DE3910200A1 - Vorrichtung zur messung von ultraschallamplituden - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo eine genaue Anzeige und Auswertung von Ultraschallamplituden im Wirkmedium erforderlich ist. Typische Anwendungsgebiete sind die Ultraschall-Desintegration in der Biotechnologie und industrielle Ultraschallverfahren (zum Beispiel Plast­ schweißen).

Charakteristik bekannter technischer Lösungen

Vorrichtungen zur Messung von Ultraschallamplituden sind realisierbar mit elektromechanischen Schwingungsaufnehmern, die direkt oder über ein Koppelmedium die Ultraschallampli­ tude aufnehmen und einer nachfolgenden Signalverarbeitung zuführen.

Dabei kommen die in der elektrischen Informations­ technik allgemein üblichen Methoden der analogen Signalver­ arbeitung zur Anwendung.

Direkt gekoppelte Vorrichtungen haben den Nachteil einer unbestimmbaren Rückwirkung auf den elektromechanischen Resonanzwandler. Hervorzuheben sind insbesondere die zeit­ liche Instabilität der Befestigung und eine Rückwirkung der Messung auf den Wandler. Ebenso wird seine Effektivi­ tät nachteilig beeinflußt. Bekannte Schwingungsaufnehmer dieser Art, zum Beispiel piezoelektrische oder magneto­ striktive besitzen außerdem Eigenresonanzen im interes­ sierenden Ultraschallfrequenzbereich, die sich störend auf die genaue Messung auswirken (DE 28 32 762, DE 2 35 792 und DD 2 32 755).

Dehnungsmeßstreifen haben außerdem den Nachteil einer zu niedrigen Grenzfrequenz (s. beispielsweise DD 25 078). Ultraschallmikrofone benötigen ein ungestörtes Schallfeld im Koppelmedium, welches sich in der Praxis nur schwer realisieren läßt (siehe auch DE 28 23 361 und DE 2 71 422). Allen diesen Vorrichtungen gemein sind ihre Anfälligkeit gegenüber betriebsbedingten Überlastungen, die bei Über­ schreitung der zulässigen Ultraschallamplitude zum Ausfall führt, und ihre elektrischen Verkopplungserscheinungen, die sich störend auf die Signalverarbeitung auswirken. Die obengenannten Vorrichtungen benötigen einen relativ hohen Herstellungsaufwand.

Von den möglichen Vorrichtungen mit kapazitiven oder in­ duktiven Schwingungsaufnehmern sind nur wenige mit induk­ tiven Aufnehmern bekannt, die sich speziell auf Anwen­ dungsfälle im niederfrequenten Bereich beschränken (DE 1 81 567).

Es gibt auch strahlungs-optische Vorrichtungen, wie zum Beispiel in den Patentschriften DE 31 14 355 und DD 2 13 290 dargelegt. Einer breiten Anwendung stehen aber die Kompli­ ziertheit und der technische Aufwand dieser Vorrichtungen entgegen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer Vorrichtung zur Messung von Ultraschallamplituden elektromechanischer Resonanzwandler die jederzeit reproduzierbare Aussagen über Ultraschallwirkungen ermöglicht und zum Beispiel bei der Anwendung von Ultraschall-Desintegratoren und -Schweiß­ geräten Arbeitszeit und Probenmaterial einspart.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Messung von Ultraschallamplituden zu entwickeln, die eine genaue, berührungslose, rückwirkungsfreie und überlastungssichere Messung und Überwachung der Ultraschallamplitude gestat­ tet, insbesondere bei unterschiedlichen Belastungen des Arbeitswerkzeuges und bei Alterung des aktiven Teiles des Ultraschallwandlers. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe da­ durch gelöst, indem von der bekannten Konfiguration eines Wandlers mit angeschlossenem Arbeitswerkzeug (a), der nach dem Längsschwingungsmodus arbeitend Ultraschall erzeugt, ausgegangen wird.

Eine hochfrequente Trägerfrequenz wird mittels der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung mit der mechanischen Resonanz­ frequenz des Wandlers frequenzmoduliert.

Dazu wird die Ebene der Spule/Koppelschleife (b), die Teil des Resonanzkreises des HF-Oszillators (1) ist, in geringem Abstand um den Wandler (a) und im rechten Winkel zu seiner Achse angeordnet. Damit bewirkt die Longitudi­ nalschwingung des Wandlers eine periodische Änderung der Resonanzkreisfrequenz des HF-Oszillators (1), die um min­ destens fünfzigmal größer als die mechanische Resonanz­ frequenz des Wandlers (a) sein soll.

Vorzugsweise befindet sich die Spule/Koppelschleife (b) zwischen der Antriebseinheit und der Wirkungsstelle des Wandlers (a), im Bereich eines sich verändernden Quer­ schnitts und gleichzeitig am geometrischen Ort seines Schwingungsbauches.

Die im Betrieb entstehende Relativbewegung zwischen dieser Querschnittsebene des Wandlers (a) und der Spule (b) be­ einflußt ihre Induktivität. Der HF-Oszillator (1) und die nachfolgende Verarbeitungselektronik besitzen keine galva­ nische Verbindung zur Antriebsspannung des Wandlers (a). Das gewählte Prinzip beruht nicht auf einer Induktions­ spannungserzeugung und gestattet gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine weitgehende elektrische Entkopplung zwischen der notwendigen Antriebsspannung des Wandlers und der Meßanordnung. Die erfindungsgemäße Koppelschleife ist einfach, berührungslos und rückwirkungsfrei. Gleichzeitig wird mit der Erfindung erreicht, daß die Messung unabhängig von der maximalen Ultraschallamplitude des Wandlers ist und sich betriebsbedingte Überlastungen des Wandlers nicht auf die Meßvorrichtung auswirken.

