DE3634374A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der dicke eines bandfoermigen oder plattenfoermigen werkstueckes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Dicke eines bandförmigen oder plattenförmigen Werkstückes durch Einstrahlen von Ultraschall an einer ersten Stelle und Auswerten des an einer zweiten Stelle des Werkstückes empfangenen Ultraschalls.

Bei bekannten derartigen Verfahren erfolgt die Bestimmung der Dicke einer Platte oder eines Bandes, indem eine Ultraschallwelle senkrecht in das Werkstück eingestrahlt wird und aus der Laufzeit des Ultraschallsignals die Dicke bestimmt wird. Hierzu ist jedoch die exakte Kenntnis der Schallgeschwindigkeit notwendig. Da die Schallgeschwindigkeit sowohl von der Materialzusammensetzung als auch von dem Verformungsgrad, insbesonders bei Walzerzeugnissen, abhängt, ist es erforderlich, die Schallgeschwindigkeit mit Hilfe von Kalibriermessungen laufend neu zu bestimmen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es gestatten, ohne Kalibriermessungen für die Schallgeschwindigkeit die Wandstärke eines dünnwandigen Werkstückes zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Ultraschall horizontal polarisierte Transversalwellen verwendet werden, die mit Hilfe eines elektromagnetischen Ultraschallwandlers, dessen Spurwellenlänge größer als die Dicke des Werkstückes ist, mit unterschiedlichen Frequenzen an der ersten Stelle auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugt werden, daß die zweite Stelle zum Empfangen der horizontal polarisierten Transversalwellen in einem Abstand in Ausbreitungsrichtung der Transversalwellen von der ersten Stelle auf der Oberfläche des Werkstückes vorgesehen wird, daß diejenigen Frequenzen ermittelt werden, bei denen an der zweiten Stelle Amplitudenmaxima auftreten, daß aus der kleinsten, einem Amplitudenmaximum zugeordneten Frequenz und der Spurwellenlänge des Ultraschallwandlers die Schallgeschwindigkeit im Werkstück bestimmt wird und daß aus der so bestimmten Schallgeschwindigkeit und wenigstens einer Frequenz eines weiteren Amplitudenmaximus die Dicke des Werkstückes ermittelt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruchs 6 gekennzeichnet.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die physikalische Eigenschaft von Wellenleitern für elastische Wellen zugrunde, in denen sich geführte Wellen ausbreiten, die unterschiedliche Schwingformen haben und als Moden bezeichnet werden. Für diese Moden hat der Wellenleiter Bandpaßcharakter, das heißt es existiert ein durch die Dicke, die Wellenlänge und die Ultraschallfrequenz vorgegebener Bereich, in dem diese Wellen entstehen und sich ausbreiten können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein modifiziertes Dispersionsdiagramm mit Kurven zur Veranschaulichung der empfangsseitigen Amplituden in Abhängigkeit von der Ultraschallfrequenz und

Fig. 3 das Schaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Eine Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke eines Werkstückes bei unbekannter Schallgeschwindigkeit ist in Fig. 1 dargestellt, wobei Fig 1a) schematisch den Gesamtaufbau der Vorrichtung darstellt. Das zu überwachende bandförmige oder plattenförmige Werkstück 1 ist beispielsweise ein Band, das nach einem Walzvorgang oder sonstigem verformendem Herstellungsverfahren zwischen einem ersten Rollenpaar 2 und einem zweiten Rollenpaar 3 geführt ist. Das Werkstück 1 bewegt sich beispielsweise von links nach rechts in Fig. 1 und es soll sichergestellt werden, daß auch aufgrund von beim Walzvorgang auftretenden Walztexturänderungen dadurch verursachte Schallgeschwindigkeitsänderungen keine Beeinflussung der Dickenüberwachung mit sich bringen. Die Dicke d des Werkstückes 1 ist durch den Doppelpfeil 4 veranschaulicht. Sie beträgt zwischen 0,1 und 10 mm.

