-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft einen Ultraschalldetektor und insbesondere ein
leichtgewichtiges, batteriebetriebenes Präzisionsgerät zur Erkennung von Ultraschalltönen oder
-schwingungen, das für
die Erkennung von Lecks und Funktionsstörungen nützlich ist.
-
2. Stand der
Technik
-
Es
ist wohl bekannt, dass Ultraschallgeneratoren und -detektoren verwendet
werden können,
um Lecks oder Defekte ausfindig zu machen, z. B. in Rohrleitungen.
Ein solches System wird in dem US-amerikanischen Patent Nr. 3,978,915
von Harris dargestellt. In jener Anordnung werden Ultraschallgeneratoren
in einer Kammer positioniert, durch welche die Rohrleitungen hindurchführen. An
den Enden dieser Rohrleitungen, außerhalb der Kammer, werden
Ultraschalldetektoren angeordnet. An der Stelle, an der ein Leck
in der Rohrleitung auftritt, oder an der die Wand der Rohrleitung
dünn ist,
tritt die Ultraschallenergie von der Kammer in die Rohrleitung ein
und gelangt an das Ende der Rohrleitung, wo sich der Detektor befindet.
Der Detektor empfängt
ein Ultraschallsignal an dem Ende der Rohrleitung, das die Existenz
des Lecks oder der Schwachstelle in der Rohrleitung anzeigt.
-
Ferner
wurden Ultraschallsensoren verwendet, um Ultraschallenergie nachzuweisen,
die durch Reibung im Inneren von mechanischen Vorrichtungen erzeugt
wird, wie es in dem US-amerikanischen Patent Nr. Re. 33,977 von
Goodman, et al. offenbart wird. Je größer die Reibung, desto größer ist
die Intensität
der erzeugten Ultraschallenergie. Das Auftragen eines Schmiermittels
auf die Vorrichtung reduziert die Reibung, und folglich nimmt die
Intensität des
erzeugten Ultraschalls ab. Das Messen von Ultraschallenergie bietet
demnach eine Möglichkeit
zu bestimmen, wann die Schmierung die reibungserzeugenden Flächen erreicht
hat. Außerdem
erzeugen defekte Vorrichtungen wie zum Beispiel Lager einen höheren Pegel
an Ultraschallenergie als fehlerfreie Lager, und daher kann auch
dieser Zustand festgestellt werden. Bei herkömmlichen Mitteln sind jedoch
zwei Personen erforderlich, um dieses Verfahren durchzuführen: eine
Person, um das Schmiermittel auf die Vorrichtung aufzutragen, und
eine Person, um den Ultraschalldetektor zu bedienen.
-
Da
die für
diese Zwecke verwendete Ultraschallenergie im Allgemeinen im Bereich
von 40 kHz liegt, ist ihre Frequenz zu hoch, um vom Menschen gehört zu werden.
Daher werden typischerweise Mittel zur Überlagerung oder Frequenzverschiebung des
ermittelten Signals in den Audiobereich bereitgestellt, und es stehen
verschiedene Systeme zur Verfügung,
um dies zu tun.
-
Durch
das Anordnen eines Ultraschallgenerators in einer geschlossenen
Kammer wird ein Stehwellenmuster mit Spitzen und Knoten hergestellt. Wenn
ein Knoten an der Stelle auftritt, an der sich ein Leck oder eine
Schwachstelle befindet, entweicht keine Ultraschallenergie, und
der Defekt wird nicht erkannt. Eine Methode, um dieses Problem anzugehen,
wird in dem US-amerikanischen Patent Nr. Re. 33,977 von Goodman,
et al. offenbart. Goodman lehrt, die Frequenz der angewendeten Ultraschallenergie
zu ändern,
damit sich die Position der Knoten über der Zeit verschiebt, so
dass Lecks an einer Nullstelle oder an einem Knoten erkannt werden.
Wenn man auf dieses Verfahren zurückgreift, erhöhen sich jedoch
der Aufwand und die Kosten der Prüfhardware.
-
Ultraschallumwandler
erzeugen im Allgemeinen bei Empfang von Ultraschallenergie einen
Niederspannungsausgang. Daher muss das ermittelte Signal unter Verwendung
eines High-Gain-Vorverstärkers
verstärkt
werden, bevor es richtig verarbeitet werden kann. Wenn jedoch preiswerte Überlagerungs-
und Anzeigeschaltungen verwendet werden sollen, müssen Mittel
zur Dämpfung
des verstärkten Signals
zur Verfügung
gestellt werden, um die Sättigung
dieser Schaltungen bei hohen Eingangssignalen zu verhindern. Diese
Dämpfung
regelt auch die Empfindlichkeit der Vorrichtung. Bei einem Handgerät sollte
der Dämpfungsgrad
vom Benutzer einstellbar sein.
