DE2346983A1 - Messgeraet fuer die durchgangsgeschwindigkeit von ultraschall durch einen zu untersuchenden werkstoff - Google Patents

Description

Patentanwälte DipL-fng. K. B.. ETZ sen. DJpI-lnr;. K. LAMPR-SCHT

Dr.-ing. [?. BE^TZJr. • Mi_a«b.n22,8Ufn8dori8tr.1f 23 4 6 98 3

530-21.4O7P 18. 9. 1973

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

Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Ultraschalltechnik, insbesondere ein Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff.

Es kann zur Untersuchung verschiedener, im festen oder flüssigen Zustand befindlicher Werkstoffe eingesetzt werden, und zwar zur Bestimmung der Konzentration chemischer Komponenten, der Dichte, des spezifischen Gewichtes, der Viskosität, Fließbarkeit von zu unter-

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suchenden 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 kann das erfindungsgemäße Gerät zu den oben genannten Zwecken in den Fällen verwendet werden, wo der Zugang zu dem zu untersuchenden Werkstoff nur von einer Seite, beispielsweise beim Messen von in Hüllen hermetisch abgedichteter Gefäße auftretenden Eigenspannungen möglich ist.

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

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

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Das Blockschaltbild eines derartigen Gerätes stellt eine Reihenschaltung von einein Stromimpulsgenerator, Ultraschallstrahler, einem zu untersuchenden Werkstoff, einem Ultraschallempfänger, Verstärker und 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 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 Stromimpulsgenerator speist in den zu untersuchenden Werkstoff mittels eines Ultraschallstrahlers einen 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 Werkstoff normalerweise gleichzeitig eine Vielzahl von durch dessen Rändern reflektierten Ultraschallimpulsen beobachtet wird, stellt das Signal am Ausgang des Detektors eine Stromimpulsreihe 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 dem Durchgang durch eine von einem Bediener regelbare Verzögerungsleitung zeitlich mit einem der Stromimpulse der Reihe zusammenfällt.

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Der durch den ersten Selektor erzeugte Stromimpuls stellt nach der Koinzidenz 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 darauf durch die vom Bediener regelbare Verzögerungsleitung wandert. Da der Stromimpuls infolgedessen um die erforderliche Zeit verzögert wird, fällt er mit einer bestimmten Halbperiode von Hochfrequenzschwingungen zusammen, die einen Stromimpuls darstellen, der am zweiten Eingang des zweiten Selektors vom Ausgang des Verstärkers eintrifft, der seinerseits 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 Umschalter auf den Eingang des Strom impulsgenerator s.

Zur Erzeugung des ersten Takts im geschlossenen System der Autozirkulation wird der Referenzoszillator über diesen Umschalter durch den Bediener für die erforderliche Zeit an den Eingang des Stromimpulsgenerators angeschlossen, wodurch didser zwangsläufig ausgelöst wird. Im folgenden beteiligt sich der Referenzoszillator nicht am Betrieb der Schaltung *

Im Falle einer kurzzeitigen Einstellung der Autozirkulation macht der Bediener erneut vom Referenzoszillator zwecks Erzeugung des ersten Taktes usw. Gebrauch.

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Nach der gemessenen Impulsfolgefrequenz der Autozirkulation wird die Durchgangsgeschwindigkeit des Ultraschalls durch einen zu untersuchenden Werkstoff aufgrund der bekannten Formeln ermittelt.

Das bekannte Gerät weist folgende Nachteile auf:

Erstens ist es infolge der Anordnung von Ultraschallstrahler und -empfänger auf den gegenüberliegenden Flächen des zu untersuchenden Werkstoffes nicht in der Lage, die Durchgangsgeschwindigkeit des Ultraschalls durch Werkstoffe zu messen, die keinen freien Zugang zu einer der gegenüberliegenden Flächen besitzen, d. h. das Gerät ist in der Anwendung bei realen industriellen Konstruktionen, beispielsweise in der Art gefüllter hermetisch abgeschlossener Gefäße, begrenzt;

zweitens ist sein Blockschaltbild nach dem FunktionsZusammenhang einzelner Einheiten kompliziert;

drittens, beim Gerät werden drei manuelle Operationen bei der Einstellung der Betriebsart der Autozirkulation angewendet;

viertens, es ermöglicht keine genaue Bestimmung der Nummer des selektierten Stromimpulses, der den Stromimpulsgenerator wiederholt auslöst;

fünftens, die obere Frequenzgrenze seiner Autozirkulation ist durch das Vorhandensein regelbarer Verzögerungsleitungen beschränkt,

