DE2936045C2

DE2936045C2 - System für Schallemissionsmessung an Körpern mit piezoelektrischem Wandler

Info

Publication number: DE2936045C2
Application number: DE19792936045
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. Kleinschmidt; Valentin Dipl.-Phys. 8000 München Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-09-06
Filing date: 1979-09-06
Publication date: 1983-01-27
Also published as: DE2936045A1

Description

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bestimmt und

daß den einzelnen Elektroden (5—8) jeweils ein Bandpaßfilter(25 —28) nachgeschaltet ist

2. System 'Sw Schallemissionsmessung an Körpern, insbesonders zur Bestimmung von Rissen in Behälterwandungen, mit einem piezoelektrischen Wandler in der Form ei.ies Stabes, der mit der Fläche seines einen Stabendes auf den den Schall emittierenden Körper aufzusetzen ist. und mit einer Verstärker- und Filterschaltung, gekennzeichnet dadurch, daß für die Erfassung eines weiten Frequenzbereiches der Schallemission wenigstens auf einer Längsseite f£ · S;des Wandlers (1; 11; 21) in Längsrichtung (L) des Stabes nebeneinander eine Anzahl elektrisch voneinander getrennt anzuschließender Elektroden (45—48) mit in der Längsrichtung unterschiedlicher Breite (I) und auf der dazu gegenüberliegenden Längsseite eine zugehörige Gegenelektrode (9) vorgesehen sind, daß die Breite (I) der jeweiligen /-ten Elektrode in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (c) der Schallwelle (4) im Wandler und der maximalen, noch im wesentlichen ungedämpft zu erfassenden Frequenz (f)max des für die /-te Elektrode vorgesehenen Frequenzbereiches nach der Gleichung

/ = I bis η

bestimmt ist. so daß die Abmessung /', jeweils alle Elektroden der jeweils höherfrequenten Frequenz bereiche mit einschließt, und
daß den einzelnen' Elektroden (45—48) je ein separates Tiefpaßfilter nachgeschällel ist

3, System nach Atispruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß das einer bestimmten Elektrode (48—46) zugeordnete Tiefpaßfilter aus einem Widerstand (248-246) einer Widerstandskette in Zusammenwirküng mit der Kapazität der Elektrode

(47—45) des nächst niedrigeren Frequenzbereiches gebildet ist

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Körper des Wandlers (11) die Form eines Keilstumpfes hat.

5 System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Körper des Wandlers (21) die Form eines Pyramidenstumpfes hat

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß am freien Ende des Wandlers (1; 11; 21) ein die Körperschallweüen (4) dämpfender akustischer Absorber (100) angeordnet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein System, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2 angegeben ist

Aus »Materials Evaluation«. Juli 1977. Seiten 47 — 51 ist ein Verfahren bekannt, mit Hilfe eines piezoelektrischen Sensors das Körperschall-Spektrum eines Körpers aufzunehmen, der einer mechanischen Spannungsprüfung unterworfen wird. Der piezoelektrische Sensor wird hierzu mit seinem einen Ende in Berührung mit dem zu untersuche! den Körper gebracht. Es wird das Frequenzspektrum aufgenommen, das mit diesem einen piezoelektrischen Sensor aufgenommen werden kann, der eine Resonanzfrequenz hat. die oberhalb des Bereichs des Bandfilters, d. h. der zu erwartenden Körperschall-Frequenzen liegt. Von dieser Druckschrift ist für den Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2 ausgegangen worden.

Es ist auch bekannt, Rißbildungen in Behälterwandungen, insbesondere in Kesselwänden, mit Hilfe einer Körperschallemissions-Analyse festzustellen. Auch dieses Verfahren beruht physikalisch darauf, daß ein Riß in einer Behälterwand dadurch erkenr'w ist. daß von ihm Körperschallwellen ausgehen. Es ist hier allerdings zusätzlich erforderlich, daß solche von einem Riß oder gar einem Leck ausgehende Schallwellen von den dauernd auftretenden akustischen Wellen der sonstigen Betriebsgerausche unterschieden werden können. Die zu detektierenden Schallwellen können in sehr verschiedenen Frequenzbereichen auftreten, d. h. bei Verwendung eines einzigen Wandlers ist dieser — wie beim Gegenstand der obengenannten Druckschrift — wiederum der höchs'en Frequenz entsprechend klein zu bemessen

