DE2346920A1 - Messgeraet fuer die durchgangsgeschwindigkeit von ultraschall durch ein zu untersuchendes material - Google Patents

Description

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Diving. R. BLETZ Jr. β Minehen 22, Steirwdorfetr. If

53O21.406P 18. 9· 1973

Institut Elektrosvarki imeni E. O. Patona Akademii Nauk Ukrainskoj SSR, Kiev (UdSSR)

Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Ultraschalltechnik, insbesondere ein Meßgerät für die Durchgangsgeschwiildigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material.

Sie kann zur Untersuchung von Eigenschaften verschiedener Materialien im festen oder flüssigen Zustand eingesetzt werden, und zwar: zur Bestimmung der Konzentration chemischer Komponenten, der Dichte, des spezifischen Gewichtes, der Viskosität, der Fließbarkeit von

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zu untersuchenden Materialien, als Analysator von Temperaturverhalten und Geber physikalischer Parameter bei verschiedenen technologi sehen Prozessen, zur Ermittlung geometrischer Abmessungen, mechanischer Frequenz, der Anisotropie und der Elastizitätskonstanten bei festen Körpern.

Am wirksamsten wird das erfindungsgemäße Gerät bei einer zerstörungsfreien Messung von bleibenden Spannungen in Metallen und Stahlkonstruktionen, beispielsweise nach einer Schweißung, verwendet.

Es ist ein Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material bekannt, das auf einem Impulsfrequenzmeßverfahren für die Ausbreitungszeit von Ultraschallwellen unter Verwendung eines sogenannten Systems der Autozirkulation eines Impulses aufbaut (vgl. z. B. R. Z. Forgacs, "Improvement in the sing-around Technique", The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 32, Nr. 12, 1960).

Das Prinzip der Autozirkulation läuft darauf hinaus, daß ein durch ein zu untersuchendes Material wandernder Impuls zur wiederholten Auslösung eines Impulsgenerators elektrischer oder Stromimpulse verwendet wird. Infolgedessen wird beim Gerät eine bestimmte Impulsfrequenz eingestellt, die durch die Verzögerungszeit des Impulses in dem zu untersuchenden Material bestimmt wird.

Das Blockschaltbild eines derartigen Geräts stellt eine Reihen-

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schaltung von einem Stromimpulsgenerator, einem Ultraschallstrahler, einem zu untersuchenden Material, einem Ultraschallempfänger, einem Verstärker und einem Detektor dar. Der Ausgang des Detektors ist mit dem Eingang eines ersten Selektors gekoppelt, dessen zweiter Eingang an den Ausgang des Generators angeschlossen ist. Der Ausgang des ersten Selektors ist mit dem Eingang eines zweiten Selektrors gekoppelt, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, und der Ausgang des zweiten Selektrors ist über einen Umschalter mit dem Eingang des Generators verbunden. Der Umschalter schaltet den Eingang des Generators entweder an den Ausgang des zweiten Selektrors oder an den Ausgang eines Referenzoszillators an. Darüber hinaus wird an die Schaltung ein Frequenzmesser für die Autozirkulation angeschlossen.

Der Stromimpulsgenerator speist in das zu untersuchende Material mittels eines Ultraschallstrahlers einen starken Ultraschallimpuls ein. Das durch den Ultraschallempfänger aufgenommene Signal wird durch einen Verstärker verstärkt und gelangt auf einen Detektor. Da beim Messen in einem zu untersuchenden Material normalerweise gleichzeitig eine Vielzahl von durch dessen Grenzen reflektierten Ultraschallimpulsen beobachtet wird, stellt das Signal am Ausgang des Detektors eine Stromimpulsreihe oder -folge dar. Mit Hilfe des ersten Selektors wird aus dieser Reihe ein Stromimpuls gewählt. Zu diesem Zweck trifft vom Stromimpulsgenerator am zweiten Eingang des ersten Selektors ein Hilfsimpuls ein, der nach Durchgang durch eine von einem Bediener regelbare Verzögerungsleitung zeitlich mit einem der Stromimpulse der Reihe zusammenfällt. Ein durch den

