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Die Erfindung betrifft ein Gerät bzw. eine Vorrichtung zur
Prüfung der Verkeilung bzw. Befestigung eines Werkstückes
mittels Ultraschall mit:
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Einrichtungen zum Aussenden von lmpulssignalen in das
Werkstück;
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Einrichtungen zum Empfangen der rückgesandten Signale;
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Einrichtungen zum Messen der Zeit des Auftretens wenigstens
eines der rückgesandten Signale in bezug auf ein
vorhergehendes Ereignis;
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Recheneinrichtungen zum Ableiten des Verkeilungswertes des
Werkstückes.
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Ein Gerät dieser Art ist zum Beispiel aus der
Informationsschrift von CETIM, Nr. 99, vom Februar 1987, bereits
bekannt, auf welche man sich zum Verständnis der
Hintergrundtechnik der Erfindung beziehen kann. Es sei jedoch an das
Prinzip des Prüfungsverfahrens mittels Ultaschall erinnert.
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Das Verfahren umfaßt das Aussenden einer Ultraschallwelle
in Form eines kurzen Impulssignales in das Werkstück
(Schrauben, Bolzen, Durchsteckschraube etc.) mittels eines
an dessen freien Enden angeordneten, piezoelektrischen
Wandlers; die an der gegenüberliegenden Seite reflektierte
Welle wird auf dem Rückweg wieder empfangen. Die von der
Verkeilung bedingte Belastungsmessung beruht auf einer
Laufzeitänderung des Echos innerhalb des Werkstückes. Die
Änderung der Ausbreitungszeit der Welle drückt sich durch
T-To aus, wobei To die Laufzeit der Welle vor der
Verkeilung, und T die ansteigende Laufzeit während oder nach der
Verkeilung angibt.
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Die Änderung T-To ist von der Zugkraft im Körper des
Werkstückes bedingt, von der summierten Wirkung:
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- der Verlängerung bzw. Ausdehnung der Schraube,
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- der Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der
Ultraschallwelle unter der Wirkung der axialen
Belastung.
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Auf dem Gebiet der elastischen Materialverformung ist die
Änderung T-To proportional zur auf die Körperachse des
Werkstücks beaufschlagten Kraft:
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F = K (T-To).
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Der Koeffizient K hängt von der Geometrie der Anordnung und
vom Material ab, aus welchem das Element der Anordnung
besteht.
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Diese Technik setzt eine sehr genaue Zeitmessung voraus;
diese muß auf ungefähr eine oder einige Nanosekunden genau
sein.
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Wegen der Dämpfung der Welle in dem Material und der
Brüchigkeit bzw. Sprödigkeit des Sende-Empfangswandlers ist
die Auswahl der Ultraschallwellenfrequenz begrenzt.
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Aus praktischen Gründen ist die Frequenz auf ungefähr 10
MHz begrenzt. Diese Grenze ist nicht einschränkend zu
verstehen, sondern dient nur als Anhaltspunkt. Bei dieser
Frequenz ist die Periode, d.h. die Zeit einer Oszillation
der Welle, gleich der Inversen der Frequenz, das bedeutet
10&supmin;&sup7; Sekunden, d.h. 100 Nanosekunden.
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Falls man sich auf eine ausgesandte Welle von ein oder
einigen Oszillationen beschränkt, stellt man fest, daß
diese gegenüber der zu messenden Zeit (1 bis einige
Nanosekunden) ein sehr langes Ereignis (100 oder ein Mehrfaches
von 100 Nanosekunden) in der Zeit darstellt.
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In dem Verfahren setzt die Zeitmessung voraus, das Echo
(oder die Ultraschallwelle) in der Zeitskala vor, während
oder nach der Verkeilung anzuordnen. Zur genauen zeitlichen
Anordnung dieses Echos ist das Festlegen eines
Bezugspunktes über dem Echo notwendig. Dies stellt die
Hauptschwierigkeit des Betriebes unter Berücksichtigung der Tatsache
dar, daß das Echo während der Verkeilung oder im Fall einer
Veränderung der Meßmittel (Wandler, Elektronik,
Verbindungskabel) einer wesentlichen Veränderung unterliegen
kann, was eine Verschlechterung der Qualität der Messung
nach sich ziehen kann oder diese unmöglich macht.
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Heutzutage verwendet man häufig zwei Arten zum Ausrichten
bzw. Ortens des Echos in der Zeitskala: ein
Schwellwertverfahren und ein Nulldurchgangsverfahren ("zero crossing").
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Gemäß dem ersten Verfahren wählt man einen Punkt auf dem
Echo auf einein seiner Schwingungsbäuche, z.B. unter
Definition einer vorgegebenen Schwellwertamplitude, die einen
Punkt auf einem an- oder absteigenden Abschnitt einer der
Schwingungsbäuche festlegt (z.B. die erste bedeutende
Amplitude).
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Diese Technik bietet einen wesentlichen Vorteil; unter
Anlehnung an ein analoges Detektionsverfahren ist sie sehr
schnell, und das Ereignis kann in Quasi-Echtzeit
berücksichtigt werden. Die Messung kann in diesem Fall sehr oft
pro Sekunde ausgeführt und reproduziert werden (z.B. 100,
1000, 10000 Mal in der Sekunde).
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Gemäß des zweiten Verfahrens wählt man den
Nulldurchgangspunkt einer Oszillation aus: Die Oszillation setzt
sich aus einem positiven Schwingungsbauch, gefolgt oder
angeführt von einem negativen Schwingungsbauch zusammen, in
dieser Oszillation stellt der Nulldurchgangspunkt einen
vorteilhaften Ortungs- bzw. Ausrichtungspunkt dar.
