DE2747309A1

DE2747309A1 - Piezoelektrisches geraet

Info

Publication number: DE2747309A1
Application number: DE19772747309
Authority: DE
Inventors: George R Douglas; Charles H Jones
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-10-29
Filing date: 1977-10-21
Publication date: 1978-05-03
Also published as: GB1556795A; FR2369690B1; US4088907A; JPS5391786A; CA1087725A; FR2369690A1

Description

Dr-In₃. Ein t Siratmann Patentanwalt

4 Düsseldorf 1 Schadowplatz 9

Düsseldorf, 19. Okt. 1977

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Piezoelektrisches Gerät

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Gerät, das gegenüber akustischen Emissionen empfindlich ist.

Akustische Emissionssignale werden manchmal in Strukturen aufgrund der Belastung des Strukturmaterials wie auch bei dem Entstehen oder beim Wachsen von Rissen erzeugt. Diese akustischen Emissionen sind hochfrequente elastische Wellen, die durch das Material hindurchlaufen und mögliche strukturelle Verschlechterungen anzeigen.

Entsprechend wird man Meßeinrichtungen für akustische Emissionen vorsehen, um die strukturelle Integrität zu überwachen, beispielsweise dadurch, daß eine Reihe von akustischen Emissionsdetektoren über eine Struktur in Verbindung mit einem Triangulationssystem angeordnet wird, welches die Informationen der Detektorstandortkoordinaten, die Ankunftszeit der Belastungswellen bei den Detektoren sowie verschiedene Parameter benutzt, um den Ausgangspunkt einer akustischen Emission zu berechnen. Nach Lokalisierung wird die der Aktivität verdächtigte Zone markiert, um diese später genauer zu untersuchen, was mittels

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hochauflösenden Ultraschallbildverfahren oder mittels Röntgenstrahlen erfolgen kann.

Eine Art von Wandleranordnung, die als passive Höreinrichtung zur Messung von akustischen Emissionen verwendet werden kann, wird in der US-Patentschrift 3 935 484 beschrieben. Die Anordnung verwendet ein piezoelektrisches Element, das mit einem akustischen Fenster der Anordnung verbunden ist und gegen dieses gepreßt wird. Das Wandlerelement reagiert auf Oberflächenverschiebungen in einer normalen Richtung, die von akustischen Emissionen verursacht werden.

Unter bestimmten Umständen ist es wünschenswert, einen Detektor zu schaffen, der nicht nur auf Kompressionswellenenergie reagiert, sondern auch auf Scherwellenenergie, so daß weitere Informationen bezüglich der akustischen Emission erhältlich werden. Ein Weg, dies zu erreichen, liegt darin, einen zusätzlichen Scherwellendetektor in dem allgemeinen Gebiet des Kompressionswellendetektors anzuordnen. Jedoch erhöht diese Anordnung die Kompliziertheit und die Gesamtkosten des Systems. Eine andere Art von Meßzelle, die in der US-Patentschrift 3 566 163 beschrieben wird, ist sowohl gegenüber Scherkräften als auch gegenüber Kompressionskräften empfindlich und in einer sich selbst haltenden integralen Anordnung verpackt. Diese Anordnung wird jedoch für Kraft- oder Beschleunigungsmessungen benutzt. Die Meßzelle verwendet sechs piezoelektrische Scheiben mit dazwischen angeordneten Elektroden. Eine derartige Anordnung ist, wenn sie für die Messung von akustischen Emissionen angepaßt wird, mit einem verhältnismäßig kleinen Wirkungsgrad behaftet, und zwar aufrund der vielen Verkupplungen zwischen den Stoßflachen und Elektroden. Daraus ergeben sich auch Verzerrungen von sinnvollen Ausgangssignalen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes piezoelektrisches Instrument zu schaffen, das auf akustische Emissionen reagiert, bei dem die oben genannten Nachteile nicht mehr vorhanden sind.

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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, also von einem piezoelektrischen Instrument, das gegenüber akustischen Emissionen einer Struktur empfindlich ist, bestehend aus einem Wandlergehäuse, das so ausgeführt ist, daß es auf der Struktur angeordnet werden kann und ein akustisches Fenster für die Übertragung von akustischer Energie aufweist. Bezüglich des Fensters ist ein piezoelektrisches Wandlerelement angeordnet, das auf durch das Fenster hindurchlaufende akustische Energie reagiert. Erfindungswesentlich ist, daß das Wandlerelement eine Längsachse besitzt, die senkrecht zu dem Fenster liegt und in der gleichen Richtung gepolt ist, wie diese Achse. Wichtig ist außerdem, daß das Instrument ein erstes Paar von Elektroden aufweist, die auf der oberen und auf der unteren Fläche des Wandlerelementes angeordnet sind und auf Kompressionswellenenergie reagieren, die durch das Fenster übertragen wird, um ein erstes Signal zu liefern. Des weiteren ist ein zweites Paar von Elektroden vorgesehen, die einander gegenüberliegend auf der Seitenfläche des Wandlerelementes angeordnet sind und auf Scherwellenenergie reagieren, die durch das Fenster hindurch übertragen wird, um ein zweites Signal zu liefern. Schließlich ist noch ein drittes Paar von Elektroden vorgesehen, die einander gegenüberliegend an der Seitenfläche des Wandlerelementes angeordnet sind und in einem Winkel zu dem zweiten Elektrodenpaar liegen und auf Scherwellenenergie reagieren, die durch das Fenster übertragen wird, um ein drittes Signal zu liefern. Einrichtungen zur Verarbeitung des ersten, zweiten und dritten Signals dienen dazu, ein viertes Signal zu liefern, das proportional zur Gesamtenergie ist, die von dem Wandlerelement aufgenommen wird.

