DE2346920C3 - Meßgerät für die Messung der Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff - Google Patents
Meßgerät für die Messung der Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden WerkstoffInfo
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Description
45
Die Erfindung betrifft ein Meßgerät für die Messung der Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch
einen zu untersuchenden Werkstoff, mit einem Impulsgenerator elektrischer Impulse, mit einem damit
verbundenen Ultraschall-Sendewandler, der an einer Seite des zu untersuchenden Werkstoffs angeordnet ist,
sowie mit einem an der gegenüberliegenden Seite des zu untersuchenden Werkstoffs angeordneten Ultraschall-Empfangswandler,
mit einem daran angeschlossenen Verstärker, mit einem an diesen angeschlossenen, eine
Amplitudendemodulation vornehmenden Detektor, an dessen Ausgang ein Schaltsignal angeschlossen ist, der
derart ausgebildet ist, daß ein mehrfach durch den Werkstoff gelaufener Echoimpuls einen Impuls mit
einer gegenüber dem Echoimpuls kleineren Vorderflankendauer verursacht, der an den Eingang des Impulsgenerators
gegeben wird, mit einer Einheit zur zwangsläufigen Auslösung des Impulsgenerator, dessen
Auslösungsfunktion verhindert werden kann, sowie mit einem Frequenzmesser zur Messung der Folgefre- f>5
quenz der elektrischen Impulse des Impulsgenerators.
Ein derartiges Meßgerät kann zur Untersuchung von Eigenschaften verschiedener Werkstoffe im festen oder
flüssigen Zustand eingesetzt v/erden, und zwar: zur Bestimmung der Konzentration chemischer Komponenten,
der Dichte, des spezifischen Gewichtes, der Viskosität, der Fließbarkeit von zu untersuchenden
Werkstoffen, als Analysator von Temperaturverhalten und Geber physikalischer Parameter bei verschiedenen
technologischen 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 der eingangs genannten Art 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. F ο r g a c s, »Imprcvement in the sing-around Technique«, The
Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 32, Nr. 12,1960S. 1697 und 1698).
Das Prinzip der Autozirkulation läuft darauf hinaus, daß ein durch einen zu untersuchenden Werkstoff
wandernder Impuls zur wiederholten Auslösung eines Impulsgenerators elektrischer Impulse verwendet wird.
Infolgedessen wird beim Gerät eine bestimmte Impulsfrequenz eingestellt, die durch die Verzögerungszeit des
Impulses in dem zu untersuchenden Werkstoff bestimmt wird.
Das Blockschaltbild eines derartigen Geräts stellt eine Reihenschaltung von einem Impulsgenerator,
einem Ultraschall-Sendewandler, einem zu untersuchenden Werkstoff, einem Ultraschall-Empfangswandler,
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 Selektors gekoppelt, dessen zweiter Eingang
mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, und der Ausgang des zweiten Selektors ist über einen
Umschalter mit dem Eingang des Generators verbunden. Der Umschalter schaltet den Eingang des
Generators entweder an den Ausgang des zweiten Selektors oder an den Ausgang eines Referenzoszillators
an. Darüber hinaus wird an die Schaltung ein Frequenzmesser für die Autozirkulation angeschlossen.
Der Impulsgenerator speist in den zu untersuchenden Werkstoff mittels eines Ultraschall-Sendewandlers
einen starken Ultraschallimpuls ein. Das durch den Ultraschall-Empfangswandler aufgenommene Signal
wird durch einen Verstärker verstärkt und gelangt auf einen Detektor. Da beim Messen in einem zu
untersuchenden Werkstoff normalerweise gleichzeitig eine Vielzahl von durch dessen Grenzen reflektierten
Ultraschallimpulsen beobachten 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 Impulsgenerator 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 ersten Selektor erzeugter Koinzidenzimpuls stellt einen Stufenimpuis dar. Die
Dauer seiner Vorderflanke ist groß, und deshalb ist er für die Auslösung des Impulsgenerators ungeeignet. Im
yeiteren gelangt er auf den Eingang des zweiten selektors, wo unter dessen Einwirkung eir. Stromimpuls
geformt wird, der durch die vom P.ediener regelbare Verzögerungsleitung läuft 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 einem KommJtierungsschalter
auf den Eingang des Impulsgenerators.
