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Verfahren und Vorrichtung zur Schallemissions - Ortung und
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-Analyse.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung und Analyse von Schallemissionen,
bei dem aus dem Ankommen eines Schallimpulses an verschiedenen Meßstellen die Lage
der Schallemissionsquelle ermittelt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine nach
diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung zur Schallemissions-Ortung und -Analyse,
die insbesondere für die Prüfung von Vorrichtungen und Bauteilen auf Schadens stellen
bestimmt ist sowie zur Überwachung von Vorrichtungen und Bauteilen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Problemstellung wird nachstehend
unter Bezugnahme auf das Haupt-Anwendungsgebiet
der Erfindung erläutert.
Jedoch ist die Erfindung nicht nur auf diesem Gebiet anwendbar, sondern auf jedem
anderen Gebiet, auf dem aus dem Ankommen eines Schallimpulses eine Ortung der Quelle
der Schallemissionen erfolgen soll.
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Beim Betrieb von Maschinen und Anlagen können Geräusche auftreten,
die im Inneren der Werkstoffe entstehen und mit einem beginnenden Versagen in Zusammenhang
stehen. So senden z.B. entstehende Risse im Mikrobereich derartige Schallwellen
aus, z. T. zu Zeitpunkten weit vor dem Versagen. Diese Schallwellen werden für eine
Schadensfrüherkennung ausgenutzt, wodurch der Schädigungsgrad und der Fortgang des
Versagens erfaßbar werden. Neben der Analyse der Vorgänge - Definition der Art der
Schallquellen - ist insbesondere die Lokalisierung der Schallquelle für Abhilfemaßnahmen
von großer Bedeutung.
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Die Ortung von Schallquellen erfolgt bekanntermaßen in der Weise1
daß die Laufzeitdifferenzen gemessen werden, die auf dem Weg des Schalles von der
Schallquelle zu verschiedenen, einzeln und in gröReren Abständen voneinander um
die Quelle herum angeordneten Empfängern auftreten und daß aus diesen Laufzeitdifferenzen
anhand der Lage-»Koardinaten der Empfänger die Lage der Schallquelle errechnet wird.
tn Anwendung dieses Verfahrens auf bereits vorhandene oder entstehende Schadensstellen
werden an der Oberfläche des Prüfling mehrere Empfänger in
Abständen
von 1 bis 5 m befestigt. Trifft ein Schallimpuls die Empfänger, so setzen die von
diesen abgegebenen Signale eine Laufzeitzählung in:Gangg Die Laufzeiten der nächsten
benachbarten Sonden werden verglichen und aus den Laufzeitdifferenzen und den Empfängerkoordinaten
wird der Ort der Schallquelle ermittelt. (H. Bretfeld, A. Möller und H.-A. Crostack:
Anwendung der Schallemissionsanalyse bei der Belastung eines Druckbehälters mit
pulsierendem Innendruck; Materialprüfung 19 (1977) 11, S. 467/70).
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Damit diese bekannte Bestimmung des Ortes zu richtigen Ergebnissen
führt, müssen folgende wesentliche Voraussetzungen erfüllt sein: 1. Die Geschwindigkeit,
welche die Schallwelle.auf ihrem -Weg:.von.:der Schallquelle zum Empfänger entwickelt,.
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.muß'.bekännt sein, da sich anderenfalls aus den Laufzeitwerten nicht
der von der Schallwelle zurückgelegte Weg und damit die Entfernung der Schallquelle
vom Empfänger berechnen läßt.
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2. Die Schallimpulse dürfen nicht in dichter zeitlicher Folge auftreten,
sondern müssen deutliche Abstände aufweisen. Wenn ein erneuter Impuls an anderen
Stellen auftritt, bevor die Welle des ersten Impulses alle zur Ortung benötigten
Empfänger erreicht hat, ergibt sich eine Fehlortung. (H.-D. Steffens und H.-
A.
Crostack: Einflußgrößen bei der Analyse von Schallemissionen, Zeitschrift für Werkstofftechnik
(1973) 8, s. 442/7).
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3. Die Schallimpulse müssen sich sehr ähnlich sein, da eine Veränderung
der Wellenart oder der Impulsform (z.