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die einer großen Wiederherstellungszeit bedürfen, was seinerseits den Bereich geometrischer Abmessungen von zu untersuchenden Werkstoffen einschränkt;

sechstens, die Frequenzstabilität der Autozirkulation des Geräts hängt von der Schwingungsfrequenz der Ultraschallwellen ab, weil die eine der Halbperioden dieser durch den Verstärker geschickten Schwingungen den Stromimpulsgenerator wiederholt auslöst. Je höher die Schwingungsfrequenz der Ultraschallwellen liegt, desto kürzer ist die Vorderflanke der für die wiederholte Auslösung gewählten Halbwelle der Schwingungen, desto stabiler ist folglich die Frequenz der Autozirkulation .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu überwinden und ein Präzisionsgerät zum Messen der Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff zu entwickeln, das eine hohe Meßgenauigkeit aufweist und die Möglichkeit gibt, die notwendigen Messungen in zu untersuchenden Werkstoffen, die einem Zugang nur zu einer von gegenüberliegenden Flächen ermöglichen, vorzunehmen.

Diese Aufgabe wird bei einem Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff, das miteinander gekoppelt einem Impulsgenerator elektrischer Impulse, einen Ultraschallstrahler und -empfänger, einen Verstärker und einen Detektor aufweist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ultraschallstrahler und -empfänger, die als ein Ultraschallwandler ausge-

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führt sind, an einer Seite des zu untersuchenden Werkstoffes angeordnet und mit dem Verstärker mittels eines Schalters verbunden sind, und daß das Gerät enthält einen Impulszähler, von dem angeschlossen ist ein Eingang an den Ausgang des Detektors, ein anderer Eingang an den Ausgang des Impulsgenerators und ein Ausgang an den Eingang des Impulsgenerators, sowie eine Einheit zur zwangsläufigen Auslösung des Impulsgenerators, deren Eingang an den anderen Ausgang des Verstärkers und deren Ausgang an den Eingang des Impulsgenerators angeschlossen ist.

Dies gibt die Möglichkeit, das Blockschaltbild des Geräts erheblich zu vereinfachen und gleichzeitig sehr genaue Messungen im Falle eines einseitigen Zuganges zu dem zu untersuchenden Werkstoff vorzunehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild des Meßgeräts für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff, und

Fig. 2 Zeitdiagramme elektrischer Vorgänge an verschiedenen Punkten des Blockschaltbildes des Geräts gemäß der Er- - findung.

Das Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall

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durch einen zu untersuchenden Werkstoff enthält einen Impulsgenerator elektrischer bzw. Stromimpulse 1 (Fig. l), der mit einem an einer Seite eines zu untersuchenden Werkstoffes 3 angeordneten Ultraschallwandler 2 und im weiteren über einen Schalter 4 mit der Reihenschaltung eines Verstärkers 5, eines Detektors 6, eines Impulszählers 7 sowie einer Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung des Stromimpulsgenerators 1 verbunden ist. Der Verstärker 5 weist einen Eingang und zwei Ausgänge und der Impulszähler 7 zwei Eingänge und einen Ausgang auf.

Der Eingang der Einheit 8 ist an einen der Ausgänge des Verstärkers 5 und der Ausgang an den Eingang des Generators 1 angeschlossen. Darüber hinaus ist einer der Eingänge des Impulszählers 7 an den Ausgang des Stromimpulsgenerators 1 angeschlossen.

Bei Direktmessungen der Geschwindigkeit des durch den zu untersuchenden Werkstoff 3 durchgehenden Ultraschalls werden an die Blockschaltung des Geräts in Meßpunkten Verschiedene Meßgeräte angeschlossen, während zur unmittelbaren Sichtanzeige und Kontrolle ablaufender elektrischer Vorgänge ein Oszilloskop bzw. Oszillograph eingesetzt werden kann.

Als Ultraschallwandler 2 können die verschiedensten bekannten Ultraschallgeber, beispielsweise Quarzgeber, verwendet werden. Der U ltraschallwandler 2 wird auf einer Fläche des zu untersuchenden Werkstoffes 3 angeordnet. Der Ultraschallwandler 2 tritt also gleichzeitig als Ultraschallstrahler und als Empfänger eines von der gegenüberlie-

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genden Fläche des zu untersuchenden Werkstoffes reflektierten Ultraschallimpulses auf.

Das erfindungsgemäße Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff arbeitet wie folgt:

Betrachtet sei bei der Arbeitsweise des Geräts als Ausgangszustand derjenige Zeitpunkt, zu dem der Ultraschallimpuls durch den zu untersuchenden Werkstoff 3 nicht durchkommt. In diesem Fall gelangen auf den Fingang 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 Stromimpulse eintreffen. Da im vorliegenden Fall diese Spannung ausbleibt, erzeugt die Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung Stromimpulse mit der Eigenfolgefrequenz. Diese Frequenz F ist bewußt kleiner als die Arbeitsfrequenz F , die beim Gerät im eingeschwungenen Zustand für die Durchgangsgeschwindigkeitsmessung des Ultraschalls in dem zu untersuchenden Werkstoff eingestellt 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 Eigenfolgefrequenz T (Fig. 2a) beabstandet sein.