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Diese Technik verlangt ein "Identifizieren" der
Oszillation, um den Nulldurchgang zu erkennen; dieses wird zum
Beispiel durch Abtasten einer bestimmten Anzahl von
Signalpunkten durchgeführt (durch Aufnehmen der Signalamplitude
in regelmäßigen Zeitintervallen und durch Speichern dieser
Daten).
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Diese Betriebsart erfordert für ihre Durchführung eine
vorgegebene Zeit, welche das Tempo bzw. die zeitliche Abfolge
für ihre Reproduktion beschränkt (heutzutage liegt das
Optimum dieser zeitlichen Abfolge in der Größenordnung
einer Sekunde oder in einem Bruchteil einer Sekunde). Die
das eine oder das andere Verfahren anwendenden bekannten
Geräte können in verschiedenen Fällen den Anforderungen
genügen, aber in der Praxis tritt es häufig auf, daß die so
ausgeführten Messungen häufig mit Fehlern behaftet sind,
welche beträchtlich sein können.
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Das Ziel der Erfindung ist es, ein Gerät bereitzustellen,
welches viel genauere Verkeilungsprüfungen erlaubt als
jene, welche bis heute möglich sind.
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Die Erfindung erreicht dieses Ziel im Rahmen eines am
Anfang dieser Druckschrift zitierten Types eines
Prüfungsgerätes, mit:
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den Meßeinrichtungen, welche Ortungseinrichtungen für
ein erstes und ein zweites rückgesandtes Echo
umfassen,
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Abtasteinrichtungen für die Echos, und
Interkorrelationseinrichtungen zwischen dem ersten und dem zweiten
Echo, welche der Berechnung des Verkeilungswertes des
Werkstückes als Grundlage dienen.
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Wie hierauf im Detail nachfolgend eingegangen wird, ist es
so möglich, ein höheres Genauigkeitsniveau als heutzutage
möglich zu erreichen und die mit verschiedenen
Werkstückskonfigurationen verbundenen Meßschwierigkeiten zu überwinden.
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Es ist vorteilhaft, daß die Meßmittel ebenfalls die
klassischen Echoortungsmittel per Schwellwertvergleich umfassen,
d.h., daß das Gerät verschiedene Meßmöglichkeiten in einem
einzigen Aufbau zusammenfaßt, um jeweils von denen zu
profitieren, die besser an jede (an die jeweilige) Situation
angepaßt sind.
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Statt einen Ortungspunkt auf dem Echo zu behalten bzw. zu
speichern, wie zuvor beschrieben, behält man nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren eine sehr große Anzahl
Ortungspunkte: Das vollständige Signal wird abgetastet, alle
Punkte sind auf der Zeitskala ausgerichtet.
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Während oder nach der Verkeilung verschiebt sich das Echo.
Dieses wird erneut abgetastet.
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Für die Zeitmessung wird der Satz der anfänglich
gespeicherten Punkte global in der Zeit verschoben, indem
versucht wird, das Startsignal besser mit dem neuen Signal zu
überlagern.
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Diese Betriebsart ist unter dem Namen Interkorrelation
bekannt: die Interkorrelationsfunktion geht durch ein
Maximum, wenn die Überlagerung optimal ist.
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Wenn man die Übelagerung des Referenzsignals mit dem
gemessenen Signal erreicht hat, ist es möglich, die totale für
die Operation erforderliche Zeitverschiebung zu berrechnen.
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Wenn man einen vollständigen Schwingungsbauch einer
Wellenschwingung mit der Frequenz von 10 MHz betrachtet (10 Mio
Hertz) entspricht das einem Signal von 100 Nanosekunden.
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Unter der Annahme, daß man dieses Signal an 100 Punkten
abtasten möchte (zum Beispiel jede Nanosekunde), ist es
notwendig, eine Datenaufnahme mit der Frequenz von
1/Nanosekunden von 10&spplus;&sup9; Hertz, gleichbedeutend mit einem Gigahertz
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(1 Milliarde Hertz) durchzuführen, was weder vernünftig
noch heutzutage möglich ist.
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Es ist daher vorteilhaft, mit dem Abtasten einem bestimmten
Verfahren zu folgen:
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Wenn die Aussendung häufig in der Sekunde wiederholt und
die Ausbreitungsphänomene im Material als repititiv
angesehen werden, ist es möglich sich auf eine Lösung zu
beziehen, die darin besteht, das Signal innerhalb eines
nennenswerten, mit der Elektronik kompatiblen Zeitintervalles zu
digitalisieren (zum Beispiel in einem Zeitintervall der
Größenordnung von 20-30 Nanosekunden) und anschließend bei
der nachfolgenden Aussendung diese Digitalisierung mit
Hilfe einer die Abtasteinrichtungen steuernden
Verzögerungslinie zu verschieben.
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Erfindungsgemäß kann die Bestimmung der Laufzeitänderung in
der Schraube, wenn diese nicht verkeilt ist, und
anschließend, wenn sie unter Zug bzw. Spannung steht, auf
unterschiedliche Art und Weise gemäß einer "relativen" oder
"absoluten" Verfahrensweise bzw. Betriebsart durchgeführt
werden.
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Gemäß der ersten Verkeilungsverfahrensweise, relativ
genannt, wird die Messung durch exaktes Anordnen in der Zeit
des rückgesandten Echos vor der Verkeilung, und
anschließend unter Aufnahme seiner Zeitverschiebung in Bezug auf
die Position während der Verkeilung durchgeführt. Die
Laufzeitänderung während der Verkeilung wird in Bezug zu der
Ursprungsposition des Echos vor der Verkeilung gemessen.
