DE69012343T2 - Gerät zur ultraschallprüfung der verkeilung eines werkstücks. - Google Patents

Gerät zur ultraschallprüfung der verkeilung eines werkstücks.

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DE69012343T2
DE69012343T2 DE69012343T DE69012343T DE69012343T2 DE 69012343 T2 DE69012343 T2 DE 69012343T2 DE 69012343 T DE69012343 T DE 69012343T DE 69012343 T DE69012343 T DE 69012343T DE 69012343 T2 DE69012343 T2 DE 69012343T2
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Christian Flambard
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Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
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    • G01L5/24Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed
    • G01L5/246Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed using acoustic waves
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Gerät bzw. eine Vorrichtung zur Prüfung der Verkeilung bzw. Befestigung eines Werkstückes mittels Ultraschall mit:
  • Einrichtungen zum Aussenden von lmpulssignalen in das Werkstück;
  • Einrichtungen zum Empfangen der rückgesandten Signale;
  • Einrichtungen zum Messen der Zeit des Auftretens wenigstens eines der rückgesandten Signale in bezug auf ein vorhergehendes Ereignis;
  • Recheneinrichtungen zum Ableiten des Verkeilungswertes des Werkstückes.
  • 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.
  • 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.
  • Die Änderung T-To ist von der Zugkraft im Körper des Werkstückes bedingt, von der summierten Wirkung:
  • - der Verlängerung bzw. Ausdehnung der Schraube,
  • - der Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle unter der Wirkung der axialen Belastung.
  • Auf dem Gebiet der elastischen Materialverformung ist die Änderung T-To proportional zur auf die Körperachse des Werkstücks beaufschlagten Kraft:
  • F = K (T-To).
  • Der Koeffizient K hängt von der Geometrie der Anordnung und vom Material ab, aus welchem das Element der Anordnung besteht.
  • Diese Technik setzt eine sehr genaue Zeitmessung voraus; diese muß auf ungefähr eine oder einige Nanosekunden genau sein.
  • Wegen der Dämpfung der Welle in dem Material und der Brüchigkeit bzw. Sprödigkeit des Sende-Empfangswandlers ist die Auswahl der Ultraschallwellenfrequenz begrenzt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Heutzutage verwendet man häufig zwei Arten zum Ausrichten bzw. Ortens des Echos in der Zeitskala: ein Schwellwertverfahren und ein Nulldurchgangsverfahren ("zero crossing").
  • 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).
  • 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).
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • Das Ziel der Erfindung ist es, ein Gerät bereitzustellen, welches viel genauere Verkeilungsprüfungen erlaubt als jene, welche bis heute möglich sind.
  • Die Erfindung erreicht dieses Ziel im Rahmen eines am Anfang dieser Druckschrift zitierten Types eines Prüfungsgerätes, mit:
  • den Meßeinrichtungen, welche Ortungseinrichtungen für ein erstes und ein zweites rückgesandtes Echo umfassen,
  • Abtasteinrichtungen für die Echos, und Interkorrelationseinrichtungen zwischen dem ersten und dem zweiten Echo, welche der Berechnung des Verkeilungswertes des Werkstückes als Grundlage dienen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Während oder nach der Verkeilung verschiebt sich das Echo. Dieses wird erneut abgetastet.
  • 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.
  • Diese Betriebsart ist unter dem Namen Interkorrelation bekannt: die Interkorrelationsfunktion geht durch ein Maximum, wenn die Überlagerung optimal ist.
  • Wenn man die Übelagerung des Referenzsignals mit dem gemessenen Signal erreicht hat, ist es möglich, die totale für die Operation erforderliche Zeitverschiebung zu berrechnen.
  • Wenn man einen vollständigen Schwingungsbauch einer Wellenschwingung mit der Frequenz von 10 MHz betrachtet (10 Mio Hertz) entspricht das einem Signal von 100 Nanosekunden.
  • 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
  • (1 Milliarde Hertz) durchzuführen, was weder vernünftig noch heutzutage möglich ist.
