DE2223321A1

DE2223321A1 - Anordnung zur lokalisierung von fehlstellen in konstruktionsteilen mittels spannungswellen

Info

Publication number: DE2223321A1
Application number: DE19722223321
Authority: DE
Inventors: Warren Roger Hill; Peter Maurice Wingfield
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1971-05-13
Filing date: 1972-05-12
Publication date: 1974-01-03
Also published as: US3875381A; GB1343694A; DE2223321C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lokalisierung von Fehlstellen in Konstruktionsteilen und anderen Strukturen mittels sich in den Konstruktionsteilen ausbreitender Spannungswellen.

Aktive Fehlstellen oder Defekte, z.B. Risse, in Konstruktionsteilen und ähnlichen Strukturen können während der Belastungsprüfung der Konstruktionsteile oder sogar unter normalen Belastungsbedingungen zur Erzeugung von ßtoßartigen Spannungsv/ellen führen, die durch einen weiten Frequenzbereich gekennzeichnet sind und deren Energiemaximum sich mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet. Die Maxiiaa können mittels geeigneter FUhlglieder festgestellt und zur Lokalisierung, d.h. zur Feststellung der Lage der Fehlstellen verwendet v/erden.

Bei älteren Anordnungen zur Lokalisierung von Fehlstellen mittels Spannungswellen wird von einer Vorderflanken-Triggerung

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Gebrauch gemacht. Die Vorderflanken-Triggerung führt leicht zu unregelmäßigen Ergebnissen und ist daher nicht besonders genau.

Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde, eine

die

Anordnung zur Lokalisierung von Fehlstellen zu schaffen,/die genannten Nachteile der älteren Anordnungen nicht besitzt.

Ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Gattung ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ankunft eines Spannungswellen-Stoßes an einer Stelle des Konstruktionsteiles mittels eines Detektors festgestellt wird, welcher auf die Ankunft des Energiemaximums der Spannungswelle anspricht, indem die Amplitude einzelner Perioden eines an der Ankunfts-Stelle erzeugten und verstärkten Signales mit der Amplitude nachfolgender Perioden des Signales wiederholt mittels einer Vergleichsschaltung verglichen wird, die nur anspricht, wenn die Amplitude der nachfolgenden Perioden größer als die der vorhergehenden Perioden ist.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird von speziell ausgebildeten Fühlgliedern mit Wandlern Gebrauch gemacht, die in geeigneter Weise an verschiedenen Stellen des untersuchten Konstruktionsteiles angekuppelt sind. Die Wandler sind so gedämpft, daß sie einen erweiterten, in einem ausgewählten Frequenzgebiet liegenden Resonanzbereich besitzen. Mittels To&id -Übertragern sind sie an eine beispielsweise 50-0hm-Übertragungsleitung angepaßt. Eine Besonderheit der Erfindung ist die Anwendung der Spitzen- oder Maximum-Abtastung zur Bestimmung der Ankunft der einzelnen Spannungswellen-Stöße an den einzelnen Fühlglied-Stellen. Dadurch wird die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der mit der Anordnung erzielten Ergebnisse gegenüber den älteren Anordnungen mit Vorderflanken-Triggerung erheblich verbessert.

Zur Verstärkung der von den Wandlern abgegebenen Signale dienen spezielle Verstärker, die zur Erzielung eines großen dy-

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namischen Bereiches logarithmisch ausgebildet sind und in Verbindung mit einem Spitzendetektor zur Ermittlung der Signalspitze bzw. des Signalmaximums im Zeitbereich dienen. Eine Abtast- und Halteschaltung steuert bei Anregung durch eine Spannungswelle die Überstellung von Taktimpulsen in Register in Mikrobauweise auf dem eigenen Kanal und auf anderen ausgewählten Kanälen. Die Register nehmen dann während eines festgelegten Zeitintervalls Taktimpulse auf. Die Abtast- und Halteschaltung steuert während der Abtastung des logarithmisch verstärkten Signals wiederholt die Überführung des Inhalts eines Zählers in das Register so lange, bis das Maximum erreicht ist.

Die Unterschiede der in den einzelnen, jeweils einem Kanal zugeordneten Registern gespeicherten Zahlen entsprechen daher den Unterschieden der Ankunftszeiten der Spannungswelle an den einzelnen Fühlgliedern.

Die logarithmischen Verstärker dienen zweierlei Zwecken. Sie setzen die Signalverarbeitung in Gang und erzeugen außerdem ein summiertes Video-Ausgangssignal, das dem Logarithmus des Eingangssignales proportional ist. Das Video-Ausgangssignal mit seinem viel größeren dynamischen Bereich dient zur Bestimmung der Spitze bzw. des Maximums des Signals.

