DE2502141C3 - Ultraschall-Impulsgerät zur Werkstoffprüfung nach dem Schallschatten-Verfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Uitraschall-Impulsgerät zur Werkstoffprüfung nach dem Schallschatten-Verfahren, welches für die Messung der Zeit, in der die Uliraschallimpulse den zu prüfenden Werkstoff durchlaufen, einen Steuergenerator, einen daran angeschlossenen Tastimpulsgenerator, einen daran angeschlossenen Ultraschallstrahler und einen Empfänger zum Empfang des Ultraschalls nach seinem Werkstoffdurchgang, einen nachgeschalteten Verstärker, dessen Ausgang mit der Steuerelektrode einer Elektronenstrahl-Anzeigeröhre in Verbindung steht, eine Ablenkverzögerungsschaltung, deren Eingang mit dem Steuergenerator und deren Ausgang mit einem triggerbaren Ablenkgenerator verbunden ist, dessen Ausgangsspannung der Ablenkelektrode der Elektronenstrahl-Anzeigeröhre zugeführt wird, einen Wandler zur Umwandlung des zu messenden Zeitintervalls in einen Ziffernkode mit einer Zeitselektionsschaltung, deren einer Eingang unmittelbar an den Ausgang des Steuergenerators angeschlossen ist und deren Ausgang mit einem digitalen Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser mit einer Koinzidenzschaltung sowie mit einer zweiten Koinzidenzschaltung mit Einern Relais am Ausgang verbunden ist, deren anderer Eingang das Verstärker-Ausgangssignal aufnimmt.

Ein Gerät dieser Art ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 23 25 724 bekannt, jedoch ist es ein für die Prüfung von metallischen Werkstoffen bestimmtes, nach dem Echoverfahren arbeitendes Ultraschallimpulsgerät. Bei diesem Gerät werden hohe Ultraschallfrequenzen von I MHz und höher und dadurch ermöglichte Impulsfolgefrequenzen um 1 kHz angewandt und es wird nur die Dicke oder das Vorhandensein von Fehlerstellen bei Prüflingen mit geringer Dämpfung der Ultraschallschwingungen festgestellt.

Eine Anwendung des bekannten Geräts bei Werkstoffen mit hoher Dämpfung der Ultraschallschwingungen und zur Feststellung von deren Eigenschaften wie

« Druckfestigkeit, Elastizitätsmodul u. ä., insbesondere bei der Betonprüfung in der Bauindustrie, wäre nicht möglich. In Baumaterialien ist die Dämpfung von Ultraschallschwingungen sehr hoch und übertrifft die Dämpfung in Metallen um einige Größenordnungen.

fo Bei diesen Anwendungsfällen kann nur mit niedrigen Ultraschallfrequenzen von etwa 25 bis 20OkHz gearbeitet werden, was dazu zwingt, die Impulsfolgefrequenz in der Größenordnung von 30 bis 50 Hz zu wählen. Eine so geringe Impulsfolgefrequenz und eine

''5 noch niedrigere Periodizität der Anzeige würde bei einer Digitalablesung zum Flimmern der Anzeige auf der Elektronenstrahlröhre führen. Außerdem würde die Anwendung eines Wandlers Zeitintervall-Spannung-Di-

giialkode zusätzliche Fehler in die Messung der Zeitintervalle bringen.

Während bei einem einfachen Echodefektoskop zur Feststellung des Abstandes von Defekten von der Prüflingsoberfläche solche Fehler möglicherweise noch tragbar wären, so sind sie es nicht mehr, wenn im Durchschallungsverfahren die physikalisch-mechanischen Eigenschaften von Baumaterialien und dergl. festgestellt werden sollen. Hier sind die Anforderungen an die Fehlerfreiheit der Messung der Fortpflanzungs- to geschwindigkeit und des Ausbreilungsverhaltens besonders streng.

Zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen mit starker Ultraschalldämpfung, insbesondere von Beton, ist aus dem UdSSR-Erfinderschein 2 7031S ein Gerät bekannt, das zur Messung der Ultraschall-Laufzeit im Werkstoff aufweist: einen Steuergenerator, einen an diesen über eine Schaltung zur Nulleinstellung angeschlossenen Tastimpulsgeneraior, an den seinerseits ein Ultraschallstrahler angeschlossen ist, weiterhin einen Empfänger zum Empfang des Ultraschalls, einen hieran angeschlossenen Verstärker, dessen Ausgang auf die Vertikalablenkungselektroden einer Elektronenstrahlröhre wirkt, eine Schaltung zur kontinuierlichen und stufenweisen Ablenkverzögerung, deren Eingang am Steuergenerator liegt und deren Ausgang an einer triggerbaren Ablenkschaltung liegt, deren Ausgangsspannung an die Horizontalablenkungselektroden und die Helligkeitssteuerelektrode der Elektronenstrahlröhre gelangt, eine Koinzidenzschaltung mit einem Relaisausgang, deren Eingänge angeschlossen sind an die Ausgänge der Verzögerungsschaltung und des Verstärkers.

Bei diesen bekannten Geräten ist die Messung mehrerer Kennwerte des nach Durchschallung des Prüflings ankommenden Ultraschallsignals möglich, nämlich der Fortpflanzungsgeschwindigkeit, Periodendauer der Hauptwelle und Nachhalldauer. Diese Kennwerte erlauben dann Rückschlüsse auf die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Prüflingswerkstoffs wie z. B. die Druckfestigkeit, das Elastizitätsmodul, die Porosität, Strukturdefekte und dergl.

Die Messung von Zeitintervallen erfolgt bei diesem Gerät durch Verzögerung der Strahlablenkung in der zur Anzeige verwendeten Elektronenstrahlröhre bis zum Zeitpunkt, in dem die zu messende Phase des empfangenen Signals mit dem Anfang der Ablenklinie zusammenfällt, wobei die Ablesung an der Skala des zur Einstellung der Verzögerungsdauer benutzten Bauelements erfolgt. Die Prüfung der Skalengenauigkcit wird vor Beginn der Messung mit Hilfe von Marken der von einem Testgenerator erzeugten elektronischen Zeitskala vorgenommen.

Das Vorhandensein einer mechanischen Ablesungsvorrichtung mit Skala und die Notwendigkeit, die Eichung der Skala regelmäßig durchzuführen, bedingen eine niedrige Betriebszuverlässigkeit des Gerätes sowie eine geringe Meßgeschwindigkeit und Meßgenauigkeit.

Dabei ist die Ungenauigkeit der Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls so, daß ^f>o die Verwendung des Gerätes zur Bestimmung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften von Beton und dergl. problematisch wird. Hier darf der Fehler nicht größer als ±1% betragen. Bei einem zu messenden Zeitintervall einer üblichen Dauer von z. B. fts 20 msec darf der absolute Meßfehler nicht größer als ± 0,2 msec betragen.