Zur Erzeugung des ersten Taktes im geschlossenen System der Autozirkulation wird der Referenzoszillator
über den Kommutierungsschalter für die erforderliche Zeit an den Eingang des Impulsgenerators angeschlossen,
wodurch dieser zwangsläufig ausgelöst wird. Im folgenden beteiligt sich der Referenzoszillator nicht
mehr am Betrieb der Schaltung.
Nach der gemessenen Impulsfolgefrequenz der Autozirkulation wird die Durchgangsgeschwindigkeit
des Ultraschalls durch einen zu untersuchenden Werkstoff aufgrund bekannter Formeln ermittelt.
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 Selektorimpulses, viertens die durch das Vorhandensein der regelbaren
Verzögerungsleitung bedingte Begrenzung des Frequenzbereiches der Autozirkulation, der den Bereich
der geometrischen Abmessungen des zu untersuchenden Werkstoffs einschränkt.
Darüber hinaus hängt die zu messende Durchgangsgeschwindigkeit des Ultraschalls durch einen zu
untersuchenden Werkstoff von der Frequenz der angeregten Ultraschallwellen ab, denn je höher sie ist,
desto kürzer ist die Vorderflanke der gewählten Halbperiode des den Impulsgenerator auslösenden
Stromimpulses.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Mängel zu vermeiden und ein Präzisionsgerät
zum Messen der Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff zu
schaffen, das den Meßbereich wesentlich erweitert.
Nach einem älteren Vorschlag (vgl. DT-PS 23 46 983) gibt es bereits ein Meßgerät für die Messung der
Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff der eingangs
genannten Art, bei dem geschützt ist, daß der Ultraschall-Senderwandler und der Ultraschall-Empfänger
als ein einziger Wandler ausgeführt sind, der an einer Seite des zu untersuchenden Werkstoffs angeordnet
und mit dem Verstärker mittels eines Schalters verbunden ist, dessen Eingang auch mit dem Ausgang
des Impulsgenerators verbunden ist, daß der an den Ausgang des Detektors angeschlossene Schaltungsteil
einen Impulszähler umfaßt, an dem eine ganz bestimmte Nummer der auf Grund der Mehrfachreflexionen
eintreffenden Stromimpulse einstellbar ist und von dem ein zweiter Eingang an den Ausgang des Impulsgenerators
angeschlossen ist, und daß die Einheit zur
zwangsläufigen Auslösung des Impulsgenerators einen Eingang aufweist, der mit einem weiteren Ausgang des
Verstärkers verbunden ist, und die derart ausgebildet ist, daß sie nur beim Fehlen von Stromimpulsen am Eingang
des Verstärkers eine Eigenfolgefrequenz zur Auslösung des Impulsgenerators erzeugt.
Dieses vorgeschlagene Meßgerät weist eine hohe Meßgenauigkeit auf und ermöglicht, die notwendigen
Messungen in Werkstoffen vorzunehmen, die nur an einer von gegenüberliegenden Flächen zugänglich sind.
Von diesem älteren Vorschlag unterscheidet sich ein Meßgerät für die Messung der Durchgangsgeschwindigkeit
von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff mit einem Impulsgenerator elektrischer
Impulse, mit einem damit verbundenen Ultraschall-Sendewandler sowie einem Ultraschall-Empfänger, mit
einem an den Empfänger angeschlossenen Verstärker, einem an diesen angeschlossenen, eine Amplitudendemodulation
vornehmenden Detektor, an dessen Ausgang ein Schaltungsteil angeschlossen ist, der derart
ausgebildet ist, daß ein mehrfach durch den Werkstoff gelaufener Echoimpuls einen Impuls mit einer gegenüber
dem Echoimpuls kleineren Vorderflankendauer verursacht, der an den Eingang des Impulsgenerators
gegeben wird, mit einer Einheit zur zwangsläufigen Auslösung des Impulsgenerators dessen Auslösungsfunktion verhindert werden kann, sowie mit einem
Frequenzmesser zur Messung der Folgefrequenz der elektrischen Impulse des Impulsgenerators, wobei der
an den Ausgang des Detektors angeschlossene Schaltungsteil einen Impulszähler umfaßt, an dem eine ganz
bestimmte Nummer der auf Grund der Mehrfachreflexionen eintreffenden Stromimpulse einstellbar ist und
von dem ein zweiter Eingang an den Ausgang des Impulsgenerators angeschlossen ist, und wobei die
Einheit zur zwangsläufigen Auslösung des Impulsgenerators einen Eingang aufweist, der mit einem weiteren
Ausgang des Verstärkers verbunden ist, und die derart ausgebildet ist, daß sie nur beim Fehlen von
Stromimpulsen am Eingang des Verstärkers eine Eigenfolgefrequenz zur Auslösung des Impulsgenerators
erzeugt, gemäß der Erfindung dadurch, daß als Ultraschall-Empfänger ein an der Seite des zu
untersuchenden Werkstoffs, die dem Ultraschall-Sendewandler
gegenüberliegt, angeordneter Empfangs-Wandler dient, dessen Ausgang direkt mit dem
Verstärker verbunden ist.