Wie oben kurz beschrieben wurde, umfaßt ein Wandlergehäuse, das mit einer unter Beobachtung stehenden Struktur verkoppelt sein kann, ein akustisches Fenster sowie ein piezoelektrisches Wandlerelement, das hinter dem Fenster derart angeordnet ist, daß es auf akustische Energie reagiert, die durch eine akustische Emission in der Struktur abgegeben wird. Das Wandlerelement ist mit seiner gepolten Richtung senkrecht zum aku-

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stischen Fenster ausgerichtet und umfaßt drei Elektrodenpaare, wobei ein erstes Paar auf der oberen und auf der unteren Fläche angeordnet ist, um so auf Kompressionswellenenergie zu reagieren, die durch das Fenster hindurchtritt. Ein zweites Elektrodenpaar ist einander gegenüberliegend an der Seitenfläche des Wandlers vorgesehen, um so auf Scherwellenenergie reagieren zu können, während ein drittes Elektrodenpaar, ebenfalls einander gegenüberliegend, auf der Seitenfläche angeordnet ist, jedoch gegenüber dem zweiten Elektrodenpaar um einen Winkel versetzt, wobei dieses Elektrodenpaar ebenfalls auf Scherwellenenergie reagiert, die durch das Fenster hindurchtritt.

Die von der Vielzahl der Wandlerpaare gelieferten Signale werden dann in Verbindung mit den Signalen von anderen Detektoren verwendet, um die örtlichkeit der akustischen Emissionen zu errechnen.

Diese Berechnung kann dadurch erfolgen, daß die drei Spannungssignale, die von den Elektrodenpaaren geliefert werden, zunächst quadriert werden, woraufhin dann die quadrierten Signale addiert werden, um ein Signal zu erhalten, das proportional zur empfangenen Leistung der akustischen Wellen ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1a und 1b

zwei Formen von piezoelektrischen Elementen, die erfindungsgemäß verwendet werden können;

Fig. 2 in einer Querschnittsansicht ein Wandlergehäuse, in dem ein piezoelektrisches Element montiert ist;

Fig. 3 ein Strukturglied mit einer Anzahl von Detektoren auf seiner Oberfläche;

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Fig. 4 eine Querschnittsansicht durch eine Wand eines Strukturgliedes zur Erläuterung einer darin stattfindenden akustischen Emission;

Fig. 5 eine typische Wellenform, die von der Wandleranordnung geliefert wird;

Fig. 6a bis 6i

die Anworten der Wandler auf die drei Komponenten einer Kompressionswelle und die sechs Komponenten einer Scherungswelle;

Fig. 7 ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Verarbeitung der von dem piezoelektrischen Element gelieferten Signale;

Fig. 8 fünf Signale, die von den fünf in Fig. 3 dargestellten Wandlern erhalten worden sein mögen, und zwar aufgrund einer akustischen Emission durch Belastungen in dem Glied am Punkt P;

Fig. 9 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer Art von Signalverarbeitungsanordnung, die bestimmte Auslesungen des Zustandes des zu untersuchenden Gliedes liefert;

Fig. 1o eine Ansicht einer typischen Streifenkartenauslesung, die mit dem Gerät der Fig. 9 erhältlich ist;

Fig. 11 eine mehr ins einzelne gehende Ansicht des Sichtdarstellungsausganges der Fig. 9; und

Fig. 12 ein Blockdiagramm zur Erläuterung einer anderen Art von Signalverarbeitungseinrichtung, die verwendet werden kann.

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Fig. 1 a erläutert ein piezoelektrisches Element 1o, das eine Kopffläche, eine Bodenfläche und Seitenflächen 12, 13 bzw. 14 umfaßt und von im wesentlichen kreiszylindrischer Form ist. Das Element 1o kann ein PZT-Material (Bleizirkonattitanat) sein, eine Longitudinalachse Z besitzen und in der gleichen Richtung wie die Achse gepolt sein. Andere piezoelektrische Materialien, wie Bleimethaniobat, können anstelle von PZT verwendet werden, jedoch sollte das Material isotrop sein oder zumindest in den zwei aufeinander senkrechten Richtungen, die senkrecht zur Richtung der Polung liegen, gleiche Antwortcharakteristik aufweisen.

