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Ultraschall-Monitor Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Monitor
zum Umwandeln der bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung im Auswertebereich innerhalb
des Ultraschall-Schirmbildes auStretenden Echo-Anzeigen in optische, akustische
oder elektrische Signale.
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Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Ultraschall hat sich in
weitem Maße industriell eingeführt. Gußteile, ifalzvterkserzeugnisse und Xertigprodukte
sowie verschiedene andere Erzeugnisse werden mittels Ültraschall auf innere sind
äußere Fehler geprüft, die die Festigkeit, d.h. die Gebrauchsfähigkeit der werkstücke
herabsetzen. Das bei der Durch- oder Beschallung der Prüflinge erhaltene Ultraschall-Echo
wird mittels eines Schirmbildes zur Anzeige gebracht.
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Ursprünglich wurde zwecks Auswertung des Ergebnisses der Ultraschall-Prüfung
das Schirmbild laufend von einem Prüfer überwacht. Mit steigenden Qualitätsanforderungen
stieg auch der Prüfumfang, so dab man darangehen mußte, bei Massenprodukten die
Prüfung zu automatisieren. Dazu war es notwendig, die Schirmbildanzeigen in Signale
umzuwandeln, die eine Ermittlung und Auswertung des Prüfergebnisses ohne Zutun des
Werkstoffprüfers ermöglichen. Pür diese Anzeige-Umwandlung sind sogenannte Monitore
entwickelt worden, die mit Hilfe eines in der Lage und Breite -einstellbaren Austastsignales
einen zeitlich begrenzten Abschnitt des vom Empfangsverstärker kommenden Signal
es auswerten.
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Hierbei unterscheidet man. zwischen Signal-MonitorF die ein optisch«
akustisches oder elektrisches Signal abgeben, wenn in einem einstellbaren und auf
dem Schirmbild sichtbaren Überwachungsbereich ("Blende") eine Reflexion eine einstellbare
Ansprechschwelle in der Höhe überschreitet, und proportional-Monitoren, die eine
Spannung abgeben, deren Größe der Höhe eines Echos innerhalb des Uberwachungsbereichs
proportional ist.
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Wenn sich mehrere Echo-Anzeigen innerhalb des Auswertebereichs einer
bekannten Monitorart befinden, so ist das Auswerte-Ergebnis von dem jeweils größten
Echo allein abhängig.
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So spricht z.B. ein Signal-Monitor dann an, wenn das größte Echo die
Ansprechschwelle überschreitet, unabhängig davon,
ob noch mehrere
kleinere Reflexionen im Auswertebereich vorhanden sind. Wenn mit den bekannten Monitor-Konstruktionen
auch weitere Echo-Anzeigen ausgewertet werden sollen, so müssen mehrere Monitore
mit entsprechend unterschiedlich positionierten Auswertebereichen vorgesehen werden.
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Es reit in vielen Fällen nicht aus, die Beurteilung des Prüfergebnisses
von der größten Reflexion allein abhängig zu machen. So ist z.B. bei der Prüfung
von Halbzeug wie Stangen und Knüppeln:das Vorhandensein mehrerer kleiner Reflexionsstellen
unter Umständen eher ein Grund zum Verwerfen des Materials, als eine einzige größere
Fehlerreflexion.
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Auch in den Fällen, in denen mit mehreren Schallköpfen gearbeitet
werden muß, ist ein zufriedenstellendes Ergebnis mit den bekannten Monitor-Ausführungen
nicht erreichbar.
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Man kann z.B. Längs- und Querfehler an einem Hohr mit zwei unterschiedlichen
Schallköpfen, jedoch auf dem gleichen Ultraschallprüfgerät zur Anzeige bringen.
Ein bekannter Signal-Monitor würde in diesem Fall bei Vorhandensein eines Echos
oberhalb der Ansprechschwelle unabhängig davon ansprechen, ob auch der zweite Schallkopf
eine Fehlerreflexion liefert.
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Der vorliegenden Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, einen
Ultraschall-Monitor zu schaffen, der es gestattet, mehrere im Auswertebereich auftretende
Echo-Anzeigen auszuwerten und sogar die Echo-Anzeigen über den gesamten Auswertebereich
zu ermitteln und auszuwerten.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst worden, daß der Monitor mit Organen
zum Summieren aller innerhalb des Auswertebereiches auftretenden Echoanzeigen ausgerüstet
ist, und daß seine'die Ansprechschwelle bestimmenden Organe so bemessen sind, daß
eine Signal- oder Kontaktgabe dann erfolgt, wenn die Summe der innerhalb des Auswertebereiches
vorhandenen Echoanzeigen die eingestellte Ansprechschwelle über- oder unterschreitet.