Diese Ausbildung 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 der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Meßgeräts für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch
einen zu untersuchenden Werkstoff gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig.2 Zeitdiagramme elektrischer Vorgänge an
verschiedenen Punkten des Blockschaltbildes des Geräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchender. Werk-Stoff
enthält einen Impulsgenerator 1 elektrischer Impulse (F i g. 1), einen Sendewandler 2 von durch einen
zu untersuchenden Werkstoff 3 gehenden Ultraschall, einen Ultraschall-Empfangswandler 4, einen Verstärker
5, einen Detektor 6, einen Impulszähler 7 sowie eine Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung des Impulsgenerators
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 Impulsgenerators 1 angeschaltet ist.
Darüber hinaus ist der eine der Eingänge des Impulszählers 7 an den Ausgang des Impulsgenerators 1
angeschlossen.
Bei Direktmessungen der Geschwindigkeit des durch den zu untersuchenden Werkstoff 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 Ultraschall-Sendewandler 2 und Ultraschall-Empfangswandler 4 können die verschiedenartigen bekannten
Ultraschallgeber, beispielsweise Quarzgeber, verwendet werden. Der Ultraschall-Sendewandler 2 und
der Ultraschall-Empfangswandler 4 werden an den gegenüberliegenden Seiten des zu untersuchenden
Werkstoffs 3 angeordnet.
Das Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch den zu untersuchenden Werkstoff
arbeitet wie folgt:
Betrachtet sei die Arbeitsweise des Geräts mit einem Ausgangszustand zu einem Zeitpunkt, zu dem der
Ultraschallimpuls durch den zu untersuchenden Werkstoff 3 nicht durchkommt. In diesem Fall gelangen vom
Ultraschall-Empfangswandler 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 Verstäkerbetrieb des Verstärkers 5 steuert, weil diese
Spannung erst dann entsteht, wenn am Eingang des Verstärkers 5 zu verstärkende Stromimpulse eintreffen.
Da im vorliegenden Fall diese Spannung ausbleibt, erzeugt die Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung
Stromimpulse einer Eigenfolgefrequenz F1 (Fig. 2a). Diese Frequenz FL ist bewußt kleiner als eine
Arbeitsfrequenz Fn, die beim Gerät im eingeschwungenen
Zustand für die Geschwindigkeitsmessung des Ultraschalls beim Durchgang durch den zu untersuchenden
Werkstoff erzeugt wird.
Würde die Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung nach dem ersten durch sie erzeugten Stromimpulse
einen zweiten (in Fig. 2a gestrichelt angedeutet)
erzeugen, so würde dieser zweite Stromimpuls vom ersten zeitlich um den Wert der Eigenfolgeperiode T1
(F i g. 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 Impulsen bedingt, die den Impulsgenerator 1 bei optischer Abstimmung
des Geräts, beispielsweise bei einer qualitativen Kontrolle der Intensität des Durchganges von Ultraschall
durch den zu untersuchenden Werkstoff, auslösen. Bei dieser Betriebsart wird dem Eingang der Einheit 8
zur zwangsläufigen Auslösung eine Fremdspannung zugeführt, und die Einheit 8 beginnt, Stromimpulse mit
der Eigenfolgefrcqucnz F, kontinuierlich zu erzeugen.