Infolge einer Aufhellung und einer Verzerrung der Ablenklinienanfangs, die durch gleichzeitige Auslösung der Ablenkung und der Strahlhelltastung in dar Elektronenstrahlröhre bedingt sind, entstehen Dekkungsfehler bei ungenauer Zusammenführung der zu messenden Signalphase und des Ablenklinienanfangs. Diese Deckungsfehler führen zu zusätzlichen Meßfehlern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Vermeidung der beschriebenen Nachteile ein Ultraschall-lmpulsgerät zur Werkstoffprüfung von Materialien mit großer Dämpfung, insbesondere Beton, zu schaffen, das sich durch erhöhte Betriebssicherheit und Meßgenauigkeit auszeichnet. Dabei soll die mechanische Ableseeinrichtung mit einem Eichgenerator durch eine zuverlässige Digital-Ableseeinrichtung ersetzt sowie die Aufhellung und die Verzerrung der Ablenklinie durch eine Verzögerung der Strahlhelltastung in der Elektronenstrahlröhre in bezug auf den Einsatzpunkt der Ablenkung beseitigt werden.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß eine Schaltung zur Verzögerung der Helltastimpulse und ein Helltastimpuls-Generator vorgesehen ist, daß der andere Eingang der Zeitselektionsschaiturg des Wandlers über die Ablenkverzögerungsschaltung und die mit der letzteren in Reihe liegende Schaltung zur Helltastimpulsverzögerung an den Ausgang des Steuergenerators angeschlossen ist, und daß der Ausgang der letzteren mit d-jm Eingang des Helltastimpuls-Generators über die erwähnte Schaltung zur Nulleinstellung verbunden ist, der zweite Eingang des Helltastimpuls-Generators an den Ausgang des triggerbaren Ablenkgenerators geschaltet ist und der Ausgang des Helltastimpuls-Generators an der HeIHgkeits-Steuerelektorde der Elektronenstrahl-Anzeigeröhre liegt.

Die Anwendung des Zeitintervall-Ziffernkode-Wandlers im Ultraschall-Impulsgerät gibt die Möglichkeit, ein Auflösungsvermögen der Messung und Ablesung des Zeitintervalls in der Größe einer Periode der Impulsfolge jes Steuergenerators zu erhalten, was die Meßgenauigkeit wesentlich erhöht. Dabei ist die Messung mit Hilfe einer mechanischen Skaleneinrichlung durch einen automatischen Meßvorgang ersetzt und es entfällt auch die Notwendigkeit, die Skala periodisch zu eichen.

Eine genaue Anzeige des Meßergebnisses wird bei beliebig niedrig gewählten Impulsfolgefrequenzen möglich.

Die Benutzung der Schaltung zur Verzögerung der Helltastimpulse, der Schaltung zur Nulleinstellung und des Helltastimpuls-Generators, die miteinander in Reihe liegen", ermöglicht es, eine Aufhellung und Verzerrung des '\blenklinienanfangs zu vermeiden, die durch gleichzeitige Auslösung der Ablenkung und der Strahlhelltastung ?m Schirm der Elektronenstrahl-Anzeigeröhre bedingt sind und zu Deckungsfehlern sowohl bei der Nulleinstellung als auch bei der Messung führen.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Uitraschallgeräts ist der digitale Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser mit einem Frequenzteiler ausgestattet, dessen Eingang mit dem Ausgang der Zeitselektionsschaltung verbunden ist, sowie mit einem Generator verbreiterter Impulse, dessen Eingang an den Frequenzteiler angeschlossen ist und dessen Ausgang an einem zusätzlichen Eingang der Koinzidenzschaltung des digitalen Ultraschall-Geschwindigkeitsmessers liegt.

Bei dieser Ausführungsform wird die Summe einer

Vielzahl von gemessenen Zeitintervallen statistisch gemittelt. was die Meßgenauigkeit weiter erhöht.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Prüfgerätes sind die Eingänge des triggerbaren Ablenkgenerators und der Schaltung zur Nulleinstellung beim Nulleinstellungsvorgang an den Ausgang des Steuergenerators angeschlossen.

Die Benutzung der Ablenkverzögerungsschaltung ergibt eine höhere Meßgenauigkeit, da die Steuerimpulse des Meßgenerators eine bessere zeitliche Stabilität und steilere Flanken als beim rechteckigen Steuerimpuls der Ablenkverzögerungsschaltung in der erwähnten Schaltungsanordnung haben.

In einer weiteren Ausbildung des crfindiingsgemäßen Ultraschallgeräts hat die Ablenkverzögerungsschaltung einen von dem erwähnten Steuergencrator gesteuerten Auftastimpulsgenerator, dessen Ausgang mit einem der Eingange einer logischen ÜND-Schaitung verbunden ist. wobei deren zweiter Eingang am Ausgang des Meßgenerators liegt und der Ausgang der UND-Schaltung über den Frequenzteiler an den Stopp-Eingang des Auftastimpulsgenerators geschaltet ist.