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Diese Verfahrensweise läßt eine kontinuierliche Verfolgung
der Verkeilung zu; sie bietet den Vorteil:
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- großenteils Temperaturschwankungsbeeinflussungen zu
eliminieren, von denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Welle abhängt;
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- großenteils ungewollte Effekte zu eliminieren, welche
durch eventuelle Änderungen der akustischen Kopplung
zwischen dem Wandler und der Schraube bedingt sind;
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- nicht genau die Anfangslänge der Schraube kennen zu
müssen.
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Gemäß der zweiten Verfahrensweise, absolut genannt, wird
die Messung durch Aufnahme der totalen Zeit ausgeführt,
welche die Welle für den Hin- und Rückweg im Werkstück
benötigt.
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Zwei Möglichkeiten werden vorgeschlagen. Gemäß einer
ersten, welche man "absolute einfache Verfahrensweise" nennt,
mißt man die Zeit für den ersten Hin- und Rückweg, indem
man als Ursprungszeit den Zeitpunkt nimmt, an welchem das
Impulssignal anfangs in den Wandler ausgesendet wird.
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In diesem Fall ist die Zeit die Summe der Zeit für den Hin-
und Rückweg in der Schraube, der Durchgangszeit der Hin-
und Rückwelle in dem den Wandler und das äußere Ende des
Werkstückes trennenden Kopplungsbereich sowie der
Übertragungszeit der elektrischen Impulssignale in dem
Verbindungskabel zwischen dem Wandler und der Meßelektronik.
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Für jede Schraube muß die der Wellenlaufzeit entsprechende
Anfangszeit To, wenn die Schraube noch nicht verkeilt ist,
gemessen und gespeichert werden. Diese Zeit To dient als
Referenz und läßt eine Definition der Änderung T-To zu,
wenn die Schraube unter Zug bzw. Spannung gesetzt wird.
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Gemäß der zweiten Möglichkeit, die man "absolute
differentielle Verfahrensweise" nennt, mißt man die Zeit des
zweiten Hin- und Rückweges und die zweite.
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In diesem Fall ist die Zeit genau gleich der Zeit eines
Hin- und eines Rückweges in der Schraube. Diese
Verfahrensweise läßt das Ausschalten eines eventuellen Einflusses zu,
welcher von dem Wellendurchgang durch den den Wandler und
das äußere Ende der Schraube trennenden Kopplungsbereich,
sowie von der Transferzeit der elektrischen Impulssignale
in dem Verbindungskabel vom Wandler zur Meßelektronik
bedingt ist.
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Wie für die absolute einfache Verfahrensweise muß die der
Wellenlaufzeit entsprechende Anfangszeit To, wenn die
Schraube noch nicht verkeilt ist, gemessen und gespeichert
werden, um die Zeitänderung T-To zu verfolgen, wenn die
Schraube unter Zug gesetzt wird.
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Wenn man den industriellen Bedarf untersucht, erkennt man,
daß die Verkeilungsmittel verschieden sind; verschiedene
funktionieren durch Torsion auf die Schraubenmutter oder
den Schraubenkopf unter Messen des aufgebrachten Momentes
und des Rotationswinkels; andere sind entwickelt worden, um
einen Zug auf die Schraube unter Messen der Verlängerung
bzw. Dehnung auszuüben, im letzteren Fall ist die
Schraubenmutter für eine fachgemäß gewählte Dehnung
angeordnet und von Hand angelegt worden, um den gewünschten
Wert zu erhalten, wenn die Schraube wieder losgelassen
wird.
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In beiden Fällen ist das Verfolgen der Messung des in die
Schraube eingebrachten Zuges schwierig.
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Im Fall der Verkeilung über das Moment und über den Winkel
wird gezeigt, daß die Auswirkungen der Schmierung des
Werkstückes in Kontakt, die Oberflächenzustände, die Geometrie-
und Formabstände, eine Unsicherheit und einen sehr
beträchtlichen Fehler auf die aufgebrachte Kraft nach sich
ziehen.
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Im Falle der Verkeilung per Zug verlangt die Messung der
Dehnung eine heikle Instrumentierung. Heutzutage wird die
Schraube in ihrem Zentrum über ihre gesamte Länge zur
Aufnahme
eines Stichmaßes bzw. eines Pegelmaßes durchbohrt,
welcher, an einem äußeren Ende der Schraube fixiert und am
anderen Ende frei, die Messung der relativen Dehnung der
Schraube zuläßt.
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Außerdem lassen es diese Verfahren nicht zu, wenn die
Operation bzw. der Betrieb einmal abgeschlossen ist, auf jede
Schraube zurückzukommen, um an dieser den Belastungszustand
zu prüfen und eventuell eine Korrektur anzubringen:
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- Die Messung eines Momentes reicht nicht aus, um die
Beanspruchung einer bereits angezogenen Schraube genau
zu kennen.
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- Die zuvor "relativ" ausgeführte Messung der Ausdehnung
bzw. Verlängerung läßt kein Abspeichern eines
Referenzwertes zu, von welchem ausgehend der Betrieb
wiederaufgenommen werden könnte.
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Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß
sie über eine vorteilhafte Kombination eine relative und
eine absolute, einfache oder differentielle,
Meßverfahrensweise einer Schwellwert-Echoausrichtung, per Nulldurchgang
und per vollständiger Abtastung des Signals zuläßt, um die
Messung der Zeit To in der nicht angezogenen bzw.
verkeilten Schraube und/oder ihre Änderungen T-To während oder
nach der Verkeilung durchzuführen. Diese Kombination wird
fachgemäß behalten, um die Verfolgung der Verkeilung mit
einer großen Dynamik oder die präzise Prüfung a posteriori
in der Schraube zu gestatten.