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ersten Selektor erzeucjter Koinzidonzimpuls stellt einen Stufenimpuls dar. Die Dauer seiner Vorderflanke ist groß, und deshalb ist er für die Auslösung des Stromimpulsgenerators ungeeignet. Im weiteren gelangt er auf den Eingang des zweiten Selektors, wo unter dessen Einwirkung ein Stromimpuls geformt wird, der durch die vom Bediener regelbare Verzögerungsleitung wandert und infolgedessen um die Zeit verzögert wird, die für dessen Koinzidenz mit einer bestimmten Halbperiode von Hochfrequenzschwingungen nötig ist, die einen Stromimpuls darstellen, der am zweiten Eingang des zweiten Selektors vom Ausgang des Verstärkers eintrifft und einem bestimmten Stromimpuls am Ausgang des ersten Selektors entspricht. Diese Halbperiode wird durch die Koinzidenzschaltung des zweiten Selektors durchgelassen und gelangt, indem sie die Rolle eines Impulses zur wiederholten Auslösung übernimmt, über einen Kommutierungsschalter auf den Eingang des Stromimpulsgenerators.

Zur Erzeugung des ersten Taktes im geschlossenen System der Autozirkulation wird der Referenzoszillator über den Kommutierungsschalter für die erforderliche Zeit an den Eingang des Strom im pulsgenerators angeschlossen, wodurch dieser zwangsläufig ausgelöst wird. Im folgenden beteiligt sich der Referonzoszillator nicht mehr am Betrieb der Schaltung.

Nach der gemessenen Impulsfolgefrequenz der Autozirkulation wird die Durchgangsgeschwindigkeit des Ultraschalls durch ein zu untersuchendes Material aufgrund bekannter Formeln ermittelt.

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Das bekannte Gerät weist folgende Nachteile auf: erstens die Kompliziertheit von Funktionszusammenhängen zwischen den einzelnen Elementen des Blockschaltbildes, zweitens das Vorhandensein von manuellen Operationen im Betrieb der Autozirkulation des Impulses, drittens die Unmöglichkeit einer konkreten Ermittlung der Nummer eines Seilektorimpulses, viertens die durch das Vorhandensein der regelbaren Verzögerungsleitungen bedingte Begrenzung des Frequenzbereiches der Autozirkulation, der den Bereich der geometrischen Abmessungen des zu untersuchenden Materials einschränkt.

Darüber hinaus hängt die zu messende Durchgangsgeschwindigkeit des Ultraschalls durch ein zu untersuchendes Material von der Frequenz der angeregten Ultraschallwellen ab, denn je höher sie ist, desto kürzer ist die Vorderflanke der gewählten Halbperiode des den Stromimpulsgenerator auslösenden Stromimpulses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Mangel zu vermeiden und ein Präzisionsgerät zum Messen der Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material zu schaffen, das den Meßbereich wesentlich erweitert.

Diese Aufgabe wird bei einem Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material, das miteinander in Reihe geschaltet enthält einen Impulsgenerator elektrischer bzw. Stromimpulse, einen Strahler des durch das zu untersuchende Material durchgehenden Ultraschalls und einen Ultra-

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schallempfänger, die auf vorschiedonen Seiten des zu untersuchenden Materials angeordnet sind, sowie einen Verstärker und einen Detektor, erfindungsgemäß gelöst durch einen Impulszähler, von dem angeschlossen ist ein erster Eingang an den Ausgang des Detektors, ein zweiter Eingang an den Ausgang des Impulsgenerators und ein Ausgang an den Eingang des Impulsgenerators, und durch eine Einheit zur zwangsläufigen Auslösung des Impulsgenerator, deren Eingang mit einem anderen Ausgang des Verstärkers und deren Ausgang mit dem Eingang des Impulscjenerators verbunden ist.

Diese Ausbilduncj ermöglicht, die Meßgenauigkeit wesentlich zu erhöhen und den Meßbereich bei gleichzeitiger Vereinfachung der gesamten Blockschaltung des Geräts zu erweitern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und beiliegender Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild des Meßgeräts für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 Zeitdiagramme elektrischer Vorgänge an verschiedenen Punkten des Blockschaltbildes des Geräts gemäß der Erfindung .

