DE2025210B2 - UltraschallmeSverfahren zur Bestimmung der Wanddicke von Meßobjekten wie Hatten o.dgl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallmeßverfahrcn zur Bestimmung der Wanddicke von Meßobjekten wie Platten od. dgl. aus der im Meßobjekt erregten und ihm über einen Empfänger-Sender-Kreis rückgekoppelten Eigenschwingung.

Eine Platte kann entsprechend ihrer Dicke in Dikkenrichtungzu Eigenschwingungen angeregt werden. Aus der Frequenz dieser Dickenresonanz läßt sich die Dicke der Platte ableiten. Die Bestimmung der Wanddicke eines Materials kann mittels des bekann ten Ultraschallresonanzverfahrens vorgenommen werden.

Es ist bereits bekannt, zur Erregung der Dickenresonanz die Platte in Dickenrichtung zu beschallen,

"> wobei die Schallfrequenz elektronisch verändert (gewobbelt) wird.

Zu dem Zeitpunkt, an der die Schallfrequenz der Dickenfrequenz der Platte entspricht, wird dLse zu Eigenschwingungen (Dickenresonanz) angeregt. Für

to die elektronische Auswertung dieses Effektes stehen zwei bekannte Verfahren zur Verfugung:

a) Besteht eine enge Kopplung zwischen Schallschwinger und PIaUo, so wirkt bei Dickenresonanz die Platte auf den Schwinger zurück, und

ι · dem elektrischen Sender wird mehr Energie entzogen. Wertet man elektronisch aus, bei welcher Schallfrequenz die Sonderbelastung auftritt, so erhält man die Dickenresonanzfrequenz und damit die Dicke der Platte. Der Nachteil dieser Me-

-'Ii thode besteht darin, daß durch die erforderliche

enge Kopplung der Schallgeber die Platte mechanisch belastet. Diese schwingt dann nicht mehr ungestört, und ihre Resonanzfrequenz verschiebt sich nach höheren Werten, und zwar um

-'■> so mehr, je enger die Kopplung ist.

b) Der Nachteil des. vorstehenden Verfahrens wird durch folgende Anordnung vermieden: Es werden zwei Schallköpfe in Wasserankopplung benutzt, und zwar ein Schallsender und ein Schallin empfänger. Bei Dickenresonanz strahlt die Platte

eine weitaus höhere Schallenergie zurück. Diese Energie ist um das ρ-fache (Resonanzgüte) größer als außerhalb der Dickenresonanz. Aus dieser Zunahme der Schallanzeige wird über den r» Schallempfänger das Signal für die Wanddicke

gewonnen. Der Abstand zwischen Schallköpfen und Platte ist hier ohne jeglichen Einfluß. Die Meßgenauigkeit des Dickenresonanzverfahrens hängt davon ab, wie exakt man die Resonanzfrew quenzen bestimmen kann.

Bekannte Verfahren werden an Hand der Fig. 1-3 erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in graphischer Darstellung Resonanzamplitudenkurven einer Platte in Abhängigkeit von der Re-Vy sonanzfrequenz,

Fig. 2 den Verlauf des Phasenwinkels bei Resonanz,

Fig. 3 eine bekannte Resonanzschaltung. Beim Durchstimmen der Schallfrequenz wird die -)(> Resonanzkurve der Platte entsprechend Fig. 1 durchlaufen.

Die Form der Resonanzkurve ist z. B. abhängig von der Materialgüte (Oberflächenrauhigkeit) sowie der Bedämpfung der Platte durch Wasser oder öl. » Kurve 1 in Fig. 1 entspricht einer unbedämpften Platte hoher Materialgüte, Kurve 2 zeigt einen Zwischenzustand, während Kurve 3 von einer völlig im Wasser befindlichen Platte mit rauher Oberfläche stammt. Bei den Kurven erkennt man, daß sie alle h» bej der Resonanzfrequenz ω_ρ abgerundet sind. Dadurch wird eine exakte Bestimmung des höchsten Punktes der Kurve ω_Λ erschwert. Die Auswerteunsicherheit wird um so größer, je flacher die Resonanzkurve (z. B. Kurve 3) ist. Zur Auswertung benutzt hi man daher meistens die vordere Anstiegsflanke der Resonanzkurve. Es muß jedoch beachtet werden, daß diese Messung amplitudenabhängig ist. Die Größe des Meßfehlers hängt davon ab, inwieweit man diese Am-

plitudenabhängigkeit ausschließen kann.