Die am Ausgang des HF-Oszillators (1) entstehende fre­ quenz- und amplitudenmodulierte HF-Spannung wird mit den in der elektrischen Informationstechnik üblichen Methoden für frequenzmodulierte Signale vorteilhaft so weiterverar­ beitet, daß eine Vergrößerung des Frequenzhubes (4) mit dem Ziel einer Aufweitung des Störspannungsabstandes er­ folgt und zur Unterdrückung niederfrequenter Störungen und Drifterscheinungen der Vorrichtung ein Teil der elektri­ schen Ausgangsspannung zurückgeführt wird (7).

Als Meßgröße entsteht eine elektrische Wechselspannung (u), die der mechanischen Ultraschallamplitude des Wand­ lers (a) in Betrag und Phase adäquat ist, weitgehend tem­ peraturunabhängig ist, leicht angezeigt und/oder als Steu­ ersignal für Stabilisierungszwecke verwendet werden kann. Eine Eichung zur tatsächlichen an der Spitze des Arbeits­ werkzeuges auftretenden Ultraschallamplitude erfolgt nur einmalig für ein bestimmtes Gerät (Wandler und Meßvorrich­ tung) und bleibt lange Zeit stabil. Darüber hinaus ist die Erfindung auch bei Verwendung von elektrisch leitenden Nichteisen-Werkstoffen für Resonanzwandler anwendbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre Auswerteelektro­ nik umfaßt den elektromechanischen Resonanzwandler (a), die Koppelschleife (b), den HF-Oszillator (1), den HF- Oszillator (2), die Mischstufe (3), die Vervielfacherstu­ fe (4), den Begrenzer (5), den Demodulator für frequenz­ modulierte Signale (6) und das Tiefpaßglied (7) im Rück­ kopplungszweig.

Ausführungsbeispiel

Die Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Ultraschallamplituden eines elektromechani­ schen Resonanzwandlers mit angeschlossenem Arbeitswerkzeug. Der dargestellte Wandler (a) hat die Resonanzlänge π und weist am geometrischen Ort eines Schwingungsbauches eine abrupte Querschnittsänderung auf. An dieser Stelle befindet sich die als Ring ausgebildete Koppelschleife (b) aus elek­ trisch leitendem Material. Sie ist in geringem Abstand um den Wandler und im rechten Winkel zu seiner Achse berührungs­ los justiert. Die Koppelschleife ist Teil des Resonanzkrei­ ses des HF-Oszillators (1). Die im Betrieb erzeugten Ultra­ schallamplituden des Wandlers (a) bewirken dadurch ein fre­ quenz- und amplitudenmoduliertes Signal am Ausgang des HF- Oszillators (1). In der sich anschließenden Gegentaktmisch­ stufe (3) wird aus den Frequenzen des HF-Oszillators (1) und eines spannungsgesteuerten HF-Oszillators (2) ein HF- Signal mit niederer Differenzfrequenz gebildet und in die Vervielfacherstufe (4) eingespeist. Das entstehende HF-Signal weist einen größeren Frequenzhub auf als das ursprüngliche durch die mechanische Ultraschallamplitude hervorgerufene. Die nachfolgende Begrenzerstufe (5) unterdrückt die noch vor­ handene Amplitudenmodulation und im phasenempfindlichen De­ modulator (6) entsteht aus dem frequenzmodulierten HF-Signal eine elektrische Wechselspannung (u), die in Betrag und Phase der Ultraschallamplitude entspricht. Zur Unterdrückung nie­ derfrequenter Störungen und Drifterscheinungen der Vorrich­ tung wird ein Teil der Meßgröße (u) über den Tiefpaß (7) zum HF-Oszillator (2) zurückgeführt.

Der Betrag der Wechselspannung (u) wird digitalisiert, für die Ultraschall-Stabilisierung benutzt und als Maß für die mechanische Ultraschallamplitude angezeigt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Messung von Ultraschallamplituden eines im Längsschwingungsmodus arbeitenden elektro­ mechanischen Resonanzwandlers, die induktiv an ei­ nen einen HF-Oszillator (1) mit Verarbeitungselek­ tronik angekoppelt ist, gekennzeichnet dadurch, daß die vom Wandler (a) elektrisch isolierte Spule (b), die frequenzbestimmender Bestandteil des HF-Oszil­ lators (1) ist, sich im Bereich einer Querschnitts­ änderung des Wandlers (a) befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spule (b) eine Koppelschleife aus nur ei­ ner Windung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spule (b) ringförmig und berührungslos in geringem Abstand und rechten Winkel zur Achse des Wandlers (a) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Koppelschleife nicht selbsttragend mit iso­ lierendem Stützmaterial verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Bereich einer Querschnittsänderung des Wand­ lers (a), wo sich die Spule (b) befindet, ein Schwingungsbauch des Wandlers (a) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Querschnittsänderung des Wandlers (a) im Bereich der Spule (b) diskontinuierlich ist.