Das erfindungsgemäße Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material enthält einen

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Impulsgenerator 1 elektrischer oder Stroniimpulse (Fig. l), einen Strahler 2 von durch ein zu untersuchendes Material 3 gehenden Ultraschall, einen Ultraschallempfänger 4 , einen Verstärker 5, einen Detektor 6, einen Impulszähler 7 sowie eine Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung des Stromirnpulsgenerators 1, die in Reihe geschaltet sind, wobei der Eingang der Einheit 8 an einen der Ausgänge des Verstärkers 5 und der Ausgang an den Eingang des Generators 1 angeschaltet ist.

Darüber hinaus ist der eine der Eingänge des Impulszählers 7 an den Ausgang des Strom impulsgenerators 1 angeschlossen.

Bei Direktmessungen der Geschwindigkeit des durch das zu untersuchende Material 3 durchgehenden Ultraschalls werden an die Blockschaltung des Geräts im Meßpunkt verschiedene Geräte angeschaltet, während zur unmittelbaren Sichtanzeige und Kontrolle ablaufender elektrischer Vorgänge ein Oszillograph eingesetzt wird.

Als Ultraschallstrahler 2 und Ultraschallempfänger 4 können die verschiedenartigen bekannten Ultraschallgeber, beispielsweise Quarzgeber, verwendet werden. Der Strahler 2 und der Empfänger werden an den gegenüberliegenden Oberflächen des zu untersuchenden Materials 3 angeordnet.

Das erfindungsgemäße Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch das zu untersuchende Material arbeitet wie folgt:

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Betrachtet sei die Arbeitsweise des Geräts mit einem Ausgangszustand zu einem Zeitpunkt, zu dem der Ultraschallimpuls durch das zu untersuchende Material 3 nicht durchkommt. In diesem Fall gelangen vom Ultraschallempfänger 4 auf den Eingang des Verstärkers 5 keine Stromimpulse. Infolgedessen bleibt an einem der Ausgänge des Verstärkers 5 und folglich auch am Eingang der Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung die Gleichspannung aus, die den optimalen Verstärkerbetrieb des Verstärkers 5 steuert, weil diese Spannung erst dann entsteht, wenn am Eingang des Verstärkers 5 zu verstärkende Strom impulse eintreffen. Da im vorliegenden Fall diese Spannung ausbleibt, erzeugt die Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung Stromimpulse einer Eigenfolgefrequenz F (Fig. 2a). Diese Frequenz F ist bewußt kleiner als eine Arbeitsfrequenz F , die beim Gerät im eingeschwungenen Zustand für die Geschwindigkeitsmessung des Ultraschalls beim Durchgang durch das zu untersuchende Material erzeugt wird.

Würde die Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung nach dem ersten durch sie erzeugten Stromimpuls einen zweiten (in Fig. 2a gestrichelt angedeutet) erzeugen, so würde dieser zweite Stromimpuls vom ersten zeitlich um den Wert der Eigenfolgeperiode T (Fig. 2a) beabstandet sein.

Der Wert der Eigenfolgefrequenz F wird durch die Notwendigkeit der Ausnutzung der Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung in einigen Fällen als unabhängiger Generator von elektrischen bzw. Strom impulsen bedingt, die den Generator 1 bei optischer Abstimmung des Geräts , beispielsweise bei einer qualitativen Kontrolle der Intensität

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des Durchganges von Ultraschall durch das zu untersuchende Material, auslösen. Bei dieser Betriebsart wird dem Eingang der Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung eine Fremdspannung zugeführt, und die Einheit 8 beginnt, Stromimpulse mit der Eigenfolgefrequenz F kontinuierlich zu erzeugen.

Nachdem die Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung den' ersten Stromimpuls (Fig. 2a) erzeugt hat, gelangt dieser Impuls auf den Eingang des Strom im pulsgenerator 1 und löst ihn aus. Infolge der zwangsläufigen A.uslösung des Generators 1 erzeugt er den ersten eigenen Stromimpuls (Fig. 2b).

Dieser Impuls steuert seinerseits einmal den Ultraschallstrahler 2 an, der in das zu untersuchende Material 3 den ersten Ultraschallimpuls (Fig .2c) einspeist, zum anderen führt er den Impulszähler 7, indem er an dessen Eingang ankommt, in den (Ö)-Ausgangszustand für die Zählung über. Der Ausgangszustand wird dadurch charakterisiert , daß am Ausgang des Impulszählers 7 in diesem Augenblick die Spannung (Fig. 2d) ausbleibt. Die Zählung kann in einem beliebigen Code, beispielsweise in einem Dezimalcode, erfolgen.

