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Ultraschall-Meßverfahren zur Bestimmung von Wanddicken Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Wanddicke von Meßobjekten, wie z. B. Platten
und Rohren, mit Hilfe der am Meßobjekt auftretenden Resonanzschwingung.
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Es ist bekannt, ein Meßobjekt mit Dauerschall veränderlicher Frequenz
in Dickenrichtung zu beschallen. Entspricht die gesendete Schallfrequenz der Eigenfrequenz
des Meßobjektes, so wird dem Schallsender Leistung entzogen. Dieser Effekt wird
z. B. durch baessung des erhöhten Anodenstromes am Messinstruinent oder elektronisch
ausgewertet und ist ein Maß fiir die Wanddicke des Meßobjektes.
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Perner ist bekannt, das Meßobjekt zu Eigenschwingungen mit Dauerschall,
aber mit einem Frequenzgemisch anzuregen. Die Eigenschwingung wird herausgesiebt,
verstärkt und dem Kaßobjekt wieder zugefuhrt. Dieser Effekt ist bekannt als direkte
Riickkopplung. Das Meßobjekt wird dadurch zum frequenzbestimmenden Glied von Meßanordnungen.
Diese Prequenz ist ein Maß für die Wanddicke des Meßobjektes.
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Werden die Eigenschwingungen eines Meßobjektes verzögert und intermittierend
dem Meßobjekt wieder zugeführt, so liegt eine verzögerte Rückkopplung vor, vgl.
OS 2025210 der Anmelderin.
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Nach diesem Verfahren regt ein impulsgetasteter Schallsender das Meßobjekt
zu Eigenschwingungen an. Diese werden von einem Schallempfänger nach einer bestimmten
Verzörerungszeit wieder de Schallsender zugeführt. Die Frequenz der empfangenen
Eigenschwingungen ist ein Maß für die Wanddicke des keßobjektes. Die Verzögerungszeit
wird regelmäßig durch eine
Schallaufstrecke, z. B. in Form einer
Wasservorlaufstrecke, erreicht.
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Die Nachteile der bekanrlten Verfahren und Vorrichtungen liegen darin,
daß einmal die messung einer sekundären Größe erfolgt, wie beim Energieentzug aus
dem Schallsender. Dadurch ist das Leßergebnis immer fehlerbehaftet.
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Bei direkter Dauerschallrückkopplung verfälscht die Schallsendefrequenz
die Eigenfrequenz des Auschwingvorganges durch die Phasenverschiebung zwischen Schallsender
und schwingendem Meßobjekt. Das Verfahren der verzögerten Schallrückkopplung hat
aber den Nachteil, daß das Meßobjekt über eine Mindestvorlaufstrecke an die Prüfköpfe
angekoppelt werden muß. Die Vorlaufstrecke bewirkt eine Schallschwächung, so daß
dem Meßvorgang weniger Schallenergie zur Verfügung steht. Da Schallsender und Schallempfänger
gleichzeitig arbeiten, muß zwischen Schallsender und Schallempfänger eine hohe Übersprechdämpfung
(von beispielsweise 120 dB) vorhanden sein. Zwar kann das erreicht werden, indem
Sender und Empfänger voneinander getrennt und möglichst nahe am KeBobjekt angeordnet
werden. Allerdings benötigt man hierbei mindestens zwei getrennt einstellbare Prüfköpfe.
Das erschwert aber die Justierung und das Erreichen von optimalen Neßbedingungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
das erhöhte Meßgenauigkeit besitzt, ohne Verzögerungsstrecke arbeitet, geringe Übersprechdämpfung
hat, vereinfachte Justierung der Prüfköpfe gegenüber dem Meßobjekt ermöglicht und
technisch mit relativ einfachen elektronischen mitteln zu realisieren ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine vorbestimmte
Anzahl der abklingenden Eigenschwingungen des Içießobjektes abgezählt, in Abhängigkeit
von der Zähldauer zwecks Speicherung eine Regel- und Stellspannung digital oder
ar.log gebildet und durch diese die Frequenz einer frequenzveränderlichen digitalen
oder analogen Schaltung gesteuert wird, durch welche die Frequenz der Anregungsimpulse
so nachgeregelt
wird, daß diese sich der Eigenfrequenz des Meßobjektes
immer mehr angleichen.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daßzur Sendefrequenznachführung
eine analoge Schaltung als Stellspannung oder als Regelkreis ausgebildet werden
kann.
