DE2835703C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Bekannte Ultraschall-Meßvorrichtungen arbeiten hauptsächlich
entweder nach dem Impulsecho-Verfahren oder mit ungedämpften
Wellen bzw. Dauersignalen (CW). Die Nachteile der Impulsechovor
richtungen, wie sie z. B. in der US-PS 39 14 987 oder der US-
PS 40 14 208 gezeigt sind, liegen darin, daß die akustischen
Wellen nicht monochromatisch und nicht kohärent sind, die Mes
sungen durch Einwirkungen der Bandbreite und des Einschaltverhältnisses
bzw. Tastverhältnisses beeinträchtigt werden
und üblicherweise elektronische Einrichtungen mit sehr schneller
Anstiegzeit und hohen Spitzenleistungen erforderlich sind,
was zu einer komplizierten und teuren Meßapparatur führt.
Der wesentliche Nachteil der Dauersignal-Vorrichtungen ist
das "Übersprechen" (elektrischer Nebenschluß), das die Meßaus
wertung kompliziert macht. Daher ist eine sorgfältige Isolierung
des Empfangswandlers vom Sendewandler notwendig, um das Über
sprechen auf ein Mindestmaß herabsetzen. Bei Einsatz eines
zusammengesetzten Wandlers muß dieser starke akustische Kopplung
zeigen, jedoch zugleich elektrisch gut isoliert sein. Ein der
artiger zusammengesetzter Wandler ist teuer und empfindlich
bzw. zerbrechlich.
In der Veröffentlichung "A "Sampled-Continuous Wave" Ultrasonic
Technique and Spectrometer" von J. G. Miller und D. I. Bolef,
die in "Review of Scientific Instruments", Band 40, No. 7,
Seiten 915-920, Juli 1969, veröffentlicht ist, ist eine Abtast-
Dauersignal-Vorrichtung (SCW) beschrieben, bei der eine Dauer
signalquelle ausgeschaltet und dann nach Belieben eine
Abfrage der akustischen Dämpfung abgewartet wird. Dies kommt
einer Dauersignal-Ultraschall-Meßvorrichtung ohne Übersprechen
nahe, die Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß eine Fest
legung hinsichtlich des Tastverhältnisses bzw. Einschaltver
hältnisses besteht. Das heißt, das
Verhältnis von Signalzeit zur gesamten Zykluszeit ist gering.
Zudem besteht die Gefahr, daß sich der spannungsgesteuerte
Oszillator phasenstarr auf von der Frequenz der mechanischen
Resonanzspitze abweichende Störsignale einregelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die
sich bei verhältnismäßig einfachem Aufbau durch hohe Empfindlich
keit und zuverlässige Messungen auszeichnet, die nicht durch
Übersprechen beeinflußt sind.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentan
spruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird im wesentlichen er
reicht, daß eine quasi-kontinuierliche Dauererregung des Wandlers
durch ein frequenzmoduliertes Signal mit gutem Störabstand
erzielbar ist. Hierbei wird der spannungsgesteuerte Oszillator
nicht allein in Abhängigkeit von einem aus der Phasendifferenz
gewonnenen Signal, sondern zusätzlich entsprechend einem Frequenz
modulationssignal angesteuert, das mit dem aus dem Phasenver
gleich erhaltenen Ausgangssignal zusammengefaßt wird. Dies
bewirkt, daß die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten
Oszillators stets einen gewissen Frequenzhub durchläuft. Hier
durch läßt sich sicherstellen, daß der spannungsgesteuerte
Oszillator stets unbeeinflußt von Störsignalen auf die Frequenz
der mechanischen Resonanzspitze eingestellt wird. Mit der er
findungsgemäßen Meßvorrichtung lassen sich Signal/Stör-Ver
hältnisse erreichen, die um einen Faktor 1000 über demjenigen
von Systemen liegen, die akustisch abklingen, wie dies beispiels
weise bei mit Impulsbetrieb arbeitenden Systemen der Fall ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Meßvor
richtung und
Fig. 2 zur Erläuterung der Funktion der
Meßvorrichtung eine Frequenzkurve bei mechanischer Resonanz.
