DE2045566A1 - Verfahren zum Erkennen und Messen von Gegenstands Vibrationen mit Hilfe von Ultraschall - Google Patents

Description

Verfahren zum Erkennen und Messen von Gegenstands-Vibrationen mit Hilfe von Ultraschall

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erkennen und Messen von Gegenstands-Vibrationen mit Hilfe von Ultraschall, bei dem von einem elektroakustisohen Wandler als Ultraschallschwinger ausgesandte akustische Wellen bzw. Wellenimpulse von dem Gegenstand reflektiert und bei ihrer Rückkehr zum elektroakustisohen Wandler erfaßt werden.

Bei zahlreichen Vorrichtungen oder Einrichtungen arbeiten gewisse Bauteile untergetaucht in einer Flüssigkeit. Gewisse Teile werden insbesondere Vlbrationen unterworfen, deren Entwicklung man unbedingt folgen oder die man unter Beobachtung halten muß, um rechtzeitig verhindern zu können, daß diese Vibrationen eine zu große Amplitude annehmen, was für den Betrieb der betreffenden Vorrichtung und die Sicherheit der Benutzer Gefahren mit sich bringt. So sind beispielsweise bei Reaktoren mit schnellen Neutronen, die mit Hilfe von flüssigen Metallen gekühlt werden, wie Natrium oder Natriumkalium, zahlreiche mechanische Teile in den Kühlflüssigkeiten angeordnet. Die Teile können vlbrle-

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ren und diese Vibrationen sind besonders schädlich und selbst gefährlich, da sie zu Brraildungsbrüohen wiohtiger Teile führen können. Eine systematische Überwachung der Bntwioklung und des Verlaufs dieser Vibrationen ist infolgedessen notwendig.

In dem Spezialfall der Kernreaktoren liegt die Frequenz der in die Kühlflüssigkeit eintauchenden oder in ihr liegenden Teile in der Größenordnung zwischen einigen Hertz bis einigen Dekahertz. Bekannte Verfahren zur Festeteilung von Vibrationen lassen sich nur unter großen Schwierigkeiten anwenden, da das Milieu, in das die zu überwachenden Bauteile eintauchen, einerseits sehr korrodierend wirkt, andererseits eine hohe Temperatur hat (die mittlere Temperatur des Natriums in einem Reaktor für schnelle Neutronen liegt in der Größenordnung von 50O⁰C). Wenn es sich überdies um das Erkennen und Beobachten von vibrierenden Teilen handelt, die sioh in der Nähe des Reaktorkernes befinden (beispielsweise Steuerstäbe), kann der Neutronenfluß, der die Erkennungs- und Meßvorriohtung trifft, sehr groß sein. Das Einführen bekannter Schwingungsdetektoren in ein derartiges Milieu ist sohwer vorzustellen, da derartige Detektoren nioht so ausgelegt sind, daß sie solohen Versuohsbedingungen widerstehen können.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dient zum Erkennen und Messen von Vibrationen von Gegenständen bzw. meohanisohen Teilen über einen gewissen Abstand hinweg und benutzt dazu Ultraschallwellen. Im Falle von Kernreaktoren kann dann der Erzeuger der Ultraschallwellen, vorzugsweise ein elektroakustischer Wandler, der auoh zum Empfang von reflektierten Wellen dient, in einem Bereioh des Reaktors eingebaut werden, in dem der Neutronenfluß weniger groß ist.

Die Anwendung von Ultraschallwellen - jedooh für einen 1 098 1 7/1235

anderen Zweck - erfolgt In der Seefahrt unter dem Namen SONAR. Bei "Sonar"-Einrichtungen, die benutzt werden, um ein untergetauchtes Objekt im Wasser zu ermitteln und seine Entfernung zu messen oder auch um eine Karte der Höhenkonturen des Meeresgrundes aufzunehmen, sendet ein Ultraschallsender akustische Schallwellen in Form von Wellenpaketen oder Impulsen aus; diese Wellen werden nach ihrer Reflexion an dem festzustellenden oder zu messenden Objekt bei ihrer Rückkehr zum Wandler erfaßt. Man mißt dann den Zeitunterschied zwisohen der Aussendung und dem Empfang der akustischen Wellen. Da man die Laufgeschwindigkeit des Schalls in Wasser kennt, läßt sich daraus leicht der Abstand ermitteln, in dem sich das gesuchte oder angepeilte Objekt befindet. In dieser Technik wird lediglich eine Zeitmessung durchgeführt·

Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Vibrationen eines Objekts erkannt und gemessen, indem man die Amplitude der Echos der akustischen Wellen ermittelt, die in eine Impulsfolgefrequenz ausgesendet werden, welche deutlich größer als die Vibrationsfrequenz des zu messenden Objekts ist, indem man auch die Modulationsfrequenz der zurückkehrenden akustischen Wellen mißt, die durch die Vibrationen des Objekts oder Gegenstandes moduliert worden sind.