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Ferner kann zur Sendefrequenznachführung eine kombiniert digital-analoge
Schaltung als Stellspannung bzw. Regelkreis benutzt werden. Auch kann die gesamte
Sendefrequenznachführung digital erfolgen.
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Im übrigen ist das Verfahren unabhängig von der Art der Schallerzeugung
und arbeitet z. B. sowohl mit piezoelektrischen als auch mit magnetischen (magnetostriktiven
bzw. magnetoinduktiven) Prüfköpfen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert. Fig. 1 - 4 zeilen vereinfachte elektrische
Blockschaltbilder zur Ausführung des Verfahrens.
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Gemäß Fig. 1 wird ein Oszillator 1 mit geregelter Spannung, sg. VCO,
mit einer bestimmten Frequenz in Betrieb gesetzt, die von der Eigenfrequenz eines
Prüflings 2 abweicht. Ein Taktgeber 3 öffnet einen Sendetorzähler (4), ein Empfangstorzähler
5 wird gesperrt. Sendetorzähler 4 zählt z. B. zehn Schwingungen des Oszillators
1, die auf einen Sendeverstärker 6 gegeben werden und von dort auf einen Prüfkopf
7. Prüfkopf 7 gibt also die zehn Schwingungen an den Prüfling 2 ab.
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Hat der Sendetorzähler 4 zehn Schwingungen gezählt, wird das Sendetor-geschlossen
und das Empfangstor 5 geöffnet.
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Nachdem der Früfkonf 7 die zehn Schwingungen abgegeben hat, empfängt
er zumindest Rauschamplituden aus dem Prüfling , evtl.
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bereits, etwas überlagert, die Eigenfrequenzamplituden. Wegen der
begrenzten Empfängerempfindlichkeit werden nur die mehr oder weniger statistisch
verteilten Rauschamplitudenspitzen
vkom Empfänger 8 an den Empfangs
zähler 5 weitergegeben. Dort werden z. B. zehn Schwingungen gezählt und dann das
Empfangstor 5 geschlossen. Während der Länge des Empfangstores 5, d. h. der zeitlichen
Dauer, in welcher das Tor 5 für signale durchlässig (geöffnet) ist, erzeugt ein
Kippspannungsgenerator 9, vgl. Fig. 1, eine Spannung, die also von der Torlänge
abhängt. Die Endspanning des Kippgenerators 9 wird von einer Halteschaltung 10 gehalten
und damit die Frequenz des Oszillators 1 eingestellt. Der Oszillator 1 läuft nun
mit der neuen Frequenz. Der Taktgeber 3 öffnet den Sendetorzähler 4 ind der weitere
Ablauf findet - wie vorbezoichnet - statt. Auf diese Weise nähert sich die vom Sender
abgegebene Frequenz immer mehr der Eigenfrequenz des Meßobjektes 2.
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Die Wirkungsweise der Erfindung berücksichtigt also, daß ein Meßobjekt
2 in einem verzögert riickgekoppelten Kreis Eigenschwingungen ausführen kann. Wird
der Rückkopplungskreis aufgetrennt und der impuisgetastete Schallsender 6 mit der
Eigenfrequenz des Meßobjektes 2 betrieben, wird das Meßobjekt weiterhin Dickeneigenschwingungen
ausführen, Diese Eigenschwingungen werden auch ausgeführt, wenn die Anregungsfrequenz
nicht genau der Eigenfrequenz entspricht. Es ändert sich lediglich die Amplitudenhöhe
des Ausschwingvkorganges.
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Ist die Eigenfrequenz des Meßobjektes 2 nicht gleich der Anregungsfrequenz,
was sicherlich zu Beginn der Messung der Fall ist, so muß die Anregungsfrequenz
nachgeführt, d. h.
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geregelt oder gestellt werden, um eine auswertbare Amplitudenhöhe
des Ausschwingvorganges zu gewährleisten. Dann wird das von Prüfkopf 7 aufgenommene
Grundrauschen des Meßobjektes 2 tiber einen Verstarker des Empfängers 8 einem Empfangztorzähler
5 zugeführt. Dieser zählt z. B. die zehn Impulse ab und bildet daraus ein Empfangsrechtecktor.