Es sei nun wieder der Prozeß des Durchganges des ersten Ultraschallimpulses (Fig. 2c) durch das zu untersuchende Material betrachtet.

Dieser Impuls läßt den Ultraschallempfänger 4, nachdem er das zu untersuchende Material 3 passiert hat, einen Stromimpuls (Fig. 2e) aussenden.

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Bekanntlich errechnet sich die Zeit t (Fig. 2e) zwischen dem Anfang (Fig. 2c; t = O) des ersten Ultraschallimpulses und dem Anfang (Fig. 2e; t = t ) des ersten am Ultraschallempfänger 4 von dem durch das zu untersuchende Material 3 hindurchgeschickten Ultraschallimpuls ausgelösten Stromimpulses nach der Beziehung:

mit 1 = Abstand fm ] zwischen den gegenüberliegenden Flächen des zu untersuchenden Materials 3, an denen der Ultraschallstrahler 2 und der Ultraschallempfänger 4 angeordnet sind,

ν = Durchgangsgeschwindigkeit [m/s] von Ultraschall durch das zu untersuchende Material 3.

Nach der Auslösung des ersten Stromimpulses (Fig. 2e; t =t₁) durch den Empfänger 4 klingt der erste Ultraschallimpuls nicht ab. Er wird Jiormalerweise durch die Fläche des zu untersuchenden Materials 3 reflektiert, auf der der Ultraschallempfänger 4 angeordnet ist, und kommt zu der Fläche zurück, auf der der Ultraschallstrahler 2 liegt. Dann wird dieser Ultraschallimpuls, wobei er an seiner Stärke zum Teil einbüßt, von der Fläche reflektiert, auf der der Ultraschallstrahler 2 liegt, und pflanzt sich wieder in Richtung der Fläche fort, auf der der Ultraschallempfänger 4 angeordnet ist, wobei er diesen Empfänger 4" einen zweiten (wiederholten) Stromimpuls (Fig. 2e$ t = t ) erzeugen läßt, dessen Amplitude kleiner als die beim ersten durch den

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Empfänger 4 vorher ausgesandten Stromimpuls (Fig. 2e) ist. Dieser Vorgang einer wiederholten Auslösung von Stromimpulsen (Fig. 2e) mit absteigender Amplitude geht weiter, bis die Stärke des ersten von den gegenüberliegenden Flächen des zu untersuchenden Materials 3 reflektierten Ultraschallimpulses auf den Wert Null abgesunken ist. Da nach der Auslösung des ersten Stromimpulses bis zur Auslösung des zweiten Stromimpulses durch den Empfänger 4 der erste Ultraschallimpuls bei den Reflexionen den doppelten Abstand zwischen den gegenüberliegenden Flächen des zu untersuchenden Materials 3 durchläuft, werden die Zeitintervalle (Fig. 2e) zwischen dem Anfang des ersten durch den Ultraschallempfänger 4 ausgelösten Stromimpulses und dem zweiten Stromimpuls, zwischen dem zweiten Stromimpuls und dem dritten, zwischen dem η-ten und dem (n+l)-ten Stromimpuls usw. gleich 2t (Fig. 2e) sein, während die Zeit T_n zwischen dem Anfang des ersten Ultraschallimpulses (Fig. 2c; t = 0) und dem Anfang des vom Empfänger 4 durch die n-te Reflexion des durch das zu untersuchende Material 3 hindurchgeschickten Ultraschallimpulses ausgelösten Stromimpulses nach der Beziehung errechnet wird:

T_n = (2n -D-I₁ [s] (2)

mit n=l, 2, 3, 4... - Nummer des durch den Empfänger 4 ausgelösten Stromimpulses.