Nachdem die Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung den ersten Stromimpuls (Fi j:. 2a) erzeugt hat, gelangt
dieser Impuls auf den Eingang des Impulsgenerators 1 und löst ihn aus. Infolpc der zwangsläufigen Auslösung
des Impulsgenerators 1 erzeugt er den ersten eigenen Stromimpuls (F i g. 2b).
Dieser Impuls steuert seinerseits einmal den Ultraschall-Sendewandler
2 an, der in den zu untersuchenden Werkstoff 3 den ersten Ultraschallimpuls (F i g. 2c)
einspeist, zum anderen führt er den Impulszähler 7, indem er an dessen Eingang ankommt, in den
(O)-Ausgangszustand für die Zählung über. Der Ausgangszustand wird dadurch charakterisiert, daß am
Ausgang des Impulszählers 7 in diesem Augenblick die Spannung (F i g. 2d) ausbleibt. Die Zählung kann in
einem beliebigen Code, beispielsweise in einem Dezimalcode, erfolgen.
Es sei nun wieder der Prozeß des Durchgangs des ersten Ultraschallimpulses (F i g. 2c) durch den zu
untersuchenden Werkstoff betrachtet.
Dieser Impuls läßt den Ultraschall-Empfangswandler 4, nachdem er den zu untersuchenden Werkstoff 3
passiert hat, einen Stromimpuls (F i g. 2e) aussenden.
Bekanntlich errechnet sich die Zeit ii (Fig. 2e)
zwischen dem Anfang (Fig.2c; f=0) des ersten Ultraschallimpulses und dem Anfang (F i g. 2e; f = fi) des
ersten am Ultraschall-Empfangswandler 4 von dem durch den zu untersuchenden Werkstoff 3 hindurchgeschickten
Ultraschallimpuls ausgelösten Stromimpulses nach der Beziehung:
Ί = "j:
mit
/ = Abstand [m] zwischen den gegenüberliegenden Seiten des zu untersuchenden Werkstoffs 3. an
denen der Ultraschall-Sendewandler 2 und der Ultraschall-Empfangswandler 4 angeordnet sind,
ν = Durchgangsgeschwindigkeit [m/s] von Ultraschall
durch den zu untersuchenden Werkstoff 3.
Nach der Auslösung des ersten Stromimpulses (F i g. 2e; i= (1) durch den Ultraschall-Empfangswandler
4 klingt der erste Ultraschallimpuls nicht ab. Er wird normalerweise durch die Seite des zu untersuchenden
Werkstoffs 3 reflektiert, auf der der Ultraschall-Empfangswandler 4 angeordnet ist, und kommt zu der Seite
4s zurück, auf der der Ultraschall-Sendewandler 2 liegt.
Dann wird dieser Ultraschallimpuls, wobei er an seiner Stärke zum Teil einbüßt, von der Seite reflektiert, auf
der der Ultraschall-Sendewandler 2 liegt, und pflanzt sich wieder in Richtung der Seite fort, auf der der
^j Ultraschall-Empfangswandler 4 angeordnet ist, wöbe
er diesen Ultraschall-Empfangswandler 4 einen zweiter (wiederholten) Stromimpuls (Fig. 2e; r = ii) erzeuger
läßt, dessen Amplitude kleiner als die beim ersten durd
den Ultraschall-Empfangswandler 4 vorher ausgesand
ss ten Stromimpuls (Fig. 2e) ist. Dieser Vorgang eine
wiederholten Auslösung von Stromimpulsen (Fig. 2e mit absteigender Amplitude geht weiter, bis die Stärki
des ersten von den gegenüberliegenden Seiten des zi untersuchenden Werkstoffs 3 reflektierten Ultraschall
,,,, impulses auf den Wert Null abgesunken ist. Da nach de
Auslösung des ersten Stromimpulses bis zur Auslösun des zweiten Stromimpulses durch den Ultraschall-Emr
fangswandlcr 4 der erste Ultraschallimpuls bei de Reflexionen den doppelten Abstand zwischen de
(λ gegenüberliegenden Seiten des zu untersuchende
Werkstoffs 3 durchläuft, werden die Zeitintervall (Fig. 2e) zwischen dem Anfang des ersten durch de
Wltnisehall-Empfangswandler 4 ausgelösten Stromin
pulses und dem zweiten Stromimpuls, zwischen dem zweiten Stromimpuls und dem dritten, zwischen dem
η-ten und dem {n+ l)-ten Stromimpuls usw. gleich 2 t\
(F i g. 2e) sein, während die Zeit T„o zwischen Anfang
des vom Ultraschall-Empfangswandler 4 durch die n-te Reflexion des durch den zu untersuchenden Werkstoff 3
hindurchgeschickten Ultraschallimpulses ausgelösten Stromimpulses nach der Beziehung errechnet wird:
T110= (2/1 -I)-I1 [S]
(2)
mit /7=1, 2, 3, 4... —Nummer des durch den
Ultraschall-Empfangswandler 4 ausgelösten Stromimpulses.