Zwischen den Rollenpaaren 2, 3 sind ein Ultraschall- Sendewandler 5 zum Aussenden von horizontal polarisierten Transversalwellen und ein Ultraschall-Empfangswandler 6 zum Empfangen der horizontal polarisierten Transversalwellen angeordnet. Der Ultraschall-Sendewandler 5 und der Ultraschall-Empfangswandler 6 befinden sich in unmittelbarer Nähe der Oberfläche 7 des Werkstückes 1. Die Ausbreitungsrichtung der horizontal polarisierten Transversalwellen, die häufig auch als SH-Wellen bezeichnet werden, ist durch einen Pfeil 10 in Fig.1 veranschaulicht. Die Schwingungsrichtung der horizontal polarisierten Transversalwellen parallel zur Oberfläche 7 ist durch drei Doppelpfeile 8 veranschaulicht.

In Fig. 1 ist oben links als Fig. 1b) schematisch der Aufbau des Ultraschall-Sendewandlers 5, der dem Aufbau des Ulraschall-Empfangswandlers 6 entspricht, dargestellt. Der Ultraschall-Sendewandler 5 enthält eine Vielzahl von Permanent-Magnetstreifen 9, die nebeneinander in Schallausbreitungsrichtung mit alternierender Polarität angeordnet sind. Die Nordpole sind jeweils mit N und die Südpole jeweils mit S bezeichnet. Der Abstand der permanenten Magnetstreifen 9 gleichnamiger Polarität ergibt die Spurwellenlänge λ _s der abgestrahlten horizontal polarisierten Transversalwellen, die identisch mit der Wellenlänge λ der Ultraschallwelle im Werkstück 1 ist. Zwischen der Oberfläche 7 des Werkstücks 1 und den Permanent-Magnetstreifen 9 befindet sich eine in Fig. 1b) schematisch dargestellte Drahtwicklung 11, die von Hochfrequenz-Stromimpulsen durchflossen wird, wodurch Wirbelströme im Werkstück 1 erzeugt werden, deren Frequenz die Ultraschall-Frequenz der Transversalwellen festlegt. Die Spurwellenlänge ist wesentlich größer als die erwartete Dicke d des Werkstückes 1 und ist beispielsweise größer als die doppelte Dicke d.

Der Ultraschall-Empfangswandler 6 ist parallel zum Ultraschall-Sendewandler 5 ausgerichtet und innerhalb des Schallbündels des Ultraschall-Sendewandlers 5 so positioniert, daß die sich im Werkstück 1 in Richtung des Pfeilers 10 ausbreitenden Transversalwellen empfangen werden können. Der Aufbau des Ultraschall-Sendewandlers 5 und des Ultraschall-Empfangswandlers 6 entspricht den üblichen elektromagnetischen Prüfköpfen zum Erzeugen horizontal polarisierter Transversalwellen. Der Abstand zwischen dem Ultraschall-Sendewandler 5 und dem Ultraschall-Empfangswandler 6 ist nicht kritisch. Der Abstand zueinander ist lediglich durch die Schallschwächung nach oben hin begrenzt.

Der Ultraschall-Sendewandler 5 ist über eine Leitung 12 mit einer Sende-Empfangselektronik 13 verbunden und wird durch zeitlich begrenzte Burstsignale erregt. Die Mittenfrequenz der Burstsignale ist veränderlich und wird ausgehend von einer Anfangsfrequenz f _A bis zu einer Endfrequenz f _Z stufenweise erhöht. Da durch die Burstsignale Ultraschallimpulse und keine Dauerstrich- Signale erzeugt werden, haben die im Werkstück 1 erzeugten horizontal polarisierten Transversalwellen ein Frequenzspektrum, das zwischen einer Frequenz unterhalb der Erregerfrequenz und einer Frequenz oberhalb der Erregerfrequenz liegt. Da die Zahl der Permanent-Magnetstreifen 9 im Ultraschall-Sendewandler 5 nicht unendlich, sondern endlich ist, ergibt sich für die Wellenlängen der Transversalwellen ein Wellenlängenspektrum zwischen einer Wellenlänge unterhalb der Spurwellenlänge und einer Wellenlänge oberhalb der Spurwellenlänge. Diese Verhältnisse sind in Fig. 2 insbesondere für eine Frequenz f₀ und ein Verhältnis der Dicke zur Wellenlänge von weniger als 1 dargestellt.

Der Ultraschall-Empfangswandler 6 ist über eine Leitung 14 mit der Sende-Empfangselektronik 13 verbunden, deren Ausgangsleitung 15 eine Auswerteeinheit 16 zur Bestimmung der Dicke des Werkstücks 1 speist.