Dieses Tor ist ein Baß fiir die Eigenfrequenz, die in der Auswerteschaltung 11 als
Dicke des Meßobjektes angezeigt werden kann. Der Anfang des Empfangnrechtecktores
startet einen Kippspannungsgenerator 9, der mit einer geeichten Kippfrequenz läuft.
Am Ende des Empfangsrechtecktores hat der Kippspannungsgenerator 9 eine bestimmte,
von
der Länge des Empfangsrechtecktores abhängige Spannung erreicht.
Diese Spannung wird von einer Halteschaltung 10 Pespeichert und dient dem spannungsvariablen
Oszillator 1 als Stellspannung. Dieser stellt sich entsprechend der Länge des Empfangsrechtecktores
auf eine Frequenz ein und behalt diese bis zur nächsten Neueinstellung bei. Auf
ein Signal des Taktgebers 3 zählt der Sendetorzähler 4 die z. B. zehn Schwingungen
des Oszillators 1 ab und leitet diese dem Sender 6 und damit dem Prüfkopf 7 zu,
der das Meßobjekt 2 nun schon mit nahezu seiner Sigenfreauenz anregt. während der
Sendezeit ist der Empfangstorzähler 5 durch den Sendetorzahler 4 gesperrt, wird
aber mit der letzten Schwingung des Sendeto,-zählers 4 in Betrieb genommen, um die
Eigenschwingungen des Meßobjektes 2 auszuzählen und ein erneutes Empfangsrechrecktor
herzustellen. Bei Ers@anregung des Meßobjektes 2 wird @ie. Amplitude des Ausschwingvorganges
sehr klein sein, da das meßobjekt entweder nur thermisches Rauschen abgibt oder
zu einer Frequenz angeregt wurde, die in der Regel von seiner Eigenfrequenz weit
entfernt liegt. Das wieder empfangene Grundrauschen enthält aber schon bevorzugt
die Eigenfrequenz.
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Diese Vorzugsfrequenz nimmt über mehrere Meßzyklen in der Amplitude
zu, d. h. der Oszillator 1 ändert seine Frequenz in Richtunar der Eigenfrequenz,
bis diese erreicht ist und bleibt dann konstant.
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Nach der Ausführungsform gemäß Pig. 1 wird der Oszillator 1 mit Hilfe
einer analogen elektronischen Schaltung gestellt.
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Es ist aber auch möglich, wie in Fig. 2 gezeigt, den Oszillator auf
andere Weise zu regeln. Dazu wird die ausgezählte Empfangsfrequenz, die vom Empfangstorzähler
5 geliefert wurde, und die momentane Frequenz des Oszillators 1 einem Phasenvergleicher
12 zugeführt, der den Oszillator 1 auf die Empfangsfrequenz hinregelt und mit Hilfe
der Halteschaltung 10 den so geregelten Oszillator 1 bis zum nächsten Meßzyklus
in seiner Frequenz konstant hält.
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Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 3 angegeben. Dabei wird das
Empfangs tor des Empfangstorzählers 5 von einem
Zählerwert 13 mit
hoher Genauigkeit ausgewählt und in einem Speicher 14 geseichert. Die gespeicherte
Information wirü einem sigital-Analog-l/andler 15 zugeführt, der die Stellspannung
für den Oszillator 1 erzeugt. Hierbei wird also die empfangene Information digital
aufbereitet und gespeichert, während bei Fig. 1 und Fig. 2 die Information analog
verarbeitet wird.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, den Oszillator 1 durch eine
andere elektronische digitale oder analoge Schaltung zu ersetzen, wie z.B. durch
ein Schieberegister oder eine Frequenzvervielfachungsschaltung.
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Hieraus sind nunmenr die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
ersichtlich, die hone Meßgenauigkeit bei der Bestimmung von Wanddicken gewährleisten,
ferner eine Unabhängigkeit von jeder Verzögerungsstrecke, wie z.B. Wasservorlaufstrecke,
d.h.
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das Verfahren ist sowohl für kontinuierliche Messungen in automatischen
Prüfanlagen als auch für Einzelmessungen, z.B.
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bei Handbetrieb mit Direktkontakt des Prüfkopfes geeignet.