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Der Wert der Eigenfolgefrequenz F wird durch die Notwendigkeit der Ausnutzung der Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung in einigen Fällen als unabhängiger Generator von Stromimpulsen bedingt, die den Generator 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 Fremdgleichspannung 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 Stromimpulsgenerators 1 und löst ihn aus. Infolge der zwangsläufigen Auslösung des Generators 1 erzeugt er den ersten eigenen Stromimpuls (Fig. 2b).

Dieser Impuls steuert seinerseits einmal den Ultraschallwandler 2 an, der, indem er in diesem Fall als Ultraschallstrahler arbeitet, in den zu untersuchenden Werkstoff 3 den ersten Ultraschallimpuls (Fig. 2c) einspeist, zum anderen führt er den Schalter 4, indem er auf dessen Eingang gelangt, in den Zustand "Unterbrechung" über, der dadurch charakterisiert wird, daß sich zwischen dem Ein- und Ausgang des Schalters 4 ein elektrischer Widerstand ausbildet, dessen Wert nahe Unendlich liegt, drittens führt er den Impulszähler 7, indem er auf dessen Eingang gelangt, in den (O)-Ausgangszustand für die Zählung über.

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Der Ausgangszustand des Impulszählers 7 wird dadurch charakterisiert, daß an dessen Ausgang in diesem Augenblick keine Spannung (Fig. 2d) anliegt. Die Zählung kann in einem beliebigen Code, beispielsweise im Dezimalcode, erfolgen.

Der erste Ultraschallimpuls (Fig. 2c) wird also nach dem Durchgang durch den zu untersuchenden Werkstoff 3 für die Zeit t_T von dessen gegenüberliegender Fläche reflektiert, kehrt zu der Fläche wieder zurück, auf der der Ultraschall wandler 2 liegt, und löst darin den ersten Stromimpuls (Fig. 2e; t = 2t ) aus, dessen Amplitude um 5 bis 6 Größenordnungen kleiner als die eines an dem Ultraschallwandler 2 vom Generator 1 ankommenden Stromimpulses (Fig. 2b) ist.

Bekanntlich wird die Zeit 2t (Fig. 2e), die dieser erste Ultraschallimpuls (Fig. 2c) für den Durchgang durch den zu untersuchenden Werkstoff 3, für die Reflexion von dessen gegenüberliegender Fläche, für die erneute Rückkehr zu der Fläche, auf der der Ultraschallwandler 2 angeordnet ist, und die Auslösung bei diesem Wandler 2 eines Stromimpulses (Fig. 2e$ t = 2t ) benötigt, nach der Beziehung ermittelt:

mit 1 = Abstand [m] zwischen den gegenüberliegenden Flächen des zu untersuchenden Werkstoffes,

ν = Durchgangsgeschwindigkeit Γ m/s] des Ultraschalls durch den zu untersuchenden Werkstoff.

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Wie vorstehend erwähnt, führt der Stromimpuls des Generators 1, indem er auf den Eingang des Schalters 4 gelängt, diesen in den Zustand "Unterbrechung" über, weshalb dieser eine größere Amplitude gegenüber einem in der Folge durch den Ultraschallwandler 2 erzeugten Stromimpuls aufweisende Impuls nicht auf den Eingang des Verstärkers 5 trifft. Die Dauer- 2~(Fig. 2b) des ersten Stromimpulses des Generators 1 (und dann auch aller nachfolgenden) ist viel kleiner als die Zeit 2t , deshalb wird im Augenblick der Anregung eines Stromimpulses am Ultraschallwandler 2 durch den Arsten durch den zu untersuchenden Werkstoff 3 gewanderten Ultrasciallimpuls (Fig. 2e; t = 2t ) am

/ 1

Eingang des Schalters 4 lediglich dieser ancjeregte Stromimpuls anliegen, dessen Amplitude um 5 bis 6 Größenordnungen kleiner als die des Stromimpulses (Fig. 2b) des Generators 1 ist. Nach Abklingen des Stromimpulses (Fig. 2b; t = T) vom Generator 1 geht der Schalter 4 in den Zustand "Schließung¹ über, dor dadurch charakterisiert wird, daß sich zwischen dem Ein- und Ausgang des Schalters .4 ein elektrischer Widerstand ausbildet, der betragsrnäßig nahe Null ist, so daß sich im Augenblick der Anlunft am Eingang des Schalters 4 des am Wandler 2 durch den ersten dirch einen zu untersuchenden Werkstoff 3 gewanderten Ultraschallin puls angeregten Stromimpulses der Schalter 4 im Zustand "Schließurg" befinden wird, weshalb dieser erste Stromimpuls durch den Schulter 4 geht und auf den Eingang des Verstärkers 5 gelangt.