-
Das
US-amerikanische Patent 4,785,695 von Rose et al. offenbart zum
Beispiel einen Ultraschall-Leckdetektor mit einem Dämpfungsglied
mit veränderlichem
Widerstand, das verwendet wird, um den Ausgangspegel einer LED-Balkenanzeige
zu regeln. Dieses Dämpfungsverfahren
bietet jedoch keine Möglichkeit,
feste Referenzpunkte einzurichten, um wiederholbare Messungen zu
ermöglichen.
-
Das
US-amerikanische Patent Nr. 5,089,997 von Pecukonis offenbart einen
Ultraschallenergiedetektor mit einem Dämpfungsnetzwerk, das nach einem
Eingangs-Vorverstärker
und vor der Signalverarbeitungsschaltung angeordnet ist, der einen
hörbaren
Ausgang und eine LED-Balkenanzeige erzeugt. Die Widerstände im Dämpfungsnetzwerk
von Pecukonis sind so ausgeführt,
dass sie die unterschiedlichen Dämpfungsstufen
in exponentielle Beziehung zueinander setzen. Pecukonis überlagert
jedoch die ermittelten Signale nicht, um einen hörbaren Ausgang zu erzeugen,
sondern er lehrt die Vorteile einer komplexeren Zusammenstellung
von Schaltungen, die einen breiten Bereich von Ultraschallfrequenzen in
einen engeren hörbaren
Bereich komprimieren. Bei vielen Anwendungen sind die Kosten und
der Aufwand dieser Art von Schaltung nicht erforderlich.
-
Zusätzlich zum
Nachweis von Ultraschalltönen,
die aus einer undichten oder defekten Stelle entweichen, muss ein
Detektor, der einen akustischen Umwandler verwendet, in der Lage
sein, die Quelle dieses Tons genau zu lokalisieren. Zu diesem Zweck werden
kegelförmige
Schallkollektoren zusammen mit dem Umwandler verwendet, um seine
Bündelung zu
erhöhen,
wie es in dem US-amerikanischen Patent Nr. 4,287,581 von Neale,
Sr. dargestellt wird. Herkömmliche
Detektoren verwenden jedoch keine Sammelkegel, die ferner speziell
ausgeführt
sind, um eine zusätzliche
Verstärkung
des Eingangssignals in einer Höhe
zu liefern, die den vom Detektor gelieferten Maßeinheiten entspricht.
-
Wenn
zur Leckerkennung Ultraschallenergie verwendet wird, ist es hilfreich,
einen tragbaren Ultraschallsensor zu haben, der das Vorhandensein
und die Intensität
von Ultraschallenergie sowohl optisch als auch akustisch anzeigt.
Goodman offenbart einen Ultraschallsensor, der die Intensität des ermittelten Signals
auf einem Ausgangsmessgerät
anzeigt, das entweder in linearem oder in logarithmischem Modus betrieben
werden kann und außerdem
Audio-Ausgang durch Kopfhörer
ermöglicht.
Das US-amerikanische Patent 4,987,769 von Peacock et al. offenbart einen
Ultraschalldetektor, der die Amplitude des ermittelten Ultraschallsignals
auf einer zehnstufigen logarithmischen LED-Anzeige darstellt. Der
von Peacock offenbarte Detektor verarbeitet jedoch das ermittelte
Signal nicht, um eine hörbare
Rückmeldung zu
erzeugen, und er sieht auch keine Signaldämpfung nach der Eingangs-Vorverstärkungsstufe
vor.
-
Das
US-amerikanische Patent Nr. 4416145 offenbart ein Ultraschallgerät und ein
Verfahren zur Leckerkennung, zum Beispiel in Behältern, unter Verwendung eines
Ultraschallgenerators, dessen Ausgang frequenzmoduliert ist, und
der in dem Behälter angeordnet
ist, um darin ein Stehwellenmuster zu erzeugen. Ultraschallenergie,
die aus einem kleinen Loch in dem Behälter entweicht, wird von einem
Ultraschallumwandler entdeckt, dessen Ausgang an eine Reihe von
Verstärkern
und schließlich
an einen Funktionsgeber angelegt wird, um eine Frequenzverschiebung
des verstärkten
Ultraschallsignals in den hörbaren
Frequenzbereich für
die Eingabe in einen Transistorverstärker mit Kopfhörer zu bewirken.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Bereitstellung eines vielseitigen,
leichtgewichtigen, batteriebetriebenen Präzisionsgeräts zur Erkennung von Ultraschall
oder Schwingungen. Die Erfindung bietet einen weiten dynamischen
Bereich sowie feste Referenzpunkte durch den gesamten Bereich, um
wiederholbare Messungen durchführen
zu können.