Genauer gesagt, ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen und Messen von Gegenstands-Vibrationen mit Hilfe von Ultraschall, bei dem von einem elektroakustischen Wandler als Ultraschallschwinger ausgesandte akustische Wellen oder Wellenimpulse von dem Gegenstand reflektiert und bei ihrer Rückkehr zum akustischen Wandler erfaßt werden, da-

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durch gekennzeichnet, daß

- die ausgesandten akustischen Wellen eine Impulsfolgefrequenz haben, die von einem Grund-Zeitglied gesteuert wird und die deutlich größer ist als die Vibrationsfrequenz des Gegenstandes,

- eine Auslese der von den zurückkehrenden akustischen Wellen im elektroakustisohen Wandler ausgelösten elektrischen Signale über ein elektronisches Tor erfolgt, das von dem Grund-Zeitglied mit einer einstellbaren, von dem Abstand zwischen Wandler und Gegenstand abhängigen Verzögerung gesteuert wird, bei einer Steuerimpulsfrequenz, die gleich der Impulsfolgefrequenz der vom Wandler ausgesandten akustischen Wellen ist,

- eine Messung der Modulationsfrequenz und -amplitude der ausgelesenen elektrischen Signale nach deren Durchgang durch ein elektronisches Tiefpaßfilter erfolgt, dessen obere Grenzdurchlaßfrequenz unterhalb der Impulsfolgefrequenz der ausgesandten akustischen Wellen liegt.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren beruht auf den folgenden Peststellungen:

Wenn der zu untersuchende Gegenstand nioht vibriert, haben die zurückkehrenden akustisohen Wellen eine gleichbleibende Amplitude. Wenn andererseits der Gegenstand vibriert oder schwingt, verändern sich die geometrischen Bedingungen und das Strahlenbündel der zurückkehrenden akustischen Wellen kommt mehr oder weniger teilweise zum Wandler bzw. Empfänger zurück, so daß sich die Amplitude der re-

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flektierten und zurückkehrenden akustischen Wellen ändert. Da das Ansprechen des Wandlers auf zurückkehrende akustische Wellen linear ist, kann man die Amplitude der von dem Wandler gelieferten elektrischen Signale messend erfassen, die auf die zurückkehrenden akustischen Wellen zurückzuführen sind. Diese elektrischen Signale sind mit einer Modulationsfrequenz moduliert, die gleich der Frequenz der Vibrationen des Gegenstandes ist.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird nun in der folgenden Beschreibung eine beispielsweise Porm der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, die ganz speziell für das Erfassen und Messen von Vibrationen mechanischer Teile bestimmt ist, die in der Kühlflüssigkeit (etwa flüssigem Natrium) eines Kernreaktors mit schnellen Neutronen liegen. Dieses Ausführungsbeispiel ist selbstverständlich nur als ein die Erfindung in keiner Weise einschränkendes Beispiel zu werten. Die Beschreibung bezieht sich auf die Zeichnung, in der zeigen:

Flg. 1 soheraatisoh eine erfindungsgemäß anzuwendende .Anordnung und

Fig. 2 die Form von elektrischen Signalen, die von den einzelnen Bauelementen der elektronischen Meßkette abgegeben werden.

In der Fig. 1 befindet sioh der zu überwachende Gegenstand bzw. das zu messende Objekt 1 in einer Flüssigkeit 2 (flüssiges Natrium), die in dem Gefäß J5 eines Kernreaktors enthalten ist. Ein akustischer Wandler, vorzugsweise ein elektroakustischer Wandler, der gleichzeitig als Sender und

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Empfänger von Ultraschallwellen dient, ist ebenfalls in der Flüssigkeit 2 angeordnet. Br sendet ein Bündel 5 akustischer Wellen in Richtung auf das Objekt 1 aus. Die Eohos, d.h. die von dem Objekt 1 reflektierten akustischen Wellen, werden von dem Wandler 4 bei ihrer Rückkehr erfaßt. Ein elektrischer Impulsgenerator 6 ist mit dem Wandler 4 über eine elektrische Leitung 7 verbunden, die auf ihrem gesamten Weg innerhalb des Gefäßes 3 in einer metallischen Schutzhülle 8 geführt ist. Der Generator 6 liefert elektrische Impulse, die eine bestimmte Impulsfolgefrequenz haben, welche von einem Taktgeber oder Grund-Zeitglied 9 bestimmt wird und wesentlich bzw. deutlich größer ist als die Vibrationsfrequenz des Objekts 1.