Andere Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Erkennung der Spannungswellen-Maxima an jeweils einer Stelle,

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Fig. 2 ein Blockschaltbild einer vollständigen Anordnung nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung umfaßt einen Wandler 1 mit einem piezo-elektrischen Kristall, der so hergestellt ist, daß er einen breiteren, in einem ausgesuchten Frequenzgebiet liegenden Resonanzbereich hat. Der Wandler 1 ist mittels eines toroidisch gewickelten Übertragers an eine Übertragungsleitung angepaßt, welche die Signale, die von dem Wandler 1 empfangenen Spannungswellen entsprechen, nacheinander zu mehreren, hintereinander geschalteten logarithmischen Verstärkern 2, 3, 4 und 5 weiterleitet. Jeder der Verstärker hat eine Nenn-Verstärkung von 1OdB, so daß zehn solcher Verstärker insgesamt eine Verstärkung von 10OdB erzeugen.

Wegen des großen dynamischen Amplituden-Bereiches der den Spannungswellen entsprechenden Signale ist es durchaus wahrscheinlich, daß das verstärkte Signal in den letzten Stufen der Verstärker-Kette den Aussteuerbereich der Verstärker überschreitet. Unabhängig davon spricht jedoch ein Schmitt-Trigger 13, der an den Ausgang der Verstärker-Kette angeschlossen ist, sofort dann an, wenn das Signal von den Verstärkern den Rauschpegel überschreitet. Der Schmitt-Trigger 13 triggert eine monostabile Kipp-

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schaltung 14, die so ausgelegt ist, daß für ein kurzes Zeitintervall von beispielsweise einer Millisekunde im eingeschalteten Zustand verbleibt. Solange die monostabile Kippschaltung 14 eingeschaltet ist, gelangen Taktimpulse, deren Frequenz 1 MHz beträgt und die von einem Taktimpulsgenerator 16 erzeugt werden, über ein Gatter 15 zu einem Zähler 12 in Mikrobauweise, welcher die Zahl der empfangenen Taktimpulse aufsummiert.

Zur Erkennung des Amplitudenmaximums des vom Wandler 1 erzeugten Signales umfaßt jeder logarithmische Verstärker einen Hüllkurven- oder Video-Detektor. Die Ausgangssignale der Htill-

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kurven-Detektoren werden auf einer gemeinsamen Leitung aufsummiert und stellen daher den Logarithmus der Signalamplitude, d.h. die Summe der Halbwellen der Signalamplituden in den ersten nicht übersteuerten Stufen der Verstärker-Kette plus der Zahl der übersteuerten Halbwellen in den letzten Stufen dar. Das Video-Signal steigt mit der Zeit von Periode zu Periode an, bis das Maximum erreicht ist. Mittels einer Abtast- und Halteschaltung 7 wird Jede Periode abgetastet; das Abtastergebnis wird in einem Kondensator 8 gespeichert, damit es mittels einer Vergleichsschaltung 9 mit einem Bruchteil der nächsten folgenden Periode des Signales verglichen werden kann. Dieser Bruchteil wird an einem Ohmschen Spannungsteiler 6 abgenommen.

Die Vergleichsschaltung 9 spricht nur an, wenn die Signalamplitude während der nachfolgenden Periode größer als die Signalamplitude während der vorhergehenden Periode ist. Im Falle des Ansprechens wird eine schnelle monostabile Kippschaltung 10 betätigt, die daraufhin die Abtast-und Halteschaltung 7 zurückstellt und außerdem kurzzeitig, z.B. für 200 Nanosekunden auf ein Register 11 einwirkt, das daraufhin die jeweilige im Zähler 12 enthaltene Summe übernimmt und speichert. Dieser Vorgang wiederholt sich Periode für Periode, bis die Signalamplitude ihr Maximum erreicht. Dann wird der Inhalt des Zählers nicht mehr in das Register überstellt.

Aufgrund dieser Anordnung stellen also die Unterschiede der Inhalte der den verschiedenen Kanälen zugehörigen und an die verschiedenen Wandler angeschlossenen Register die Unterschiede der Ankunftszeiten der Spannungswellen-Maxima an den einzelnen Wandlern dar. In Fig. 2 stellt jedes der Rechtecksymbole 2OA, 2OB, 2OC ... 2ON eine Schaltung gemäß Fig. 1 dar. Jede Schaltung 20 gehört zu einem von mehreren, ,jeweils an einen von mehreren Wandlern 1A, 1B, 1C, ... 1N angeschlossenen Kanal. Die Ausgangssignale aller Kanäle sind zusammen in eine Steuereinheit 17 hineinge-

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schaltet und werden von dieser mittels einer zwischengeschalteten Multiplex-Eingangs-Ausgangs-Schaltung 18 auf Unterbrechungsbasis zu einem digitalen 16 K—Speicher-Rechner 19 übertragen.