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Das Gerät stellt sich wie ein organisierter Meßweg zur
Durchführung der Messung gemäß der drei Verfahrensweisen
"relativ", "einfach absolut" und "differentiell absolut"
dar.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels. Es wird auf die beigefügte Zeichnung
Bezug genommen, in welcher:
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Fig. 1 ein logisches Schema des erfindungsgemäßen
Gerätes bzw. Vorrichtung ist;
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Fig. 2 ein Zeitdiagramm eines Detektionsvorganges
per Schwellwert ist;
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Fig. 3 ein Zeitdiagramm eines Detektionsvorganges
per Nulldurchgang ist;
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Fig. 4a und 4b Zeitdiagramme für einen Abtastvorgang von
jeweils einem ersten und einem zweiten Echo
sind;
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Fig. 5a und 5b Zeitdiagramme sind, die das Abtastprinzip
mit Hilfe einer Verzögerungslinie zeigen;
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Fig. 6a und 6b jeweils eine Welle vor, dann deformiert,
während und nach der Verkeilung darstellen;
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Fig. 6c und 6d ebenso eine verschieden deformierte Welle
vor und während oder nach der Verkeilung
darstellen;
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Fig. 7a und 7b ein von viel Rauschen begleitetes Signal,
jeweils vor und während oder nach der
Verkeilung, darstellen;
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Fig. 8a und 8b auf der einen Seite, und
8c, 8d auf der anderen Seite, für zwei
Konfigurationen die in 8a und 8c dargestellte
Schraube, 8b und 8d die erhaltenen Echogramme
darstellen;
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Fig. 9 über ein Echogramm ein Abschwächungsbeispiel
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Echos C
und Q zeigt;
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Fig. 10 ein Echogramm eines Beispiels von
unterschiedlichen Echos zeigt, welche
longitudinalen und transversalen Wellen entsprechen.
A) Beschreibung des Gerätes
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Die erfindungsgemäße Geräteanordnung wird unter Bezug auf
Fig. 1 beschrieben. Das Gerät kann in mehrere
Unteranordnungen aufgeteilt werden.
1. Aussenden und Empfangen der Echos
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Die Unteranordnung umfaßt im wesentlichen eine Sende- und
eine Empfangsstufe. In der ersten empfängt ein Sender 10
für Hochspannungs-Ausgangsimpulssignale (z.B. 300 V) die
von einem Aufbereitungsblock 24 stammenden Rechteckimpulse
ΔT und sendet Hochspannungssignale 12 an den Meßwandler 11.
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Ein Sende-/Empfangswandler 11 ist mit durchgezogener Linie
dargestellt. Jedoch kann man, wie gestrichelt dargestellt,
einen von einem Empfangswandler 11 verschiedenen
Sendewandler 11' vorsehen.
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Die Empfangsstufe für rückgesandte, wiederempfangene
Signale 13 (Echos) umfaßt einen Amplitudenbegrenzer 14, einen
Verstärker 15 und einen Digitalwandler 16.
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Der Amplitudenbegrenzer 14 schützt den Verstärker 15 gegen
die Hochspannungs-Impulssignale, indem er diese an einem
akzeptablen Wert abschneidet.
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Der Verstärker 15 umfaßt eine Impedanzanpassungsfunktion
für die Frequenz des betrachteten Wandlers, wobei diese
Frequenz (z.B. 2,5; 5; 10 oder 15 MHz) über einen 2-Bit-
Eingang 17 programmiert werden kann. Andererseits ist der
Verstärkungsfaktor mit Hilfe eines 8-Bit-Eingangs 18
programmierbar.
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Das von der Verstärkungsstufe stammende verstärkte Signal
19 geht an den Abtastblock 16, welcher auf einen von der
Linie 20 zugeführten externen Befehl den Wert des Signals
im betrachteten Zeitpunkt aufnimmt. Dieser in die Form
eines numerischen Signals 34 konvertierte Wert wird zur
Benutzung in einer logischen Einheit 35 bereitgehalten.
2. Steuerung der Impulssignale
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Die Signale werden ständig in einer vorgegebenen zeitlichen
Abfolge mittels eines Steuerschaltkreises ausgesandt,
welcher einen Oszillator 21, einen Frequenzteiler 22, eine
Frequenzwählerstufe 23 und eine Signalformerstufe 24
umfaßt.
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Der Hochfrequenzoszillator 21, z.B. 62,5 MHz (entsprechend
einer Periode von 16 ns), wird einerseits für eine
Referenztakt-Signallinie 33 und andererseits zum Bereitstellen
eines Frequenzsignals an den Teiler 22 verwendet, welcher
das Erzeugen von angepaßten Frequenzsignalen gestattet, zum
Beispiel 0,5; 1; 2,25; 5 und 10 kHz, welche die
nachfolgende Stufe 23 mittels eines 3-Bit-Auswahleingangs auswählen
kann.
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Das ausgewählte rechteckige Signal 25 wird an eine
Signalformerstufe 24 gesendet, und in Rechteck-Impulssignale von
einer, mittels eines programmierbaren 2-Bit-Eingangs,
vorgegebenen Dauer ΔT transformiert.
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Die Impulssignale der Dauer ΔT werden einerseits dem
Eingang des Senders 10 zugeführt und können andererseits einer
Synchronisationslinie 32 zugeführt werden.
3. Auswahl des analysierten Echos
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Das rückgesandte, beobachtete Echogramm ist im allgemeinen
komplex und umfaßt häufig nicht nur die verschiedenen
rückgesandten direkten Echos, sondern auch von den Rändern oder
den Seitenwänden des Werkstücks reflektierte parasitäre
Echos.
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Es ist daher fachgemäß, eine Signalanalyse nur auf dem
Abschnitt des Echogramms durchzuführen, wo sich das für die
Messung nützliche Echo befindet. Man definiert auf der
Zeitskala den Bereich, wo die Analyse durchgeführt wird:
Dieser Bereich stellt das "Auswahlfenster" oder das
"Meßtor" dar.