Beim Durchstimmen der Erregerfrequenz für den Ultraschall- Sendewandler 5 ergeben sich im Ultraschall-Empfangswandler 6 unterschiedliche Amplituden, da das Werkstück 1 in Abhängigkeit von seiner Dicke, der Spurwellenlänge und der Ultraschallfrequenz als Wellenleiter mit Bandpaßcharakter für unterschiedliche Moden wirkt. In Abhängigkeit von der Frequenz, mit der die Drahtwicklung 11 des Ultraschall-Sendewandlers 5 erregt wird, ergibt sich eine unterschiedliche Ultraschall- Leitfähigkeit oder Transparenz für die Transversalwellen auf ihrem Weg vom Bereich unterhalb des Ultraschall- Sendewandlers 5 zum Bereich unterhalb des Ultraschall- Empfangswandlers 6.

In Fig. 2, oben erkennt man, wie die Amplitude A der am Ultraschall-Empfangswandler 6 eintreffenden Transversalwellen frequenzabhängig ist. Steigt die Frequenz des Erregersignals, die beispielsweise zwischen 200 kHz und 2 MHz liegen kann, ausgehend von der Anfangsfrequenz f _A an, so zeigt sich, daß ein ausgeprägtes Amplitudenmaximum bei einer Frequenz f₀ auftritt. Bei dieser ersten Frequenz, bei der für die Transversalwellen eine Ausbreitung in Richtung des Pfeils 10 möglich ist, handelt es sich um geführte Transversalwellen des Grundmodus, bei dem keine Dispersion auftritt. In Fig. 2 hat dieser Modus die Ordnungszahl n=0 und ist der Frequenz f₀ zugeordnet. Aus den bereits oben erwähnten Gründen treten bei einer Anregung mit der Frequenz f₀ auch Frequenzen unterhalb und oberhalb auf, für die jedoch die Amplituden im Werkstück 1 kleiner sind, was in Fig. 2, oben durch die rechts und links von der Frequenz f₀ abfallenden Flanken dargestellt ist.

Die Grenzfrequenzen um die Frequenz f₀, bei denen die Amplitude auf 0 abgefallen ist, ergeben sich zeichnerisch aus dem in Fig. 2, unten dargestellten modifizierten Dispersionsdiagramm für Transversalwellen-Moden in planparallelen Platten. Auf der Ordinate ist das Verhältnis der Dicke d des Werkstückes 1 zur Wellenlänge λ dargestellt, die durch den Aufbau des Ultraschall- Sendewandlers 5 in der oben erörterten Weise konstruktiv vorgegeben ist. Da die Zahl der Permanent- Magnetstreifen 9 nicht unendlich ist, ergibt sich für dieses Verhältnis nicht lediglich ein Festwert, der in Fig. 2 durch eine horizontale Linie 17 dargestellt ist, sondern ein Bereich, der durch oberhalb und unterhalb der horizontalen Linie 17 dargestellte gestrichelte Linien veranschaulicht ist. Die Schnittpunkte dieser gestrichelten Linien, mit der der Mode mit der Ordnungszahl 0 zugeordneten Gerade 18 bestimmen das durch die gestrichelten Linien 19 und 20 veranschaulichte Frequenzband um die Frequenz f₀, für das das Werkstück 1 die Transversallen zum Ultraschall-Empfangswandler 6 durchläßt.

Die der Mode mit den Ordnungszahlen 1 und 2 zugeordneten Kurven des Dispersionsdiagramms sind mit den Bezugszeichen 21 und 22 versehen. Die Krümmung der Kurven 21 und 22 veranschaulicht die außerhalb des Grundmodus auftretende Dispersion.

Beim Erhöhen der Erregerfrequenz des Ultraschall-Sendewandlers 5 ergibt sich, wie man in Fig. 2 erkennt, eine weitere Frequenz f₁, bei der ein weiteres Transparenzfenster, und zwar nunmehr für den Mode mit der Ordnungszahl n=1 auftritt. Zwischen den Frequenzen f₀ und f₁ tritt, wie in Fig. 2 oben zu erkennen ist, am Ultraschall- Empfangswandler 6 kein Signal auf. Wenn die Erregerfrequenz weiter erhöht wird, ergibt sich schließlich eine Frequenz f₂, bei der für eine Mode mit der Ordnungszahl n=2 die Fortpflanzungsbedingungen im Werkstück 1 erfüllt sind.