Die Folge der sich nach der Amplitude ändernden, am Ultraschall-Empfangswandler 4 vom ersten durch den
zu untersuchenden Werkstoff 3 mehrfach hindurchgeschickten Ultraschallimpuls (Fig. 2c) angeregten
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 Ultraschall-Empfangswandler
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
Impulsgenerators 1, wo durch den zu untersuchenden Werkstoff 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 Impulsgenerators 1 aus. jedoch tritt infolge des Überganges des Geräts in
den Betrieb einer automatischen Auslösung am Ausgang des Impulsgenerators 1 ein zweiter Stromimpuls
auf.
Bei der Beschreibung der weiteren Arbeit des Geräts nach F i g. 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 f=7 f,) des durch den Ultraschall-Empfangswandler
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 n-ten (in diesem Fall vierten) Stromimpuls er dem Kurvenverlauf
nach F i g. 2f ähnlich wird, der den tatsächlichen Verlauf der Arbeit des Geräts im eingeschwungenen Betrieb
abbildet.
Eine kontinuierliche Reihe oder Folge der verstärkten Stromimpulse (F i g. 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
(F i g. 2g) auf den Eingang des Impulszählers 7, wo sie zuerst zwecks Reduzierung um eine Größenordnung
von deren Vorderflankendauer (F i g. 2h) und Amplitudengleichrichtung geformt und dann gezählt werden.
Der Zweck der Zählung besteht darin, von der Reihe der am Eingang des Impulszählers 7 eingetroffenen
Stromimpulse (F i g. 2g) einen bestimmten Stromimpuls mit der Nummer η abzutrennen und dann diesen Impuls
zur Auslösung des Impulsgenerators 1 auszunutzen.
Angenommen, die Nummer η ist gleich vier. Dann tritt im Augenblick des Eintreffens des der Reihe nach
vierten Stromimpulses (F i g. 2g; f = 7 fi) am Eingang des Impulszählers 7, der sich vorher im (O)-Ausgangszustand
(F i g. 2d; < < 7 ii) befand, am Ausgang des Impulszählers
7 ein Gleichspannungssprung (Fig. 2d; f=7 f|) mit einer um eine Größenordnung kleineren Vorderflankendauer
als bei den zur Auslösung des Impulsgenerators bei allen bekannten Geräten verwendeten Stromimpulsen
auf, und dies erhöht bekanntlich um eine Größenordnung die Meßgenauigkeit für die Durchgangsgeschwindigkeit
des Ultraschalls durch einen zu untersuchenden Werkstoff.
Indem der Spannungsstoß (Fig.2d; r=7 i|) vom
Ausgang des Impulszählers 7 am Eingang des Impulsgenerators 1 erscheint, löst er mit seiner
Vorderflanke den Impulsgenerator 1 aus. Der Impulsgenerator 1 erzeugt also einen zweiten Stromimpuls
(Fig.2b; T„ = 7 i|), d.h., er geht in den Betrieb einer
automatischen Auslösung, wie schon erwähnt, über.