Die Folge der sich nach der Amplitude ändernden, am Ultraschallempfänger 4 vom ersten durch das zu untersuchende Material 3 mehrfach hindurchgeschickten Ultraschallimpuls (Fig. 2c) angeregten

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Stromimpulse (Fig. 2e) gelangt auf den Eingang des Verstärkers 5, wo sie verstärkt wird. In den Fällen, wo auf den Eingang des Verstärkers 5 zu verstärkende Stromimpulse, im betreffenden Fall vom Ultraschallempfänger 4, gelangen, liegt an einem der Ausgänge dieses Verstärkers und folglich auch am Eingang der Einheit 8 zur zwangsweisen Auslösung eine Gleichspannung an, die den optimalen Verstärkerbetrieb des Verstärkers 5 steuert. Da im betreffenden Fall diese Spannung vorliegt, hört die Einheit 8 mit der Erzeugung der Stromimpulse auf. Nach dem Erscheinen des ersten eigenen Stromimpulses am Ausgang des Generators 1, wo durch das zu untersuchende Material 3 der erste Ultraschallimpuls hindurchgeschickt wurde, bleibt also infolge der Einstellung der Arbeit der Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung der zweite Stromimpuls am Ausgang des Generators 1 aus. Jedoch tritt infolge des Überganges des Geräts in den Betrieb einer automatischen Auslösung am Ausgang des Generators 1 ein zweiter Stromimpuls auf.

Bei der Beschreibung der weiteren Arbeit des erfindungsgemäßen Geräts nach Fig. 2e ist es erforderlich, eine bedingte Annahme zu machen, die in folgendem besteht: Bei einer bestimmten Nummer η (beispielsweise bei der vierten, d. h. bei t = 7t ) des durch den Ultraschallempfänger 4 ausgelösten Stromimpulses wird im weiteren der aufgezeichnete Kurvenverlauf verzerrt.

Jedoch sei dieser zur Übersichtlichkeit der Erläuterung der Zeitintervalle unverändert gelassen, wobei angenommen werden soll, daß nach dem η-ten (in diesem Fall vierten) Stromimpuls er dem Kurven-

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verlauf nach Fig. 2f ähnlich wird, der den tatsächlichen Verlauf der Arbeit des erfindungsgemäßen Geräts im eingeschwungenen Betrieb abbildet.

Eine kontinuierliche Reihe oder Folge der verstärkten Stromimpulse (Fig. 2f) trifft also vom Ausgang des Verstärkers 5 am Eingang des Detektors 6 ein, wo sie einer Amplitudenmodulation unterzogen wird. Vom Ausgang des Detektors 6 gelangen die eine größere Vorderflankendauer aufweisenden Stromimpulse (Fig. 2g) auf den Eingang des Impulszählers 7, wo sie zuerst zwecks Reduzierung um eine Größenordnung von deren Vorderflankendauer (Fig. 2 h) und Amplitudengleichrichtung geformt und dann gezählt werden. Der Zweck der Zählung besteht darin, von der Reihe der am Eingang des Impulszählers 7 eingetroffenen Stromimpulse (Fig. 2g) einen bestimmten Stromimpuls mit der Nummer η abzutrennen und dann diesen Impuls zur Auslösung des Generators 1 auszunutzen.

Angenommen, die Nummer η ist gleich vier. Dann tritt im Augenblick des Eintreffens des der Reihe nach vierten Stromimpulses (Fig. 2g; t = 7t ) am Eingang des Impulszählers 7, der sich vorher im (O)-Ausgangszustand (Fig. 2d; t < 7t ) befand, am Ausgang des Impulszählers 7 ein Gleichspannungssprung (Fig. 2d; t = 7t.) mit einer um eine Größenordnung kleineren Vorderflankendauer als bei den zur Auslösung des Strom impulsgenerators bei allen bekannten Geräten verwendeten Stromimpulsen auf, und dies erhöht bekanntlich um eine Größenordnung die Meßgenauigkeit für die Durchgangsgeschwindigkeit des Ultraschalls durch ein zu untersuchendes Material.

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Indem der Spannungsstoß (Fig. 2d; t = 7t ) vom Ausgang des Impulszählers 7 am Eingang des Stromimpulsgenerators 1 erscheint, löst er mit seiner Vorderflanke den Generator 1 aus. Der Generator 1 erzeugt also einen zweiten Stromimpuls (Fig. 2b; T = 7t), d.h. er geht in den Betrieb einer automatischen Auslösung, wie schon erwähnt, über.