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Dazu umfaßt der Auswahlschaltkreis des Meßtors, ausgehend
von dem Frequenzteiler 22, zwei programmierbare Zähler 27
und 28, der erste 27 um den Anfang des Auswahlfensters
(verzögert), und der zweite 28 um die Dauer des
Auswahlfensters festzulegen. Die zwei mit Hilfe eines 16-Bit-Eingangs
programmierbaren Zähler 27 und 28 lassen das Einstellen
eines Torsignals 29 zu, welches die Position und die Dauer
des Fensters in der Zeit fachgemäß für jeden Problemtyp
festlegt.
4. Signalerfassung per Schwellwert
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Mit der Definition eines Beobachtungsfensters in der Zeit
ist es möglich, in diesem die Position des ersten Echos zu
erfassen, dessen Amplitude einen vorgegebenen Schwellwert
überschreitet.
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An diesem Ende wird das vom Verstärker 15 stammende Signal
19 in eine Vergleicherstufe 30 eingebracht, welche das
Signal 19 mit einem Referenzsignal vorgegebener Höhe
vergleicht, welcher mittels eines
8-Bit-Schwellwert-Einstelleingangs programmierbar ist.
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Wenn das Signal den Referenzwert überschreitet, wird ein
Auslösesignal ausgesandt.
5. Verzögerte Synchronisation
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Die Signalabtastung in Realzeit ist nicht einfach; wenn man
z.B. wünscht, diese mit Kenntnis eines Amplitudenwertes für
jede Nanosekunde (10&supmin;&sup9; s) zu beschreiben, ist es notwendig,
bei einer Frequenz von 10&sup9; zu arbeiten, was einem Gigahertz
entspricht. Man verfährt deshalb anders.
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Da sich das Signal kontinuierlich mit vorgegebener
zeitlicher Abfolge wiederholt, ist es möglich, die Abtastung:
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- zu einem vorgegebenen Zeitpunkt to (bezüglich der
Synchronisation)
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- bei der nachfolgenden Impulswiederholung bzw.
Rekursion zum Zeitpunkt to+δ,
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- bei der nächsten Impulswiederholung zum Zeitpunkt
to+2δ
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und anschließend in Folge zu kennen, bis man die Gesamtheit
des Signals kennt. Dieses ist in der Figur 5a dargestellt,
wo man das gleiche Signal in drei aufeinanderfolgenden
Impulswiederholungen unter Durchführung einer einzigen
Messung während jeder Impulswiederholung sieht.
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Da diese Funktion bzw. Tätigkeit ziemlich lang sein kann,
ist es möglich, jedesmal nicht nur einen Punkt, sondern
mehrere Punkte zu kennen. Dieses ist in der Fig. 5b
dargestellt, wo an jeder der drei aufeinanderfolgenden
Impulswiederholungen fünf Signalpunkte (z.B.) gemessen werden.
Die Gesamtheit des Signals wird folglich schneller
abgetastet.
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Diese Verzögerungsfunktion wird durch eine programmierbare
Verzögerungslinie 31 sichergestellt, welche die vom
Oszillator 21 kommenden Impulssignale empfängt und diese
Impulssignale mit einer mittels eines 4-Bit-Eingangs
programmierbaren Verzögerung ausgibt, welche zum Beispiel 1-16
Nanosekunden in Sprüngen von 1 Nanosekunde laufen. Das
Meßauslösesignal wird über den Eingang 20 an den Abtaster 16
ausgesandt.
B) Funktionsweise des Gerätes
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Wie bereits erklärt, ist das Gerät vorgesehen, unter
Auswahl in einer relativen Verkeilungsverfahrensweise, in
einer einfachen absoluten Verkeilungsverfahrensweise oder
in einer differentiellen Verkeilungsverfahrensweise
funktionieren zu können.
1. Relative Verkeilungsverfahrensweise
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Diese Verfahrensweise wird unter Bezug auf das
Steuerungsdiagramm der Fig. 2 dargestellt, wo die Zeitachsen parallel
die auf der Linie 32 empfangenen Synchronisationssignale,
die Definitionssignale 29 des Meßtores, das erfaßte Signal
19 und das Taktsignal auf der Linie 33 darstellen.
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Das Meßtorsignal 29 wird mittels der Zähler 27 und 28
definiert, welche die Verzögerung und die Dauer des Meßtores
derart festlegen, daß die Messung ein gut ausgewähltes Echo
des Signals 19 angibt. Im Beispiel dargestellt, wird das
Meßtor über dem ersten Echo a geöffnet und läßt ebenso die
parasitären Echos c wie das sekundäre Echo b oder die
eventuell nachfolgenden Echos unberücksichtigt.
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Die Zeitmessung wird mittels des Taktes 33 zuerst zur Zeit
to am Anfang des Auswahlfensters und anschließend zur Zeit
t1 durchgeführt, welche dem Durchgang des Signals 19 über
den vom Vergleicher 30 festgelegten Schwellwert hinaus
entspricht.
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Diese Messung wird häufig wiederholt, um einen
statistischen Durchschnitt zu ermitteln: Wenn man annimmt, daß eine
Messung in 16 Nanosekunden durchgeführt wird, lassen 256
Messungen die Genauigkeit um einen Faktor von 256 = 16,
d.h. auf eine Nanosekunde genau verbessern.
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Die Messung kann über das erste rückgesandte Echo, wie
vorhergehend beschrieben, durchgeführt werden, aber auch über
das Nte; in diesem Fall wird die gemessene Änderung mit N
multipliziert, da diese nicht nur über einen Hin- und
Rückweg der Welle, sondern über N Hin- und Rückwege aufgenommen
wird.