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Die Organe zum Summieren der im Auswertebereich auftretenden Echoanzeigen
sind gemäß einem weiteren Erfindungsvorschlag zu einem Integrator zusammengeschaltet.
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Dieser Integrator kann aus einem spannungsgesteuerten Stromgenerator
bestehen, der über eine Trenndiode einen Speicherkondensator speist, der durch einen
Schalter, vorzugsweise einen Schalt-Transistor, überbrückt ist, dessen Sperrwirkung
durch das Austastsignal ausgelöst wird und nur während dessen Dauer aufrechterhalten
bleibt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung einer beispielsweisen Ausführungsform eines Ultraschall-Monitors gemäß
der Erfindung
anhand der Zeichnungen.
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Figur 1 ist ein schematisches Block-Schaltbild für einen Monitor gemäß
der Erfindung.
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Figur 2 ist ein Schaltbild für einen Integrator als Bestandteil eines
Monitors gemäß Figur 1.
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Figur 3 ist ein Schaltbild eines auf der Grundlage des in Figur 2
angegebenen Integrators weiterentwickelten Integrators.
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Figur 4 zeigt die Dimensionierung eines ausgeführten Integrators entsprechend
Figur 3.
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Bei der Ausführungsform eines Monitors gemäß Figur 1 wird das vom
Empfangsverstärker kommende Signal 1 der Eingangsklemme 2 eines Integrators 3 zugeführt.
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Der Integrator 3 wird für die Zeitdauer eines Austastsignales 4 in
Betrieb gesetzt, das mittels einer Tastsignalerzeugung 5 in geeigneter Weise, z.B.
mit Hilfe
zweier in Reihe geschalteter monostabiler Multivibratoren,
aus dem Monitorstartsignal 6 gewonnen und dem Integrator über die Steuerklemme 7
zugeführt wird.
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Die Lage und Breite des Austastsignales 4 werden in bekannter Weise
so eingestellt, daß das auszuwertende Signal zeitlich mit dem Austastsignal zusammenfällt,
d.h. daß der Beginnzeitpunkt t 1 für das auszuwertende Signal gleich dem des Austastsignales
ist und daß der Ekdzeitpunkt t 2 von auszuwertendem Signal und Austastsignal zusammenfallen.
An der Ausgangsklemme 8 des Integrators steht somit zum Zeitpunkt t 2 eine Spannung
an, deren Größe dem Flächenintegral der in der Zeitspanne t 1 bis t 2 empfangenen
Impulse proportional ist. Der Integrator 3 ist so umschaltbar, daß eine Anpassung
der Integrationskonstante an das auszuwertende Impulsbündel (wenige schmale Impulse
oder viele breite Impulse) möglich ist.
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Die Ausgangsspannung des Integrators 3 wird über einen Trennverstärker
9 dem Grenzwertmelder 10 zugeführt* an dessen Ausgang ein Fehlersignal erscheint,
sobald das Flächenintegral aller in den vorgewählten Zeitbereich t 1 bis t 2 fallenden
Empfangs impulse einen durch die Integrationskonstante des Integrators 3 und die
Ansprechempfindlichkeit
des Grenzwertmelders 10 vorgewählten Wert
über oder unterschreitet. An dem Eingang des Grenzwertgebers 10 kann zusätzlich
ein an sich bekannter Spitzengleichrichter 11 zur Uberwachung oder Registrierung
des zum Zeitpunkt t 2 an der Ausgangsklemme 8 des Integrators 3 anstehenden Spannungswertes
mit Hilfe eines anzeigenden oder registrierenden Messwerks 12 angeschlossen sein.
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Figur 2 zeigt die Schaltung des in Figur 1 wiedergegebenen Integrators
3. Das Ausgangs signal 1 des Empfangaverstärkers wird über die Eingangsklemme 2
einer aus dem Kondensator C 1, der Diode D 1 und dem Trennverstärker V 1 bestehenden
Klemmschaltung zur Wiedergewinnung des unter Umständen verlorengegangenen Gleichstrommittelwertes
des Signal es 1 zugeführt. Das Ausgangssignal dieser Klemmschaltung wird einem aus
dem Verstärker V 2 und den Widerständen R 1 bis R 6 gebildeten spannnungsgesteuerten
Stromgenerator zugeführt, dessen Ausgang über die Trenndiode D 2 mit dem Speicherkondensator
C 2 verbunden ist.
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Der Speicherkondensator C 2 ist über den Schalttransistor T 1 und
die Widerstände R 7, R 8 kurzgeschlossen. Der Kurzschluß wird nur während der Zeit
t 1 bis t 2 durch das Austastsignal 4 mit Hilfe des Transistors T 2 und der
Widerstände
R 9, R 10 aufgehoben.