Der Gleichspannungsstoß (Fig. 2d; t = 7t ) liegt am Ausgang des Impulszählers 7 an, bis an dessen zweitem Eingang ein durch den Generator 1 erzeugter Stro.mimpuls (Fig. 2b) eingetroffen ist, der, nachdem er im Impulszähler 7 eine bestimmte konstante Zeitverzögerung X^ (Fig. 2d; X) erfahren hat, den sich bis dahin andauernden Gleichspannungsstoß (Fig. 2d$ t = 7t + C ) am Ausgang

χ. Ο

des Zählers 7 abklingen läßt, d. h. daß er damit einmal die Dauer des Auslöseimpulses des Generators 1 formt und zum anderen den Impulszähler 7 in den (O)-Ausgangszustand für die Zählung überführt. Nunmehr befindet sich der Impulszähler 7 vom Augenblick t = 7t + X

an in Erwartung des der Reihe nach vierten Stromimpulses in einer an seinem Eingang neu ankommenden Stromimpulsreihe (Fig. 2d), die sich infolge einer Wiederholung vom Augenblick t = 7t desselben Vorganges an ausbildet, der in dem erfindungsgemäßen Gerät vom Augenblick t = t an abläuft, wo der Stromimpuls (Fig. 2) des Generators 1 den Ultraschallstrahler 2 ansteuert.

Hierbei liegt am Eingang der Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung stetig eine Gleichspannung an, die den optimalen Verstärkerbetrieb des Verstärkers 5 steuert, weshalb die Einheit 8 keine Strom-

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impulse der Eigenfolgefrequenz F erzeugt, d. h. die Einheit 8 ist im eingeschwungenen Zustand des Geräts abgeschaltet.

Im weiteren bewirken also die nachfolgenden Stromimpulse vom Ausgang des Generators 1 in dem erfindungsgemäßen Gerät einen ähnlichen Vorgang, und das Gerät beginnt daher, im eingeschwungenen Betrieb nach dem Prinzip der Ansteuerung des Strom impulsgenerator s 1 durch einen geschlossenen Kreis durchlaufende Stromimpulse, d. h. nach dem Prinzip der Autozirkuiation, zu arbeiten. Dieser Stromkreis setzt sich bei dem erfindungsgemäßen Gerät aus folgenden Elementen zusammen: Stromimpulsgenerator 1, Ultraschallstrahler 2, zu untersuchendes Material 3, Ultraschallempfänger 4, Verstärker 5, Detektor 6, Impulszähler 7, Stromimpulsgenerator 1.

Falls hierbei aus irgendeinem Grund, beispielsweise infolge einer kurzzeitigen mechanischen Verschiebung des Ultraschallstrahlers 2 bezüglich der Oberfläche des zu untersuchenden Materials 3, der Durchgang von Ultraschallimpulsen durch dieses Material 3 aufhört, was mit einer Einstellung des Vorganges der Autozirkuiation gleichbedeutend ist, gelangt auf den Eingang der Einheit 8 infolge des Fehlens der vom Ultraschallempfänger 4 ankommenden Stromimpulse am Eingang des Verstärkers 5 keine den optimalen Verstärkerbetrieb des Verstärkers 5 steuernde Gleichspannung, und die Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung wird (in Fig. 2a gestrichelt angedeutet) Stromimpulse mit der Eigenfolgefrequenz F erzeugen. Dieser Stromimpuls löst den Generator 1 zwangsläufig aus, worauf im Gerät der Prozeß der Autozirkulation in der oben beschriebenen Reihenfolge wiederhergestellt wird.

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Die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Geräts, den Prozeß der Autozirkulation selbständig wiederherzustellen, reduziert die zur Durchführung einer Messung gegenüber den bekannten Geräten erforderliche Zeit.

Bevor zur Beschreibung mathematischer Beziehungen, nach denen die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material berechnet wird, übergegangen wird, sei noch ein wichtiger Umstand betrachtet, der gleichermaßen ebenso dem erfindungsgemäßen Gerät wie auch den bekannten, nach dem Prinzip der Autozirkulation aufgebauten Geräten, die einzelne, in einem geschlossenen Kreis liegende Funktionselemente aufweisen, eigen ist.

