DE2346920C3

DE2346920C3 - Meßgerät für die Messung der Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff

Info

Publication number: DE2346920C3
Application number: DE19732346920
Authority: DE
Inventors: Oleg Josifowitsch; Trozenko Wladimir Petrowitsch; Lebedew Wladimir Kirillowitsch; Kiew Guschtscha (Sowjetunion)
Original assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Current assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Filing date: 1973-09-18
Publication date: 1977-11-03

Description

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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 F_L ist bewußt kleiner als eine Arbeitsfrequenz F_n, 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=t_o 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 F_c 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 T_n eines durch einen geschlossenen Kreis der Autozirkulation des ganzen Geräts laufenden Stromimpuls nach der Formel errechnet:

T_n = T_11n+ 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 F_n bestimmen und durch Einsetzen des Wertes F_n 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 F_n, wenn

mit T_n,,= 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 F_n 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 F_n im geschlossenen Kreis dei Autozirkulation bei einer vorher festgelegten n-ter

do Zählnummer des Impulszählers 7 ermitteln, danr dieselbe Frequenz F_n+, für die nächste (n + 0;^u Zählnummcr des Impulszählers 7 bestimmen und eine Berechnung nach der Beziehung:

= 2 · IF·/ [m/sJ

durchführen, mit F = F_n-F_n+)[Hz] - Differen; zwischen der bestimmten lirmulsfolsefreaucnz F_n be

des Impulszählers 7 und der bei der(n + 1)-ten Zählnumder η-ten Zählnummer
Impulsfolgefrequenz F_n+]
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 F_n 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 F_n ab.

Bezeichnet man in der Gleichung (5) den Faktor
(2η -Ί)

mit dem Buchstaben K, so läßt sich aufgrund dieser Beziehung die Impulsfolgefrequenz F_n 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 F_n 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 F_n 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 F_n 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

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.