Es sei vereinbart, daß der ίrste am Wandler 2 durch den ersten durch den zu untersuchenden Werk toff 3 zum erstenmal hin- und her-

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gewanderten Ultraschallimpuls angeregte Stromimpuls erste Reflexion des ersten Ultraschallimpulses genannt wird. Nach der ersten Anregung des Wandlers 2 klingt der erste Ultraschallimpuls nicht ab. Normalerweise wird er von der Fläche rückgestrahlt, von der er wieder durch den zu untersuchenden Werkstoff 3 geht, wird durch dessen gegenüberliegende Fläche reflektiert, kehrt zur Ausgangsfläche wieder zurück und regt am Ultraschallwandler 2, nachdem er seine Intensität zum Teil eingebüßt hat, wieder einen Stromimpuls (Fig. 2e; t = 2t + 2t ) an, dessen Amplitude kleiner als die der "ersten Reflexion" ist. Vereinbarungsgemäß sei dieser zweite am Wandler 2 durch den ersten durdi einen zu untersuchenden Werkstoff zum zweitenmal hin- und hergewanderten Ultraschallimpuls angeregte Stromimpuls "zweite Reflexion" des ersten Ultraschallimpulses genannt. Der Vorgang der wiederholten Anregung von nach der Amplitude absteigenden Stromimpulsen (Fig. 2e) geht in einem fort, bis die Intensität des ersten von den gegenüberliegenden Flächen des zu untersuchenden Werkstoffes 3 mehrfach reflektierten Ultraschallimpulses auf den Wert Null abgesunken ist.

Da die wiederholte Anregung des Wandlers,2 mit dem Durchgang des ersten Ultraschallimpulses durch den doppelten Abstand 21 zwischen den gegenüberliegenden Flächen des zu untersudenden Werkstoffes zusammenhängt, werden die Zeitintervalle (Fig. 2e) zwischen der ersten und der zweiten, zwischen der zweiten und der dritten, zwischen der η-ten und der (n+1' )-ten Reflexion des ersten Ultraschallimpulses (Fig. 2e) usw. gleich 2t sein, während die Zeit T_n zwischen dem Anfang des ersten Ultraschallimpulses (Fig. 2c; t = 0) und dem Anfang der η-ten Reflexion dieses ersten Ultraschallimpulses (Fig. 2e; t = T ) nach der Beziehung errechnet wird:

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T_n = 21It₁ [sj (2)

mit η = 1, 2, 3 ... - Nummer der Reflexion eines Ultraschallimpulses durch die Seiten eines zu unters ueffeSäelen Werkstoffes 3.

Die Folge der sich nach der Amplitude äfSÖtefhden, am Ultraschallwandler 2 vom ersten durch den zu untersuchenden Werkstoff 3 mehrfach hindurchgeschickten Ultraschallimpuls (Fig. 2c) angeregten Stromimpulse (Fig. 2e) gelangt über den im geschlossenen Zustand befindlichen Schalter 4 auf den Eingang des Verstärkers 5, wo sie (Fig. 2f) verstärkt wird. Falls auf den Eingang des Verstärkers 5 zu verstärkende Stromimpulse, im betreffenden Fall vom Ausgang des Schalters 4, gelangen, liegt an einem der Ausgänge dieses Verstärkers und folglich auch am Eingang der Einheit 8 zur zwangsläufigen Auslösung eine Gleichspannung an, die den optimalen Verstärkerbetrieb des Verstärkers 5 steuert. Da im betreffenden Fall diese Spanrawg vorliegt, hört die Einheit 8 mit der Erzeugung der eigenen Stromimpulse auf. Jetzt, 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 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 ist es erforderlich, eine bedingte Annahme nach Fig. 2e zu machen, die in folgendem besteht: Nach einer bestimmten Anzahl η

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von Reflexionen des ersten Ultraschallimpulses (beispielsweise der vierten, Fig. 2e; t = 8t ) wird der aufgezeichnete Verlauf praktisch verzerrt. Jedoch sei dieser zur übersichtlicheren Erläuterung ohne Änderung angesehen, wobei angenommen sei, daß nach der η-ten (in diesem Fall vierten) Reflexion des ersten Ultraschallimpulses der Verlauf nach Fig. 2e derii nach Fig. 2f ähnlich wird, der den tatsächlichen Verlauf der Arbeit des'Cferäts im eingeschwungenen Zustand abbildet.