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Dabei kann Ankopplung eines Piezomaterials über eine Flüssigkeit oder
durch magnetische Prüfkopfteile erfolgen. Letztere ist ohne Flüssigkeit möglich
und ist als trockene Ankopplung bekannt.
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Die Fig. 4 zeigt, wie z.B. gearbeitet wird, wenn der, bzw. die Prüfköpfe
über eine Flüssigkeitsvorlaufsstrecke ., angekoppelt wird bzw. werden.
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Der spannungskonstrollierte Oszillator 1 läuft nach dem Sinschalten
der Prüfeinrichtung mit einer bestimmten Frequenz an, die in der Regel von der Eigenfrequenz
des Prüflings abweicht.
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Der aktgeber 3 öffnet einen Sendetorzähler 4. Gleichzeitig wird der
Vor- Rückzähler 5a zur Vorwärtszählung gestartet und zählt, bis das Sendetor 4 schließt.
Der Sendetorzähler 4 zählt z.B. 10 Schwingungen der vom spannungskontrollierten
Oszillator 1 abgegebenen Frequenz und schließt dann.Die z.B. 10 Schwingungen werden
dann auf den Sendeverstärker o gegeben und von dort auf den Prüfkopf 7. Der Prüfkopf
7 gibt die IG' Schwingungen über die Vorlaufstrecke auf den Prüfling 2.
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Nachdem der prüfkopf r die 10 Schwingungen an den Prüfling 2 abgegeben
hat, empfängt er die an der Prüflingsoberfläche reflektierten Änregungssciiwingungen
und unmittelbar danach zumindest ein Rauschen aus dem Prüfling 2, wenn die Anregungsfrequenz
völlig unidentisch mit der Eigenfrequenz des Prüflings ist. Diesem Rauschen wird
bereits die Resonanzfrequenz etwas überlagert sein. Wegen der begrenzten Empfängerempfindlichkeit
werden nur die mehr oder weniger statistisch verteilten Amplitudenspitzen des Rauschens
vom Empfangsverstärker 8 an dem Empfangstorzähler 5 weitergegeben. Die Anfangeflanke
des reflektierten anregenden Wellenpaketes hat nach Durchgang durch den geregelten
Emofangsverstärker 8a den Vor- Rückzähler 5a bereits gestartet, d-h- zurücklaufen
lassen, bis zu seinem Ausgangspunkt. Zu diesem Zeitpunkt hat der Empfangstorzähler
5, d.h. beim Erreichen des Ausgangspunktes, geöffnet. Während der Länge des Empfangstores
erzeugt, wie vorstehend beschrieben, der Kippspannungsgenerator 9 eine Spannung,
die von der Torlänge und damit von der Empfangsfrequenz abhängt. Der weitere Ablauf
findet also, wie vorher bezeichnet, statt.
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Man erkennt leicht, wann die Eigenfrequenz erweicht ist, nämlich daran,
daß die den spannungskontrollierten Oszillator 1 regelnde Spannung sich nicht mehr
ändert. Man kann also, sobala keine Anderung mehr auftritt, einen Meßwert a>ageben,
indem die Sicherheitsschaltung 11a an den Auswerteblock 11 ein Freigabesignal gibt.
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Das Verfahren benötigt nur einen senkrecht einschallenden Prüfkopf,
kann aber auch mit einem Prüfkopf, in dem Sender und Empfänger getrennt sind oder
auch mit völlig getrennten (mehreren) Prüfköpfen, betrieben werden Ferner ist vorteilhaft,
daß mit einem einzigen Prüfkopf eine sehr leichtere Justiermöglichkeit des Meßobjektes
in Bezug auf den Prüfkopf gegeben ist. Es können alle Arten von Schallwandlern,
wie z.B. piezoelektrische oder magnetische, je nach A-nwendungsfall eingesetzt werden.
Da Sender und Empfänger nicht gleichzeitig arbeiten, entfällt die hohe Übersperchdämpfung,
d.h; Sender und Empfänger mpssen nicht direkt am Meßobjekt angeordnet werden. Auch
ist eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens durch relativ eitlfache elektronische
Mittel möglich.
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Ferner ist die Impulsfolgefrequenz in weiten Grenzen frei wählbar.