Gemäß einem Lösungsweg dieses Problems haben bekannte Systeme der einschlägigen Art unterschiedliche Wandler, mit deren Hilfe der emittierte Schall 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 mit den jeweiligen Frequenzen entsprechenden Abmessungen, die einzeln unter Zwischenschaltung einer Übertragungsschicht an der zu untersuchenden Wandung befestigt werden. Aufgrund ihrer hohen mechanischen SchwifiggÜte werden diese Wandler nur von den Körpefschäll-Frequenzanteilen zu nennenswerter Detektionsamplitude angeregt, die im Bereich der Resonanzfrequenz des jeweiligen Wandlers

liegen. Die piezoelektrisch erzeugten uetektionssignale werden direkt je einem Summations-V^rstärker zugeführt, um sie auf ein ausreichendes Maß zu verstärken. Nachteilig bei solchen Wandlern ist die fehlende Impulstreue.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches System für Schallemissionsmessung anzugeben, das mit einem einzigen Wandler einen großen Frequenzbereich erfaßt. Impulse formgetreu, d.h. die einzelnen Frequenzbereiche mit jeweils maximal to möglichem Signalwert, überträgt, und dennoch einfach zu handhaben ist.

Diese Aufgabe wird durch ein im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2 angegebenes System erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens der Patentansprüche 1 bzw. 2 gelöst Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den UnteransDrüchen hervor.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung beruht darauf, einen sehr großen Frequenzbereich in Frage kommender Schallwellen mit Hilfe eines einzigen, in besonderer Weise bemessenen, piezoelektrischen Wandlers aufzunehmen, der jedoch in besonderer Weise ausgebildet ist, und in daran angepaßter Weise zu verstärken. Die Bestimmung mit nur einem Wandler erfolgt in einem Frequenzbereich von z.B. 100 bis 500 kHz mit gleichbleibender Empfindlichkeit. Der Wandler ist als akustischer Wellenleiter wirksam. Er hat dazu prinzipiell die Form eines Stabes, in dem sich die akustische Welle in Längsrichtung, d. h. in Stabnchtung, ausbreiten kann. Mit der Seite seines einen Stabendes wird der Wandler auf der zu untersuchenden Behälterwand mit entsprechender, an sich bekannter Anpassung, insbesondere mit einer Anpassungsschicht, aufgesetzt. Aus der in der Behälterwandung verlaufenden Körperschallwelle wird ein Anteil in den stabförmigen Wandler über diese Anpassungsschicht abgeleitet.

Auf dem Wandlerkörper sind einzelne streifenförmige Elektroden mit definierten Breiten vorgesehen, die einzeln über Band- oder Tiefpaßfilter mit einem Verstärker elektrisch verbunden sind. Die Anteile des stabförmigen Wandlers im Bereich der jeweiligen Elektrode(n) detektieren piezoelektrisch die im Wandler laufende, aus der Behälterwandung aufgenommene Schallwelle, und zwar den jeweiligen Frequenzbereich dieser Welle.

In anderem Zusammenhang ist es tins dem Stand der Technik bekannt, auf einem piezoelektrischen Körper solche Elektroden vorzusehen, die eine gegenüber der Fläche des Wandlers nur geringere Elektrodenfläche bzw. Elektrodenbreite hauen. So ist z. B. aus der FR-PS 11 13 406 für eine Vorrichtung zur Ultraschall-Ortung bekannt, dtn sowohl als Ultraschallsender als auch als Ultraschallempfänger verwendeten piezoelektrischen Wandlerkörper mit zwei voneinander getrennten. zonenweisen F.lektroden zu versehen. Die eine Elektrode ist dabei mit dem elektronischen Sendegerät verbunden und dient zur Ultraschall-Anregung und die andere Elektrode ist mit dem Empfänger verbunden und wird für den Empfang verwendet.

Zur Erzeugung des Spektrums von Grund- und Obertönen ist in der US-PS 17 82 117 vorgeschlagen, bei einem piezoelektrischen Körper mit ,einer auf die Grundfrequenz abgestimmten Abmessung die Elektrodenbreite iri der Größe zu wählen, die der Öbertön-Wel- !eniänge entspricht, für die dieser Körper dann ausschließlich bestimmt ist.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel das erfindungsgemäßen Systems;

F i g. 2 und 3 zeigen variierte Ausgestaltungen des Wandlers;

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Tiefpaßfilter;

F i g. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild zu F i g. 4.

F i g. 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 hereinlaufende Anteil des in der Behälterwand verlaufenden Körperschalls angedeutet Mit 5,6,7 und 8 sind beispielsweise vier Elektroden einer Anzahl auf der einen Längsseite des Wandlers '. 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 Lx B 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. In dem jeweiligen Blockbild der Filter ist die unterschiedliche Lage der Durchlaßkurven der Filter angedeutet. Die Ausgänge dieser Filter 25 bis 28 gehen auf eine gemeinsame Surnmationsschaltung 29, an die der Ausgangsverstärker 30 für die Detektionssignale des gesamten Frequenzbereiches des Wandlers 1 angeschlossen ist.