Bis jetzt wurde bei der Beschreibung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Geräts bewußt unterstellt, daß die Durchgangszeit f. beim Durchgang eines Stromimpulses vom Eingang bis zum Ausgang eines beliebigen Funktionselementes seiner Blockschaltung (Fig. l) mit Ausnahme des zu untersuchenden Materials 3 gleich Null ist. Diese Annahme gab die Möglichkeit, Diagramme (Fig. 2) für elektrische Vorgänge an verschiedenen Punkten des Blockschaltbildes (Fig. 1) ohne wesentliche verfahrenstechnische Schwierigkeiten aufzubauen. Nichtsdestoweniger ist es bekannt, daß ein durch ein Funktionselement eines geschlossenen Kreises der Autozirkulation wandernder Stromimpuls um eine Zeit X verzögert wird, die er benötigt, um etwas umzuformen bzw. umgeformt zu werden, was dem betreffenden Funktionselement eigen ist.

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Aufgrund des vorstehend Erwähnten kann eine Größe Σ Τ eingeführt werden als die gesamte Verzögerungszeit eines durch sämtliche Funktionselemente eines geschlossenen Kreises der Autozirkulation (außer dem zu untersuchenden Material) hindurchgeschickten Stromimpulses. Dann wird die gesamte Verzögerungszeit T eines durch einen geschlossenen Kreis der Autozirkulation des ganzen Geräts wandernden Stromimpuls nach der Formel errechnet:

η η
ο

mit T_n = Verzögerungszeit eines Ultraschallimpulses in dem zu untersuchenden Material bei der η-ten Nummer von durch diesen ausgelösten Stromimpulsen des Ultraschallempfängers, d. h. nach Gleichung (2)

T = (2n - 1) · t ,

ο ^L

]£ TT = gesamte Verzögerungszeit £sj beim Durchgang des n-ten Stromimpulses vom Eingang bis zum Ausgang sämtlicher Funktionseinheiten des Geräts.

Gemäß Gleichung (3) soll sich im geschlossenen Kreis der Autozirkulation des Geräts die Folgefrequenz F von aus dem Stromimpulsgenerator 1 kommenden und zu ihm nach dem Durchgang durch den geschlossenen Kreis zurückkehrenden Stromimpulsen einstellen zu:

η Τ Τ +

η η

[Hz] (4)

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Dann errechnet sich die Geschwindigkeit des durch das zu untersuchende Material gehenden Ultraschalls nach der Beziehung:

(2n - 1) · F -1
ν = [m/s] '(5)

T
η

Falls gilt:

η
nimmt die Beziehung (5) eine vereinfachte Form an:

ν = (2n - 1) · F -1 fm/sl (6).

η LJ

Um die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch das zu untersuchende Material 3 mittels des erfindungsgemäßen Geräts zu messen, muß man also ebenso wie bei den bekannten Geräten an die Meßpunkte einen Frequenzmesser anschalten, mit diesem Frequenzmesser F bestimmen und durch Einsetzen des Wertes F die Glein η

chungen (5) oder (6) ν finden.

Hierbei wird der Abstand 1 zwischen den gegenüberliegenden Flächen, auf denen der Ultraschallstrahler 2 und der Ultraschallempfänger 4 angeordnet sind, als bekannt vorausgesetzt.

Im Zusammenhang damit haften allen bekannten Geräten bei der

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Ermittlung der Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material zwei wesentliche Mängel an: erstens die Unmöglichkeit einer genauen Bestimmung der Nummer η des Impulses, zweitens die Notwendigkeit einer Voreichung der erstgenannten in Abhängigkeit von der Größe £»2^, die sich ihrerseits in Abhängigkeit von vielen äußeren Faktoren und von Messung zu Messung ändern kann.

Wenn eine derartige Eichung nicht durchgeführt wird, wird die Meßgenauigkeit für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material von Messung zu Messung beim gleichen Gerät selbst in einem schmalen Bereich von Arbeitsfrequenzen F , wenn

η
ist, um eine Größenordnung und mehr verschlechtert.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät entfällt die Notwendigkeit der Durchführung der oben beschriebenen Eichung .-

Um mit Hilfe des erfindungsgemäßen Geräts die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch das zu untersuchende Material 3, bei dem der Abstand zwischen den gegenüberKegenden Flächen gleich ist, zu messen, muß man mittels eines an den Meßpunkt angeschlossenen Frequenzmessers erst die Stromimpulsfolgefrequenz F im ge-

schlossenen Kreis der Autozirkulation bei einer vorher festgelegten

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η-ten Zählnummer des Impulszählers 7 ermitteln, dann dieselbe

Frequenz F . für die nächste (n+l)-te Zählnummer des Impulsn + 1

Zählers 7 bestimmen und eine Berechnung nach der Beziehung:

ν = 2 · AF · 1 [m/s] (7)

durchführen,

mit F = F - F . Γ Hz] - Differenz zwischen der bestimmten η n+1 ^{L J}

Impulsfolgefrequenz F bei der η-ten Zählnummer des Impulszäh-

lers 7 und der Impulsfolgefrequenz F bei der (n+1)-ten Zählnummer des Impulszählers 7.