  • Es ist daher vorteilhaft, mit dem Abtasten einem bestimmten Verfahren zu folgen:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Verfahrensweise läßt eine kontinuierliche Verfolgung der Verkeilung zu; sie bietet den Vorteil:
  • - großenteils Temperaturschwankungsbeeinflussungen zu eliminieren, von denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle abhängt;
  • - großenteils ungewollte Effekte zu eliminieren, welche durch eventuelle Änderungen der akustischen Kopplung zwischen dem Wandler und der Schraube bedingt sind;
  • - nicht genau die Anfangslänge der Schraube kennen zu müssen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß der zweiten Möglichkeit, die man "absolute differentielle Verfahrensweise" nennt, mißt man die Zeit des zweiten Hin- und Rückweges und die zweite.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In beiden Fällen ist das Verfolgen der Messung des in die Schraube eingebrachten Zuges schwierig.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • - Die Messung eines Momentes reicht nicht aus, um die Beanspruchung einer bereits angezogenen Schraube genau zu kennen.
  • - Die zuvor "relativ" ausgeführte Messung der Ausdehnung bzw. Verlängerung läßt kein Abspeichern eines Referenzwertes zu, von welchem ausgehend der Betrieb wiederaufgenommen werden könnte.
  • 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.
  • Das Gerät stellt sich wie ein organisierter Meßweg zur Durchführung der Messung gemäß der drei Verfahrensweisen "relativ", "einfach absolut" und "differentiell absolut" dar.
  • 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:
  • Fig. 1 ein logisches Schema des erfindungsgemäßen Gerätes bzw. Vorrichtung ist;
  • Fig. 2 ein Zeitdiagramm eines Detektionsvorganges per Schwellwert ist;
  • Fig. 3 ein Zeitdiagramm eines Detektionsvorganges per Nulldurchgang ist;
  • Fig. 4a und 4b Zeitdiagramme für einen Abtastvorgang von jeweils einem ersten und einem zweiten Echo sind;
  • Fig. 5a und 5b Zeitdiagramme sind, die das Abtastprinzip mit Hilfe einer Verzögerungslinie zeigen;
  • Fig. 6a und 6b jeweils eine Welle vor, dann deformiert, während und nach der Verkeilung darstellen;
  • Fig. 6c und 6d ebenso eine verschieden deformierte Welle vor und während oder nach der Verkeilung darstellen;
  • Fig. 7a und 7b ein von viel Rauschen begleitetes Signal, jeweils vor und während oder nach der Verkeilung, darstellen;
  • 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;
  • Fig. 9 über ein Echogramm ein Abschwächungsbeispiel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Echos C und Q zeigt;
  • Fig. 10 ein Echogramm eines Beispiels von unterschiedlichen Echos zeigt, welche longitudinalen und transversalen Wellen entsprechen.
  • A) Beschreibung des Gerätes
  • Die erfindungsgemäße Geräteanordnung wird unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Das Gerät kann in mehrere Unteranordnungen aufgeteilt werden.
  • 1. Aussenden und Empfangen der Echos
  • 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.
  • Ein Sende-/Empfangswandler 11 ist mit durchgezogener Linie dargestellt. Jedoch kann man, wie gestrichelt dargestellt, einen von einem Empfangswandler 11 verschiedenen Sendewandler 11' vorsehen.
  • Die Empfangsstufe für rückgesandte, wiederempfangene Signale 13 (Echos) umfaßt einen Amplitudenbegrenzer 14, einen Verstärker 15 und einen Digitalwandler 16.
  • Der Amplitudenbegrenzer 14 schützt den Verstärker 15 gegen die Hochspannungs-Impulssignale, indem er diese an einem akzeptablen Wert abschneidet.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • Wenn das Signal den Referenzwert überschreitet, wird ein Auslösesignal ausgesandt.
  • 5. Verzögerte Synchronisation
  • 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.