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B. der Amplitude oder der Anstiegszeit) die elektro-(Trigger) nischen
Registriergeräte/zu unterschiedlichen Zeiten ansprechen läßt (H.D. Steffens, D.
Krappel, D. Stegemann nd H.-A. Crostack: Analyse von Signalen der Schallemission;
Zeitschrift für Werkstofftechnik 6 <1975) 3, S.
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88/94.
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Damit "kritische" Quellen geortet werden und nicht die von Störgeräuschen,
muß die Schallquelle identifiziert werden.
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Hierzu ist eine Analyse erforderlich, die sich bei dem bekannten Verfahren
und den danach arbeitenden Vorrichtungen nur parallel zur Ortung - nicht gleichzeitig
damit - durchführen läßt.
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Bei den zu ortenden, von Schallemissionsereignissen herrührenden Schallimpulsen
ist keine der vorstehend aufgeführten Bedingungen erfüllbar, wie nachstehend unter
Bezugnahme auf die vorstehend verwendeten Ziffern erläutert werden wird.
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Zu Ziffer 1: Schallgeschwindigkeit: Beim Auftreten eines einzelnen
Schallemissionsereignissses, das in der Regel impulsartig auftritt, werden Longitudinal-
und Transversalwellen frei, die zudem
winkelabhängige Intensität
(Richtstrahlcharakteristik) aufweisen. Dadurch besitzen diese Wellen je nach Ereignis
unterschiedliche Intensität und sie breiten sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten
aus.
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Beim Durchlaufen eines Festkörpers (Anlage, Maschine) werden diese
Wellen reflektiert, gedämpft und umgewan delt. Neben derreinem. Modenkonversion
kann es dabei auch zur Entstehung geführter Wellen (Oberflächen-, Platten-, Rohr-,
Stabwellen u.a.m.) kommen, die z.T. sehr hohe Dispersion aufweisen. Damit aber wird
die Ausbreitungsgeschwindigkeit von unbekannten Werten, nämlich vom Frequenzspektrum,
abhängig. Da zudem diese Umwandlung -abhängig von der Geometrie des Körpers - vom
Laufweg abhängt, liegt für jede Entfernung Schallquelle - Empfänger eine andere
mittlere Geschwindigkeit vor.
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Bei den bekannten Ortungsverfahren und den danach arbeitenden Vorrichtungen
wird die Geschwindigkeit in Abweichung von den tatsächlichen Gegebenheiten als konstant
vorgegeben. Hieraus resultieren wesentliche Abweichungen des Ergebnisses von den
realen Verhältnissen.
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hnliches gilt, sofern der Schall verschiedene Medien mit abweichenden
Geschwindigkeiten, wie z.B. einen wassergefüllten Behälter, durchläuft. Auch hier
führt die Vorgabe einer konstanten Geschwindigkeit zu Fehlern bei der Auswertung
der Meßergebnisse, die eine Anwendung des Schallemissionsverfahrens für Prüfzwecke
bislang als
nicht sinnvoll erscheinen lassen mußte.
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Zu Ziffer 2: zeitliche Abstände der Schallimpulse: Die Bedingung,
daß Schallimpulse zeitlich ausreichend weit genug getrennt auftreten, läßt sich
nur in Einzel-: fällen - z.B. bei einer Druckprüfung mit kontrollierbaren Belastungshedingungen
- erfüllen. Bei zeitlich dicht aufeinander folgenden Ereignissen, wie z.B. plastischer
Verformung, Phasenumwandlungen im Gefüge oder Fertigungse geräuschen, wie sie bei
Schweiß- und Lötprozessen auftreten, ist eine Ortung bislang ausgeschlossen gewesen.
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Zu Ziffer 3: Ähnlichkeit der Impulse: Diese dritte zu erfüllende Voraussetzung
ist in realen Strukturen gar nicht erfüllbar. (H.-D. Steffens, D. Stegemann, D.