Die Meßgenauigkeit läßt sich auf ein Optimum bringen, wenn es gelingt, den höchsten Punkt der Resonanzkurve exakt zu bestimmen. Dafür ist bereits ein sehr einfaches Verfahren bekannt:

Koppelt man nämlich die von der schwingenden Platte abgegebene Schallfrequenz. auf diese nach entsprechender Verstärkung zurück, so wird diese Schwingung aufrechterhalten. Die Platte schwingt dann kontinuierlich mit ihrer Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz ω,,) und wird selbst zum frequenzbestimmenden Glied. Durch diese Rückkopplung schwingt sich die Platte automatisch auf den höchsten Punkt M ihrer Resonanzkurve ein. Dies gilt jedoch nur, wenn keine Phasenverschiebung zwischen der Resonanzfrequenz der Platte und der erregenden Schallwelle besteht. In Fig. 2 ist der Verlauf des Phasenwinkels bei Resonanz aufgetragen, und man erkennt, daß in Abhängigkeit von der Phase eine erhebliche Frequenzverwerfung auftritt. Benutzt man z. B. eine Meßanordnung entsprechend Fig. 3, to kann diese Forderung nur dann eingehalten werden, wenn die Prüfköpfe 15a, 11 sich unmittelbar an der Platte befinden und der Verstärker 12 keine Phasenverschiebung bewirkt. Dies ist jedoch - wie vorstehend angegeben — nachteilig, da bei enger Kopplung die Prüfsysteme die Resonanzfrequenz der Platte beeinflussen und damit einen Meßfehler bewirken. Wenn man aber die Prüfköpfe in einer bestimmten Entfernung von der Platte anbringt, so benötigt der Schall eine gewisse Zeit, um diesen Weg zu durchlaufen, und es tritt damit eine zeitliche Verschiebung (Phasenverschiebung) zwischen der Eigenschwingung der Platte und der ankommenden Schallwelle auf. Es besteht somit ein Phasenunterschied (Phasenwinkel), der die Meßgenauigkeit erheblich beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den nachteiligen Einfluß des Phasenwinkels zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß zu einem vorbestimmten Zeitpunkt die Schallanregung unterbrochen, die Schwingungen ausgekoppelt und somit nur die frei abklingende Eigenschwingung des Meßobjektes durch einen Schallempfänger empfangen und diese Schwingung gleich lange oder länger als die Abklingzeit der freien Eigenschwingung in dem Empfänger-Sender-Kreis zeitlich verzögert und erst dann über den Schallsender wieder in das Meßobjekt eingeschallt wird, so daß eine intermittierende Anregung mit der Frequenz ά?·; Eigenschwingung erfolgt.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 4-6 dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 4 graphisch eine (nicht vollständig gezeigte) Eigenschwingung mit ihrer Abklingschwingung(en),

Fig. 5 und 6 vereinfachte Blockschaltungen zui Ausführung des Verfahrens.

Ein Phasenunterschied kann nur dann auftreten, wenn die Platte Eigenschwingungen ausführt und gleichzeitig durch den Rückkopplungseffekt kontinuierlich beschallt wird. Unterbricht man den Rückkopplungskreis, so entsteht auch keine Phasenverschiebung mehr.

Trotz dieser Unterbrechung der Rückkopplung ist eine Eigenerregung der Platte nach dem Verfahren der Erfindung möglich wie folgt:

Wird eine Platte, beginnend bei der Zeit /,,, Fig. 4, mit ihrer Resonanzfrequenz z. B. über Wasser 9 als Ankoppelmittel beschallt, so erreicht sie nach einer gewissen Zeit ihre maximale Schwingungsamplitude, Unterbricht man bei einem Zeitpunkt I₁ die Schallanregung, so schwingt die Platte 10 in ihrer Eigenfrequenz weiter, bis schließlich ihre Schwingungsenergie durch innere und äußere Bedämpfung bei einem Zeitpunkt I₂ verbraucht ist. In dem Zeitabschnitt I₁-I₂ führt also die Platte unbeeinflußt, wie eine angeschlagene Stimmgabel, völlig exakte Schwingungen mit ihrer Eigenfrequenz aus. Mit einem elektronisch getasteten Empfänger 11 werden entsprechend Fig. 5 nur während des Zeitabschnittes f,-r₂ die von der Platte abgestrahlten Schallschwingungen empfangen und in elektrische Schwingungen umgewandelt, im Verstärker 12 verstärkt und z. B. einem Trommelspeicher 13 am Punkt A aufgesprochen und zeitlich viel später am Punkt B abgenommen, im anderen Verstärker 4 verstärkt und über einen Schallsender 15 der Platte 10 zur Erregung zum Zeitpunkt t'_u aufgegeben. Zur Zeit /', ist der gespeicherte Frequenzimpuls zu Ende, so daß keine Schallanregung der Platte mehr erfolgt und diese somit wiederum ausschwingt. Durch die Abnahme und erneute Speicherung des Frequenzimpulses zwischen l\ und t'₂ ist der Rikkkopplungskreis geschlossen. Es handelt sich hierbei also um eine getastete und verzögerte Rückkopplung, die im Effekt das gleiche wie eine kontinuierliche Rückkopplung bewirkt, nämlich die Platte in ihre Resonanzfrequenz selbsttätig zu erregen

Wird die Verzögerungszeit für den Rückkopplungsvorgang sehr groß gewählt, so ist der Schwingungsvorgang in der Platte gänzlich abgeklungen, und ein Phasenfehler ist damit bei Neuerregung völlig ausgeschlossen. Mit diesem Verfahren ist es möglich, eine extrem hohe Meßgenauigkeit bei der Bestimmung von Wanddicken zu erzielen.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist der, daß weder eine Abhängigkeit von dem Abstand zwischen Prüfsystem und Platte, noch von der Schallamplitude in bezug auf die Resonanzfrequenz besteht.

Nachfolgend wird noch eine detaillierte technische Ausführung als Beispiel für ein Wanddickenmeßgerät beschrieben:

In Fig. 6 wird gezeigt, daß man in der Praxis für die zeitliche Verzögerung des Frequenzi.npulseG keinen Trommelspeicher benötigt, sondern durch einen größeren Abstand (ca. 10 cm) des Schallsenders 15 und des Empfängers 11 von der Platte 10 die gewünschte Laufzeitverzögerung auf einfache Art und Weise erhält. (Es ist natürlich auch genauso gut möglich, eine elektrische oder Ultraschall-Verzögerungsleitung innerhalb des Gerätes in den Rückkopplungskreis einzufügen.) Der Rückkopplungsvorgang zur Erregung der Platte in Resonanz geht folgendermaßen vor sich: Durch die hohe Verstärkung eines Verstärkers 16 wird zuerst über den Sendekopf 15 die Platte 10 mit einem Rauschimpuls (Impuls mit vielen Frequenzanteilen) beschickt. Die Platte selbst siebt aus diesem Frequenzgernisch ihre Eigenfrequenz aus und beginnt, mit sehr kleiner Amplitude zu schwingen. Diese Schwingung wird durch den Empfangskopf 11 aufgenommen und über einen Verstärker 17 des Empfängers verstärkt. Durch einen elektronisch gesteuerten Schalter 18 wird der richtige Zeitabschnitt (/,-Z₂) freigegeben urd über den Verstärker 16 und Sendekopf 15 der Platte zur Erregung wieder zugeführt. Die Anregung erfolgt nunmehr bereits mit der Resonanzfrequenz der Platte. Der Rhythmus für die Tastung, Schalter 18, des Rückkopplungskreises muß

in etwa mil der Rückkopplungsverzögeriing T, in Fig. 4, in diesem Fall mit der Schallaufzeit von Senderkopf 15 zu Platte 10 und zurück zum Empfängerkopf 11 (Vorlaufstrecke), übereinstimmen. Dieser Richtwert für die Verzögerung (Vorlaufstreckc) wird in diesem Beispiel von einer Echoimpulseinrichtung, bestehend aus Sende- und Empfangskopf 19 und Sendeverstärker ZO, gewonnen. Mit diesem Hilfsimpuls wird ein Zählschalter 21 ausgelöst, der seinerseits sofort den elektronischen Schalter 18 schließt. Der Zahlschalter 21 zählt nunmehr die von der Platte stammenden Schwingungen. Er ist z. B. so ausgelegt, daß insgesamt 16 Schwingungen gezählt werden. Nach der If). Schwingung öffnet er den Schalter 18. Damit wird gewährleistet, daß nur ein Abschnitt X, Fig. 4, aus dem Abklingvorgang der Platte einer Rückkopplungsverstärkung unterliegt, bei dem mit Sicherheit genügend große Schv.ingiirigsarnpüf.idcn zur Verfügung stellen.