Ein erstes Paar von Elektroden A und A¹ sind einander gegenüberliegend auf der Kopffläche und der Bodenfläche angeordnet und liefern für die Polungsrichtung ein Ausgangssignal aufgrund von Kompressionswellenenergie. Ein zweites Paar von Elektroden B und B¹ sind einander gegenüberliegend auf der Seitenfläche 14 angeordnet und liefern ein maximales Ausgangssignal aufgrund von Scherwellenenergie einer ersten Richtung. Ein in einem Winkel, vorzugsweise 9o Grad, zum zweiten Elektrodenpaar versetztes drittes Paar von Elektroden C und C¹ ist auf der Seitenoberfläche 14 diametral gegenüberliegend angeordnet und gegenüber Scherwellenenergie empfindlich, derart, daß ein maximales Ausgangssignal geliefert wird, wenn die Scherwellenenergie sich in einer zweiten Richtung bewegt, die senkrecht auf der ersten Richtung liegt.

Ein typisches piezoelektrisches Element zur Messung von akustischen Übertragungen würde eine Höhe h von angenähert der halben Wellenlänge der interessierenden Primärfrequenz in dem Element aufweisen, sowie einen Durchmesser D, der ungefähr gleich einer halben Wellenlänge oder einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der Scherwellenenergie in dem zu untersuchenden Strukturmaterial ist.

Fig. 1b erläutert eine andere Form eines piezoelektrischen Elementes 1ο¹, das in ähnlicher Weise eine Kopffläche, eine

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Bodenfläche sowie Seitenflächen 12, 13 bzw. 14 aufweist, wobei jedoch die Seitenfläche 14 durch sich gegenüberliegende Flächen 18 und 18' bzw. 19 und 19· gebildet wird. Das Element ist in der Richtung der Längsachse Z gepolt und die drei Elektrodenpaare sind derartig angeordnet, daß die Elektroden A und A¹ ein Ausgangssignal aufgrund von Kompressionswellenenergie liefern, während die anderen zwei Elektrodenpaare B und B¹ bzw. C und C Ausgangssignale aufgrund von Scherwellenenergie liefern. Die Dimensionen sind die gleichen, wie beim Element, das in Fig. 1a beschrieben wurde, wobei die Dimension L zur Dimension D äquivalent ist.

Die Fig. 2 erläutert das piezoelektrische Element 1o, das innerhalb eines Gehäuses oder Halters 22 angeordnet ist, das ein akustisches Fenster 24 an seinem einen Ende aufweist, um akustische Energie hindurchzulassen, die von einer akustischen Emission innerhalb der Struktur 26 ausgeht.

Das piezoelektrische Element 1o wird zwischen zwei elektrisch isolierenden Scheiben 3o und 31 fest in Stellung gehalten. Um eine gute Scherwellenkopplung zu erreichen, kann die Isolierscheibe 3o mit dem Fenster 24 wie uch mit dem Element 1o fest verbunden sein.

Die Isolierscheibe 31 besitzt eine Vielzahl von öffnungen 33, um Elektrodenzuleitungen hindurchzulassen, von denen zwei bei 36 und 37 angedeutet sind. Zuleitungen für die übrigen zwei Elektrodenpaare werden durch vier andere öffnungen hindurchgeführt sein, die um die Scheibe 31 herum angeordnet wären.

Um ungewünschte akustische Reflektionen zu absorbieren und um als eine Reaktionsmasse zu dienen, ist ein Dämpfungsblockglied 4o vorgesehen, das mit Hilfe einer Feder 41 und einer Kappe 42 auf die untere Anordnung gedruckt wird.

Ein Isolierzylinder 45 umringt das piezoelektrische Element 1o, die Scheibe 31 und das Stützglied 4o und umfaßt eine Anzahl

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von öffnungen 46 für die Hindurchführung von Anschlußdrähten, die mit den Wandlerelektroden verbunden sind.

Im allgemeinen wird das Gehäuse 22 typischerweise als Metallglied ausgeführt sein und - elektrisch gesehen - sich auf Massepotential befinden. Beim tatsächlichen Betrieb kann das Potential dieses Gehäuses sich jedoch etwas verändern. Um irgendwelche Rauschaufnahme aufgrund dieser Veränderungen des Gehäusepotentials zu vermeiden, sind die Isolierscheiben 3o und 31 vorzugsweise von gleicher Dicke, so daß die Kapazität der Elektroden A und A¹ gegenüber Masse gleich ist.

Das Gerät der Fig. 2 bildet einen Detektor für akustische Emissionen. Bei der tatsächlichen Anwendung wird eine Vielzahl derartiger Detektoren auf einer zu beobachtenden Struktur angeordnet, wie beispielsweise in Fig. 3 angedeutet. Die Struktur 26 kann beispielsweise ein Druckgefäß für einen Kernreaktor sein, welches auf seiner Oberfläche eine Anzahl von Detektoren T aufweist, von denen jeder die in Fig. 2 dargestellte Konstruktion besitzt.