In Fig. 1 bezeichnet 11 einen spannungsgesteu
erten Oszillator (VCO) mit Reaktanzdiodenabstimmung, der
ein Hochfrequenz-Ausgangssignal von beispielsweise 5 × 106 Hz er
zeugt. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszilla
tors 11 wird in einem Schaltverstärker 12
verstärkt, der eine Verstärkung von
mehr als 70 db hat. Das Ausgangssignal des Schaltverstärkers
12 wird über eine Pufferstufe 13 für die Ansteuerung einer
niedrigen Impedanz geführt und dann einer Wandlereinrichtung 14 zuge
führt, die die elektrischen Hochfrequenzsignale in akusti
sche Wellen umsetzt, die in eine z. B. durch eine Schraube 15 gebildete Probe geleitet wer
den.
Die Meßvorrichtung kann selbstverständlich auch bei
einer Untersuchung von Flüssigkeiten, Gasen, Plasmas oder anderer Fest
körper als der Schraube 15 eingesetzt werden. Der spannungsgesteuerte Oszilla
tor 11 ist mittels eines 1 kHz-Oszillators 16 frequenzmodu
liert, dessen Rechteckwellen-Ausgangssignal mittels eines
Bandpaßverstärkers 17 in eine Sinuswelle umgesetzt
und danach über eine Addiereinrichtung (Summierverstärker) 18 an den Oszilla
tor 11 angelegt wird. Das Ausgangssignal 10 kHz-
Oszillators 19 wird über eine Pufferstufe 20 verstärkt und
dem Schaltverstärker 12 zugeführt, um diesen bei jeder
Periode des 10 kHz-Oszillators 19 für eine kurze Zeitdauer
von beispielsweise 10 µs auszuschalten bzw. zu sperren.
Während der Ausschaltzeiten des Schaltverstärkers 12 wird
etwas von der akustischen Energie in der Probe bzw. der
Schraube 15 mittels der Wandlereinrichtung 14 in elektrische Signale
rückgewandelt und gelangt über eine Mischstufe 21. Das Aus
gangssignal des 10 kHz-Oszillators 19 wird auch ausschließ
lich während der Ausschaltzeit des Schaltverstärkers 12 über
einen Inverter 22 an die Mischstufe 21 angelegt. Die über
die Mischstufe 21 geführten Signale werden mittels eines De
tektorverstärkers 23 gleichgerichtet und verstärkt und da
nach an eine Abfrage/Halteschaltung 24 angelegt. An diese
wird ferner das Ausgangssignal des 10 kHz-Oszillators 19
über eine logische Verzögerungsschaltung 25 angelegt, um
sicherzustellen, daß die Signale nicht während des Aus
schwingens bzw. der Übergangszeit nach dem Sperren des
Schaltverstärkers 12 abgefragt werden. Jedes mittels der
Abfrage/Halteschaltung 24 abgefragte Signal wird bis zur
Abfrage des nächsten Signals gespeichert. Das Ausgangssig
nal der Abfrage/Halteschaltung 24 wird über einen Bandpass
verstärker 26 geführt und ergibt eine Sinuswelle mit
Gleichspannungsanteil. Dieses Signal wird über einen Phasenschie
ber 27 mit veränderbarer Phasenverschiebung an einen Pha
sendetektor 28 angelegt.
An den Phasendetektor 28 wird ferner über
eine Pufferstufe 29 das Ausgangssignal des 1 kHz-Oszilla
tors 16 angelegt. Wenn das Signal am Ausgang des Phasen
schiebers 27 mit dem Signal am Ausgang der Pufferstufe 29
gleichphasig ist, gibt der Phasendetektor 28 über einen
Schalter 35 eine positive Gleichspannung an einen Integra
tor 30 ab, der die Gleichspannung integriert. Wenn die bei
den Signale phasenverschoben bzw. gegenphasig sind, gibt
der Phasendetektor 28 eine negative Gleichspannung an den
Integrator 30 ab. Folglich erzeugt der Integrator 30 einen
sich ständig ändernden Gleichspannungspegel. Der Gleich
spannungspegel stellt ein Pseudo-Dauersignal (PCW) dar.
Diese Gleichspannung wird mittels der Addiereinrichtung
18 dem Ausgangssignal des Bandpaßverstärkers 17 hinzu
gefügt und dann an den spannungsgesteuerten Oszillator 11
angelegt. Das Ausgangssignal des Integrators 30 wird weiterhin
über einen Tiefpassfilter 31 geführt und dann mit einem
Gleichspannungs-Voltmeter 32 gemessen, um damit eine Anzei
ge von Frequenzverschiebungen einer mechanischen Resonanz
spitze der als Probe dienenden Schraube 15 zu erzielen.