Die kontinuierliche einer kontinuierlichen Reihe von am Ultraschallwandler 2 angeregten Reflexionen entsprechende Folge von verstärkten Stromimpulsen'trifft also vom Ausgang des Verstärkers 5 am Eingang des Detektors 6 ein, wo sie einer Amplitudendemodulation unterzogen wird. Vom Ausgang des Detektors 6 gelangen die eine größere Vorderflankendauer aufweisenden Stromimpulse (Fig. 2g) auf den Eingang des Impulszähiers 7, wo zuerst deren Flänkendauer (Fig. 2h) um eine Größenordnung verringert wird und sie dann einer wahlweisen Zählung unterzogen werden.

Das Wesen der wahl weisen Zählung besteht darin, daß aus der kontinuierlichen Folge der am Eingang des Impulszählers 7 eintreffenden Strom impulse (Fig. 2g, h) durch diesen Zähler 7 ein n-ter Impuls der Folge gewählt wird, der dann zur Auslösung des Generators I verwendet wird.

Da n-te Stromimpuls (Fig. 2g) am Eingang des Impulszählers 7 der η-ten Reflexion des ersten durch den zu untersuchenden Werkstoff 3 gewanderten Ultraschallimpulses (Fig. 2e) entspricht, sei im wei-

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teren die durch den Bediener am Impulszähler 7 eingestellte Nummer "n" der wahlweisen Zählung die Nummer der η-ten Reflexion.

Angenommen, die Nummer der η-ten Reflexion ist gleich vier. Dann tritt im Augenblick der Ankunft des vierten Stromimpulses der Folge (Fig. 2g; t = 8t ) am Eingang des Impulszählers 7, der sich vorher im (O)-Ausgangszustand (Fig. 2d; t < 8t ) befunden hat, an dessen Ausgang ein Gleichspannungssprung (Fig. 2d; t = 8t ) mit einer um eine Größenordnung kleineren Vorderflankendauer als bei den zur Auslösung des Impulsgenerators in den bekannten Geräten verwendeten Stromimpulsen auf, und dies erhöht bekanntlich um eine Größenordnung die Meßgenauigkeit für die Durchgangsgeschwindigkeit des Ultraschalls durch den zu untersuchenden Werkstoff.

Darüber hinaus, wie aus Fig. 2d ersichtlich, hängt die Wirkung der Vorderflanke des SpannungsStoßes am Ausgang des Impulszählers 7 von der Frequenz der einen Ultraschallimpuls (Fig. 2f) darstellenden Ultraschallschwingungen nicht ab, deshalb ist die Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen Geräts von der Vorderflankendauer der Halbwelle der Ultraschallschwingung unabhängig.

Indem der Spannungsstoß (Fig. 2d; t = 8t ) vom Ausgang des Impulszählers 7 am Eingang des Stromimpulsgenerators 1 erscheint, löst er mit seiner Vorderflanke den Generator 1 aus, der seinerseits einen zweiten Stromimpuls (Fig. 2b; t = 8t ) erzeugt, d. h. ergeht in den Betrieb der Autozirkulation, wie schon erwähnt, über.

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Um zu betonen, daß bei der Autozirkulation eine Fremdauslösung des Generators 1 durch einen von demselben Generator 1 erzeugten, jedoch durch den zu untersuchenden Werkstoff 3 hindurchgeschickten Stromimpuls erfolgt, wird die.Betriebsart dieser Auslösung bei der Autozirkulation unter Umständen automatische Auslösung genannt.

Der Gleichspannungsstoß (Fig. 2d; t = 8t ) liegt am Ausgang des Impulszählers 7 an, bis an dessen zweitem Eingang ein durch den Generator 1 erzeugter Stromimpuls (Fig. 2b; t = 8t ) eingetroffen ist, der, nachdem er im Impulszähler 7 eine bestimmte konstante Zeitverzögerung (,„ erfahren hat, den bis dahin andauernden Gleich-Spannungsstoß (Fig. 2d; t = 8t + T) am Ausgang des Zählers 7 abklingen läßt. Dieser Stromimpuls des Generators 1 formt also einmal die Dauer C eines Stromimpulses zur automatischen Auslösung des

Generators 1 und führt zum anderen den Impulszähler 7 in den (O)-Ausgangszustand für die Zählung über.