Der Rechner führt mit den Zeitunterschieden, die durch die unterschiedlichen Inhalte der verschiedenen, jeweils einem Kanal zugeordneten Register dargestellt werden, ein Vergleichsprogramm aus und speichert die daraus gewonnene Information in Gruppen, die nach Wandler-Identifizierungen und in der Reihenfolge der Ankunftszeiten angeordnet sind. Diejenigen aus den einzelnen Wandler-Gruppen abgeleiteten Zeiten, deren Werte unter Berücksichtigung einer zuvor festgelegten Fehlerbreite gleich sind, werden fortlaufend gemittelt und je nach Anzahl der festgestellten gleichen Zeitunterschiede in einem dynamischen Knoten-Ketten-Speicher auf höherer Ebene neu angeordnet. Die derart korrigierten Zeitdaten werden periodisch zur Berechnung der Lage der Fehlstellen herangezogen. Das Rechner-Programm umfaßt Informationen über das Konstruktionsteil, d.h. über seine Geometrie, über die Ausbreitungsgeschwindigke.it der Spannungswellen, die anordnung der Wandler u.s.w. . Das Programm sieht eine flexible Verbindung zu einem XY-Schreiber 21 vor, welcher einen Lageplan der Fehl- und Störstellen erzeugt. Die gleiche Information kann alternativ mittels eines Fernschreibers 22 auf Papierstreifen wiedergegeben werden.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1.) Anordnung zur Lokalisierung von Fehlstellen in Konstruktionsteilen und anderen Strukturen mittels sich in den Konstruktionsteilen ausbreitender Spannungswellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankunft eines Spannungswellen-Stoßes an einer Stelle des Konstruktionsteiles mittels eines Detektors (6, 7, 8, 9, 10) festgestellt wird, welcher auf die Ankunft des Energie-maximumsder Spannungswelle anspricht, indem die Amplitude einzelner Perioden eines an der Ankunfts-Stelle erzeugten und verstärkten Signales mit der Amplitude nachfolgender Perioden des Signales wiederholt mittels einer Vergleichsschaltung (9) verglichen wird, die nur anspricht, wenn die Amplitude der nachfolgenden Perioden größer als die der vorhergehenden Perioden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Jede Periode des verstärkten Signals mittels einer Abtast- und Halteschaltung (7, 8) abgetastet wird, in welcher das Abtastergebnis jeder Periode zum Zweck des Vergleichs mit einem Bruchteil der jeweils folgenden Periode des Signals gespeichert wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung des Abtastergebnisses jeder Periode ein Kondensator (8) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzeugung des Bruchteils der jeweils folgenden Periode ein ohmscher Spannungsteiler (6) vorgesehen

ist.

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5. Anordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß das verstärkte Signal zur Triggerung einer Einrichtung (14) dient, welche die Weiterleitung von Taktimpulsen aus einem Taktimpulsgenerator (16) zu einem Zähler (12) steuert.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeic hn e.t , daß das verstärkte Signal einem Schmitt-Trigger (13) zugeführt wird, mittels welchem eine monostabile Kippschaltung (14) triggerbar ist, die die Weiterleitung der Taktimpulse mittels eines Gatters (15) steuert.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung (9) die Öffnung eines Registers (11) steuert, welches dann die jeweils im Zähler (12) enthaltene Summe der Taktimpulse empfängt und speichert.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung eine schnelle monostabile Kippschaltung (10) und diese ihrerseits die Öffnung des Registers (11) steuert.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle monostabile Kippschaltung (10) außerdem zur Rückstellung der Abtast- und Halteschaltung (7» 8) nach jeder Periode dient.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch g ekennzeichnet , daß für die Verstärkung des an der Ankunfts-Stelle erzeugten Signals mehrere hintereinander geschaltete, logarithmische Verstärker (2-5) vorgesehen sind.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeder logarithmische Verstärker einen Hüllkurvenoder Videodetektor umfaßt, deren Ausgangssignale summiert

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werden und das der Abtast- und Halteschaltung (7, 8) zugeführte Signal bilden.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 Ms 11, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Register (11), die jeweils einer Stelle des Konstruktionsteiles zugeordnet sind, zusammen an eine Steuereinheit (17) und von dieser mittels einer zwischengeschalteten Multiplex-Eingangs-Ausgangs-Schaltung (18) an einen digitalen Rechner (19) angeschaltet sind, der mit Informationen unter anderem über die Geometrie des Konstruktionsteiles, die Lage der Ankunfts-Stellen und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Spannungswellen programmxert ist.

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