Der Gleichspannungsstoß (Fig.2d; r=7 fi) liegt am
Ausgang des Impulszählers 7 an, bis an dessen zweitem Eingang ein durch den Impulsgenerator 1 erzeugter
Stromimpuls (F i g. 2b) eingetroffen ist, der, nachdem er im Impulszähler 7 eine Bestimmte konstante Zeitverzögerung
T3 (F i g. 2d; τ 3) erfahren hat, den sich bis dahin
andauernden Gleichspannungsstoß (Fig. 2d; i=7 fi + T3) am Ausgang des Impulszählers 7 abklingen
läßt, d. h., daß er damit einmal die Dauer des Auslöseimpulses des Impulsgenerators 1 formt und zum
anderen den Impulszähler 7 in den (O)-Ausgangszustand
für die Zählung überführt. Nunmehr befindet sich der Impulszähler 7 vom Augenblick r=7 r, + r3 an in
Erwartung des der Reihe nach vierten Stromimpulses in einer an seinem Eingang neu ankommenden Stromimpulsreihe
(F i g. 2d), die sich infolge einer Wiederholung vom Augenblick i=7 t\ desselben Vorganges an
ausbildet, der in dem Gerät vom Augenblick t=to an
abläuft, wo der Stromimpuls (F i g. 2) des Impulsgenerators 1 den Ultraschall-Sendewandler 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 Stromimpulse der
Eigenfolgefrequenz F1. erzeugt, d. h., die Einheit 8 ist im
eingeschwungenen Zustand des Geräts abgeschaltet.
Im weiteren bewirken also die nachfolgender Stromimpulse vom Ausgang des Impulsgenerators 1
einen ähnlichen Vorgang, und das Gerät beginnt daher im eingeschwungenen Betrieb nach dem Prinzip dei
Ansteuerung des Impulsgenerators 1 durch einei geschlossenen Kreis durchlaufende Stromimpulse, d. r
nach dem Prinzip der Autozirkulation, zu arbeiter Dieser Stromkreis setzt sich aus folgenden Elemente!
zusammen: Impulsgenerator 1, Ultraschall-Sendewand ler 2, zu untersuchender Werkstoff 3, Uhraschall-Emp
fangswandler 4, Verstärker 5, Detektor 6, Impulszähle 7, Impulsgenerator 1.
Falls hierbei aus irgendeinem Grund, beispielsweis infolge einer kurzzeitigen mechanischen Verschiebun
des Ultraschall-Sendewandlers 2 bezüglich der Seite d« zu untersuchenden Werkstoffs 3, der Durchgang ve
Ultraschallimpulsen durch diesen Werkstoff 3 aufhöi was mit einer Einstellung des Vorganges der Autozirki
lation gleichbedeutend ist, gelangt auf den Eingang di
Einheit 8 infolge des Fehlens der vom Ultraschall-Emi
fangswandler 4 ankommenden Stromimpulse a Eingang des Verstärkers 5 keine den optimal·
Verstärkerbetrieb des Verstärkers 5 steuernde Gleichspannung, und die Einheit 8 zur zwangsläufigen
Auslösung wird (in Fig.2a gestrichelt angedeutet) Stromimpulse mit der Eigenfolgefrequenz Fc erzeugen.
Dieser Stromimpuls löst den Impulsgenerator 1 zwangsläufig aus, worauf im Gerät der Prozeß der
Autozirkulation in der oben beschriebenen Reihenfolge wiederhergestellt wird.
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 einen zu untersuchenden Werkstoff berechnet wird, übergangen 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 Geräts bewußt unterstellt, daß die Durchgangszeit Tb beim Durchgang eines Stromimpulses vom
Eingang bis zum Ausgang eines beliebigen Funktionselementes seiner Blockschaltung (F i g. 1) mit Ausnahme
des zu untersuchenden Werkstoffs 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 laufender Stromimpuls um eine Zeit Tb
verzögert wird, die er benötigt, um etwas umzuformen bzw. umgeformt zu werden, was dem betreffenden
Funktionselement eigen ist.
Aufgrund des vorstehend Erwähnten kann eine Größe 2Tb eingeführt werden als die gesamte Verzögerungszeit
eines durch sämtliche Funktionselemente eines geschlossenen Kreises der Autozirkulation (außer
dem zu untersuchenden Werkstoff) hindurchgeschickten Stromimpulses. Dann wird die gesamte Verzögerungszeit
Tn eines durch einen geschlossenen Kreis der Autozirkulation des ganzen Geräts laufenden Stromimpuls
nach der Formel errechnet:
Tn = T11n+ A-
(3)
Dann errechnet sich die Geschwindigkeit des durch den zu untersuchenden Werkstoff gehenden Ultraschalls
nach der Beziehung:
ι _ γ_
Falls iiilt:
L HzJ.
