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System mit piezoelektrischem Wandler und elektroni-
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scher Verstärkerschaltung für Körperschall-Defiektion.
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Die Erfindung bezieht sich aux ein System mit piezoelektrischem Wandler
und elektronischer Verstärkerschaltung für Körperschall-Detektion, wie es im Oberbegriff
des Patentanspruch.es 1 angegeben ist.
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Es ist bekannt, Rißbildungen in Behälterwandungen, insbesondere in
Kesselwänden, mit Hilfe einer Schallemissions-Analyse festzustellen. Dieses Verfahren
beruht physikalisch darauf, daß ein Riß in einer Behälterwand dadurch erkennbar
ist, daß von ihm yCKör perschallwellen ausgehen. Es ist allerdings erforderlich,
daß solche von einem Riß oder gar einem Leck ausgehende Körperschallwellen von den
akustischen Wellen der sonstigen Betriebsgeräusche zu unterscheiden sind. Die zu
detektierenden Körperschaliwellen können in sehr verschiedenen Frequenzbereichen
auftreten.
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Bisher bekannte System der einschlägigen Art verwendeten unterschiedliche
Wandler, mit deren Hilfe der emittierte Körperschall in unterschiedlichen Frequenzbereichen
untersucht wurde. Die einzelnen Wandler sind dabei auf bestimmte relativ schmale
Frequenzbereiche abgestimmt und weisen bei dieser Frequenz besonders hohe Detektionsempfindlichkeit
auf. Solche bekanntermaßen verwendeten Wandler sind vorwiegend massive piezokeramische
Blöcke oder Scheiben, die unter Zwischenschaltung einer Ubertragungsschicht an der
zu untersuchenden Wandung befestigt werden. Aufgrund ihrer hohen mechanischen Schwinggüte
werden diese Wandler nur von den Körperschall-Frequenzanteilen zu nennenswerter
Detektionsamplitude angeregt, die im Bereich der Resonanzfrequenz des jeweiligen
Wandlers liegen. Die piezoelektriscii erzeugten Detektionssignale werden direkt
einem jeweiligen Verstärker zugeführt, um sie auf ein ausreichendes 6taß zu verstcrken.
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Nachteilig bei solchen Wandlern ist die fehlende Impulstreue.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eir solches System
für Körperschall-Detektion anzugeben, das einen großen Frequenzbereich erfaßt, Impulse
formgetreu überträgt und dennoch einfach zu handhaben ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein wie im Oberbegriff des Patentanspruches
1 angegebenes System erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruches
1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
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Wesentlich abweichend vom Stand der Technik beruht das Prinzip der
vorliegenden Eriindung darauf, einen sehr
großen Frequenzbereich
in Frage kommender Körperschallwellen mit Hilfe eines einzigen piezoelektrischen
Wandlers aufzunehmen und in daran angepaßter Weise zu verstärken. Die Detektion
mit dem nur einen Wandler erfolgt in einem Frequenzbereich von z.B. 100 bis 500
kHz mit gleichbleibender Empfindlichkeit. Der Wandler ist dabei als akustischer
Wellenleiter wirksam. Er hat dazu prinzipiell die Form eines Stabes, in dem sich
die akustische Welle in Längsrichtung, d.h. in Stabrichtung, ausbreiten kann. Mit
der Seite seines einen Stabendes wird der erfindungsgemäß vorgesehene Wandler auf
der zu untersuchenden Behälterwand mit entsprechender, an sich bekannter Anpassung,
insbesondere mit einer Anpassungsschicht, aufgesetzt. Damit wird aus der in der
Behälterwandung verlaufenden Eörperschallwelle ein Anteil in den stabförmigen Wandler
abgeleitet.
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Auf dem Vandlerkörper sind einzelne streifenförmige Elektroden verschiedener
Breite vorgesehen, die einzeln Uber Filterkreise mit einem Verstärker elektrisch
verbunden sind. Die Anteile des stabförmigen Wandlers im Bereich der jeweiligen
Elektrode detektieren piezoelektrisch die im Wandler laufende, aus der Behälterwandung
aufgenommene Körperschallwelle, und zwar den jeweiligen Frequenzbereich dieser Welle.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand
der Figuren gegebenen Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor.
