuls en ist r/'oportional der Entfernung d im Augenblick des Sendens, und die Änderung dieser Entfernung ist gleich der Amplitude dec Vibration im Augenblick des Sendens. Diese Änderung hat in dem beschriebenen Beispiel offenbar eine Periode gleich dem Fünfzigfachen der Periode der* Schwingung _c

Der Filter 9 ist so bemessen, daß er die verhältnismäßig niedrige stroboskopische Modulationsfrequenz abschneidet» Er unterdrückt

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ferner die Emissionsfrequenz der Impulse E^₉ E„ usw. Die Gleichspannungskpmponente des in Figur 5 dargestellten Signals wird ebenfalls ausgesiebt-.

Die Analysenfolge einer Vibration ist mit diesem Verfahren verhältnismäßig langsam.

Gemäß einer abgeänderten Ausführungsform kann man den Verstärker H (Fig. 1) als Frequenzverdoppler arbeiten lassen und die Phasenverschiebung an der Vorrichtung 5 von Hand so einstellen, daß eine Koinzidenz der Impulse E*, E« usw. mit den Gipfeln der Schwingung V (Figo 6) eintritt, wobei diese Koinzidenz durch den Umstand festgestellt werden kann, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 6 dann seine maximale Amplitude aufweist«

Bei dieser abgeänderten Ausführungsform ist die Vorrichtung 7 so ausgebildet, daß »an das Amplitudenmaximum der Schwingung messen kann» Die Ausgangsspannung des Verstärkers 6 ist dabei viel leichter zu filtern₉ und die Analysenfolge sehr viel schneller« Wenn die Frequenz der Schwingung einige 10 Hz nicht überschreitet, kann die Synchronisationsvorrichtung des Senders bestehend aus dem Phasenschieber 5 und den Teilen 3, ^ und 10 von Figur 1 außer Betrieb gesetzt werden, wobei die Vorrichtung sodann mehrere Amplitudenwerte (beispielsweise 50) der Schwingung

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für jede Periode derselben liefert« Es ist nämlich nicht erforderlich, in diesen Fall eine Stroboskopmethode zu verwenden_t da keine Schwierigkeit auftritt bei Verwendung einer Impulswiederholungsfrequenz, die beispieleweise 50 mal höher ist als die Schwingungsfrequenz. Eine derartige Wiederholungsfrequenz nimmt beispielsweise für eine Schwingungsfrequenz von 50 Hz einen Wert von 2,5 kHz an entsprechend einer Zeitdauer von "?S00 ^{8öCo D}i^GSe Zeit ist ausreichend sum Dämpfen parasitär«« Echosignale zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen„

Wenn die Frequenz der au untersuchenden Schwingung beispielsweise mehrere kHz beträgt, ist die Anwendung dieses einfachen Verfahrens praktisch unmöglich, da die maximale Impulsfolgefrequenz durch den Umstand begrenzt i3t, daß zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen die vor. dem vorhergehenden Impuls herrührenden parasitären Echoimpulse gedämpft werden müssen* In diesem TrAlI muß man die in Figur I dargestellte Vorrichtung in einer _ dar beiden Betriebsarten verwenden»

Figur 7 zeigt eine Ausführungεform der Meßvorrichtung 7 nach Figur 1, und zwar zur Registrierung von Niveaukrümmungen eines Systems stehender Wellen eines schwingenden Teiles. Der Verstärker 9 speist einen Detektor 71 für die Maximalamplitude der Schwingung, und der Betaktor 71 ist wiederum mit einer Registriervorrichtung 72 verbunden, und zwar einerseits direkt über die

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Leitung 73 und andererseits über Schwellwertkippkreise 7Ha, 7¹Ib ... 7«tn» auf die Differenzierschaltungen 75a, 75b ...75n folgen«