Bei einer solchen Ausbildung kann die Meßdauer um den Faktor der Frequenzteilung verlängert werden, wodurch das Auflösungsvermögen und die Genauigkeit der Messung um einen entsprechenden Faktor zunimmt.

Schließlich ist es zweckmäßig, wenn zwischen dem Ausgang des Meßgenerators und der Zeitselektionsschaltung ein Frequenzteiler geschaltet ist.

In der nachstehenden Beschreibung wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. I Blockschaltbild des Ultraschall-Impulsgeräts zur Werkstoffprüfung mit dem Zeitintervall-Ziffernkode-Wandler, der Schaltung zur Helltastimpuls-Verzögerung und dem Helltastimpulssieb. sowie dem Frequenzteiler und dem Generator verbreiterter Impulse,

F i g. 2 das Blockschaltbild einer Ausführung der Verzögerungsschaltung mit Meßgeneratoren, einer »UND«-Schaltung, einem Auftastimpulsgenerator und zwei Frequenzteilern.

Das Gerät enthält einen Steuergenerator 1. der einen Tastimpulsgenerator 2 für die Messung auslöst, sowie eine Schaltung 3 zur Ablenkverzögerung. Ein Ultraschallstrahler 4 und ein Ultraschallempfänger 5 sind an gegenüberliegenden Seiten des zu prüfenden Werkstoffes 6 angeordnet und dienen zur Erzeugung und zum Empfang von Ultraschallschwingungen, die durch den Werkstoff hindurchgegangen sind.

Nach der Verstärkung durch einen Verstärker 7 gelangen die Schwingungen an die Steuerelektrode der Elektronenstrahl-Anzeigeröhre 8 zur visuellen Anzeige.

Die Schaltung 3 zur Ablenkverzögerung erzeugt einen Impuls mit der Dauer J₃. dessen Hinterflanke einen triggerbaren Ablenkgenerator 9 ansteuert. Die Sägezahnspannung des Generators 9 wird der Ablenkelektrode der Elektronenstrahl-Anzeigeröhre 8 zugeführt. Außerdem löst die Ablenkverzögerungsschaltung 3 eine Schaltung 10 zur Helltastimpuls-Verzögerung aus, die einen Impuls mit konstanter Dauer /10 erzeugt. Dieser Impuls dient zur Verschiebung des von dem Helltastimpuls-Generator 11 gelieferten Helltastimpulses. Die Helltastimpulse werden der entsprechenden Elektrode der Elektronenstrahl-Anzeigeröhre 8 zugeführt.

Die Schaltung 12 zur Nulleinstellung ist zwischen der Schaltung 10 zur Helltastimpuls-Verzögerung und dem Helltastimpuls-Generator 11 eingeschaltet und dient zur Zusammenführung der Vordcrflankc des empfangenen Signals mit dem Anfang der Ablenklinic beim Nullcinstelliingsvorgang, wenn der Strahler 4 und der Empfänger 5 voneinander gebracht werden.

Zu diesem Zweck erzeugt die Schaltung 12 zur Nulleinstellung einen Impuls mit regelbarer Dauer i\i.

Die Schaltung 3 zur Ablenkverzögerung setzt auch eine Zeitselektionsschaltung 13 in Betrieb, die einen Meßimpuls mit einer Dauer von

t\ ι = Ii + Ίο+ l\2

erzeugt, welcher einem der Eingänge einer Koinzidenzschaltung 15 zugeführt wird. Die letztere dient zur zusätzlichen Markierung des Zeitpunktes, in dem die Vorderflanke des empfangenen Signals mit dem Ablenklinienanfang zusammenfällt, der auf dem Schirm der Anzeigeröhre 8 von der Bedienungsperson verscho

Den wii'u. LMcSC iviüTKc wii'u uüfCn Anlegung cii'lOs vun

Generator 11 gelieferten Hclltastimpulscs an die Helligkeits-Steuerelektrode der Elektronenstrahl-An zeigeröhre 8 erzeugt.