Die Elektroden 5 bis 8 haben, wie aus der F i g. 1 ersichtlich, unterschiedliche Flächengröße, und zwar mit Rücksicht auf den durch sie bestimmten jeweiligen Frequenzbereich der Detektion. Die kleinste Elektrode 5 dt .ektiert 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 Frequtnzen vorgesehen.

Die Abmessung /, der /-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

(1)

für η Elektroden. In dieser Gleichung sind c die Schallgeschwindigkeit der Körperschallwelle 4 im Wandler 1 und (f)_max die maximale, noch im wesentlichen ungedämpft u erfassende Frequenz des für die jeweilige l.lektrode vorgesehenen Frequenzbereiches. Der Index /bei der Abmessung /deutet auf die jeweilige der Elektroden 5 bis 8 der Darstellung dir Fig-1 hin. Mit diesen Abmessungen der Elektroden erhält man das maximal mögliche Signal des jeweiligen Frequenzbereichs an den Elektroofen 5 bis 8.

Die Breite der einzelnen Elektroden 5 bis 8 wird beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 vorzugsweise

gleich der Abmessung ßdes Wandlers gewählt.

Eine besonders vorteilhafte Torrn für einen Wandler für ein erfindungsgemäßes System zeigt die Fig. 2 mit dem Wandler 21. 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 21 in Ausbreitungsrichtung der Welle 4 bezeichnet. Mit 5', 6', T und 8' sind die mit den Elektroden 5 bis 8 vergleichbaren Elektroden dieses Wandlers 21 bezeichnet. Diese Keilform bewirkt eine Konzentration der Enefgiedichle der Körperschallwelle in die Spitze des Wandlers 21 hinein Dieser Keil sieht beispielsweise mit seiner dickeren Basis B D auf der Behälterwandung 2 auf. Der Keil kann auch umgekehrt auf der Wandung 2 stehen. Die Breite 6 am verjüngten Ende des Wandlers 21 ist /. B. wesentlich geringer als die Abmessung B.

F ι g. 3 zeigt eine weitere Weiterbildung der Stabform des Wandlers, der hier ein Pyramidenstumpf 31 mit rechteckiger Basis η ■ D ist. Die mii iuncniVicüdciri 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 Finzelnen Elektrodenbereiche konstant bleibt — bei ansonsten gemäß Gleichung (1) (oder auch der noch nachfolgend erörterten Gleichung (2)) gegebener Bemessung.

F i g. 4 zeigt die alternative Lösung nach Anspruch 2, bei der die Bandfilter der F i g. 1 durch Tiefpaßfilter ersetzt werden können, wobei ein Tiefpaß anstelle des Bandfilters 25 für den höchsten Frequenzbereich entfallen kann. Der Einfachheit halber zeigt Fig.4 den Fall mit Elektroden, die jeweils gleiche Längenabmessung B svie 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 Körperschallwelle im Wandler übereinstimmt

I.τι Falle der Alternative nach F i g. 2 und F i g. 4 ist die Breite /, = /', (parallel zu L) der Elektrode 45 für den höchstfrequenten Detektionsbereich maßgebend. Für den nächstniedrigerfrequenten Detektionsbereich ist aber die Summe der Abmessungen /? = /i + /2 wirksam, wobei der Abstand zwischen den beiden Elektroden 45 und 46 gegen die Elektrodenflächen klein gehalten ist. Für die dann jeweils nächstfolgend niederfrequenteren Bereiche gilt jeweils die Summe der Breite A + h + h = l'i der Elektroden 4υ, 46 und 47 bzw. I, bis I₄ der Elektroden bis 48.

Es gilt somit hier anstelle der obigen Gleichung(l)

/ = 1 bis π

(2)

für π Elektroden.

Für die die Bandpaßtilter ersetzenden Tiefpaßfilter ist jeweils die Grenzfrequenz gleich der betreffenden Frequenz (Qm_3x zu wählen. Sie werden an die Elektroden bis 48 ebenso angeschlossen wie die Bandfilter —28 an die Elektroden 5—8 nach Fig. 1 angeschlossen, sind.

Eine besonders vorteilhafte und technisch einfache Ausführung solcher Tiefpaßfilter läßt sich durch die Verwendung einer Kettenschaltung von Widerständen erreichen, wie sie in F ig. 4 dargestellt ist. Dabei können die einzelnen Widerstände 246, 247 und 248 dieser Widerstandskette auch als Widersiandsschichlen realisiert sein, die auf der Oberfläche des Körpers des Wandlers ΐ, Π und 21 aufgebracht sind; Das Tiefpaßfilter zur Elektrode 46 wird bei dieser Ausführung (siehe Fig,4) durch den Widerstand 246 und die gegen Masse liegende Kapazität zwischen der Eleklrode45 und der iti Fig. 1 dargestellten Gegenelektrode 9 gebildet. Entsprechend werden die Tiefpaßfilter zur Elektrode 47 bzw. 48 im wesentlichen durch den Widerstand 247 u"d die Kapazität der Elektrode 46 bzw. durch den Widerstand 248 und die Kapazität der Elektrode 47 gebildet.