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An der Ausgangsklemme 8 des Integrators entsteht ein frühestens zum
Zeitpunkt t 1 beginnenes treppenartiges Ausgangssignal 15, dessen Spannung zum Zeitpunkt
t 2 dem Flächenintegral der im Zeitbereich t 1 bis t 2 empfangenen Impulse proportional
ist. Der Proportionalitätsfaktor kann durch Variation der Speicherkapazität C 2
und / oder des Proportionalitätsfaktors des spannungsgesteuerten Stromgenerators
mit Hilfes des Widerstandes R 5 geändert werden.
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Zum Zeitpunkt t 2 wird das Ausgangssignal 15 des Integrators durch
den Schalttransietor T 1 wieder zu 0 gemacht.
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Um bei dieser Anordnung zu verhindern, daß durch Offeetepannungen,
am Eingang der Verstärker V 1 und V 2 dem Ausgangs strom des spannungsgesteuerten
Stromgenerators ein Fehlgleichstrom überlagert werden kann, was bei großen Zeitabständen
t 1 bis t 2 zu merklichen Verfälechungen des Ausgangs signale 15 führen könnte,
kann die Ausgangsspannung des Verstärkers V 2 am Funkt A der Schaltung nach Figur
2 abgenommen und über
einen invertierenden Integrierverstärker
dem Fußpunkt der Klemmdiode D 1 zugeführt werden.
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Eine Schaltungsanordnung hierfür ist in Figur 3 gezeigt.
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Der Integrierverstärker besteht aus einem Operationsverstärker V 3,
Kondensatoren C 3 und C.4, Widerständen R 11, R 12 und Zenerdioden D 3, D 4, Die
Ausgangsklemme dieses Verstärkers ist.mit dem Fußpunkt der Diode D 1 verbunden und
gleichzeitig - zur Ableitung der durch C 1 und D 1 fliessenden hochfrequenten Ströme
-über einen Kondensator C 5 mit Nasse verbunden. Die Zenerdioden D 3 und D 4 dienen
der Begrenzung der Ausgangsamplitude des Verstärkers V 3. Durch diese Maßnahme wird
ein Regelkreis mit Integralverhalten gebildet, der das Potential am Ausgang des
VerstärkezsV 2 (Punkt A) sehr genau auf 0 V hält.
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Das Verhalten der Schaltung für die im Empfangssignal 1 auftretenden
höheren Frequenzen wird infolge der Integration im Regelkreis nicht beeinträchtigt.
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Figur 4 zeigt eine ausgeführte Schaltung des Integrators 3. Die der
in Figur 3 gezeigten Grundschaltung entsprechenden hauelements wurden mit den gleichen
Bezeichnungen versehen.
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Dem Eingang des Trennverstärkers V 1 ist ein Widerstand R 13 vorgeschaltet,
welcher der Vermeidung von Schwingungen dient. Der von der Verbindung des Widerstandes
R 13 mit der Kathode der Kleinadiode D 1 nach Nasse geschaltete Widerstand R 14
bildet eine definierte Abschlußimpedanz für die glemmschaltung C 1 / D 1.
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Der Operationsverstärker V 2 besteht aus einem Dualtransistor T 20
mit Arbeitawiderständen R 20 und R 21, in dessen Emitter mit Hilfe eines Transistors
T 21, einer Diode D 21, und von Widerständen R 22, R 23 ein konstanter Strom eingeprägt
wird.
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An dei lastwiderstand R 20 dts Transistors T 20 ist eine weitere Verstärkerstufe
mit einem Transistor T 22 angeschlossen, dessen Kollektor den Ausgang des Verstärkers
V 2 bildet.
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Dieser Ausgang wird mit Hilfe eines Transistors T 23, der Diode D
21, und der Widerstände R 22 und R 24 mit einem konstanten Strom belastet. Eine
Zenerdiode D 20 dient zur Herstellung eines geeigneten Gleichspannungspotentials
am Emitter des Transistors T 22.
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Der Kondensator C 2 in Figur 2 bzw. Figur 3 wird zusammengeaettt aus
dem Kondensator C 2 a und dem opit Hilfe eines Transistors T 3 durch Anlagen der
positiven Bctriebsspannung an Klemme 20 zuschaltbaren Kondensator C 2 b. Dem integrierenden
Verstärker V 3 ist zur Erhöhung der Eingangsiapedan: ein Dualtransistor T 30 mit
Lastwiderständen R 30 und R 31 vorgeschaltet. Widerstände R 32 und R 33 sowie Kondensatoren
C 30 und C 31 dienen der Korrektur des Frequenz- und Phasenganges.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform
beschränkt. Vielmehr sind mannigfache Abwandlungen derselben möglich, ohne den Grundgedanken
der Erfindung zu verlusten.