Die Detektorschaltung kann in einem Handgerät untergebracht werden, das
zur Leckerkennung verwendet wird, oder es kann alternativ mit einer
Fettspritze verwendet werden, um festzustellen, ob eine abgedichtete
mechanische Vorrichtung wie zum Beispiel ein Lager, ein Getriebekasten
oder ein Getriebe richtig geschmiert wurde und ob die Vorrichtung
defekt ist.
-
In
einer veranschaulichenden Ausführungsform
der Erfindung hat der Ultraschalldetektor einen akustischen Ultraschallumwandler
oder Kontakt-Ultraschallumwandler,
um Ultraschalltöne
nachzuweisen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln, dessen
Amplitude und Frequenz jene des nachgewiesenen Ultraschalltons wiedergeben.
Eine entfernbare Fokussiersonde führt Ultraschall in dem Umwandler
zusammen, so dass die Ultraschallenergie gesammelt und auf einem
einzigen Umwandlerkristall fokussiert wird. Vorrichtungen des Stands
der Technik können
eine Vielzahl von Umwandlern verwenden, die auf einer Fokussierfläche angeordnet sind.
Bei einer solchen Anordnung gibt es jedoch beim Empfang Nullstellen.
Die Sonde schließt
daher die Möglichkeit
aus, dass ein Leck unentdeckt bleibt, was durch den Empfang und/oder
die Positionierung von Nullstellen, die bei einem Multi-Umwandler auftreten,
der Umwandlermodule empfängt,
bedingt ist. Ferner bietet diese Sonde eine zusätzliche Signalverstärkung von
10 dB.
-
Das
Ausgangssignal wird durch einen High-Gain-Vorverstärker geleitet,
der eine wesentliche Aussteuerungsreserve hat, so dass bei der Erkennung
von großen
Ultraschallenergie-Feldern eine Sättigung verhindert wird. Ferner
ist der Vorverstärker
als Ladungsverstärker
angeordnet und reagiert daher relativ unempfindlich auf Änderungen
in der Ausgangsimpedanz oder -kapazitanz des Umwandlers. Der Ausgang
des Vorverstärkers
ist kapazitiv mit einem logarithmischen Dämpfungsnetzwerk gekoppelt,
um für
eine Anpassung an den Basis- oder Grundgeräuschpegel zu sorgen und die
Sättigung des
Ausgangs-Audioverstärkers und
der Anzeigeschaltung zu verhindern. Das Netzwerk bietet feste Signaldämpfungspegel
von 0 dB bis –70
dB in –10 dB-Schritten.
Ferner ist ein zusätzlicher
veränderlicher
Widerstand vorgesehen, um bei Ultraschall mit extrem hohen Intensitätspegeln
eine weitere Dämpfung
zu ermöglichen.
-
Danach
wird das gedämpfte
Signal in eine Überlagerungsschaltung
geleitet, wo die Ultraschallfrequenz in den hörbaren Bereich verschoben,
gefiltert und verstärkt
wird. Die Überlagerung
erfolgt durch Kommutierung und Multiplexing der Eingänge eines
abgestimmten Audiofrequenzfilters mit einem Hochfrequenzsignal,
dann differenzielle Filterung und Verstärkung des überlagerten Audio-Ausgangs, der
daraufhin den Lautsprecherausgang und die Balkenanzeige ansteuert.
Diese Technik nutzt die differenziellen Eingänge des LM386-Audioverstärkers, um
für zusätzliche
Trägersperrung
sowie für
einen doppelten Spannungshub zu sorgen.
-
Der
Audioverstärker
bietet einen niederohmigen Ausgang, so dass das überlagerte und verstärkte Signal
verwendet werden kann, um 8 Ohm- oder 16 Ohm-Lautsprecher oder -Kopfhörer bei
einem festen Ausgangspegel anzusteuern. Dieser Ausgang kann auch
als Eingang für
Signalprozessoren oder -analysatoren verwendet werden.
-
Ferner
steuert der Audioverstärker
eine logarithmische LED-Balkenanzeige
an. Diese Anzeige hat zehn Balkensegmente, die in 3 dB pro Balken graduiert
sind, so dass eine Ausgangsanzeige entsteht, die ein 30 dB-Fenster abdeckt.