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Fig.1 zeigt eine grundsätzliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Systems,
| Fig.2 zeigen variierte Ausgestaltungen des Wandlers, |
| und 3 |
Fig.4 zeigt eine Ausführungsform für die Wahl der Abmessungen der
Elektroden im Zusammenhang mit den nachgeschalteten Filtern, Fig.S zeigt eine Weiterbildung
der Ausführung nach Fig.4 mit integrierten Filtern und Fig.6 zeigt ein Ersatzschaltbild
zu Fig.5.
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Fig.1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Systems nach der Erfindung,
bei dem der stabförmige Wandler 1 aus piezoelektrischer keramik wie Bleizirkonattitanat
mit der in der Figur unteren Stirnfläche auf der in einem Ausschnitt dargestellten,
zu detektierenden Behälterwand 2 aufsteht. Mit der Wellenlinie 3 ist eine in der
Behälterwand 2 verlaufende Körperschallwelle angedeutet. Mit der Wellenlinie 4 ist
der in den Wandler 1 herelnlaufende Anteil des in der Behälterward verlaufenden
Körperschalls angedeutet. Mit 5, 6, 7 und 8 sind beispielsweise vier Elektroden
einer Anzahl auf der einen Längsseite des Wandlers 1 aufgebrachten Elektroden bezeichnet.
Diese Elektroden bedecken somit die durch die Abmessungen L und B gegebene Fläche
des stabförmigen Quaders des Wandlers 1. Auf der gegenüberliegenden, in der perspektivischen
Darstellung der Fig.1 verdeckten Fläche T.tB befindet sich eine durchgehende Gegenelektrode
9, die elektrisch auf Masse gelegt wird. Mit den Leitungen 15, 16, 17 und 18 sind
elektrische Verbindungen der Elektroden 5 bis 8 mit je einer Filterschaltung 25,
26, 27 und 28 bezeichnet.
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In dem jeweiligen Blockbild der Filter ist die unterschiedliche Lage
der tYtc'rla.9kurven der Filter angedeute;. Die AuLxänCe dieser Filter 25 bis 28
gehen auf eine gemeinsame Summationsschaltung 29, an die der Ausgangsverstärker
30 für die Detektionssignale des gesam-
ten Frequenzbereiches des
Wandlers 1 angeschlossen ist.
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Die Elektroden 5 bis 8 haben, wie aus der Fig.1 ersichtlich, unterschiedliche
Flächengröße, und zwar mit Rücksicht auf den durch sie bestimmten jeweiligen Frequenzbereich
der Detektion. Die großflächige Elektrode 5 detektiert den höchstfrequenten Bereich
der Körperschallwelle 3 bzw. 4. Die in der Ausbreitungsrichtung der Körperschallwelle
4, d.h. in der Richtung L des Wandlers 1, breiteste Elektrode 8 ist für den Detektionsbereich
mit niedrigsten Frequenzen vorgesehen.
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Die Abmessung li der i-ten Elektrode, gemessen parallel der Richtung
der Abmessung L des Wandlers 1, d.h. parallel seiner Längsrichtung und der Ausbreitungsrichtung
der Welle 4, wird nach der Gleichung (1) gewählt
i = 1 bis n (1) für n Elektroden. In dieser Gleichung sind c die Schallgeschwindigkeit
der Sörperschallwelle 4 im Wandler 1 und fi die maximale, noch im wesentlichen ungedämpft
zu erfassende Frequenz des für die jeweilige Elektrode vorgesehenen Frequenzbereiches.
Der Index i bei der Abmessung 1 deutet auf die jeweilige der Elektroden 5 bis 8
der Darstellung der Fig.1 hin.
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Die Breite der einzelnen Elektroden 5 bis 5 wird beim Ausführungsbeispiel
nach der Fig.1 vorzugsweise gleich der Abmessung B des Wandlers gewählt Eine besonders
vorteilhafte Form für einen Wandler für
ein erfindungsgenäßes System
zeigt die Fig.2 mit dem Wandler 11. Dieser hat ebenfalls im Prinzip Stabform, jedoch
mit zu seinem freien Ende hin stetig abnehmender Breite bei hier konstanter Dicke
D. Mit L ist wiederum die Länge des Wandlers 11 in Ausbreitungarichtung der Welle
4 bezeichnet. Mit 5', 6', 7' und 8' sind die mit den Elektroden 5 bis 8 vergleichbaren
Elektroden dieses Wandlers 11 bezeichnet. Diese Keilform bewirkt eine Konzentration
der Energiedichte der Körperschallwelle in die Spitze des Wandlers 11 hinein. Dieser
Keil steht beispielsweise mit seiner dickeren Basis 3.D auf der Behälterwandung
2 auf. Der Keil kann auch umgekehrt auf der Wandung 2 stehen.