(4)
T.
nimmt die Beziehung(5) eine vereinfachte Form an:
i- = (2/1 - I)-F,,/ [m/s]. (6)
Um die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch den zu untersuchenden Werkstoff 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 Fn bestimmen und durch Einsetzen des Wertes Fn die Gleichungen (5) oder (6) ν
finden.
2S Hierbei wird der Abstand /zwischen den gegenüberliegenden
Seiten, auf denen der Ultraschall-Sendewandler 2 und der Ultraschall-Empfangswandler 4 angeordnet
sind, als bekannt vorausgesetzt. Im Zusammenhang damit haften allen bekannten
Geräten bei der Ermittlung der Durchgangsgeschwindigkeit vo"n Ultraschall durch einen zu untersuchenden
Werkstoff zv/ei wesentliche Mangel an: erstens die Unmöglichkeit einer genauen Bestimmung der Nummer
η des Impulses, zweitens die Notwendigkeit einer
i·, Voreichung der erstgenannten in Abhängigkeit von der
Größe Στι» 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 einen zu untersuchenden
Werkstoff von Messung zu Messung beim gleichen Gerät selbst in einem schmalen Bereich von Arbeitsfrequenzen
Fn, wenn
mit Tn,,= Verzögerungszeit eines Ultraschallinipulses in
dem zu untersuchenden Werkstoff bei der n-ten Nummer von durch diesen ausgelosten Stromimpulsen
des Ultraschall-Empfangswandlers, d. h. nach Gleichung (2)
r„„ = (2n-l)· r,.
^tTi, = gesamte Verzögerungszeit [s] 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 Fn
von aus dem Impulsgenerator 1 kommenden und zu ihm nach dem Durchgang durch den geschlossenen Kreis
zurückkehrenden Stromimpulsen einstellen zu:
ist, um eine Größenordnung und mehr verschlechtert. Bei dem erfindungsgemäßen Gerät entfällt die
so Notwendigkeit der Durchführung der oben beschriebenen Eichung.
Um mit Hilfe des erfindungsgemäßen Geräts die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch der
zu untersuchenden Werkstoff 3, bei dem der Abstanc
ss zwischen den gegenüberliegenden Seiten gleich /ist, zl
messen, muß man mittels eines an den Meßpunki angeschlosseilen Frequenzmessers erst die Stromim
pulsfolgefrequenz Fn im geschlossenen Kreis dei
Autozirkulation bei einer vorher festgelegten n-ter
do Zählnummer des Impulszählers 7 ermitteln, danr
dieselbe Frequenz Fn+, für die nächste (n + 0;u
Zählnummcr des Impulszählers 7 bestimmen und eine Berechnung nach der Beziehung:
= 2 · IF·/ [m/sJ
durchführen, mit F = Fn-Fn+)[Hz] - Differen;
zwischen der bestimmten lirmulsfolsefreaucnz Fn be
des Impulszählers 7 und der bei der(n + 1)-ten Zählnumder η-ten Zählnummer
Impulsfolgefrequenz Fn+]
mer des Impulszählers 7.
Impulsfolgefrequenz Fn+]
mer des Impulszählers 7.
Die Durchgangsgeschwindigkeit ν von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff, die mit Hilfe
des erfindungsgemäßen Geräts ermittelt wird, stellt also eine Absolutgeschwindigkeit dar.
Ist die Durchgangsgeschwindigkeit ν des durch einen zu untersuchenden Werkstoff gehenden Ultraschalls
bekannt, so läßt sich der Abstand 1 zwischen den gegenüberliegenden Seiten, auf denen der Ultraschall-Sendewandler
2 und der Ultraschall-Empfangswandler 4 angeordnet sind, gemäß der Gleichung (7) nach der
Beziehung berechnet:
' = 2-IF
Bei den bekannten Meßgeräten für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu
untersuchenden Werkstoff 3 lassen sich 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 Fn
bestimmt.