Krappel und H.-A. Crostack: Analyse von Signalen der Schallemission; Zeitschrift
für Werkstofftechnik 6 (1975) 3, S. 88/94). Die Schalt le sendet Longitudinal- und
Transversalwellen aus, deren Intensität richtungsabhängig schwankt. Durch die Ausbreitung
mit der unter Ziffer 1 erwähnten Wellenumwandlung und dem Entstehen geführter Wellen
verändern sich die Intensitätsverhältnisse zueinander weiterhin. Da sich zudem durch
die Dämpfung die Spektren verändern und die Empfänger auf bestimmte Re-: sonanzfrequenzen
ausgelegt sind, kann er vorkommen, daß die Elektronik des einen Empfängers auf die
Longitudinalwellenanteile des Impulses, die eines anderen auf die transversalen
Anteile (oder z.B. Oberflächenwellen) anspricht. Hierdurch
entstehen
große Fehler bei der Ortung, und die Zuordnung der Schallquelle ist nicht möglich.
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Aus diesen Gründen stößt die Bestimmung des Ortes von Schallquellen
mittels des bekannten Verfahrens bereits in einfachen Bauteilen, wie Platten oder
Rohren, auf große Schwierigkeiten. Bei komplizierten Geometrien, wie sie in Maschinen
und Anlagen gegeben sind, werden die Schwierigkeiten derart groß, daß eine Ortung
unmöglich ist.
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Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, ein ver fahren und
eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen es möglich ist, in einfacher Weise auch
bei nicht bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses, bei hoher zeitlicher
Signalfolge, bei stark verrauschten Signalen und bei mit längerem Laufweg stark
veränderten Impulsen sowie komplizierten Bauteilgeometrien eine Ortung (Entstehungsortsbestimmung)
durchzuführen, und damit das Anwenc: dungsgebiet des Schal lemissionsverf ahrens
bei der Prüfung auf Schadensstellen wesentlich zu erweitern.
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Die Erfindung besteht darin, daß in drei oder mehreren eng benachbarten
Abschnitten jeder Meßstelle, deren Breite geringer ist als der zu erwartende Schallfelddurchmesser,
der Impulseintreffzeitpunkt gemessen, hieraus direkt oder nach einer Realzeit-Analyse
die Laufzeitdifferenz für die Abschnitte jeder Meßstelle ermittelt und aus diesen
Laufzeit differenzwerten für jede Meßstelle die Richtung bestimmt
wird,
in der die Schallemissionsquelle liegt, wonach aus den Richtungswerten und den Lagekoordinaten
der Meßstellen die Lage der Schallemissionsquelle ermittelt wird.
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Überdies besteht die Erfindung in einer Vorrichtung zur Ausübung
dieses Verfahrens, bei der jeder Empfänger-Prüfkopf drei oder mehr gesonderre Wandler-Elemente
aufweist, deren Gesamtbreite geringer ist als der zu erwartende Schallfelddurchmesser.
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Weitere Merkmale der-Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine beispielsweise Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ausübung
des Verfahrens gemäß der Erfindung ist nachstehend anhand des in der Zeichnung wiedergegebenen
Blockschaltbildes einer solchen Vorrichtung beschrieben. Der Einfachheit halber
ist nur einer der Empfänger-Prüfköpfe der Vorrichtung dargestellt und beschrieben,
da die Prüfköpfe im prinzipiellen Aufbau und in der Wirkungsweise übereinstimmen.
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Der Empfänger E setzt sich bei der dargestellten Aus£üh--ii rungsform
aus drei einzelnen Schallwandler-Elementen 1 zusammen. Es können jedoch auch mehr
Wandler-Elemente 1 zu einem Prüfkopf E zusammengebaut sein, vorausgesetzt, daß deren
Gesamtbreite die vorgesehene Höchstgrenze nicht überschreitet. Der Durchmesser des
Empfängers E ist klein gegenüber der Ausdehnung des zu erwartenden Schallfeldes,
d.
h. z. B. kleiner als 25 mm, sodaß die Elemente 1 innerhalb eines Schallfeldbereiches
der Quelle liegen, z.
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B. bei Zick-Zack-WEllen innerhalb des 6 dB-Abfalles.
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Die Elemente 1 können aus beliebigen Wandler-Werkstoffen und ,strukturen
(piezoelektrisch, elektrodynamisch, akusto-optisch, magnetostriktiv o. ä.).bestehen.