Jeder der Kippkreiae 74a, 7Ub ... 7»»n Übertragt einen kalibriex'ten Rechteckimpuls an die darauffolgende Differenaierschaltung, wenn die Spitzenamplitude der Schwingung einen eingestellten Schwellwert erreicht, wobei die Schwellwerte der einzelnen Kippkreise unterschiedlich hoch sind, um verschiedene Spannungshöhen zu bestimmen» Die Differenzierschaltung liefert sodann einen Impuls an die Registriervorrichtung 72, welche so ausgebildet ist, daß sie bei jedem Impuls einen Punkt zeichnet. Das Schreiborgan der Registriervorrichtung Verschiebt sich synchron mit der Abtastung der vibrierenden Oberfläche (Verbindung 76). Man erhält auf diese Weise Niveaukurven auf einer mit Einteilung versehenen Unterlage durch dauernde direkte Tätigkeit der Registriervorrichtung.

Vorhergehend ist im wesentlichen die Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 1 zur Analyse einer Schwingung beschrieben worden. Die Vorrichtung kann jedoch in gleicher Weise auch für statische Messungen verwendet werden, beispielsweise zum Hessen von Teilenummern bei der Bearbeitung. Die Phaeensohieberkreiee 3,4,5,Io können dann außer Betrieb gesetzt werden. Hingegen wird man in

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diusem Fall bei der Vorrichtung verschiedene Zuscitzkreise vorsehen _t die teilweise weiter oben schon beschrieben worden sind. Insbesondere kann die Vorrichtung mehrere akustische Sonden auf-••reisen an wohl verteilten Stellen sowie Einrichtungen, uxa diese «?.uf die Sendeenipfunge- und Meßsahaltung umzuschalten, uhj verschiedene Bezeichnungen unter diesen zu vergleichen.

Für genaue Längenmessungiin in Bezug auf ein Längennoreal verwendet main vorzugsweise die in Fig. b dargestellte Differentialanordnung.

Dieee Anordnung umfaßt zwei Wandler 40 und 4i, welche jeweils an die beiden elektronischen Sendeenipfangseinrichtungen 42, 43 angeschlossen Rind.

Die Tmpulssen^er dierrar Anordnung werden durch einen gemeinsamen Zeitgeneratov 44 synchrorisiert, während die Ausgangsspannungen der entsprechenden EmpfÄrger auf die beiden Torsehaltungen 45 bzw, 4S gegeben werden, Oieee Toraehaltungen werden durch eine Kippschalcung 47 gesteuert, welche wiederum durch den Zeitgenerator Mr getrickert wiri, und stoßen einen Kippkreie 48 an. Die Ausgang»signale des Kippkreises 48 gelangen an die Registrieroder M'ißvorrichtung 49, welche vorzugsweise als numerischer Zahler ausgebildet ist, dar durch die wiederkehrenden, durch die Uhr erzeugten Impulse gesjeiot wird, welche über eine Torschaltung w£b.7'end der Dauer der Signale (f) übertragen werden.

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-2O-

Figur 9 zeigt die V/ellenformen an verschiedenen Stellen der Anlage, und zwar entspricht Figur 9a de» Ausgangasignal des Empfängers HS, figur 9b den Ausgangesignal dee Empfängers 42, Figur Sc dem Ausgangssignal des KippKr'eises 47, Figur 9d desn Ausgängssignal der Torschaltung 45, Figur 9e dem Ausgangssignal der Torschaltung 46 und Figur 9f dem Ausgangs signal des Kippkrei3es 48.

Die Anordnung nach Figur 5 hat folgende Wirkungsweise.

Die akustischem Sonden 40 und 41 sind so gehalten, daß ihre sendenden Oberflächen genau in einer Ebene parallel zum TrS-ger des Heßnormal ti S und des zu messenden Teiles P liegen. Das von der Sonde 41 gelieferte Echo ist von dem entsprechen« den Sendeimpuls E^ um die Zeit T₁ * ^l getrennt, wobei c die

ο Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalle in Luft ist,

während das erste Echo Rj der Sonde HQ von dem entsprechende den Sendeimpule E^ u« die Zelt T₂ ■ — getrennt 1st.