Vom Ausgang der Zcitsclcktionsschaltung 13 gclangl der Meßimpuls mit der Dauer in zum Eingang de« digitalen Ultraschall-Geschwindigkeitsmessers 14. der in der Regel eine Koinzidenzschaltung enthält, und zu einem Eingang der Koinzidenzschaltung 15 mit

Der Ausgang der Zeilselektionsschaltung 13 kann auch mit dem Eingang des Frequenzteilers 16 verbunden werden, der den Generator 17 verbreiterter Impulse so ansteuert, daß die Dauer des Impulses am Ausgang dieses Generators 17 proportional dem Frequenzteilungsverhältnis des Frequenzteilers 16 ist.

Dieser verbreiterte Impuls gelangt zum anderen Eingang der zum digitalen Geschwindigkeitsmesser 14 gehörenden Koinzidenzschaltung und wird nun zum Meßimpuls, da seine Dauer t\j — k- U^ ist. Hierbei bedeuten k das Teilungsverhältnis und fu die zu messende Laufzeit von Ultraschallschwingungen in dem zu prüfenden Werkstoff 6. die bei konstanter Durchschallungsbasis (d. h. dem Abstand des Strahlers 4 vom Empfänger 5) proportional der zu messenden Ultraschallgeschwindigkeit ist.

So wird bei k= 10 die gemessene Zeitdauer um den Faktor 10 vergrößert, und insofern das gemessene Zeitintervall bei diesem Meßverfahren mit Zählimpulsen ausgefüllt wird, steigt die Meßgenauigkeit um das Zehnfache.

Zur weiteren Erhöhung der Meßgenauigkeit läßt man die Schaltung 3 zur Ablenkverzögerung den Tastimpulsgenerator 2 ansteuern. Die Schaltung 3 zur Ablenkverzögerung funktioniert wie folgt.

Der Meßgenerator 18 erzeugt eine Spannung mit regelbarer Folgefrequenz, die auf einen Eingang der UND-Schaltung 19 gelangt, auf deren zweiten Eingang Impulse vom Auftastimpulsgenerator 20 gegeben werden. Beim Erscheinen der vom Steuergenerator 1 erzeugten Impulse am Start-Eingang des Auftastgenerators 20 wird die UND-Schaltung 19 entsperrt, und an ihrem Ausgang erscheinen Impulse des Meßgenerators 18, die zum Teiler 21 gelangen. Dieser zählt die vorgegebene Anzahl von Steuerimpulsen ab und stoppt den Auftastimpulsgenerator 20, der die UND-Schaltung 19 bis zur nächsten Auslösung des Steuergenerators 1 sperrt

Die auf diese Weise abgetrennten zwei (oder mehrere) Impulse des Generators 18 mit regelbarer Frequenz werden als Steuerimpulse zur getrennten

Auslösung des Tastimptilsgenerators 2 und des beschriebenen An/eigckanals benui/i. wobei die l'eriodi/ilai dieser Auslösung vom .Steuergenerator I festgelegt wird.

Dabei entspricht die Verzögerung der Auslosung des triggerbaren Ablenkgenerator 9 im Vergleich mil dem Siart/eiiptinkt des Tastinipulsgcnerators 2 dem Zeitintcrv.,,1 /wischen den /u ei abgetrennten Steuerimpulsen

des Meßgenerators 18 (also dem erwähnten Zeitintervall /,).