Zur Auswertung der Schwingungen (Resonanzfrcquenz) liefert der Zählschalter 21 bei der 7. Schwingung einen Startimpuls und bei der 16. Schwingung einen Stopimpuls an den Digitalzählcr 22 und/oder den Analoganzeiger 23. An diesen Anzeigegeräten kann die Wanddicke direkt abgelesen werden. Diese Anzeigegeräte sind bekannt und sollen daher nicht weiter beschrieben werden. Zur Bewertung stehen von der 7. bis 16. Schwingung somit K) Schwingungen zur Verfügung, womit eine hohe Genauigkeit der Fre quenzausmessung gegeben ist. Zur Sicherheit können die ersten 6 Schwingungen zur Frequenzmessung nicht mit herangezogen werden, da in diesem Zeitabschnitt durch Übersteuerungsvorgänge im Verstärker 17 Fehlmessungen entstehen könnten.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann, je nach Einzelfall, anstelle von getrennten Schallwandlern zur Erzeugung und zum Empfang ein gemeinsamer Wandler Verwendung finden. Die Verzögerungsstrecke kann wahlweise eine Vorlaufstreckc von den Schallköpfen sein oder eine elektrische Verzögerungsleitung im Rückkopplungskrcis oder eine Ultraschall-Verzögerungsleitung im Riickkopplungskreis. Es kann ferner bei diesem Verfahren statt der olien beschriebenen piezoelektrischen Schallschwinger (Quarz, Bariiimtitanat), bei denen der erzeugte Sciidli düici'i cii'ic Aiiku|)|)luiigM'iüssigkcii in das zu prüfende Material übertragen wird, ebenfalls das bekannte magnetische Verfahren Anwendung finden, mit dem der Schall im Prüfling selbst auf magnetostriktive oder magnetinduktive Weise erzeugt wird. Es entfällt dann vorteilhafterweise die Ankopplungsflüssigkeit. Werden diese Systeme der »trockenen« Ultraschallprüfung verwendet, so wird zur Erzielung der notwendigen Laufzeitverzögerung eine elektrische o-icr Ultraschall-Verzögerungsleitung innerhalb des Gerätes in den Rückkopplungskrcis eingefügt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Ultraschallmeßverfahren zur Bestimmung der Wanddicke von Meßobjekten wie Platten od. dgl. aus der im Meßobjekt erregten und ihm über einen Empfänger-Sender-Kreis rückgekoppelten Eigenschwingung, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem vorbestimmten Zeitpunkt (/,) die Schallanregung unterbrochen, die Schwingungen ausgekoppelt und somit nur die frei abklingende Eigenschwingung (von /, bis f₂) des Meßobjektes durch einen Schallempfänger empfangen und diese Schwingung gleich lange oder länger als die Abklingzeit (von f, bis f₂) der freien Eigenschwingung in dem Empfänger-Sender-Kreis zeitlich verzögert und erst dann über den Schallsender wieder in das Meßobjekt eingeschallt wird, so daß eine intermittierende Anregung mit der Frequenz der Eigenschwingung erfolgt.

2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein impulsgetasteter Schallsender (15), ein Schallempfänger (11) und eine Verzögerungsstrecke mit dem Meßobjekt (10) zu einem verzögert rückgekoppelten Kreis zusammengefaltet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schallerzeugung und zum Schallempfang je ein Schallkopf vorhanden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, oaß zur zeitlichen Verzögerung eine Vorlaufstrecke vor der Scha!'';öpfen vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Arispruc'2, dadurch gekennzeichnet, daß für die zeitliche Verzögerung eine elektrische Verzögerungsleitung im Rückkopplungskreis vorhanden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die zeitliche Verzögerung eine Ultraschall-Verzögerungsleitung im Rückkopplungskreis vorhanden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer elektrischen oder Ultraschall-Verzögerungsleitung nur ein Schallkopf zur Erzeugung und zum Empfang des Schalles vorhanden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung und zum Empfang des Schalles auf magnetostriktive oder magnetinduktive Art den Schall im zu prüfenden Material selbst erzeugende und die Schallschwingungen empfangende Spulensysteme vorhanden sind.