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Diese Verfahrensweise bietet den Vorteil, einfach und vor
allem, was wesentlich ist, sehr schnell zu sein.
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Wie bereits angezeigt, bringt sie außerdem den Vorteil
wenig temperaturempfindlich, und neutral gegenüber der
Dicke des akustischen, den Wandler von dem äußeren Ende des
Werkstücks trennenden Kopplungsbereich wie auch gegenüber
dem Verbindungskabel des Wandlers mit der Elektronik zu
sein.
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Dagegen hat sie den Nachteil, daß sie die Wiederholung
einer Messung nicht gestattet, wenn der Betrieb
abgeschlossen oder gestoppt worden ist, da nur eine relative
Zeitänderung aufgenommen wurde.
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Schnell, wenig temperaturempfindlich, neutral gegenüber der
Verschiedenheit der Schraubenlänge, neutral gegenüber der
Dicke des Kopplungsbereiches, wird diese so eingerichtete
Verfahrensweise insbesondere zum Verfolgen eines
Belastungsbetriebes einer Schraube in Realzeit adaptiert, wobei
diese manuell oder mit Hilfe einer Maschine in der fremden
Umgebung der Werkstatt ausgeführt wird.
2. Einfache absolute Verkeilungsverfahrensweise
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Es wird Bezug auf die Figur 3 genommen. Dort wird wiederum
die Messung ausgehend vom Anfang des Meßfensters
ausgeführt.
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Das Signal wird mit Hilfe der verzögerten
Synchronisationsvorrichtung 31 und des das Signal 34 liefernden
Abtastwandlers 16 abgetastet.
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Das Signal wird in der Zeit mit Hilfe des vom Vergleicher
30 festgelegten Referenzschwellwertes ausgerichtet. Anhand
dieser Angabe wird der Nulldurchgang des Signals behalten,
welches der ersten Spitze maximaler Amplitude folgt. Die
Position dieser Abtastung stellt die gesuchte Zeitmessung
dar.
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Wie für die relative Verfahrensweise kann die Messung über
dem ersten rückgesandten Echo ausgeführt werden, aber auch
über dem Nten Echo, um die Laufzeit durch N und die
Empfindlichkeit der Messung durch N durch den Folgeweg zu teilen.
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Man kann das Echo statt nach dem "Nulldurchgang" nach einer
vollständigen Abtastung des Signals und Interkorrelation
ausrichten.
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Im Fall der Ausrichtung nach dem "Nulldurchgang" wird die
Anfangs-Referenzzeit To in Form eines Zeitwertes
gespeichert, im anderen Ausrichtungsfall nach der "vollständigen
Abtastung des Signals" wird die Anfangs-Referenzzeit To in
Form von so vielen Zeitwerten gespeichert, wie Abtastungen
vorhanden sind.
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Wenn man die absolute Position in der Zeit des Echos für
die betrachtete Schraube (Zeit für den Hin- und Rückweg der
Welle in der Schraube) in Rechnung zieht, bietet diese
Verfahrensweise den Vorteil, zu jedem Zeitpunkt auf die
Schraube zurückkommen und eine die Spannung
repräsentierende Messung ausführen zu können.
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Außerdem bringt sie im Fall des Verwendens der Ausrichtung
nach der "vollständigen Abtastung des Signals" eine
Garantie auf die Messung mit sich, unter Vermeidung von
schwerwiegenden Fehlern, welche unterlaufen können, wenn das
Signal deformiert wird.
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Dagegen hat sie den Nachteil, langsamer als die relative
Verfahrensweise zu sein.
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Weiterhin ist sie empfindlich auf die Temperatur des
Werkstücks; im Fall von Veränderungen sind Korrekturen
notwendig, um diese zu berücksichtigen.
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Schließlich berücksichtigt die gemessene Zeit den Durchgang
durch den den Wandler und das äußere Ende der Schraube
trennenden Kopplungsbereich.
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Diese Verfahrensweise wird zur Prüfung der Verkeilung
angewendet, wenn der Wandler während der Verkeilung nicht am
Platz auf der Schraube gelassen werden kann aber eine
periodische Prüfung notwendig ist, um die Entwicklung der
Restspannung in der Schraube zu erkennen.
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Dieses drängt sich besonders dann auf, wenn nur ein
einziges rückgesandtes Echo existiert.
3. Differentielle absolute Verfahrensweise
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In dieser Verfahrensweise wird die Messung zwischen dem
ersten und dem nachfolgenden Echo ausgeführt, um die Zeit des
Hin- und des Rückweges allein in der Schraube zu kennen
(oder verallgemeinert, zwischen dem ersten Echo und dem Nten
Echo, um die Zeit der N-1 Hin- und Rückwege allein in der
Schraube zu kennen).
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In dieser Verfahrensweise wird die Zeitmessung unter
Abtasten des ersten Echos und mit der Aufgabe durchgeführt,
dieses in der Zeit zu verschieben, um es mit dem
betrachteten nachfolgenden Echo zu überlagern.
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Die Messung der Anfangs-Referenzzeit To wird in Form eines
Wertes gespeichert.
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In einem ersten in Fig. 4a dargestellten Stadium
positioniert man daher das Meßfenster auf dem ersten Echo, welches
man abtastet. Man erhält damit eine Funktion g(t).
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In einem zweiten in Fig. 4b dargestellten Stadium legt man
eine neue Verzögerung des Meßtores fest, um das zweite Echo
anzupeilen, das man anschließend unter Erhalt einer
Funktion h(t) abtastet.
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Das Verfahren besteht anschließend darin, eine
Interkorrelation zwischen den zwei Signalen g(t) und h(t)
durchzuführen. Dieses besteht im Aufsuchen der zeitlichen
Verschiebung, die einem der Signale auferlegt werden muß, damit die
Überlagerung mit dem anderen optimal ist. Die "Qualität"
dieser Überlagerung ist über den
Interkorrelationskoeffizienten C(τ) definiert, welcher lautet:
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C(τ) = (1/T) h(t)-g(t-τ) dt
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und von welchem man das Maximum sucht.