Ein Wandteil der Struktur 26 ist im Querschnitt in Fig. 4 dargestellt, zusammen mit zwei Detektoreinheiten T1 und T2 auf seiner Oberfläche. Ein Bereich von örtlicher Belastung, bei 5o angedeutet, bewirkt akustische Emissionen von einer solchen Art, daß Longitudinal- (L) und/oder Scherwellen (S) ausgesendet werden. Ein Bereich von hoher örtlicher Belastung kann Scheremissionen oder Longitudinalemissionen erzeugen, doch werden oft auch beide Emissionsarten gleichzeitig abgesandt. Was an den verschiedenen Detektoren jedoch aufgenommen wird, ist eine komplizierte Wellenform, wie sie beispielsweise in Fig. 5 erläutert ist, und zwar aufgrund der Tatsache, daß sich die Scherwellen nicht mit der gleichen Geschwindigkeit fortpflanzen, wie die Longitudinalwellen, sowie auch aufgrund der Tatsache, daß die Detektoren nicht nur die direkten Welle,n aufnehmen, sondern auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten reflektierte Wellen und vielfach reflektierte Wellen. Im allgemeinen wird

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bei jeder Reflektion einer Scherwelle eine Kompressionswelle erzeugt und bei jeder Reflektion einer Kompressionswelle eine Scherwelle ausgesendet. Die in Figur 2 dargestellte Struktur wird nicht nur die Kompressionswellen sondern auch die Scherwellen von unterschiedlichen und sich ändernden Richtungen erkennen.

Die Antwort des Wandlerelementes auf sowohl Longitudinalsignale als auch auf Schersignale wird nun bezüglich der Fig. 6a bis i erläutert. Ein Wandler der in Fig. 1 b dargestellten Art, der in vertikaler Richtung gepolt ist, sei angenommenermaßen auf der Kopffläche eines horizontalen Metallblockes angeordnet und so orientiert, daß die vier Seiten nach Norden, Osten, Süden und Westen gerichtet sind. Eine longitudinale Kompressionswelle, die von irgendeiner Richtung eintrifft, kann in drei zueinander orthogonale Vektorkomponenten aufgespalten werden: einen vertikalen Vektor, einen horizontalen Ost-West-Vektor und einen horizontalen Nord-Süd-Vektor. Die Fig. 6a, b und c erläutern die sich aus diesen drei Komponenten ergebenden Signale. Die vertikale Komponente erzeugt eine Kompressionsantwort und einen Wechselstromausgang zwischen der Kopfelektrode und der Bodenelektrode. Die + und - Symbole zeigen den Ort der Elektroden an, der ein Ausgangssignal liefert. Die Ost-West-Komponente der Longitudinalwelle erzeugt eine kleinere Scherkraft am Wandlerelement aufgrund dessen Trägheit und erzeugt eine Ausgangsspannung zwischen den Ost-West-Elektroden. In ähnlicher Weise erzeugt eine Nord-Süd-Longitudinalwelle eine kleinere Scherantwort und einen Ausgang zwischen den Nord-Süd-Elektroden.

Nun sei angenommen, daß am Wandler von irgendeiner Richtung eine Scherwelle eintrifft, wobei die Scherungsorientierung irgendwie liege. Ein derartiges Signal kann in drei aufeinander senkrecht stehende Signale aufgespalten werden: In ein vertikales Signal sowie in ein Ost-West-Horizontalsignal und ein Nord-Süd-Horizontalsignal. Das Vertikalsignal wiederum kann in zwei Signal-Komponenten aufgespalten werden, von denen das

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eine in einer Nord-Süd-Scherrichtung und das andere in einer Ost-West-Scherrichtung liegt. Diese Signale sind in den Figuren 6d und g erläutert. Der Ausgangssignalspannungsgradient liegt senkrecht sowohl zur Polrichtung als auch zum Schervektor. Infolgedessen erzeugt in Fig. 6d die vertikale Scherwelle mit einem Nord-Süd-Schervektor einen Wechselstromausgang an den Ost-West-Elektroden. In ähnlicher Weise erzeugt gemäß Fig. 6g die vertikale Scherwelle mit einer Ost-West-Scherrichtung einen Ausgang an den Nord-Süd-Elektroden.

In ähnlicher Weise kann das Ost-West-Schersignal als aus zwei Komponenten zusammengesetzt gedacht werden, wobei die eine Komponente eine Nord-Süd-Scherrichtung und die andere Komponente eine vertikale Scherrichtung aufweist, wie in Fig. 6e und 6h erläutert. Die Ost-West-Scherwelle mit dem Nord-Süd-Schervektor erzeugt einen Ausgang an den Ost-West-Elektorden. Die Ost-West-Scherwelle mit dem vertikalen Schervektor erzeugt eine Scherantwort aufgrund der Wandlerträgheit und infolgedessen einen Ausgang zwischen den Nord-Süd-Elektroden. Das Nord-Süd-Schersignal kann ebenfalls als aus ei2em Signal mit horizontalem Ost-West-Schervektor, Fig. 6f, und einem Signal mit vertikalem Schervektor, Fig. 6i zusammengesetzt gedacht werden. In Fig. 6f entstehen die Ausgänge zwischen den Nord-Süd-Anschlüssen und in Fig. 6i zwischen den Ost-West-Anschlüssen.