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Die Breite b am verjüngten Ende des Wandlers 11 ist z.B. wesentlich
geringer als die Abmessung B.
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Fig.3 zeigt eine weitere 1,1eiterbildun2 der Stabform des Wandlers,
der hier ein Pyramidenstumpf 21 mit rechteckiger Basis B.D ist. Die mit zunehmendem
Abstand von der Behälterwandung 2 geringere Dicke ergibt den zusätzlichen Vorteil
angenähert gleichbleibender elektrischer Impedanz der durch die Elektroden 5" bis
8" bestimmten Bereiche - nämlich wenn das Verhältnis Elektrodenfläche zu (mittlerer)
Dicke für die einzelnen Elelctrodenbereiche konstant bleibt - bei ansonsten gemäß
Gleichung (1) £oder auch der noch nachfolgend erörterten Gleichung (2 gegebener
Bemessung.
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Fig.4 dient zur Erläuterung einer Ausführungsform bzw.
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einer Weiterbildung der Erfindung, bei der die Bandfilter der Fig.1
durch Tiefpaßfilter ersetzt werden können, wobei ein Tie-paw anstelle des Bandfilters
25 ffiv den höchsten Frequenzbereich entfallen kann. Der Einfachheit halber zeigt
Fig.4 den Fall mit Elektrcden, die jeweils gleiche Låsgenahmessung B wie bei
der
Ausführung nach Fig.1 haben. In Aufsicht sind wiederum vier nebeneinanderliegende
Elektroden 45 bis 48 einer jeweils vorgesehenen Anzahl solcher Elektroden dargestellt.
Mit dem Doppelpfeil L ist die Längsrichtung des Stabes des Wandlers 1, 11, 21 angedeutet,
die mit der Fortpflanzungsrichtung der Eörnerschallwelle im Wandler übereinstizmt.
Mit 146, 147 und 148 sind Tiefpaßfilter bezeichnet.
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Im Falle der Ausführung nach Fig.4 ist die Breite 17 = 1'1 (parallel
zu L) der Elektrode 45 für den höchstfrequenten Detektionsbereich maßgebend. FUr
den nächstniedrigerfrequenten Detektionsbereich ist aber die Summe der Abmessungen
1'2 = 11+12 maßgebend, wobei der Abstand zwischen den beiden Elektroden 45 und 46
gegen die Elektrodenflächen klein gehalten ist. FUr die dann jeweils nächstfolgend
niederfrequenteren Bereiche gilt jeweils die Summe der Breite 11+12+13 = 1' der
Elektroden 45, 46 und 47 bzw. 11 bis 14 der Elektroden 45 bis 48. Mit 145 bis 148
sind die zugehörigen Tiefpaßfilter bezeichnet.
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Es gilt somit hier anstelle der obigen Gleichung (1)
i = 1 bis n (2) für n Elektroden.
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Für die Tiefpaßfilter 146 bis 148 ist jeweils die Grenzfrequenz gleich
der betreffenden Frequenz fmax zu wählen.
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Eine besonders vorteilhafte und technisch einfache Realisierung solcher
Tiefpaßfilter läßt sich durch die Verwendung einer Kettenschaltung von Widerständen
errei-
chen, wie sie gemäß einer Weiterbildung prinzipiell in Fig.5
dargestellt ist. Dabei können die einzelnen Widerstände 246, 247 und 248 dieser
Widerstandskette auch als Widerstandsschichten realisiert sein, die auf der Oberfläche
des görpers des Wandlers 1, 11 und 21 aufgebracht sind. Das Tiefpaßfilter 146 wird
bei der Ausführung nach Fig.5 durch den Widerstand 246 und die gegen Masse liegende
Kapazität zwischen der Elektrode 45 und der in Fig.1 dargestellten Gegenelektrode
9 gebildet. Entsprechend werden die Tiefpaßfilter 147 und 148 im wesentlichen durch
den Widerstand 247 und die Kapazität der Elektrode 46 bzw. durch den Widerstand
248 und die Kapazität der Elektrode 47 gebildet.