Das Ausgangssignal der Abfrage/Halte-Schaltung 24 wird mit
tels eines Gleichspannungsvoltmeters 33 gemessen, das eine
Anzeige über die Dämpfung an der Schraube 15 ergibt. Die
Frequenzverschiebungen der mechanischen Resonanzspitze kön
nen auch unter Verwendung einer Frequenzanzeigeeinrichtung
34 gemessen werden, die an den Ausgang des spannungsgesteu
erten Oszillators 11 angeschlossen ist.
Die Meßvorrichtung wird bei
nicht angezogener und spannungsloser Probe-Schraube 15
in Betrieb genommen und der Phasenschieber 27 mit
der veränderbaren Phasenverschiebung so eingestellt, daß
sich an dem Voltmeter 33 eine maximale Ablesung ergibt. Dies
stellt sicher, daß die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteu
erten Oszillators 11 gleich der Frequenz der mechanischen
Resonanzspitze der Schraube 15 ist. Danach wird der
Schalter 35 geschlossen, wodurch sichergestellt wird, daß das
Pseudo-Dauersignal mit der Resonanzfrequenz starr gekoppelt
bzw. verriegelt wird. Wenn danach die Probe-Schraube 15 an
gezogen wird und einer Spannung ausgesetzt wird, verschiebt
sich die Frequenz der mechanischen Resonanzspitze. Wenn die
Verschiebung dermaßen ist, daß gemäß der Darstellung durch
die Kurve A in Fig. 2 die Sinuswelle am Ausgang des Band
paßverstärkers 17 an dem ansteigenden Teil der Frequenz
gangkurve liegt, dann entspricht die am Ausgang des Phasen
schiebers 27 erzeugte Sinuswelle der Kurve B. Wie ersicht
lich ist, ist die Sinuswelle gemäß der Kurve B gleichphasig
mit der Sinuswelle gemäß der Kurve A. Daher legt der Phasen
detektor 28 eine positive Gleichspannung an den Integrator
30 an, die die Gleichspannung am Ausgang des Integrators 30
anhebt. Diese Anhebung der an den spannungsgesteuerten Oszil
lator 11 angelegten Gleichspannung erhöht die Frequenz des
Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators 11 in
der Weise, daß sich die Frequenz der Frequenz bei der Spitze
der Frequenzgangkurve nähert. Wenn im Gegensatz dazu gemäß
der Darstellung durch die Kurve C in Fig. 2 die Sinuswelle
am Ausgang des Bandpaßverstärkers 17 an dem abfallenden Teil
bzw. Zweig der mechanischen Resonanzspitzenkurve der
Schraube 15 liegt, entspricht die am Ausgang des Phasen
schiebers 27 erzeugte Sinuswelle der Darstellung durch die
Kurve D. Wie ersichtlich ist, ist die Sinuswelle gemäß der
Kurve D gegenüber derjenigen gemäß der Kurve C in der Phase
um 180° verschoben. Daher legt der Phasendetektor 29 eine
negative Gleichspannung an den Integrator 30 an, die den
Gleichspannungspegel am Ausgang des Integrators 30 herab
setzt. Diese Verminderung der an den spannungsgesteuerten
Oszillator 11 angelegten Gleichspannung verringert die Aus
gangsfrequenz in Richtung auf die Frequenz der Spitze der
Frequenzgangkurve. Auf diese Weise wird das Ausgangs
signal des spannungsgesteuerten Oszillators 11 immer an
nähernd auf einer Frequenz gehalten, die der Frequenz der mechani
schen Resonanzspitze der Probe-Schraube 15 entspricht.
Die Frequenzverschiebung, die mittels des Voltmeters 32
oder der Frequenzanzeigeeinrichtung 34 gemessen wird, er
gibt eine Anzeige über die Spannung an der Schraube 15.
