DE2835703C2 - - Google Patents

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.