  • Da sich das Signal kontinuierlich mit vorgegebener zeitlicher Abfolge wiederholt, ist es möglich, die Abtastung:
  • - zu einem vorgegebenen Zeitpunkt to (bezüglich der Synchronisation)
  • - bei der nachfolgenden Impulswiederholung bzw. Rekursion zum Zeitpunkt to+δ,
  • - bei der nächsten Impulswiederholung zum Zeitpunkt to+2δ
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Verfahrensweise bietet den Vorteil, einfach und vor allem, was wesentlich ist, sehr schnell zu sein.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • Es wird Bezug auf die Figur 3 genommen. Dort wird wiederum die Messung ausgehend vom Anfang des Meßfensters ausgeführt.
  • Das Signal wird mit Hilfe der verzögerten Synchronisationsvorrichtung 31 und des das Signal 34 liefernden Abtastwandlers 16 abgetastet.
  • 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.
  • 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.
  • Man kann das Echo statt nach dem "Nulldurchgang" nach einer vollständigen Abtastung des Signals und Interkorrelation ausrichten.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dagegen hat sie den Nachteil, langsamer als die relative Verfahrensweise zu sein.
  • Weiterhin ist sie empfindlich auf die Temperatur des Werkstücks; im Fall von Veränderungen sind Korrekturen notwendig, um diese zu berücksichtigen.
  • Schließlich berücksichtigt die gemessene Zeit den Durchgang durch den den Wandler und das äußere Ende der Schraube trennenden Kopplungsbereich.
  • 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.
  • Dieses drängt sich besonders dann auf, wenn nur ein einziges rückgesandtes Echo existiert.
  • 3. Differentielle absolute Verfahrensweise
  • 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).
  • 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.
  • Die Messung der Anfangs-Referenzzeit To wird in Form eines Wertes gespeichert.
  • 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).
  • 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.
  • 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:
  • C(τ) = (1/T) h(t)-g(t-τ) dt
  • und von welchem man das Maximum sucht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dagegen hat sie den Nachteil, langsamer als die beiden vorhergehenden Verfahrensweisen zu sein.
  • Andererseits ist sie wie die einfache absolute Verfahrensweise temperaturempfindlich; Korrekturen sind notwendig.
  • 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.
  • Diese Betriebsart stellt ein ideales Prüfungsmittel dar, da mehrere Echos beobachtet und ausgewertet werden können (mindestens 2).
  • Wenn der Meßweg aus diesen drei Verfahrensweisen zusammengesetzt ist, kann die Verkeilung einer Schraube mittels einer vorteilhaften Kombination dieser Verfahrensweisen geprüft werden, von:
  • - einer relativen und einer einfachen absoluten Verfahrensweise, wenn ein einzelnes rückgesandtes Echo verfügbar ist oder
  • - einer relativen oder einer differentiellen absoluten Verfahrensweise, wenn mehrere rückgesandte Echos verfügbar sind (mindestens 2).
  • 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.
  • 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.
  • Falls die Anordnung mehrere Schrauben umfaßt, wird der Meßweg um so viele Exemplare reproduziert, wie es auf jeder Schraube plazierte Wandler gibt.
  • All diese Wege werden von einem zentralen Steuerungssystem gesteuert und ausgewertet.
  • 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.
  • 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.
  • Die Vorteile und die durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmte Sicherheit in Bezug auf Punktmessungen werden im folgenden detaillierter erklärt.
  • Tatsächlich bedeutet die Lokalisierung des Signals in der Zeitskala durch einen einzigen Punkt in einer bestimmten Anzahl von Fällen Fehlerrisiken für die Messung.
  • Mehrere Fälle sind durch die Figuren beispielhaft dargestellt.
  • Nach einem ersten wird die Messung über einem Signal vor und nach der Verkeilung durchgeführt.
  • 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.
  • Die beiden in den Figuren 6a, 6b einerseits und 6b, 6c andererseits dargestellten Beispiele zeigen, wie sich das Signal entwickeln kann.
  • 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:
  • - Der Schwellwert S1 gestattet, den ersten Schwingungsbauch zu erhalten;
  • - der Schwellwert S2 gestattet, den zweiten Schwingungsbauch zu erhalten;
  • Es ist wahlweise möglich, entweder S1 oder S2 zu betrachten, ein Fehler während oder nach der Verkeilung ist unausweichlich.