Wenn der Generator 6, der von dem Grund-Zeitglied 9 gesteuert wird, ein elektrisches Signal an das piezo-elektrische Material in dem Wandler 4 abgibt, vibriert dieses Material während einer kurzen Zeitspanne mit seiner Eigenfrequenz und sendet dabei ein Paket oder einen Impuls akustischer Wellen aus, der sich in der Flüssigkeit 2 fortpflanzt. Die Form der von dem Grund-Zeitglied abgegebenen elektrischen Taktsignale und der Sohallwellen-Sendeimpulse ist in den Fig. 2a bzw. 2b veranschaulicht. Die elektrischen Signale, die duroh das Eintreffen derjenigen akustischen Wellen in dem Wandler 4 ausgelöst werden, welche den Weg zwischen Wandler und Objekt 1 hin und zurück durohlaufen haben, treten bei der Ankunft dieser reflektierten akustischen Wellen am Wandler 4 auf. Ihre Amplitude hängt von den geometrischen Bedingungen, der Form und der momentanen Lage des Objekts 1 in dem akustisohen Wellenstrahl 5 ab.

Die elektrischen "RUokkehrsignale" werden zunächst dem Eingang eines Hochfrequenzverstärkers 10 zugeführt, der auf

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die Aussendefrequenz des Impulsgenerators 6 abgestimmt ist. Die aus diesem Verstärker 10 kommenden Signale, deren Form in der Fig. 2c veranschaulicht ist, werden mit Hilfe eines Tiefpaßfilters 4 gefiltert und dann mit Hilfe eines Video-Frequenzverstärkers 12 verstärkt, der an seinem Ausgang Impulsfolgen liefert, deren Form in der Fig. 2d dargestellt ist. Diese Impulse werden sodann zeitlich mit Hilfe eines elektronischen Tores 15 ausgelesen, das mit monostabilen Stufen in Kaskadenschaltung aufgebaut ist. Dieses elektronische Tor 13, dessen öffnung von dem Grund-Zeitglied 9 mit einer Verzögerung gesteuert wird, die entsprechend dem Abstand zwischen Wandler 4 und Objekt 1 einstellbar bzw, veränderlich ist, läßt nur diejenigen Signale durchgehen, die von dem Video-Frequenzverstärker 12 lediglich innerhalb eines von dem Bedienungsmann beliebig wählbaren Zeitintervalls und mit einer durch das Grundzeitglied 9 aufgezwungenen Frequenz abgegeben werden. Da man den Abstand zwischen dem Objekt 1 und dem Wandler 4 sowie die Laufgeschwindigkeit des Schalls in der Flüssigkeit 2 kennt, d.h. also auch die Zeit, die eine akustische Welle für den Hin- und Rückweg zwischen Wandler und Objekt braucht, kann man diejenigen Echoimpulse auslesen, die einem Hin- und Rückweg entsprechen. Das Zeitintervall, währenddessen das elektronische Tor 15 leitet oder durchlässig ist, wurde sohematisoh in der Fig. 2e durch Rechtecke deutlich gemacht.

In den Fig. 2o und 2d ist nur ein einziges Echo dargestellt, obgleich nach dem Schema der speziellen Anwendung des Verfahrens, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, auch ein zweites Eoho nach einer ein wenig längeren Zeit auftreten muß, das der Reflexion der akustischen Wellen an der Wand des Gefäßes J5 entspricht.

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Hinter dem elektronischen Tor 1;5 erhält man lediglich die Signale» die der Reflexion an dem zu prüfenden Objekt 1 entsprechen und deren Form in der Pig. 2f dargestellt ist. Wenn das Objekt vibriert, erhält man am Ausgang des Tores 13 eine Variation des Echosignales, das durch.die Vlbration des Objektes 1 moduliert ist. Die Echosignale wiederholen sich natürlioh mit der Impulsfolgefrequenz der ausgesandten akustischen Ψ Wellen, die duroh das Grund-Zeitglied 9 bestimmt 1st.