Für die Gerade 18 des in Fig. 2 dargestellten Dispersionsdiagramms gilt die Gleichung:

Wenn beim Durchstimmen der Erregerfrequenz zum ersten Mal eine Transparenz für Transversalwellen auftritt, handelt es sich bei dieser um die Frequenz f₀, aus der die unbekannte Schallgeschwindigkeit durch Einsetzen der Frequenz, bei der das Amplitudenmaximum auftritt, und der Spurwellenlänge, die sich aus der Geometrie des Ultraschall-Sendewandlers 5 ergibt, bestimmt werden kann.

Die sich bei den höheren Moden ergebenden Frequenzen f₁ und f₂ gestatten nach der Ermittlung der Schallgeschwindigkeit eine Bestimmung der Dicke d des Werkstückes 1.

Aus der allgemeinen Dispersionsgleichung

mit n = 0, 1, 2 . . .,
ergibt sich nämlich für die unbekannte Dicke d

d=1/2 · n · c · λ(f² _n λ²-c²)^-1/2.

Die obigen Ausführungen zeigen, daß gemäß dem beschriebenen Verfahren bei Kenntnis der Spurwellenlänge des Ultraschall-Sendewandlers 5 diejenigen Frequenzen ermittelt werden, bei denen sich eine maximale Amplitude am Empfangsort ergibt. Bei Kenntniss wenigstens der Frequenz f₀ und einer weiteren Frequenz gestatten es die obigen Gleichungen, zunächst die Schallgeschwindigkeit in Ausbreitungsrichtung der Transversalwelle horizontal zur Oberfläche 7 und danach die Dicke des Werkstückes 1 zu bestimmen.

Der Aufbau der Sende-Empfangselektronik 13 und der Auswerte-Einheit 16, die in Fig. 1 durch Kästen schematisch dargestellt sind, ist in Fig. 3 als Blockschaltbild dargestellt.

Ein Computer 30 dient zur Ablaufsteuerung und Durchführung der erforderlichen Berechnungen gemäß den oben erörterten Gleichungen. Über einen Spannungsausgang 31 liefert der Computer 30 eine Spannung an den Steuereingang eines spannungsgesteuerten Oszillators 32 (VCO), wobei die Steuerspannung im Laufe der Zeit treppenförmig ansteigt, wie durch die Spannungstreppe 33 veranschaulicht ist, so daß in zeitlicher Aufeinanderfolge eine Vielzahl von einzelnen Frequenzen einstellbar ist. Das vom spannungsgesteuerten Oszillator 32 erzeugte Dauerstrichsignal wird einer Torschaltung 34 zugeführt, die als Burstgenerator (BG) dient. Die Torlänge der Torschaltung 34 ist auf ein ganzzeilig Vielfaches der Dauer einer Schwingung eingestellt. Die Steuerung der Torschaltung 34 erfolgt über Taktsignale, die über Leitungen 35 und 36 zugeführt werden. Das am Ausgang der Torschaltung 34 liegende Burstsignal gelangt zu einem Leistungsverstärker 37 und über eine Abstimmkapazität 38 auf die Drahtwicklung 11 des Ultraschall- Sendewandlers 5.

Die der Drahtwicklung 11 des Ultraschall-Sendewandlers 5 entsprechende Drahtwicklung 39 des Ultraschall-Empfangswandlers 6 ist mit dem Eingang eines Vorverstärkers 40 (VV) verbunden, dessen Ausgangssignal über einen Zwischenverstärker 41 (ZV) einer Mischstufe 42 zugeführt wird. Über einen zweiten Eingang erhält die Mischstufe 42 das Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators 43 (VCO), der wie der spannungsgesteuerte Oszillator 32 über einen Spannungsausgang 44 gesteuert ist. Statt der spannungsgesteuerten Oszillatoren 32 und 43 können auch Synthesizerschaltungen vorgesehen sein, die in Fig. 3 gestrichelt dargestellt sind und durch Synth. abgekürzt sind.