  • - Für S1, der Fehler werde im ersten Beispiel unterlaufen, geht die Messung vom Schwingungsbauch A1 zum Schwingungsbauch B2.
  • - Für S2, der Fehler werde im zweiten Beispiel unterlaufen, geht die Messung vom Schwingungsbauch C2 zum Schwingungsbauch D1.
  • 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.
  • Nach einem zweiten Fall (siehe Figur) wird die Messung mit einem geringen Signal/Rausch-Verhältnis durchgeführt.
  • Verschiedene Ultraschall stark absorbierende und folglich sehr zerstreuende Materialien gestatten es nicht, ein ideales Signal/Rausch-Verhältnis zu erhalten.
  • Das Signal erscheint daher in einem Hintergrundrauschen, welches während der Verkeilung schwanken kann, wie es jeweils in der Fig. 7a und 7b dargestellt ist.
  • 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.
  • Nach einem dritten Fall (siehe Figur) wird die Messung in Anwesenheit von parasitären Echos durchgeführt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nach einem vierten Fall (siehe Figur) wird die Messung über verschiedenen Signalen oder verschiedenen Ursprungspunkten durchgeführt.
  • 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.
  • Es kann daher extrem schwierig sein, den Schwingungsbauch zu definieren, über welchem die Messung von einem zum anderen Signal durchgeführt wird.
  • 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).
  • 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.
  • In diesem Fall kann es ebenfalls schwierig erscheinen, einen fachgemäßen Schwellwert zum Ausrichten eines Echos für jeden Wellentyp zu wählen.
  • Die Messung durch Interkorrelation gestattet großenteils, wenn nicht sogar insgesamt, alle vorhergehend aufgeführten Schwierigkeiten zu regeln.
  • 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.
  • Wenn die Signale sehr unterschiedlich sind, flacht die Funktion ab, und das Maximum wird mit einer weniger guten Genauigkeit erhalten.
  • 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.
  • 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:
  • - unterschiedlichen Ursprungs sein können (von einer Doppelaussendung hervorgerufen);
  • - mehr oder weniger bedeutenden Deformationen während oder nach der Verkeilung unterleigen können;
  • - in einem erheblichen Rauschen eingebettet sein können;
  • - benachbart zu sekundären parasitären Echos sein können.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Prüfung der Verkeilung eines Werkstücks mittels Ultraschall, mit:
- Einrichtungen (11) zum Aussenden von wiederkehrenden bzw. rücklaufenden periodischen Impulssignalen in das Werkstück;
- Einrichtungen (11) zum Empfangen bzw. Aufnehmen der rückgesandten Signale;
- Einrichtungen zum Messen der Zeit des Erscheinens wenigstens eines der rückgesandten Signale in Bezug auf ein vorhergehendes Ereignis, wobei diese Einrichtungen Mittel zur Ortung eines ersten und eines zweiten rückgesandten Echos aufweisen;
- Recheneinrichtungen (35) zum Ableiten des Verkeilungswertes des Werkstückes,
dadurch gekennzeichnet, daß:
- die Einrichtungen zum Messen Mittel (16) zum Abtasten bzw. Verarbeiten der Echos aufweisen, die durch eine Verzögerungslinie (31) gesteuert werden, derart, daß sie aus dem Satz des ersten und des zweiten Echos über mehrere aufeinanderfolgende Rekursionen Momentwerte bilden, sowie Mittel (35) zum Interkorrelieren zwischen dem ersten und dem zweiten zu Momentwerten verarbeiteten Echo, um als Basis einer Berechnung des Verkeilungswertes des Werkstückes zu dienen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Messen ebenfalls Mittel (30) zur Echoortung durch einen Schwellwertvergleich aufweisen.
DE69012343T 1989-11-24 1990-11-23 Gerät zur ultraschallprüfung der verkeilung eines werkstücks. Expired - Lifetime DE69012343T2 (de)

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PCT/FR1990/000844 WO1991008456A1 (fr) 1989-11-24 1990-11-23 Appareil de controle par ultrasons du serrage d'une piece

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AT (1) ATE111217T1 (de)
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WO (1) WO1991008456A1 (de)

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