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Jedem Wandler-Element 1 ist - in der angeführten Reihen~ folge - ein
Verstärker und Impedanzwandler 2, ein Digitalisierer 3, eine Verzögerung 4, ein
Zähler 5 und eine Taktsteuerung 8 nachgeschaltet. Die Digitalisierer 3 sind ausgangsseitig
überdi-es an einen Zählerstarter 9 angeschlossen, der zum gleichzeitigen Anschalten
sämtlicher Zähler 5 dient; er wird vom ersten ankommenden digitali-.
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sierten Impuls angeschaltet, sodaß durch diesen sämtliche Zähler 5
ingang gesetzt werden. Die Verzögerungszeit der Verzögerungen 4 ist für alle Kanäle
eines Empfängers E gleich, z.B. 20 ns. Die Zähler 5 werden von dem ersten, über
den ihnen zugeordneten Empfängerkanal mit der vorgegebenen Verzögerung ankommenden
digitalisierten Impuls gestoppt. Ein Zeitmesser 7 dient zum Messen der absoluten
Zeit beim Start der Zähler 5. Er ist ebenso wie die Zähler 5 mit seinem Signal-Ausgang
an die Eingänge eines Mikroprozessors 6 angeschlossen, in den, gesteuert vdn der
Taktsteuerung 8, die Meßwerte der Zähler 5 und des Zeitmessers 7 eingegeben werden.
Für jeden Empfänger E ist ein solcher gesonderter Rechner 6 vorhanden, der aus den
ihm eingegebenen
Laufzeftwerten die Laufzeitdifferenzen zwischen
den einzelnen Elementen 1 eines Empfängers ermittelt und hieraus die Richtung errechnet,
aus welcher der Impuls angekommen ist, sowie parallel dazu als Kenngröße für den
Impuls die absolute Zeit bei Zählerstart speichert und anschließend - mit einer
Verzögerung - die Zähler 5 löscht.
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Alle Mikro-Prozessoren 6 einer Vorrichtung sind mit ihrer.
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Ausgängen an einen Rechner 12 der Vorrichtung angeschaltet. In der
Zeichnung sind mit 10 und 11 Leitungen bezeichnet, über welche die Kennwerte anderer
Empfänger in den Rechner 12 eingegeben werden. Dem Rechner 12 ist die Ausgabeeinheit
13 nachgeschaltet. Zwischen die Impedanzwandler 2 und die Digitalisierer 3 können
evtl. (nicht dargestellte) Filter oder Analysen geschaltet werden, welche aus einem
verrauschten Signal dessen Merkmal herauslösen können.
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Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Beim Auftreten eines Schallereignisses,
dessen Quelle geortet werden soll, kommt der davon herrührende Schallimpuls nach
unters'chiedlichen Laufzeiten' - entsprechend:den unterschiedlichen Lagekoordinaten
der Elemente 1 - in diesen Elementen an. Diese erzeugen daraus elektrische Signale,
die in den Verstärkern 2 jedes Elementes 1 - eventuell mit vorausgehender oder nachfolgender
Analyse bzw. Filterung - verstärkt und danach in den Digitalisierern 3 digitalisiert
werden.
Die aus den Wandler-Signalen oder - bei Zwischenschaltung eines Analyse oder eines
Filters - aus deren Analysenwerten hergeleiteten, digitalisierten Signale werden
sowohl dem Zählerstarter 9 als auch der Verzögerung 4 zugeleitet. Das erste ankommende
Signal bewirkt, daß der Zählerstarter 9 alle Zähler 5 des ihm zugeordneten Empfängers
E gleichzeitig startet. Dieses erste Signal erreicht den Zähler 5 über das Verzögerungs.
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glied 4 erst nach der Verzögerungszeit und schaltet ihn ab. Die später
ankommenden Signale der anderen Kanäle des Empfängers erreichen ihren Zähler 5 auch
erst nach der Verzögerungszeit und zusätzlich noch nach der Laufzeitdifferenz gegenüber
dem Kanal, in dem das erste Signal eingertoffen ist. Entsprechend später werden
die anderen Zähler 5 abgeschaltet, sodaL die Differenzen der Zählerwerte der Kanälte
eines Empfängers den Laufzeitdifferenzen entsprechen, Parallel zur Zählung der Laufzeitdifferenzen
ist die absolute Zeit bei Zählerstart mittels des Zeitzählers 7 gemessen worden.