Normalerweise wird zum Messen verschiedener Kenndaten des zu untersuchenden Werkstoffs 3 mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Geräts keine Direktmessung der Durchgangsgeschwindigkeit des Ultraschalls
durch den zu untersuchenden Werkstoff benötigt. Die Bestimmung dieser Kenndaten, beispielsweise bleibender
mechanischer Spannungen bei Metallen und Stahlkonstruktionen nach einer Schweißung, hängt
unmittelbar von der Frequenz Fn ab.
Bezeichnet man in der Gleichung (5) den Faktor
(2η -Ί)
(2η -Ί)
mit dem Buchstaben K, so läßt sich aufgrund dieser Beziehung die Impulsfolgefrequenz Fn im geschlossenen
Kreis der Autozirkulation des erfindungsgemäßen Geräts bei der η-ten Zählnummer des Impulszählers 7
nach der Beziehung berechnen:
Aus der Beziehung (9) ist ersichtlich, daß, je höher die Frequenz Fn ist, die das erfindungsgemäße Gerät im
eigenen geschlossenen Kreis der Autozirkulation sichern kann, desto kleiner der Abstand 1 (meistens die
Stärke) zwischen den gegenüberliegenden Seiten des zu untersuchenden Werkstoffs ist, für das die Frequenz Fn
gemessen wird.
Da das erfindungsgemäße Gerät im eigenen geschlossenen Kreis der Autozirkulation einen gegenüber
sämtlichen bekannter. Geräten um eine Größenordnung und mehr höheren Wert von Fn sichert, liegen die
Stärken 1 des zu untersuchenden Werkstoffs, 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 verschiedene Werkstoffe, beispielsweise dünner Stahlbleche, ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Meßgerät für die Messung der Durc. oangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu s untersuchenden Werkstoff mit einem Impulsgenerator elektrischer Impulse, mit einem damit verbundenen Ultraschall-Senderwandler sowie einem Ultraschall-Empfänger, mit einem an den Empfänger angeschlossenen Verstärker, einem an diesen angeschlossenen, eine Amplitudendemodulation vornehmenden Detektor, an dessen Ausgang ein Schaltungsteil angeschlossen ist, der derart ausgebildet ist, daß ein mehrfach durch den Werkstoff gelaufener Echoimpuls einen Umpuls mit einer gegenüber dem Echoimpuls kleineren Vorderflankendauer verursacht, der an den Eingang des Fmpulsgenerators gegeben wird, mit einer Einheit zur zwangsläufigen Auslösung des Impulsgenerators, dessen Auslösungsfunktion verhindert werden kann, sowie mit einem Frequenzmesser zur Messung der Folgefrequenz der elektrischen Impulse des Impulsgenerators, wobei der an den Ausgang des Detektors angeschlossene Schaltungsteil einen Impulszähler umfaßt, an dem eine ganz bestimmte Nummer der auf Grund der Mehrfachreflexionen eintreffenden Stromimpulse einstellbar ist und von dem ein zweiter Eingang an den Ausgang des Impulsgenerator angeschlossen ist, und wobei die Einheit zur zwangsläufigen Auslösung des Impulsgenerators einen Eingang aufweist, der mit einem weiteren Ausgang des Verstärkers verbunden ist, und die derart ausgebildet ist, daß sie nur beim Fehlen von Stromimpulsen am Eingang des Verstärkers eine Eigenfolgefrequenz zur Auslösung des Impulsgenerators erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß als Ultraschall-Empfänger ein an der Seite des zu untersuchenden Werkstoffs (3), die dem Ultraschall-Sendewandler (2) gegenüberliegt, angeordneter Empfangs-Wandler (4) dient, dessen Ausgang direkt mit dem Verstärker (5) verbunden ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732346920 DE2346920C3 (de) | 1973-09-18 | Meßgerät für die Messung der Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732346920 DE2346920C3 (de) | 1973-09-18 | Meßgerät für die Messung der Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2346920A1 DE2346920A1 (de) | 1975-08-14 |
DE2346920B2 DE2346920B2 (de) | 1977-03-24 |
DE2346920C3 true DE2346920C3 (de) | 1977-11-03 |
Family
ID=
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