Beim Vorliegen am Ausgang des Generators 1 des zweiten Stromimpulses geht für dessen Dauer der Schalter 4 wieder in den Zustand "Unterbrechung" über, so daß dieser Impuls zum Eingang des Verstärkers 5 nicht durchkommen, sondern lediglich den Ultraschallwandler 2 anregen wird. Infolge der erneuten Anregung des Wandlers 2 des Ultraschallimpulses (Fig. 2c; t = 8t ) wird sich bei dem erfindungsgemäßen Gerät der Vorgang wiederholen, der dem Vorgang vom Anfang der Entstehung des ersten Ultraschallimpulses (Fig. 2c; t = 0) bis zum Augenblick der Erscheinung des ersten Spannungsstoßes (Fig. 2d; t = 8t.) am Ausgang des Impulszählers 7 und weiter der Er-

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scheinung des zweiten Stromimpulses des Generators 1 (Fig. 2b; t = 8t ) ähnlich ist ·

Angesichts dessen also, daß die Nummer der Reflexion gleich vier am Impulszähler 7 konstant eingestellt ist, erscheint nach Ablauf der Zeit t = 8t + 8t am Ausgang des Generators 1 ein dritter Stromimpuls (Fig. 2b; t = 8t + 8t ), der im Gerät einen ähnlichen Vorgang bewirkt, usw.

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

Vom Augenblick des Erscheinens des zweiten Stromimpulses (Fig. 2b; t = 8t,) des Generators 1 beginnt also das Gerät, im eingeschwungenen Betrieb nach dem Prinzip der Autozirkulation, d. h. de r Anregung des Generators 1 durch einen geschlossenen Kreis durchlaufende Stromimpulse, zu arbeiten. Dieser Stromkreis setzt sich bei dem erfindungsgemäßen Gerät aus folgenden Elementen zusammen: Stromimpulsgenerator 1 (Fig. l), Ultraschallwandler 2 als Ultraschallstrahler, zu untersuchender Werkstoff 3, Ultraschallwandler 2 als Ultraschallempfänger, Schalter 4, Verstärker 5, Detektor 6, Impulszähler 7, Stromimpulsgenerator 1.

Falls hierbei aus irgendeinem Grunde, beispielsweise infolge

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einer kurzzeitigen mechanischen Verschiebung des Ultraschallwandlers 2 bezüglich der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstoffes 3, der Durchgang von Ultraschallimpulsen durch diesen Werkstoff 3 aufhört, was mit einer Einstellung des Vorganges der Autozirkulation gleichbedeutend ist, gelangt auf den Eingang der Einheit 8 infolge des Fehlens der vom Schalter 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 einen (in Fig. 2a gestrichelt angedeuteten) Stromimpuls mit der Eigenfolgefrequenz F erzeugen. Dieser (oder der nächstfolgende) Stromimpuls löst den Generator 1 zwangsläufig aus, worauf in dem erfindungsgemäßen Gerät der Vorgang der Autozirkulation ohne Bedienungseingriff in der oben beschriebenen Reihenfolge wiederhergestellt wird.

Die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Geräts, den Vorgang der Autozirkulation selbständig wiederherzustellen, reduziert die zur Durchführung der Messung benötigte Zeit und erleichtert die Arbeit des Bedieners .

Bevor zur Beschreibung mathematischer Beziehungen, nach denen die Durchgangsgeschwindigkeit ν des Ultraschalls durch den zu untersuchenden Werkstoff berechnet wird, übergegangen wird, sei ein Umstand betrachtet, der gleichermaßen dem erfindungsgemäßen Gerät wie auch den bekannten, nach dem Prinzip der Autozirkulation aufgebauten Geräten eigen ist.

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Bis jetzt wurde bei der Beschreibung der Arbeitsweise des erfin dungsgemäßen Geräts bewußt unterstellt, daß die Durchgangszeit Tj₃ beim Durchgang eines Stromimpulses vom Eingang bis zum Ausgang eines beliebigen Funktionselementes seines Blockschaltbildes (Fig. 1) mit Ausnahme des zu untersuchenden Werkstoffes 3 gleich Null ist. Diese Annahme gab die Möglichkeit, Diagramme (Fig. 2) für elektrische Vorgänge in verschiedenen Punkten des Blockschaltbildes (Fig. l) ohne wesentliche Schwierigkeiten aufzubauen.

Nichtsdestoweniger ist es bekannt, daß ein durch ein Funktionselement eines Stromkreises der Autozirkulation hindurchgeschickter Stromimpuls um eine Zeit £T verzögert wird, die er benötigt, um etwas umzuformen bzw. umgeformt zu werden, was dem betreffenden Funktionseiement eigen ist.

Aufgrund des vorstehend Erwähnten kann eine folgende Bezeichnung: 2*£~i - die gesamte Verzögerungszeit eines durch sämtliche Funktionselemente eines geschlossenen Kreises der Autozirkulation außer dem zu untersuchenden Werkstoff hindurchgeschobenen Stromim pulses eingeführt werden.