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Nach dem Stopp aller Zähler 5 eines Empfängers E werden deren Werte,
gesteuert von der Taktsteuerung 8, dem Prozess-Rechner 6 eingegeben, wozu als Kenngröße
für den Impuls die vom Zeitmesser 7 gemessene absolute Zeit beim Start der Zähler
5 gespeichert wird. Mit einer Verzögerung nach Übernahme des Wertes für die absolute
Zeit durch den Prozess-Rechner 6 werden die Zähler 5 des dem Rechner 6 zugeordneten
Empfängers E gelöscht. Jeder Rechner
6 errechnet für den ihm zugeordneten
Empfänger E die Laufzeitdifferenzen zwischen dem Impuls- bzw. Merkmalseintreffen
bei den einzelnen Wandler-Elementen 1 und die daraus resultierende Richtung, aus
welcher der Impuls am Empfänger E angekommen ist.
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Die Richtungswerte der Mikro-Prozessoren 6 aller Empfänger E werden
dem Rechner 12 der Vorrichtung eingegeben, in den vorher bereits die Koordinaten
der Empfänger E ein+(? gegeben worden sind, die der Rechner 12 nun in einem folgenden
Rechenschritt mit den Richtungswerten in Beziehung setzt, wonach er durch Überlagerung
der Richtungen den Schnittpunkt der Richtunasgeraden als Ort der Schallquelle definiert.
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Bei der vorstehend erläuterten Analyse der Einzelelemente vor der
Digitalisierung wird das Eintreffen eines bestimmten Merkmals des Schallimpulses
gemessen. Statt dessen kann eine Analyse (z.B. Frequenzanalyse) parallel zur Richtungsbestimt
mung erfolgen, die direkt mit der Richtung korreliert ist.
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Die Richtungen der Empfänger können auch gespeichert und nachträglich
miteinander korreliert werden, woder.Ut die Verarbeitung von Signalen sehr schneller
Folgen möglich wird. Während bei dem bekannten Verfahren Folgen von ca.
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100/sec. (abhängig vom Abstand der Empfänger) verarbeitet werden
konnten, wird nunmehr die Verarbeitung von diesem Abstand unabhängig und kann maximale
Werte von ca. 1 - 2 Mio/sec. erreichen.
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Weitere wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bestehen
darin, daß - die Bestimmung von der Geschwindigkeit des Impulses von der Quelle
bis zum Empfänger unabhängig wird, weil die Richtung des Schall impulses innerhalb
der Einzelelemente 1 bestimmt wird; - die Impulse innerhalb der Einzelemente 1 (Abstand
der Elemente Q Schallfelddurchmesser) ähnlich bleiben, wodurch die vom jeweiligen
Empfänger bevorzugt angepeilte Wellenart unwichtig und der daraus resultierende
Fehler eliminiert wird; s dadurch, daß je Empfänger die Richtung des Impulses bestimmt
wird, nicht mehr abgewartet werden muß, bis der Impuls alle zur Ortung erforderlichen
Empfänger erreicht hat. Die Werte der einzelnen Empfänger können gespeichert werden;
- da die Impulse innerhalb der Einzelelemente 1 ähnlich bleiben, eauf.lexchtem WEg
in Real-Zeit eine Ata7syße
durchgeführt werden kann, die direkt
mit der ebenfalls sofort ermittelten Richtung des Impulses korreliert wird oder
aus deren Merkmalen die Richtung bestimmt wbrdcnAuf diese Weise wird eine eindeutige
Kennzeichnung des Impulses möglich, ohne daß die üblichen Laufzeitdiffe-.-renzen
berücksichtigt werden müßten; - da die Richtung sofort je Empfänger bestimmt wird,
selbst komplizierte Geometrien prüfbar sind. Durch die Richtungsbestimmung können
Reflexionen und Modenkonversionen einfach berücksichtigt werden und verfälschen
das Meßergebnis nicht.