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Wenn man die absolute Position in der realen Laufzeit der
Welle in der betrachteten Schraube in Rechnung gezogen hat,
bietet diese Verfahrensweise den Vorteil, zu jedem
Zeitpunkt auf die Schraube zurückkommen und eine die Spannung
repräsentierende Messung durchführen zu können.
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Außerdem bringt die Verwendung der Ausrichtung nach der
vollständigen Abtastung des Signals eine Garantie auf die
Messung mit sich, selbst wenn das Echo deformiert wird.
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Schließlich reagiert sie einerseits nicht empfindlich auf
die Auswirkung der Dicke des akustischen Kopplungsproduktes
zwischen dem Wandler und dem äußeren Ende der Schraube und
andererseits nicht empfindlich auf den Übertragungseffekt
der Signale in dem Verbindungskabel zwischen dem Wandler
und der Meßelektronik.
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Dagegen hat sie den Nachteil, langsamer als die beiden
vorhergehenden Verfahrensweisen zu sein.
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Andererseits ist sie wie die einfache absolute
Verfahrensweise temperaturempfindlich; Korrekturen sind notwendig.
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Diese Verfahrensweise ist gut an die Verkeilungsprüfung
angepaßt, wenn der Wandler während der Verkeilung nicht am
Platz auf der Schraube gelassen werden kann aber eine
periodische Prüfung notwendig ist, um die Entwicklung der
Restspannung in der Schraube zu erkennen.
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Diese Betriebsart stellt ein ideales Prüfungsmittel dar, da
mehrere Echos beobachtet und ausgewertet werden können
(mindestens 2).
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Wenn der Meßweg aus diesen drei Verfahrensweisen
zusammengesetzt ist, kann die Verkeilung einer Schraube mittels
einer vorteilhaften Kombination dieser Verfahrensweisen
geprüft werden, von:
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- einer relativen und einer einfachen absoluten
Verfahrensweise, wenn ein einzelnes rückgesandtes Echo
verfügbar ist oder
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- einer relativen oder einer differentiellen absoluten
Verfahrensweise, wenn mehrere rückgesandte Echos
verfügbar sind (mindestens 2).
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Auf Anweisungen des Bedieners oder des Steuerungs- bzw.
Regulierungssystems speichert der Meßweg den Wert To vor
der Verkeilung und verfolgt die Verkeilung nach der
relativen Verfahrensweise durch Messung der relativen Änderung
Δt, unter eventueller Zuführung dieser Daten in Realzeit
den mechanischen Apparat, um diesen zu führen und zu
steuern.
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Wenn die Verkeilung abgeschlossen ist, kann die Zeit T nach
der absoluten Verfahrensweise gemessen werden, um zu jedem
gewünschten Zeitpunkt die Restspannung in der Schraube zu
bestimmen.
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Falls die Anordnung mehrere Schrauben umfaßt, wird der
Meßweg um so viele Exemplare reproduziert, wie es auf jeder
Schraube plazierte Wandler gibt.
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All diese Wege werden von einem zentralen Steuerungssystem
gesteuert und ausgewertet.
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Auf diese Art und Weise kann die Verkeilung simultan für
alle Schrauben auf einmal geführt werden, indem die
Einstellwerte und die Anweisungen in Funktion der Bedürfnisse
und der Situation in gleicher Höhe auf jede Schraube
angewendet werden.
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Diese Anordnung bietet den Vorteil, alle Schrauben zusammen
zu verkeilen, insbesondere falls die Notwendigkeit besteht,
die gegenseitige Wechselwirkung des Verkeilungseffektes
eines Elementes auf alle anderen zu berücksichtigen.
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Die Vorteile und die durch das erfindungsgemäße Verfahren
bestimmte Sicherheit in Bezug auf Punktmessungen werden im
folgenden detaillierter erklärt.
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Tatsächlich bedeutet die Lokalisierung des Signals in der
Zeitskala durch einen einzigen Punkt in einer bestimmten
Anzahl von Fällen Fehlerrisiken für die Messung.
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Mehrere Fälle sind durch die Figuren beispielhaft
dargestellt.
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Nach einem ersten wird die Messung über einem Signal vor
und nach der Verkeilung durchgeführt.
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Es tritt häufig während der Verkeilung eine Deformation des
Signals auf; diese wird durch die Deformation der Schraube
hervorgerufen, welche eine leichte Desorientierung der
reflektierenden Seite am äußeren Ende bezüglich der
Eingangsseite der Welle nach sich zieht.
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Die beiden in den Figuren 6a, 6b einerseits und 6b, 6c
andererseits dargestellten Beispiele zeigen, wie sich das
Signal entwickeln kann.
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Im ersten Fall nimmt die Amplitude des ersten
Schwingungsbauches ab (von A1 vor der Verkeilung geht sie über auf B1
nach der Verkeilung). Im zweiten Fall nimmt sie zu (geht
von C1 vor der Verkeilung über auf D1 nach der Verkeilung).
Die Auswahl des Schwingungsbauches, über welchem die
Messung durchgeführt wird, wird mittels eines Schwellwertes
bestimmt; in den Beispielen:
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- Der Schwellwert S1 gestattet, den ersten
Schwingungsbauch zu erhalten;
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- der Schwellwert S2 gestattet, den zweiten
Schwingungsbauch zu erhalten;
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Es ist wahlweise möglich, entweder S1 oder S2 zu
betrachten, ein Fehler während oder nach der Verkeilung ist
unausweichlich.