Die Durchgangsgeschwindigkeit ν von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Geräts ermittelt wird, stellt also eine Absolutgeschwindigkeit dar.

Ist die Durchgangsgeschwindigkeit ν des durch ein zu untersuchendes Material gehenden Ultraschalls bekannt, so läßt sich der Abstand 1 zwischen den gegenüberliegenden Flächen, auf denen der Ultraschallstrahler 2 und der Ultraschallempfänger 4 angeordnet sind, gemäß der Gleichung (7) nach der Beziehung berechnen:

Bei den bekannten Meßgeräten für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material 3 lassen sich

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keine Berechnungen nach den Gleichungen (7) und (8) durchführen, denn sie geben keinen genauen Wert der η-ten Nummer des Stromimpulses an, der seinerseits die Frequenz F bestimmt.

Normalerweise wird zum Messen verschiedener Kenndaten des zu untersuchenden Materials 3 mit Hilfe des erfindungsgemäßen Geräts keine Direktmessung der Durchgangsgeschwindigkeit des Ultraschalls durch das zu untersuchende Material benötigt. Die Bestimmung dieser Kenndaten, beispielsweise bleibender mechanischer Spannungen bei Metallen und Stahlkonstruktionen nach einer Schweißung, hängt unmittelbar von der Frequenz F ab.

^ η

Bezeichnet man in der Gleichung (5 ) den Faktor (2n - D

mit dem Buchstaben K, so läßt sich aufgrund dieser Beziehung die Impulsfolgefrequenz F im geschlossenen Kreis der Autozirkulation des erfindungsgemäßen Geräts bei der η-ten Zählnummer des Impuls zählers 7 nach der Beziehung berechnen:

Aus der Beziehung (9) ist ersichtlich, daß, je höher die Frequenz F ist, die das erfindungsgemäße Gerät im eigenen geschlosst nen Kreis der Autozirkulation sichern kann, desto kleiner der Ab-

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stand 1 (meistens die Stärke) zwischen den gegenüberliegenden Flächen des zu unte
gemessen wird.

chen des zu untersuchenden Materials ist, für das die Frequenz F

Da das erfindungsgemäße Gerät im eigenen geschlossenen Kreis der Autozirkulation einen gegenüber sämtlichen bekannten Geräten um eine Größenordnung und mehr höheren Wert von F sichert, liegen die Stärken 1 des zu untersuchenden Materials, bei denen das erfindungsgemäße Gerät Messungen ausführen kann, um eine Größenordnung und mehr niedriger gegenüber den Stärken, bei denen die Messungen mittels der bekannten Geräte vorgenommen werden können, was ein erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Geräts bei Untersuchungen verschiedener Werkstoffe, beispielsweise dünner Stahlbleche, ist.

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Claims (1)

1. 23A692Q

   Patentanspruch

   Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch ein zu untersuchendes Material, das miteinander in Reihe geschaltet enthält einen Impulsgenerator elektrischer bzw. Stromimpulse, einen Strahler des durch das zu untersuchende Material durchgehenden Ultraschalls und einen Ultraschallempfänger, die auf verschiedenen Seiten des zu untersuchenden Materials angeordnet sind, sowie einen Verstärker und einen Detektor, gekennzeichnet durch einen Impulszähler (7), von dem angeschlossen ist ein erster Eingang an den Ausgang des Detektors (6), ein zweiter Eingang an den Ausgang des Impulsgenerators (1) und ein Ausgang an den Eingang des Impulsgenerators (l), und durch eine Einheit (8) zur zwangsläufigen Auslösung des Impulsgenerators (1), deren Eingang mit einem anderen Ausgang des Verstärkers (5) und deren Ausgang mit dem Eingang des Impulsgenerators (l) verbunden ist.

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