Im allgemeinen werden die in den Fig. 6b, c, h und i erläuterten Ausgänge klein sein verglichen mit den Wellenkomponenten, die in den Fig. 6a, d, e, f und g dargestellt sind, da sie von der Trägheit des Wandlerelementes und der der Stützmasse abhängig sind.

Eine vorzugsweise Dicke für das Wandlerelement ist eine halbe Wellenlänge des Longitudinalmodes der Frequenz von hauptsächlichem Interesse. Beispielsweise beträgt bei einer Frequenz von f = 5oo KHz bei Anwendung eines keramischen Materials wie PZT mit einer longitudinalen (kompressiven) Geschwindigkeit ν = 2,2 χ 1o Zoll pro Sekunde die Wellenlänge

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^{CC Γ} 5 χ 1O^b

Eine vorzugsweise Wandlerdicke beträgt dann h = -4£ = 0,22 Zoll

Eine vorzugsweise Breite und Länge für das Element ist eine halbe Wellenlänge für den Scherungsmode im Gefäßmaterial. Wenn beispielsweise akustische Emissionen bei 5oo KHz in einem Gefäß aus mildem Stahl, der eine Scherungsgeschwindigkeit

ν = 1,3 χ Io Zoll pro Sekunde aufweist, gemessen wird, ss

beträgt die Wellenlänge

ν 5

«v ss 1,3x10 _ η _oc ,,^₁₁

Λ = —ψ- = —* ä = 0,26 Zoll

^{SS f} 5,0 χ 10⁵

Eine vorzugsweise Längen- oder Breitendinension beträgt dann L = -ψ- = 0,13 Zoll

Aus dem vorangegangenen wird deutlich, daß eine Longitudinalwelle oder Scherungswelle von irgendeiner Richtung einen Ausgang am vorgeschlagenen Wandler erzeugen wird. Die empfangene Leistung für jedes Anschlußpaar ist proportional zum Quadrat der Ausgangsspannung, nachdem das Signal verstärkt und gemessen wurde. Infolgedessen ist es wünschenswert, jede der Spannungen zu quadrieren, bevor diese drei Signale miteinander kombiniert werden.

Fig. 7 erläutert in Blockdiagrammform die anfängliche Verarbeitung der Kompressions- und Scherwellensignale. Die Zuführungen 55 und 56 sind an entsprechende Kompressionswellenelektroden A und A¹ angeschlossen und führen ein durch diese geliefertes erstes Signal zu einem Differentialverstärker 58.

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Nach Verstärkung werden die drei Signale in Einheiten 7o bis 72 gemessen und quadriert. Die Ausgänge der Einheiten 71 und 72 werden im Summierer 77 zueinander addiert und der Ausgang zum Ausgang der Einheit 7o im Summierer 7 5 addiert.

Der Ausgang des Summierers 77 kann im wesentlichen als Scherausgang und der Ausgang des Quadrierers 7o im wesentlichen als Kompressionsausgang angesehen werden. Durch Kombination dieser zwei Signale im Summierer 75 wird ein Signal erhalten, das proportional zur totalen Leistung ist, die vom Wandler aufgenommen wurde.

Fig. 8 erläutert einen Satz von Signalen, die von fünf der Wandler der Fig. 3 aufgrund eines impulsförmigen Geräusches erhalten wurden, welches von einem Fehler am Punkt P in der Struktur 26 herrührt. Es sei angenommen, daß der Geräuschimpuls zur Zeit t_Q stattfindet. Zur Zeit t.. trifft ein Signal am nächstgelegenen Wandler T 21 ein, zur Zeit t₂ erreicht ein Signal den Wandler T 3o, zur Zeit t- trifft ein Signal bei T 29 und zur Zeit t₄ ein Signal bei T 22 ein, und zur Zeit t₅ trifft ein Signal bei T 21 ein. Zu späteren Zeiten werden auch reflektierte Signale an diesen Wandlern eintreffen. Je weiter weg der Wandler ist, desto kleiner wird das Signal aufgrund der Dämpfung in der Gefäßwand sein. Wenn diese Signale in analoger oder digitaler Form aufgezeichnet werden, kann der Ort des Fehlers berechnet werden, wenn lediglich die Zeit (t₂ - tj) und (t₃ - t.,) bekannt ist. Die Zeit Ct₁ - t_Q) ist nicht bekannt. Eine solche Berechnung kann mittels eines Handrechners vorgenommen werden, oder auch mit einem Computer, der in geeigneter Weise programmiert ist. Wenn Geräuschimpulse zu wiederholten Intervallen auftreten, können Signale von Wandlerpaaren kreuzkorreliert werden, um die Zeiten (t~ - t-) , (t₃ - t.j), (t₄ - tj), usw. zu erhalten.