Die Torechaltungen 45 und 46 lassen die Ausgangssignale der Vorrichtungen 43 und 42 nur außerhalb des Kechteckimpulses in Figur 9c, der von der Kippschaltung 47 staant» an dem Kippkreis 48 durch. Auf diese Weise werden lediglich die Echosignale R^ und R₀ übertragen, wie »an in Figur 9d und 9e sieht, wShrend die Send&impalse und darauffolgende parasitäre Impulse ferngehalten werden. ^,

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Der Binärkippkreis f8 wird durch die Vorderkante des Impulses Rx in den Zustand 1 gekippt und durch die Vorderkante dee Impulses R₂ wieder in den Zustand 0 zurückgekippt» so daß dieser Kippkreis einen Impuls mit der Breite At a

ι.

^T2 * ^Tl * c ^Cd2 " ^dl* ^&rzen&^t· (siehe Figur 9f). Die Dauer

Δι wird durch die Vorrichtung 49 gemessen, welche also die Differenz d„ - d. zwischen den entsprechenden Dicken des zu messenden Teiles und des Vergleichsnormals angibt.

Die Anordnung nach Figur 8 laßt aioh zum Messen von Strömung s stärken verwenden. Wenn nämlich zwei Sonden in ein Strömungsmittel eingetaucht sind, deren Sendeflächen in einer Entfernung d einander gegenüber stehen, wie in Figur 10 dargestellt ist, so empfängt jede Sonde offenbar den akustischen Impuls der anderen Sonde, nachdem dieser Impuls die Strecke ή durchlaufen hat, und zwar in des einen oder im entgegengesetzten Sinn.

Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Impulses betragt für sine der Sonden c - ν cos θ und für die andere c ♦ ν cos Θ, wobei c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in dem ruhenden Strömungsmittel, ν die Geschwindigkeit des StrCaungsmittels und θ dar Winkel ist, den die Achse der Sonden mit dem Geachwindigkeitsvektor bilden.

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Die Breite des Impulses f des Kippkreises H8 ist demnach

11 )

At = d(

Wenn man annimmt, daß ~ genügend klein ist, so ist die obige

Lange annähernd gleich ν cos θ χ ^- , also tin HsJ für ν cos θ*

Das oben geschilderte akustische Verfahren zum Messen von Strömungsstärken erfordert keine genaue Placierung der beiden Sonden, im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren, bei dem ein erstes Paar Sende- und Empfangssonden verwendet wird, welche in Strömungerichtung einander gegenüberliegen, und ein zweites Paar Sende- und Empfangssonden, welche ei: anfalle in Strömungsrichtung einander gegenüberliegen· Bei diesel» bekannten Verfahren ISIt sich praktisch eine Präzieionsaessung nicht durchführenο

Zum Messen sehr geringer Dicken, insbesondere bei sich schnell bewegendem Meßobjekt, ist es vorteilhaft, anstelle einer üblichen akustischen Sonde eine Anordnung nach Figur 11 zu wählen» In dieser Anordnung sind ein paar Sonden 50, Sl vorgesehen, mit denen die Summe der Abstände D₁ und D₂ zwischen den parallel zu den Oberflächen des Meßobjektes M einander gegenüberliegend angeordneten Sendeflächen und den Oberflächen des Meßobjektes gemessen werden, während eine dritte Send« 52 die Entfernung D zwischen der Sondenoberfläche und einer Bezugsfläche R mißt, welche gleich dem Abstand der beiden Sonden 50 und si ist. 1098 3970 507