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- Für S1, der Fehler werde im ersten Beispiel
unterlaufen, geht die Messung vom Schwingungsbauch A1 zum
Schwingungsbauch B2.
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- Für S2, der Fehler werde im zweiten Beispiel
unterlaufen, geht die Messung vom Schwingungsbauch C2 zum
Schwingungsbauch D1.
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In diesen in der Praxis sehr häufig auftretenden Beispielen
sind die Meßverfahren durch Überschreiten des Signals über
einen vorgegebenen Schwellwert, oder durch Nulldurchgang
der Welle fehlerbehaftet und unbrauchbar und ziehen einen
Meßfehler entsprechend der Oszillationsperiode nach sich;
bei 10 Mhz einen Fehler von 100 ns und bei 5 Mhz einen
Fehler von 200 ns, was beträchtlich und von derselben
Größenordnung wie die Meßskala ist.
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Nach einem zweiten Fall (siehe Figur) wird die Messung mit
einem geringen Signal/Rausch-Verhältnis durchgeführt.
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Verschiedene Ultraschall stark absorbierende und folglich
sehr zerstreuende Materialien gestatten es nicht, ein
ideales Signal/Rausch-Verhältnis zu erhalten.
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Das Signal erscheint daher in einem Hintergrundrauschen,
welches während der Verkeilung schwanken kann, wie es
jeweils in der Fig. 7a und 7b dargestellt ist.
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In diesem Beispiel ist es möglich zu beobachten, daß für
einen vorgegebenen Schwellwert S die Änderung des
Hintergrundrauschens es unmöglich macht, eine annehmbare Messung
durchzuführen.
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Nach einem dritten Fall (siehe Figur) wird die Messung in
Anwesenheit von parasitären Echos durchgeführt.
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Die Geometrie der Schraube kann, wenn sie komplex ist, die
durch Anwesenheit von Kanten, Abfasungen, Löchern etc.
bedingten parasitären Echos in dem Echogramm erscheinen
lassen.
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Die Fig. 8a zeigt eine mit einem transversalen Loch
gebohrte Schraube zum Versplint-Arretieren, die ein parasitäres
Signal i erzeugen wird, das dem Hintergrundecho ii
vorangeht, wie man es in der Fig. 8b sieht, welche das
Sendesignal E, das erste Echo F und das zweite Echo G zeigt.
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Die Fig. 8c zeigt den Rand des Schraubenbodens, welcher ein
erstes parasitäres Signal i erzeugt, welches noch dem
Hintergrundsignal ii vorangeht, wie man es in dem in Fig. 8d
dargestellten Echo F sieht.
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In den zwei vorhergehenden Fällen eilt das durch die
besondere Konfiguration des äußeren Endes der Schraube
hervorgerufene Echo i dem direkten Hintergrundecho ii voraus,
welches im Prinzip das von der Messung gespeicherte ist.
Wenn die Amplituden dieser zwei Echos vergleichbar oder
benachbart sind, wird die Messung heikel, ja sogar
unmöglich.
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Nach einem vierten Fall (siehe Figur) wird die Messung über
verschiedenen Signalen oder verschiedenen Ursprungspunkten
durchgeführt.
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Das ist der Fall bei einer zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Echos P und Q durchgeführten Messung; das zweite (Fig.
9) ist natürlicherweise gedämpfter oder deformierter durch
die Dämpfung oder das Verschwinden der höheren
Frequenzkomponenten.
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Es kann daher extrem schwierig sein, den Schwingungsbauch
zu definieren, über welchem die Messung von einem zum
anderen Signal durchgeführt wird.
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Dies ist noch der Fall (Fig. 10), bei dem der Wandler
simultan zwei Wellentypen aussendet, der eine mit
longitudinaler Ausbreitung (E1) und der andere mit transversaler
Ausbreitung (E2).
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Diese beiden Wellen haben nicht diesselbe
Ausbreitungsgeschwindigkeit und geben daher getrennte Echos (F1, F2, F3
für die longitudinalen Wellen, G1, G2,... für die
transversalen Wellen), die sehr unterschiedliche Gestalt haben
können.
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In diesem Fall kann es ebenfalls schwierig erscheinen,
einen fachgemäßen Schwellwert zum Ausrichten eines Echos
für jeden Wellentyp zu wählen.
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Die Messung durch Interkorrelation gestattet großenteils,
wenn nicht sogar insgesamt, alle vorhergehend aufgeführten
Schwierigkeiten zu regeln.
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Die Überlagerung des als Referenz genommenen Signals und
des beobachteten Signals läßt den Erhalt einer
Interkorrelationsfunktion zu, von welcher man das Maximum sucht;
diese Funktion ist wohl definiert, wenn die Signale gleich
oder benachbart sind und das Maximum wird in diesem Fall
mit Genauigkeit bestimmt.
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Wenn die Signale sehr unterschiedlich sind, flacht die
Funktion ab, und das Maximum wird mit einer weniger guten
Genauigkeit erhalten.
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Selbsverständlich kommt es vor, daß die Überlagerung des
Referenzsignals mit dem beobachteten Signal mehrere Maxima
gibt, von welchem das größte im allgemeinen der gesuchten
Lösung entspricht.
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Das vorhergehend Beschriebene zeigt das gesamte Interesse
des vorgeschlagenen Verfahrens für die Messung der
Verkeilung
von Schrauben, welche zwischen zwei
aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Echos angewandt wird, welche
fallgemäß:
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- unterschiedlichen Ursprungs sein können (von einer
Doppelaussendung hervorgerufen);
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- mehr oder weniger bedeutenden Deformationen während
oder nach der Verkeilung unterleigen können;
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- in einem erheblichen Rauschen eingebettet sein können;
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- benachbart zu sekundären parasitären Echos sein
können.