Beispielsweise erläutert Fig. 9 ein einfaches akustisches Uberwachungssystem, bei dem die von jedem Wandler aufgenommene Durchschnittsleistung dargestellt wird, wobei drei unterschied-

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liehe Darstellungsarten beispielsweise dargestellt sind.

In dem Beispiel sei angenommen, daß ein Satz von 33 Wandlern T1 bis T33 verwendet wird. Die drei Ausgangssignale von jedem Wandler werden einem entsprechenden Signalverarbeitungsschaltkreis 8o zugeführt, der in vieler Hinsicht ähnlich zu dem ist, der in Fig. 7 dargestellt ist, da er auch entsprechende Verstärker 81, 82 und 83 aufweist, die ihre Ausgänge zu Detektor- und Quadrierschaltkreisen 84, 85 und 86 liefern, deren Ausgänge wiederum einen Summierschaltkreis 87 zugeführt werden, wodurch die Funktion der Summierer 75 und 77 der Fig. 7 kombiniert wird, um ein kombiniertes Signal oder ein Ausgangsleistungssignal zu liefern. Es sind Einrichtungen vorgesehen, um den Ausgang des Summierschaltkreises 87 zu integrieren, wie beispielsweise durch Verwendung eines Tiefpassfilters 88. Das sich ergebende Signal ist dann die integrierte Signalspannung, die mit einem bestimmten Wandler über in bestimmtes Zeitintervall verbunden ist und proportional zur von diesem Wandler aufgenommenen Energie ist.

Die verarbeiteten Wandlersignale werden alle einem Abtastschalter oder Multiplexierungsschalter 9o zugeführt, der unter der Steuerung eines Synchrongenerators 92 steht, wodurch jedes Signal schnell abgetastet und einem Verstärker 94 zugeführt wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Signale von einem Analogdigitalumsetzer 96 in digitale Form umgesetzt und einem Computer 97 unter der Steuerung des Synchrongenerators 92 zugeführt. Der Computer 97 umfaßt Speicherregister, die ihm ermöglichen, die von jedem Wandler aufgenommene Durchschnittsleistung über verschiedene Zeitperioden zu berechnen, so beispielsweise über eine Zeitperiode von 2,5 Minuten oder auch beispielsweise über eine Zeitperiode von 1 Stunde oder 1 Tag. Die Ergebnisse der Berechnungen werden einem Ausdruckschaltkreis 98 zugeführt, der eine übliche Fernschreibmaschine sein kann, die einen streifenförmigen Ausgang 99 liefert.

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Eine typische Streifenkartierungsaufzeichnung ist in Fig. 1o dargeteilt, auf die nunmehr eingegangen wird. In dem Beispiel der Fig. 1o wird alle 2,5 Minuten ein neuer Satz von Ausgangspegeln für jeden Wandler gegeben. Für jeden Wandler wird die Durchschnittsleistung der letzten 2 1/2 Minuten ausgegeben oder auch der letzten Stunde oder des letzten Tages. Die Leistungseinheiten sind beliebig und in dem hier gegebenen Beispiel werden Durchschnittswerte von ο bis 2o als normal angesehen, während Werte über 1oo zu Bedenken Anlaß geben und Werte über 5oo unmittelbaren Eingriff erfordern. In den drei dargestellten Zeitintervallen hat die Einheit Nr. 4 Anlaß zu Besorgnis gegeben, da sowohl der 2,5 MinutenDurchschnittswert als auch der Einstundendurchschnittswert über 1oo liegen und der tägliche Durchschnitt ansteigt. Die Einheit Nr. 2 sprang zur Zeit 14.4o Uhr auf 11o Einheiten, war um 14.45 Uhr jedoch wieder auf 8 abgefallen, so daß hier wahrscheinlich keine Besorgnis besteht. Die verwendeten Zeitskalen und die Alarmpegel hängen von der Art der zu untersuchenden Einrichtung ab, wie auch von der von einem Bruch ausgehenden Gefahr, wie auch von der Erfahrung, die mit jeder Anwendungsart gesammelt wurde. Beispielsweise können Gefäße, die für Kernreaktoren benutzt werden, unter einem Druck getestet werden, um die Amplitude und die Dauer von akustischen Emissionen zu ermitteln, bevor strukturelle Schäden eintreten.

Mit Bezug wieder zu Fig. 9 sei erwähnt, daß der Alarmschwellwert von einem Alarmnetzwerk 1oo geliefert werden kann, der mit dem Ausgang des Verstärkers 94 verbunden ist und derart arbeitet, daß er ein hörbares Signal beim Auftreten eines Signalpegels am Verstärker 94 liefert, der über einem vorbestimmten Schwellwert liegt.