F i g. 5 zeigt das Ersatzschaltbild, in dem die Kapazitäten die Bezugszeichen der zugehörigen Elektroden 45' bis 48' haben. Die gestrichelt umrahmten /?C-Glieder sind die betreffenden Tiefpaßfilter. Dabei 2ö ist der vor dem Tiefpaß !47 liegende Tieipau 146 für die Bemessung des Tiefpasses 147 vernachlässigbar. Das gleiche gilt sinngemäß für die Tiefpässe 146 und 147 in bezug auf den Tiefpaß 148.

Im Regelfall sind die Kapazitäten der Elektroden 45 bis 48 gegenüber der auf Masse liegenden Gegenelektrode 9 durch die Abmessungen der Elektroden, durch die Dicke des Körpers des Wandlers und durch die Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Materials &\.s Wandlers in der Größenordnung vorgegeben. Die Widerstände 246 bis 248 werden dementsprechend angepaßt bemessen, damit die jeweilige Grenzfrequenz (fi)nax erreicht ist.

Eine Ausführungsform des Prinzips nach F i g. 4 und 5

ist der Ersatz der Widerstände 246 bis 248 durch auf die jeweilige Grenzfrequenz des betreffenden Tiefpasses an die vorhandene Kapazität angepaßt bemessene Spule.

Bei den Ausführungen nach den F i g. 1 bis 4 können

zwischen den Elektroden 5 bis 8 bzw. 45 bis 48 und den Bandfiltern 25 bis 28 bzw. den Tiefpaßfiltern jeweils Vorverstärker eingefügt sein.

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 Absorber anzubringen, wie er in der Fig. 1 dargestellt und mit 100 bezeichnet ist. In diesem akustischen Absorber 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 Absorber so i00 keine Schallreflexion mehr auftritL Im Fall der Verwendung eines solchen Absorbers 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 Absorber entbehrlich.

Ein solcher akustischer Absorber 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 Absorber 100 besteht aus z. B. einem Epoxidharz, in das schwere Partikel wie beispielsweise Bleioxid eingelagert sind, an denen starke Schallwellenstreuung auftritt Es ergibt sich damit eine starke innere Dämpfung im Material des Absorbers 100.

Entsprechendes gilt für die Ausführungsformen nach

den Fig.2 und 3, bei denen darin der Wandler II bzw. 21 mit dem jeweils verjüngten Ende an die Wandung 2 angekoppelt Ware. Man erreicht mit dieser Maßnahme, daß vor allem für die höherfrequenten Anteile der körperschallwefie 4 eine besonders energiestarke Ankopplung vorliegt

Zu den Bemessungen des Waridlerkörpers 1,11,21 ist zu bemerken, daß die Länge L das Vielfache der Wellenlänge der Körperschallwelle 4 betragen muß; Die (in den Figuren übermäßig groß dargesellteh) Abmessungen B und D und damit auch b und d müssen klein bzw. vergleichbar, d. Ii. in der Größenordnung dieser akustischen Wellenlänge sein. Dabei wird ίίτί Regelfall die Dicke Ö gegenüber der Breite B relativ klein gehalten, urn Ζ; B eine relativ große bis möglichst große Breite B bzw. b der Elektroden 5 bis 8 bzw. 45 bis 48 zu haben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

130 264/335

Claims

Patentansprüche:

1. System für Schallemissionsmessung an körpern, insbesonders zur Bestimmung von Rissen in Behälterwandungen, mit einem piezoelektrischen Wandler in der Form eines Stabes, der mit der Fläche seines einen Stabendes auf den den Schall emittierenden Körper aufzusetzen ist und mit einer Verstärker- und Filterschaltung, gekennzeichnet dadurch, daß für die Erfassung eines weiten Frequenzbereiches der Schallemission wenigstens auf einer Längsseite (L ■ B)AtS Wandlers (1; 11; 21) in Längsrichtung (L) des Stabes nebeneinander eine Anzahl elektrisch voneinander getrennt anzuschließender Elektroden (5—8) mit in der Längsrichtung unterschiedlicher Breite (I) und auf der dazu gegenüberliegenden Längsseite eine zugehörige Gegenelektrode (9) vorgesehen sind, daß sich die Breite (I) der jeweiligen /-ten Elektrode (5—8) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit c der Schallwelle (4) im Wandler und der maximalen, noch im wesentlichen ungedämpft zu erfassenden Frequenz (f)max des für die Me Elektrode vorgesehenen Frequenzbereiches nach der Gleichung