Die Sonde 50 wird von den Impulsen (E₁, Figur 9) eines Sende-Empfangers 53 gespeist· Die Echosignale R₁, die durch Reflektion des Ultraschalles an der Oberflache des Meßobjektes M entstehen, werden an einen Verstärker 5>) und dann Ober eine Torschaltung 55 an einen Sendeempfänger 56 geleitet. Die Impulse E- des Senders dieser Vorrichtung sind somit hinsichtlich R₁ synchronisiert. Die Torschaltung 55 ist nämlich durch den Rechteckimpuls eines Monovibrator 57 zeitweilig blockiert» der von einem Synchronisationsgenerator 58 getrickert wird, welcher in gleicher Weise die Auesendung der Impulse E₁ synchronisiert<, Die Dauer des Rechteckimpulsee ist so bemessen* daß die Torschaltung 55 die Echosignale R₁ und die Impulse E₂ der Sonde 51 und die Echosignale R₂· die durch Reflektion der Ultraschallwellen an der Oberfläche des Meßobjektes M entstehen, durch den Verstärker 57 und sodann Ober eine Torschaltung 58 an eine Meßvorrichtung 59 hindurchläßt. Die Torsohaltung 58 ist zeitweilig durch den Monovibrator 60 blockiert, der durch den Echoimpuls R₁ von der Torschaltung 55 blockiert wird, wobei ein Rechteckimpuls von solcher Breite erzeugt wird, daß die Torschaltung 58 zwar das Echosignal R₂, jedoch nicht den Impuls E₂ überträgt.

In Figur 12 sind jeweils die Wellenformen an den Ausgängen der Torechaltungen 55 C* A) und 58 (* B) dargestellt.

Der Generator 58 synchronisiert die Aussendung der Impulse E₃ durch einen dritten Sende-Empfanger 60, welcher mit der

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Sonde 52 verbunden ist. Die Echoeignale R₃, die durch Re* flektion der Ultraschallwellen an der Oberfläche der Bezugsfläche R entstehen (Fig. 12c),gelangen Ober einen Verstärker 61 und eine Torschaltung 62 an die Meßvorrichtung 59. Die Torsohaltung 62 ist während einer hinreichenden Zeit durch ein Rechtecksignal des Monovibrator 63 blockiert, um eine Übertragung des Sendeeignals E₃ zu vermeiden, wobei der Monovibrator durch das Sendesignal E₃ getrickert wird und daher mit der Vorrichtung 60 verbunden ist.

Der Generator 58 weist eine Schaltung auf, die mit einem Eingang für die Null-Rückstellung der Vorrichtung 59 verbunden ist.

Aus Figur 12 erkennt man, daß das Zeitintervall E₃R₃ gleich k (D₁ + D₂) ist, wobei k eine Konstante darstellt, wahrend das Zeitintervall E₃R₃ gleich K D ist, Die Vorrichtung 59 zeigt das Zeitintervall R₂R₃ an» welches proportional D -(D^ + D₂), d.h. gleich der Dicke e des Meßobjektes ist.

Die Vorrichtung nach Figur 11 läßt sich zum Messen des lichten Durchmessers von Rohren verwenden. Hierbei werden die bei· den Sonden 50 und 51 auf einen Durchmesser des Rohres zentriert angeordnet, und die Sonde 52 nicht verwendet. Die Vorrichtung 59 mißt sodann den Zeitabstand EjR₂* ^der gleich der

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Summe D₁ + D„ der freien Sendeflächen der beiden Sonden an den Enden des Durchmessers ist. Um den Durchmesser des Rohres zu erhalten, muß man zu dieser Summe die Gesamtdicke der beiden Sonden hinzurechnenο

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1, Ultraschallmikromefcei' zum Messen von Entfernungen durch Reflektion von Ultr-asohallirapulsen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Aussenden eines; t/ltrasoha.llstrahlenbündels <*n e.in<an bestimmten Punkt der Oberfläche des Meßobjüktes über eine geringe Entfer~ nung eines StrömungamittelSj wobei diese Einrichtung einen Wandler (Sonde) aus einem aktiven Blättchen eines piezoelektrischen Materials umfa&t, welches zwischen eine» Klotz eines Materials mit ejjnera hohen Dämpfungskoeffizienten für den von dem Blättchen (21) ausgesandten Ultraschall und einem zweiten Blättchen (22) aus einem wenig absorbierenden Stoff angeordnet ist, und durch eine solche Krümmung der Oberflächen der Blättchen (21,22) und des Klotzes (20), daß der Brennpunkt eines ausgesandten Ultraschallsignales in einer Entfernung in der Größenordnung von Millimetern vor dea Wandler liegt«