Das Schallen des I requenzteikrs 22 zwischen dem Meßgenerator 18 und dem Hingang der Zeilsclcktionsschaltung 13 bietet die Möglichkeit, das Zeitintervall in einen Ziffernkode, um η Male größer als der zu messende Inlervall, umzuwandeln, was die Herabsetzung um das »fache des relativen F'chlers herbeiführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Impulsgeirät zur Werkstoffprüfung nach dem Schallschatten-Verfahren, welches für die Messung der Zeit, in der die Ultraschallimpulse den zu prüfenden Werkstoff durchlaufen, einen Steuergenerator, einen daran angeschlossenen Tastimpulsgenerator, einen daran angeschlossenen Ultraschallstrahler und einen Empfänger zum Empfang des Ultraschalls nach seinem Werkstoffdruchgang, einen nachgeschalteten Verstärker, dessen Ausgang mit der Steuerelektrode eimer Elektronenstrahl-Anzeigeröhre in Verbindung steht, eine Ablenkverzögerungsschaltung, deren Eingang mit dem Steuergenerator und deren Ausgang mit einem triggerbaren Ablenkgenerator verbunden ist, dessen Ausgangsspannung der Ablenkelektrode der Elektronenstrahl-Anzeigeröhre zugeführt wird, einen Wandler zu« Umwandlung des zu messenden Zeitintervaüs in einen Ziffernkode mit einer Zeitselektionsschaltung, deren einer Eingang unmittelbar an den Ausgang des Steuergenerators angeschlossen ist und deren Ausgang mit einem digitalen Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser mit einer Koinzidenzschaltung sowie mit einer zweiten Koinzidenzschaltung mit einem Relais am Ausgang verbunden ist, deren anderer Eingang das Verstärker-Ausgangssignal aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (10) zur Verzögerung der Helltastimpulse und ein Helltastimpuls-Generator (11) vorgesehen ist, daß der andere Eingang der Zeitselektionsschaltung (13) des Wandlers über die Ablenkveizögerungsschaltung (3) und die mit der letzteren in Reihe i.egende Schaltung (10) zur Helltastimpulsverzögerung an den Ausgang des Steuergenerators (1) angeschlossen ist, und daß der Ausgang der letzteren mit dem Eingang des Helltastimpuls-Generators (11) über die erwähnte Schaltung (12) zur Nulleinstellung verbunden ist, der zweite Eingang des Helltastimpuls-Generators (11) an den Ausgang des triggerbaren Ablenkgenerators (9) geschaltet ist und der Ausgang des Helltastimpuls-Generators (11) an der Helligkeits-Steuerelektrode der Elektronenstrahl-Anzeigeröhre (8) liegt.

2. Ultraschall-Impulsgerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Ultraschall-Geschwindigkeitsmesser mit einem Frequenzteiler (16) ausgestattet ist, dessen Eingang mit dem Ausgang der genannten Zeitselektionsschaltung (13) verbunden ist, sowie einen Generator (17) verbreiterter Impulse aufweist, dessen Eingang an den Frequenzteiler (16) angeschlossen ist und dessen Ausgang an einem zusätzlichen Eingang der erwähnten Koinzidenzschaltung des genannten digitalen Ultraschall-Geschwindigkeitsmessers (14) liegt.

3. Ultraschall-Impulsgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge des triggerbaren Ablenkgenerator!; (9) und der Schaltung (12) zur Nulleinstellung beim Nulleinsteliungsvorgang an den Ausgang des Steuergenerators (1) angeschlossen sind.

4. Ultraschall-Impulsgerät nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkverzögerungsschaltung (3) einen von dem erwähnten Steuergenerator (1) gesteuerten Auftastimpulsgcnerator (20) enthält, dessen Ausgang mit einem Eingang der logischen UND-Schaltung (19) verbunden ist, der zweite Eingang der logischen UND-Schaltung (19) am Ausgang des Meßgenerators (18) liegt und der Ausgang der UND-Schaltung (19) über einen Frequenzteiler (21) an den Stopp-Eingang des genannten Auftasiimpulsgenerators geschaltet ist.

5. U'traschall-Impulsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den; Ausgang des Meßgenerators (18) und dem Eingang der Zeitselektionsschaltung ein Frequenzteiler (22) eingeschaltet ist.