Eine andere Darstellungsart, die in Fig. 9 enthalten ist, ist eine Lichtdarstellungstafel 11o, die eine Vielzahl von Lichtern umfaßt, die der Vielzahl von verwendeten Wandlern entspricht, wobei von jedem Wandler, der vorgesehen wird, ein Signal für ein entsprechendes Licht auf der Darstellung 11o abgeleitet

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wird. Beispielsweise, siehe Fig. 11, in der eine Lichtdarstellung 11o in größeren Einzelheiten dargestellt ist, umfaßt die Lichtdarstellung eine Vielzahl von mit T¹I bis T'33 bezeichneten Lichtern, die zu dem Druckgefäß der Fig. 3 in Beziehung stehen, das auf der Darstellung als eben wiedergegeben ist. Jedes Licht ist von einer solchen Art, daß es eine Helligkeit liefert, die in irgendeiner Funktion zum Durchschnittsleistungsausgang des mit diesem Ort in Verbindung stehenden Wandlers ist. Wenn der integrierte Ausgang von irgendeinem Wandler aufgrund einer großen Anzahl von empfangenen Impulsen mittlerer Amplitude groß wird, oder auch aufgrund von wenigen Impulsen großer Amplitude, wird das Höralarmsignal die Bedienungsperson auf eine mögliche Gefahr aufmerksam machen. Die Bedienungsperson wird dann auf die Darstellung sehen, um den Ort und die Amplituden der akustischen Emissionen zu ermitteln.

Fig. 9 zeigt eine Demultiplexer-Einheit 112, die unter der Steuerung des Synchrongenerators steht. Diese Einheit liefert die Ausgänge der Wandler an die Darstellungstafel 11o. Alternativ können die 33 Wandlersignale für die Darstellung 11o direkt von den Ausgängen der entsprechenden Signalverarbeitungsschaltkreise 8o erhalten werden, wourch die Notwendigkeit eines Demultiplexers 112 entfällt.

Eine andere Art Auslesung, die gemäß Fig. 9 vorgesehen ist, stellt eine Einstrahlkathodenstrahlröhre (CRT) 1o2 dar, mit einem zugehörigen elektronischen Schalter 113, wobei die Kathodenstrahlröhre drei akustische Signale in Abhängigkeit von der Zeit darstellt.

Nach Betrachtung der Einheit 11o kann eine Bedienungsperson jeweils drei der 33 Wandlerorte von Interesse mit Hilfe von drei Auswahlknöpfen auf der Einheit 114 auswählen. Ein Vergleich dieser drei Signale wird die Bedienungsperson bei der Lokalisierung eines Bereiches mit hoher Belastung, der akustische Signale aussendet, Hilfestellung leisten. Der Schaltkreisgenerator 1o4 für die Horizontalablenkung und der elektronische

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Schalter 113 erhalten entsprechende Sychronisationssignale von der Einheit 92. Die drei Spuren auf dem Oszillographen werden ähnlich den drei Spuren sein, die in Fig. 8 dargestellt sind.

Wenn sowohl Kenntnisse über die Scherwellenaktivität als auch über die Longitudinalwellenaktivität gewünscht werden, kann die Lichtdarstellung 11o derart modifiziert werden, daß für jede Wandlerstelle zwei Lichtquellen von beispielsweise unterschiedlicher Farbe vorgesehen werden, wobei ein Scherausgangssignal vom Summer 77 gem. Fig. 7 der einen Lichtquelle und das Kompressionsausgangssignal vom Detektor und Quadrierer 7o der Fig. 7 der anderen Lichtquelle zugeführt werden mag.

Das Uberwachungssystem der Fig. 9 erfordert keine Berechnung irgendwelcher Differenzen in den Ankunftszeiten der verschiedenen Signale, wie es in Fig. 8 erläutert ist, noch wird irgendeine Kreuzkorrelation der empfangenen Signale erfordert. Nachdem einmal ein Gebiet hoher akustischer Emissionen gefunden wurde, kann die genaue Stelle für die Geräuschentstehung mit Hilfe der vorstehend erwähnten Verfahren bestimmt werden.

Fig. 12 erläutert jedoch ein System, bei dem die Quelle für das akustische Geräusch mit größerer Genauigkeit ermittelt werden kann, als es bei dem System gemäß Fig. 9 der Fall ist. Jeder einzelne Wandler T1 bis T33 liefert sein entsprechendes Ausgangssignal an Signalverarbeitungsschaltkreise 12o, die jeweils Verstärker 122, 123 und 124 umfassen und entsprechende Ausgangssignale an die Detektor- und Quadrierschaltkreise 125, 126 und 127 liefern, deren Ausgänge im Summierschaltkreis summiert werden.

Um Signale von verhältnismäßig niedriger Leistung, die einen ungewünschten Rauschfaktor darstellen, zu beseitigen, wird das Ausgangssignal eines jeden Summierers 128 .dem Analog/Digitalschaltkreis 13o nur dann zugeführt, wenn sich dieses Signal oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes befindet, der von