Dann errechnet sich die gesamte Verzögerungszeit T eines

durch einen geschlossenen Kreis der Autozirkulation des ganzen Geräts hindurchgeschickten Stromimpulses nach der Formel:

T=T + VV fs] (3)

ο . I

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mit T = Verzögerungszeit eines Ultraschallimpulses in einem zu untersuchenden Werkstoff bei der η-ten Reflexion;

Z-, = gesamte Verzögerungszeit £s] für den Durchgang eines Stromimpulses bei der η-ten Reflexion vom Ein- zum Aus gang sämtlicher Funktionseinheiten des Geräts.

Gemäß Gleichung (2) für das erfindungsgemäße Gerät gilt:

T = 2nt., fs] . η 1 ^{L J}

Für die bekannten Geräte ergibt sich diese Zeit infolge des Vorhandenseins einer Trennung des Ultraschallstrahlers und -empfängers, die auf den gegenüberliegenden Flächen des zu untersuchenden Werkstoffes angeordnet wenden, zu:

T = (2n - 1) t fs] η 1 ^{l J}

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 der Autozirkulation zurückkehrenden Stromimpulsen einstellen zu:

F =

η τ τ+ γ_τ

η η £· 1

[Hz] (4),

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• - 22 -

Dann errechnet sich die Geschwindigkeit des durch den zu untersuchenden Werkstoff gehenden Ultraschalls nach den Beziehungen:

für die bekannten Geräte

(2n-l)-F · 1

η ν =

1 -

[m/s] (5)

T η

für das erfindungsgemäße Gerät

2n · F -1
ν = ψ— [m/s] (6),

1 -

T η

Bei den bekannten Geräten gilt aufgrund der kleinen Werte der

xenzen F von deren Autc
η

chung (5) für das Verhältnis

Frequenzen F von deren Auto zirkulation (T ist groß) in der Glei-

T η

«1,

und für die bekannten Geräte wird die Ultraschallgeschwindigkeit in bestimmten Genauigkeitsgrenzen nach einer vereinfachten Formel berechnet :

ν = (2n - 1) · F -1 fm/s] (7)

η UJ

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Für das erfindungsgemäße Gerät wird die ähnliche Bestimmung der Durchgangsgeschwindigkeit ν des Ultraschalls durch den zu untersuchenden Werkstoff nach der vereinfachten Beziehung (6) vorgenommen:

ν = 2n · F -1 [m/s] (8).

Um die Durchgangsgeschwindigkeit ν von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff in bestimmten Genauigkeitsgrenzen zu messen, muß man also bei dem erfindungsgemäßen Gerät ebenso wie bei den bekannten Geräten an die Meßpunkte einen Frequenzmesser anschließen, mittels dieses Frequenzmessers die Stromimpulsfolgefrequenz F ermitteln und durch Einsetzen des Wertes F dann ν finden. ^H η η

Hierbei wird der Abstand 1 als bekannt und als mit einer mindestens um eine Größenordnung höheren Genauigkeit gegenüber der Meßgenauigkeit für ν gemessen vorausgesetzt.

In den Fällen jedoch, wo das Verhältnis

nicht vernachlässigt werden darf, erscheint die Ermittlung der Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff mit ausreichender Genauigkeit mittels bekannter Geräte unmöglich. Das hängt einmal damit zusammen, daß die bekannten Geräte

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nicht zulassen, die Nummer η der Reflexion richtig zu ermitteln, bei der der Betrieb der Autozirkulation stattgefunden hat, und zum anderen damit, daß die bekannten Geräte in Abhängigkeit vom Wert />,T, vorgeeicht werden müssen, der seinerseits von vielen äußeren Faktoren abhängig ist und sich selbst von Messung zu Messung ändern kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät entfällt die Notwendigkeit der oben beschriebenen Eichung. Dies hängt damit zusammen, daß das erfindungsgemäße Gerät durch den Bediener auf eine vorgegebene Nummer η der Reflexion eingestellt wird, bei der der Betrieb der Autozirkulation stattfindet.

Um mit Hilfe des erfindungsgemäßen Geräts die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch den zu untersuchenden Werkstoff 3, bei dem der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Flächen gleich 1 ist, zu messen, muß man mittels eines an den Meßpunkt angeschlossenen Frequenzmessers zuerst die Stromimpulsfolgefrequenz F im geschlossenen Kreis der Autozirkulation bei einer vorher festgelegten η-ten Nummer der Reflexion des Ultraschallimpulses, dann dieselbe

Frequenz F . für die nächste (n+l')-te Reflexion des Ultraschallimn+i

pulses bestimmen, die Differenz

AF = F - F . [Hz] (9)

η n+1 ^{L J}

ermitteln und eine Berechnung von ν nach der Beziehung:

ν = 2 · F-I [m/s] (10)

durchführen.