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Fig.6 zeigt das Ersatzschaltbild, in dem die Eapazitäten die Bezugszeichen
der zugehörigen Elektroden 45 bis 48 haben. Die gestrichelt umrahmten RC-Glieder
sind die betreffenden Tiefpaßfilter. Dabei ist der vor dem Tiefpaß 147 liegende
Tiefpaß 146 für die Bemessung des Tiefpasses 147 von geringem Einfluß. Das gleiche
gilt sinngemäß für die Tiefpässe 146 und 147 in bezug auf den Tiefpaß 148.
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Im Regelfall sind die Kapazitäten der Elektroden 45 bis 48 gegenüber
der auf Nasse liegenden Gegenelektrode 9 durch die Abmessungen der Elektroden, durch
die Dicke des Körpers des Wandlers und durch die Dielektrizitätakonstante des piezoelektrischen
Materials des Wandlers in der Größenordnung vorgegeben. Die Widerstände 246 bis
248 werden damentsprechend angepaßt bemessen, damit die jeweilige Grenzfrequenz
fmax erreicht ist.
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Eine Weiterbildung des Prinzips nach Fig.5 ist der Ersatz der Widerstände
246 Dis 248 durch auf die je-
weilige Grenzfrequenz des betreffenden
Tiefpasses an die vorhandene Kapazität angepaßt bemessene Spule.
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Bei den Ausführungen nach den Fig.1 bis 4 können zwischen den Elektroden
5 bis 8 bzw. 45 bis 48 und den Bandfiltern 25 bis 28 bzw. den Tiefpaßfiltern 145
bis 148 jeweils Vorverstärker eingefügt sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, an dem freien Ende des Wandlers 1, 11,
21, d.h. an dem der Ankopplung an die Wandung 2 gegenüberliegenden Stabende einen
akustischen Sumpf anzubringen, wie er in der Fig.1 dargestellt und mit 100 bezeichnet
ist. In diesem akustischen Sumpf erfolgt eine praktisch vollständige Dämpfung der
durch den Wandler 1, 11, 21 hindurchgelaufenen Körperschallwelle 4, so daß dort
an der Grenze zwischen dem Körper 1 und dem Sumpf 100 keine Schallreflexion mehr
auftritt. Im Falle der Verwendung eines solchen Sumpfes 100 ist es vorteilhafterweise
sogar möglich, den Elektrodenbereich 5 für den höchstfrequenten Detektionsbereich
an das Stabende zu legen, das an die Wandung 2 angekoppelt ist. Dies ist in Fig.1
der Fall. Bei einer Anordnung, bei der der Elektrodenbereich für den höchstfrequenten
Detektionsbereich sich am Stabende befindet, ist der Sumpf entbehrlich.
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Ein solcher akustischer Sumpf 100 ist ein Körper einer solchen Länge,
die groß gegen die Wellenlänge der Körperschallwelle 4 ist. Sein Anschluß-Querschnitt
ist wenigstens so groß wie der des Wandlers 1. Der Sumpf 100 besteht aus z.B. einem
Epoxidharz, in das schwere Partikel wie beispielsweise Bleioxid eingelagert sind,
an denen starke Schallwellenstreuung auftritt.
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Es ergibt sich damit eine starke innere Dämpfung im Material des Sumpfes
100.
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Entsprechendes gilt für die Ausführungsformen nach den Fig.2 und 3,
bei denen dann der Wandler 11 bzw.
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21 mit dem jeweils verjüngten Ende an die Wandung 2 angekoppelt wäre.
Man erreicht mit dieser Maßnahme, daß vor allem für die höherfrequenten Anteile
der Körperschallwelle 4 eine besonders energie starke Ankopplung vorliegt.
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Zu den Bemessungen des Wandlerkörpers 1, 11, 21 ist zu bemerken, daß
die Länge L das Vielfache der Welle länge der Körperschallwelle 4 betragen muß.
Die (in den Figuren übermäßig groß dargestellten) Abmessungen B und D und damit
auch b und d müssen klein bzw. vergleichbar, d.h. in der Größenordnung dieser akustischen
Wellenlänge sein. Dabei wird im Regelfall die Dicke D gegenüber der Breite B relativ
klein gehalten, um z.B. eine relativ große bzw. möglichst große Breite B bzw. b
der Elektroden 5 bis 8 bzw. 45 bis 48 zu haben.
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7 Patentansprüche 6 Figuren
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