Um eine für die Ermittlung der Modulation ausreichende Bestimmung der Hüllkurve dieser "RUokkehrsignale" zu erhalten, muß man also mit einer Impulsfolge bzw. Rückkehrfrequenz arbeiten, die deutlich größer ist als die Frequenz der Vibrationen des zu prüfenden Objekts. Eine Frequenz zwischen 200 und 1000 Hz gibt gute Resultate.

Nach Durchlaufen eines Tiefpaßfilters 14, dessen obere Grenzdurohlaßfrequenz unterhalb der angewendeten Impulsfolgefrequenz liegt, beispielsweise bei 50 Hz, registriert man lediglich die Hüllkurve dieser "RUokkehrsignale" in einer klassischen Registriervorrichtung 15 mit Aufzeichnung auf einen Papierstreifen.

Die Messung kann auch mit Hilfe eines Oszilloskops erfolgen. In diesem Falle bewegt sich der Leuohtfleck relativ langsam über den Schirm, das aus dem Filter kommende Signal wird den Y-Ablenkungsplatten zugeführt. Man mißt auf diese Weise leioht die Frequenz der Vibrationen, die keine andere als die Frequenz der Modulation der "RUokkehrsignale" ist. Nach Elchen der Amplitude der Rüokkehreohos mit Hilfe einer üblichen Vorrichtung zum Messen von Vibrationen, die vorübergehend unmittelbar an dem zu überwachenden Objekt angebracht wird, ist es möglich, die Amplitude der Vibrationen

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wie oben beschrieben durch Fernmessung elektronisch zu erfassen.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es notwendig, einen Ultraschallstrahl 5 zu verwenden, der ausreichend eng gebündelt 1st, damit die Rüokkehrsignale demjenigen Teil des Schallbündels 5 entsprechen, der von dem Objekt 1 reflektiert wird und auch eine ausreichende Amplitude hat.

Die Divergenz eines Ultrasohallstrahlenbündels ist umgekehrt proportional der Aussendungssohallfrequenz; sie nimmt zu, wenn der Durohmesser des aussendenden Teiles des Wandlers kleiner wird. Um ein Ultrasohallstrahlenbündel 5 zu erhalten, das nur um wenige Grade divergiert, und um tatsächlich ein Ultrasohallstrahlenbündel auf das vibrierende Objekt ausrichten bzw. konzentrieren zu können, wurde ein Ultraschallschwinger mit einem Durchmesser von zumindest oder mehr als 10 mm und einer Ultraschallfrequenz größer als 2 MHz benutzt.

Mit Hilfe der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung konnten Vibrationen einer Stange mit einem Durchmesser von 20 mm erfaßt werden, die sich in einem Abstand von 5 m von dem Wandler innerhalb der Flüssigkeit befand. Diese Stange vibrierte mit Frequenzen zwisohen 5 und 30 Hz.

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Claims (1)

1. - ίο -

   Patentanspruch

   Verfahren zum Erkennen und Messen von Gegenstände-Vibrationen mit Hilfe von Ultraschall, bei dem von einem elektroakustischen Wandler als Ultraschallschwinger ausgesandte akustische Wellen bzw. Wellenimpulse von dem Gegenstand reflektiert und bei ihrer Rückkehr zum Wandler erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

   - die aus gesandten akustischen Wellen (5) eine Impulsfolgefrequenz haben, die von einem Grund-Zeitglied (9) gesteuert wird und die deutlich größer ist als die Vibrationsfrequenz des Gegenstandes (1),

   - eine Auslese der von den zurückkehrenden akustischen Wellen im elektroakustisohen Wandler ausgelösten elektrischen Signale über ein elektronisches Tor (13)) erfolgt, das von dem Grund-Zeitglied mit einer einstellbaren, von dem Abstand zwischen Wandler und Gegenstand abhängigen Verzögerung gesteuert wird, bei einer Steuerimpulsfrequenz, die gleich der Impulsfolgefrequenz der vom Wandler ausgesandten akustischen Wellen 1st,

   - eine Messung der Modulationsfrequenz und -amplitude der ausgelesenen elektrischen Signale nach deren Durchgang durch ein elektronisches Tiefpaßfilter (14) erfolgt, dessen obere Qrenzdurohlaßfrequenz unterhalb der Impulsfolgefrequenz der ausgesandten akustischen Wellen liegt.

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