Am Ausgang 45 der Mischstufe 42 entsteht ein amplitudenmoduliertes Signal einer Zwischenfrequenz, die sich aus der Differenz zwischen den Frequenzen am Ausgang des Zwischenverstärkers 41 und des spannungsgesteuerten Oszillators 43 ergibt. Das Signal wird frequenzselektiv in einem Zwischenfrequenzverstärker 46 (ZF) verstärkt und anschließend einem Demodulator 47 zugeführt. Das am Ausgang des Demodulators 47 anliegende zwischenfrequenzfreie demodulierte Signal wird über eine steuerbare Torschaltung 48 aus dem Gesamtsignal ausgeblendet und die Maximal-Amplitude mit Hilfe eines Spitzenwertdetektors 49 erfaßt und als Gleichspannungswert zusammen mit der zugehörigen Frequenz als Daten-Tupel unter Einsatz eines Analog/Digitalumsetzers 50 (ADC) in einem Schreib/Lesespeicher 51 (RAM) abgelegt, der dem Computer 30 zugeordnet ist.

Der Computer 30 ermittelt aus den Daten-Tupeln die absoluten Amplitudenmaxima mit dem zugehörigen Frequenzwert für jeden Mode n.

Aus der Kurve n=0 wird die Frequenz f₀ ermittelt, bei der die Signalspannung am Ultraschall-Empfangswandler 6 maximal ist. Aus dem Wert für die Frequenz f₀ wird durch Verwenden der obigen Gleichungen die unbekannte Schallgeschwindigkeit c ermittelt. Aus der so ermittelten Schallgeschwindigkeit und der aus dem Amplitudenmaximum für den Mode n=1 ermittelten Frequenz f₁ wird nach der letzten der oben genannten Gleichungen die unbekannte Dicke d berechnet. Dieses Vorgehen kann für weitere mit ausreichenden Amplituden erfaßbare Moden wiederholt werden, wodurch sich eine Verbesserung der Meßgenauigkeit erreichen läßt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Bestimmen der Dicke eines bandförmigen oder plattenförmigen Werkstücks durch Einstrahlen von Ultraschall an einer ersten Stelle und Auswerten des an einer zweiten Stelle des Werkstückes empfangenen Ultraschalls, dadurch gekennzeichnet, daß als Ultraschall horizontal polarisierte Transversalwellen verwendet werden, die mit Hilfe eines elektromagnetischen Ultraschallwandlers, dessen Spurwellenlänge größer als die Dicke des Werkstückes ist, mit unterschiedlichen Frequenzen an der ersten Stelle auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugt werden, daß die zweite Stelle zum Empfangen der horizontal polarisierten Transversalwellen in einem Abstand in Ausbreitungsrichtung der Transversalwellen von der ersten Stelle auf der Oberfläche des Werkstückes vorgesehen wird, daß diejenigen Frequenzen ermittelt werden, bei denen an der zweiten Stelle Amplitudenmaxima auftreten, daß aus der kleinsten, einem Amplitudenmaximum zugeordneten Frequenz und der Spurwellenlänge des Ultraschallwandlers die Schallgeschwindigkeit im Werkstück bestimmt wird und daß aus der so bestimmten Schallgeschwindigkeit und wenigstens einer Frequenz eines weiteren Amplitudenmaximus die Dicke des Werkstückes ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stelle und die zweite Stelle auf der gleichen Oberfläche des Werkstückes vorgesehen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Stelle auf gegenüberliegenden Oberflächen des Werkstückes vorgesehen sind.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spurwellenlänge des sendenden elektromagnetischen Ultraschallwandlers wenigstens doppelt so groß ist wie die Dicke des Werkstückes.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfänger ebenfalls ein elektromagnetischer Ultraschallwandler verwendet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:
einen Computer (30), der über einen spannungsgesteuerten Oszillator (32) und eine als Burstgenerator wirksame Torschaltung (34) an die Erregerwicklung (11) des Ultraschall-Sendewandlers (5) angeschlossen ist,
einen Ultraschall-Empfangswandler (6), der über Verstärker (40, 41) mit einer Mischstufe (42) verbunden ist, deren Ausgangssignal über Bandpassfilter und einen Spitzenwertdetektor (49) zu einem Analog/Digitalumsetzer (50) gelangt, durch den ein Schreib/Lesespeicher (51) mit verschiedenen Frequenzen zugeordneten Amplitudenwerten beaufschlagbar ist und durch
einen Zugriff des Computers (30) auf den Inhalt des Schreib/Lesespeichers (51 zum Errechnen der Schallgeschwindigkeit und der Dicke des Werkstückes (1) aus der Spurwellenlänge des Ultraschall- Sendewandlers (5) und denjenigen Frequenzen, bei denen ein Amplitudenmaximum der vom Ultraschall-Empfangswandler (6) erfaßten Transversalwellen auftritt.