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Schwellwertschaltkreisen 132 festgelegt wird. Eine Multiplexereinheit 131 tastet alle 33 Signale aufeinanderfolgend ab, um ein einziges Analogsignal zu erhalten, das vom Analog/Digitalschaltkreis 13o in digitale Form gebracht und dann einem Rechner oder einem anderen Signalverarbeitungsnetzwerk 134 zugeführt wird, um irgendwelche Triangulationsverfahren anzuwenden, die zur Bestimmung des Ortes der akustischen Emission geeignet sind. Das Triangulationsverfahren kann eine Kreuzkorrelation der Signale umfassen, ein bekanntes Verfahren, das grundsätzlich verschiedene Kombinationen der zwei Signale miteinander multipliziert, wobei eine Zeitverzögerung angewendet wird, um ein maximales Ausgangssignal zu erhalten. Wenn zwei Signale gleich sind und miteinander multipliziert werden, ergibt sich ein maximaler Ausgang, während dann, wenn die Signale vollständig verschieden sind, ein minimaler Ausgang entsteht. Während zwei zu untersuchende Signale miteinander multipliziert werden, wird die Kreuzkorrelation das eine Signal bezüglich des anderen verzögern, bis ein maximaler Ausgang erhalten wird, und die jeweilige Verzögerung, die zu dem Maximum führt, kann für Triangulationszwecke benutzt werden.

Wenn eine akustische Emission oberhalb des Schwellwertes stattgefunden hat, wird der Computer 134 auf der Darstellung 136 eine Anzeige dafür liefern, ggf. kann er auch eine Alarmanzeige mit Hilfe eines Alarmschaltkreises 138 schaffen. Ein Aufzeichnungsgerät 14o kann ebenfalls vorgesehen sein, um eine permanente Anzeige des Ortes der akustischen Emission aufzuzeichnen, woraufhin weitere diagnostische Verfahren eingeleitet werden können.

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Leerseite

Claims

Dr.-lng. Ernst Strotmann Patentanwalt 4 Düsseldorf 1 Schadowplatz 9 Düsseldorf, 19. Okt. 1977 Westinghouse Electric Corporation Pittsburgh, Pa., V. St. A. Patentansprüche ;

1. Piezoelektrische Einrichtung für die Aufnahme von akustischen Emissionen in einer Struktur, mit einem Wandlergehäuse, das so ausgelegt ist, daß es an der Struktur angebracht werden kann und ein akustisches Fenster zur übertragung von akustischer Energie besitzt, mit einem piezoelektrischen Wandlerelement, das relativ zu dem Fenster derart angeordnet ist, daß es auf durch das Fenster übertragene akustische Energie empfindlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (1o) eine zu dem Fenster (24) senkrecht liegende Längsachse (Z) aufweist und in der gleichen Richtung wie diese Achse gepolt ist; daß die Einrichtung weiter ein erstes Elektrodenpaar (A, A¹) aufweist, das auf der Kopffläche und der Bodenfläche des Wandlerelementes (1o) angeordnet ist und auf Kompressionswellenenergie reagiert, die durch das Fenster (24) übertragen wird, um ein erstes Signal zu liefern; ein zweites Elektrodenpaar (B, B')/ das einander gegenüberliegend auf der Seitenfläche (14; 18 bis 2o) des Wandlerelementes (1o) angeordnet ist und auf Scherwellenenergie reagiert, die durch das Fenster (24) übertragen wird, um ein zweites Signal zu liefern; und ein drittes Elektrodenpaar (C, C), das einander gegenüberliegend auf der Seitenfläche (14; 18 bis 2o) des Wandlerelementes (1o) relativ zum zweiten Elektrodenpaar (B, B¹) winklig versetzt angeordnet ist

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und auf Scherwellenenergie reagiert, die durch das Fenster (24) übertragen wird, um ein drittes Signal zu liefern; und daß Einrichtungen (58 bis 77) vorgesehen sind, um erstes, zweites und drittes Signal derart zu verarbeiten, daß ein viertes Signal geliefert wird, das proportional zur Gesamtleistung ist, die von dem Wandlerelement (1o) aufgenommen wird.

2. Piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Elektrodenpaar (C, C) relativ zum zweiten Elektrodenpaar (B, B¹) um einen Winkel von 9o Grad versetzt ist.

3. Piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (1o) einen Kreiszylinder darteilt (Fig. 1a).

4. Piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche vier Flächen aufweist, die jeweils zueinander senkrecht stehen (Fig. 1b).

5. Piezoelektrische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen Einrichtungen (58, 63, 68) zum Verstärken von erstem, zweitem und drittem Signal sowie Einrichtungen zum Quadrieren (7o bis 72) und Summieren (75, 77) der verstärkten Signale aufweisen, um ein viertes Signal zu liefern.

6. Piezoelektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die SignalVerarbeitungseinrichtungen Einrichtungen (58, 63, 68) zum Verstärken von erstem, zweitem und drittem Signal, Einrichtungen (7o bis 72) zum Quadrieren von verstärktem erstem, zweitem und drittem Signal sowie Einrichtungen (77) zum Summieren des quadrierten, verstärkten zweiten und dritten Signals aufweisen, um ein fünftes Signal zu liefern, das

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proportional zur gesamten Scherwellenenergie ist, welche vom Wandlerelement aufgenommen wurde, wobei das quadrierte, verstärkte erste Signal proportional zur gesamten Kompressionswellenenergie ist, die von dem Wandlerelement aufgenommen wurde.

Beschreibung;

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