2ο Ultraschallmikrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das wenig absorbierende Blättchen (22) eine Dicke entsprechend einer Viertelwellenlänge der emittierten Ultraschallwelle aufweist.,

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3. Ulbr&Gchallmikrometer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei Lichtquellen (2>+,25), die symmetrisch zu beiden Seiten des Wandlers (20,21,22) angeordnet sind, und durch eine solche Anordnung der Lichtquallen j daß deren Brennpunkte mit dem Brennpunkt (23) des Wandlerβ zusammenfallen

H uTtranchallraikrometer nach Anspruch 1 bis 3₉ insbesondere zur Schwingungsanalyse, gekennzeichnet durch einen Detektor zum Aufnehmen und Umwandeln des Schwingungssignals in ein elektrisches Signal, durch eine Einrichtung zur progessiven Phasenverschiebung des elektrischen Signals, und durch eine Einrichtung zum Synchronisieren der Aussendung von Ultraschallimpulsen mittels des phasenverschobenen elektrischen Signals,

5_c Ultraschallmikrometer nach Anspruch 4 , gekennzeichnet durch einen Frequenzverdoppler für das periodische elektrische Signal und durch eine Einstelleinrichtung für die Phasenverschiebung, um eine Koinzidenz der Impulse mit den Spitzen der Schwingung einstellen zu können.

G, Ultraschallmikrometei¹ nach Anspruch 1 bis 3, insbesondere zur Analyse einer schwingenden Oberfläche, gekennzeichnet durch einen Impulssender für sich wiederholende Impulse, durch einen mit dem Sender verbundenen Wandler,

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durch einen Verstärker für die Echosignale, der an den Wandler angeschaltet ist, durch einen Detektor für die Spitzenamplitude der Schwingung, durch ein Registriergerat mit Schreiborgan, durch eine Einrichtung zum Verschieben des Synchronismus zwischen dem Schreiborgan und dem Handler, so daß letzterer die Fläche einer Schwingung abtastet, und durch Einrichtungen zum Verbinden des Detektors mit der Registriervorrichtung, um Impulse zu erzeugen, wenn die Spitzenamplitude einen Wert annimmt, der aus einer Reihe von vorbestimmten Pegeln abgenommen ist.

7 ο Ultraechallmikrameter nach Anspruch 1 bis 3, gekenn zeichnet durch zwei Impulssender, durch zwei mit diesen verbundenen Wandler, durch zwei Mit den Wandlern verbundenen Echosignal-Empfängern, und durch Einrichtungen zum Messen der Zeitintervalle der Echosignale am Ausgang der beiden Empfänger·

8. Ultraschallmikrometer nach Anspruch 7, insbesondere zum Messen der Strömungsstärke eines Strömungsmittels, dadurch gekennzeichnet , daft die beiden Wandler mit ihren Stirnflächen in einem bestimmten Abstand einander gegenüberstehend angeordnet sind.

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9«. Ultraschallmikrometer nach Anspruch 1 bis 3, insbesondere zum Messen geringer Dicken, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Wandler, wobei der zweite Wandler mit seiner emittierenden Oberfläche in einer bestimmten Entfernung von einem Referenzreflektor angeordnet ist, durch einen dritten Wandler, dessen emittierende Oberfläche gegenüber derjenigen des ersten Wandlers angeordnet ist, durch eine erste und eine zweite Istpulseende* und Echoempfangs vorrichtung, die jeweils mit dem dritten bzw, dem ersten Wandler verbunden sind, durch eine Synchronisiereinrichtung zum Synchronisieren der Emission der zweiten Vorrichtung in Bezug auf die Echosignale der ersten Vorrichtung, durch eine Einrichtung zum Synchronisieren der Sendeimpulse des zweiten Wandlers in Bezug auf die Sendeimpulse des dritten Wandlers, und durch eine Einrichtung zum Messen des Zeitintervalls zwischen dem Empfang der Echosignale des ersten und des zweiten Wandlers„

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