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Bei den Berechnungen gemäß Gleichung (10) wird die gesamte Verzögerungszeit £ Γ, gegenseitig aufgehoben, worauf die Durchgang sgeschwindigkeit ν von Ultraschall durch den zu untersuchenden Werkstoff, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Geräts ermittelt wird, von Λ Γ unabhängig ist und einen Absolutwert darstellt.

Ist die Durchgangsgeschwindigkeit ν des durch den zu untersuchenden Werkstoff 3 gehenden Ultraschalls bekannt, so läßt sich der geometrische Abstand 1 zwischen den gegenüberliegenden Flächen dieses Werkstoffes mittels des erfindungsgemäßen Geräts gemäß Gleichung (10) nach der Beziehung berechnen:

Einer der Hauptvorteile des erfindungsgemäßen Geräts besteht darin, daß der Ultraschall wandler nur an der einen Seite des zu untersuchenden Werkstoffes angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Gerät gibt also die Möglichkeit, die geometrischen Abmessungen (t ist meist die Stärke) mit hohem Genauigkeitsgrad unter realen Verhältnissen zu bestimmen, wo es keinen freien Zugang zu den beiden gegenüberliegenden Flächen, beispielsweise zu den Wänden hermetisch abgeschlossener oder mit einer Flüssigkeit gefüllter Gefjaße, von Balken im Lamellenbau u. ä., worauf früher hingewiesen wurde, gibt.

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Alle bekannten Geräte sind für diese Verhältnisse ungeeignet.

Beim Messen verschiedener Kenndaten des zu untersuchenden Werkstoffes 3 mit Hilfe des erfindungsgemäßen Geräts, so zum Beispiel bleibender mechanischer Spannungen bei Metallen und Stahlkonstruktionen nach einer Schweißung, entfällt in der Regel die Notwendigkeit einer Direktmessung der Durchgangsgeschwindigkeit ν von Ultraschall durch den zu untersuchenden Werkstoff 3, weil die oben genannten mit der Frequenz F unmittelbar zusammenhängen.

Bezeichnet man in der Gleichung (6) den Faktor

2xi

T η

mit dem Buchstaben k, so läßt sich aufgrund dieser Beziehung (6)

die Frequenz F der Autozirkulation bei der η-ten Reflexion des Ul-η

traschallimpulses für das erfindungsgemäße Gerät nach der Beziehung berechnen:

^Fn -

Im vorliegenden Fall ist die Meßgenauigkeit für die Frequenz F besonders wichtig, die bei dem erfindungsgemäßen Gerät um eine Größenordnung und mehr höher als bei den bekannten Geräten ist. Aus der Beziehung (12) ist außerdem ersichtlich, daß, je höher die Frequenz F ist, die das erfindungsgemäße Gerät sicherzustellen in der Lage ist, desto geringer der Wert 1 ist, d. h. die Stärke des zu untersuchenden Werkstoffes.

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Da das erfindungsgemäße Gerät einen gegenüber sämtlichen bekannten Geräten um eine Größenordnung und mehr höheren Wert F sichert, kann die durch dieses gemessene Stärke 1 um eine Größenordnung und mehr niedriger als die durch alle bekannten Geräte zu messenden Stärken liegen, was einer der wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Geräts beim Messen von Kenndaten äußerst dünner Prüflinge in der Art von beispielsweise dünnen Stahlblechen ist.

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Claims (1)

1. Patentanspruch

   Meßgerät für die Durchgangsgeschwindigkeit von Ultraschall durch einen zu untersuchenden Werkstoff, das miteinander gekoppelt einen Impulsgenerator elektrischer Impulse, einen Ultraschallstrahler und -empfänger, einen Verstärker und einen Detektor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallstrahl &? und -empfänger, die als ein Ultraschallwandler (2) ausgeführt sind, an einer Seite des zu untersuchenden Werkstoffes (3) angeordnet und mit dem Verstärker (5) mittels eines Schalters (4) verbunden sind; und daß das Gerät enthält einen Impulszähler (7), von dem angeschlossen ist ein Eingang an den Ausgang des Detektors (6) , ein anderer Eingang an den Ausgang des Impulsgenerators (l) und ein Ausgang an den Eingang des Impulsgenerators (l), sowie eine Einheit (8) zur zwangsläufigen Auslösung des Impulsgenerators (l), deren Eingang an den anderen Ausgang des Verstärkers (5) und deren Ausgang an den Eingang des Impulsgenerators (l) angeschlossen ist.

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