Gegenüber bekannten Ultraschall-Meßvorrich
tungen hat die Meßvorrichtung zahlreiche Vorteile. Einmal
ist sie nicht dadurch beeinträchtigt, daß bei ihr wie bei
den Impulsechovorrichtungen eine Breitbandmessung mit vie
len Frequenzen und Phasen erfolgt. Ferner besteht kein Über
sprechen wie bei den meisten Dauersignalvorrichtungen. Ge
genüber der vorangehend genannten Tastdauersignal-Vorrich
tung (SCW) besteht keinerlei Einschränkung hinsichtlich des
Tastverhältnisses, so daß sich ein höheres Signal/Störungs-
Verhältnis als bei der Tastdauersignal-Vorrichtung ergibt,
da das Signal häufiger abgefragt wird.
Die Vorteile der Meßvorrichtung gegenüber
der Tastdauersignalvorrichtung beruhen in erster Linie auf
dem Umstand, daß bei der Tastdauersignalvorrichtung das
akustische Ansprechen in der Probe bei jedem Einschalten
des Senders von 0 her aufgebaut werden muß. Demgegenüber
fällt bei der Meßvorrichtung das akustische Ansprechen bei
jedem Ausschalten des Senders nur geringfügig gegenüber dem
Dauersignal-Gleichgewichtszustand bzw. Einschwingzustand
ab.
Claims (6)
1. Meßvorrichtung zum Messen der akustischen Eigenschaften
und deren Änderungen bei einer Probe, mit einem spannungsge
steuerten Oszillator, einer Wandlereinrichtung zum Anlegen
des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators an
die Probe, einer Sperreinrichtung zum periodischen Unterbrechen
des Anlegens des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Os
zillators an die Probe, einer Amplitudenerfassungseinrichtung
zum Erfassen der Amplitude der akustischen Signale in der Probe
während jeder Unterbrechung und zum Erzeugen eines Ausgangs
signals, und einem Phasenvergleicher zum Vergleichen der Phase
des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators mit
der Phase der Frequenz der mechanischen Resonanzspitze der
Probe, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleicher (27,
28) die Phase des Ausgangssignals der Amplitudenerfassungsein
richtung (21, 23, 24) mit der Phase eines Frequenzmodulations
signals, das zum frequenzmodulierenden Steuern des spannungsge
steuerten Oszillators (11) dient, vergleicht und bei unter
schiedlicher Phasenlage eine negative Gleichspannung erzeugt,
während er bei Phasenübereinstimmung eine positive Gleichspan
nung abgibt, daß eine Addiereinrichtung (18) zum Addieren der
Gleichspannung mit dem Frequenzmodulationssignal vor dessen
Zuführung zum spannungsgesteuerten Oszillator (11) vorgesehen
ist, und daß die Sperreinrichtung (12, 19, 20) das Anlegen
des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators (11)
an die Probe (15) während der Periode des Frequenzmodulations
signals mehrfach unterbricht.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine
Meßeinrichtung (32, 34), die die Änderung der Frequenz des
spannungsgesteuerten Oszillators (11) mißt, und hieraus eine
Anzeige der Frequenzverschiebung der mechanischen Resonanzspitze
erzeugt.
3. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn
zeichnet durch eine Meßeinrichtung (32), die die Amplitude
des integrierten Ausgangssignals des Phasenvergleichers (27,
28) mißt und hieraus eine Anzeige der Frequenzverschiebung
der mechanischen Resonanzspitze erzeugt.
4. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekenn
zeichnet durch eine Meßeinrichtung (33), die die Amplitude
der akustischen Signale mißt und hieraus eine Anzeige über
die Dämpfung der akustischen Signale in der Probe (15) erzeugt.
5. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Frequenzmodulationssignal durch eine
mit einem Eingang der Addiereinrichtung (18) gekoppelte Frequenz
modulations-Signalquelle (16) erzeugt wird, daß die Amplitudener
fassungseinrichtung (21, 23, 24) eine Detektoreinrichtung (21,
23) zum Erfassen der akustischen Signale während jeder der
Unterbrechungen und eine Abfrage/Halte-Einrichtung (24) aufweist,
die die erfaßten Signale abfragt und speichert und hierdurch
das Ausgangssignal der Amplitudenerfassungseinrichtung mit
einer Frequenz bildet, die gleich der Frequenz des Frequenzmo
dulationssignals ist.
6. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Integrator (30) vorgesehen
ist, der die Gleichspannung des Phasenvergleichers (27, 28)
integriert und dessen Ausgangsspannung als Gleichspannung an
die mit dem spannungsgesteuerten Oszillator (11) verbundene
Addiereinrichtung (18) angelegt ist.
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