Die Verwendung des logarithmischen Dämpfungsglieds zusammen mit
der logarithmischen Ausgangsanzeige konvertiert das Eingangssignal
in ein Dezibelformat. Diese Kombination verleiht dem Detektor außerdem einen
weiten dynamischen Bereich von ungefähr 100 dB in 33 1/3 festen
diskreten Schritten. Diese Schritte bieten eine Zusammenstellung
von festen, wiederholbaren Referenzpunkten an beliebigen Stellen
innerhalb des Anzeigebereichs des Geräts. Einen zusätzlichen
dynamischen Bereich von 10 dB erhält man, indem man die Fokussiersonde
entfernt, wenn dies erforderlich ist.
-
Zur
Verwendung bei der Erkennung, wann ein mechanisches Gerät richtig
geschmiert worden ist, kann der Detektor an einem Schmierungswerkzeug
wie zum Beispiel einer Fettspritze befestigt werden. Bei abgedichteten
Lagern gibt es normalerweise keine Möglichkeit herauszufinden, wann
die geeignete Menge an Schmiermittel die Reibungsflächen, wie zum
Beispiel den Laufring und die Kugellager, erreicht hat. Zu viel
Schmiermittel kann den Innendruck in dem Lager aufbauen und Schäden verursachen, oder
es kann die Dichtung „heraustreiben", so dass Fremdkörper in
das Lager eindringen können.
Zu wenig Schmiermittel kann zur Überhitzung
und zur Blockierung der Lager durch übermäßige Reibung führen. Das
gleiche gilt für
andere abgedichtete mechanische Geräte wie zum Beispiel Getriebekästen oder Getriebe.
-
Vorrichtungen
wie zum Beispiel abgedichtete Lager, Getriebekästen oder Getriebe erzeugen
im Einsatz infolge von interner Reibung Ultraschallenergie. Wenn
eine Schmierung erfolgt, verringert sich die interne Reibung. Somit
ist die Intensität
des erzeugten Ultraschalls niedriger. Das Messen des Pegels des
Ultraschalls, der von der Vorrichtung erzeugt wird, wenn sie geschmiert
wird, bietet daher eine Möglichkeit
zu ermitteln, wann genügend
Schmiermittel aufgetragen worden ist.
-
Außerdem erzeugen
Vorrichtungen wie zum Beispiel abgedichtete Lager höhere Ultraschallpegel als
sonst, wenn ihre Funktionsfähigkeit
nachlässt. Aufgrund
der festen wiederholbaren Referenzpunkte und des weiten dynamischen
Bereichs des Detektors kann die Menge an Ultraschall, die ein bestimmtes geschmiertes
Lager erzeugt, genau gemessen und mit einem Basispegel verglichen
werden. Das Maß, in
dem der gemessene Pegel den normalen Pegel übersteigt, gibt an, wie schwer
das Lager geschädigt ist.
-
Das
Befestigen des Detektors an einem Schmierungswerkzeug wie zum Beispiel
einer Fettspritze hat den weiteren Vorteil, dass die Schmierungs-
und Ultraschallmessverfahren von einer einzigen Person ausgeführt werden
können,
anstatt von zwei Personen, wie es erforderlich ist, wenn herkömmliche
Mittel verwendet werden.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
Die
vorstehend genannten und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung
sind leichter zu erkennen anhand der folgenden detaillierten Beschreibung
und der Zeichnungen der veranschaulichenden Ausführungsformen der Erfindung,
in denen:
-
1 ein
Blockschaltbild der vorliegenden Erfindung ist, das die Anordnung
der Schaltungsbauteile veranschaulicht;
-
die 2A und 2B einen
Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
bilden;
-
3A eine
axiale Ansicht einer entfernbaren Ultraschall-Fokussiersonde ist;
-
3B eine
seitliche Querschnittsansicht der Fokussiersonde von 3A entlang
der Linie A-A' ist;
-
4A eine
veranschaulichende Anwendung des Detektors ist, der mit einer Fettspritze
gekoppelt ist;
-
4B eine
perspektivische Ansicht des Clip-on-Umwandlergehäuses ist; und
-
4C eine
Ansicht des Bedienfelds von einer Ausführungsform des Detektors ist,
welche die LED-Anzeige und den Dämpfungswähler darstellt.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
1 zeigt
ein Blockschaltbild von einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Wie in 1 dargestellt, wird die Ultraschallenergie
in der entfernbaren Fokussiersonde 5 konzentriert und an den
Ultraschallumwandler 6 angelegt, um ein elektronisches
Signal zu erzeugen, dessen Amplitude und Frequenz jene der nachgewiesenen
Ultraschallenergie repräsentieren.
Es sei angemerkt, dass der Umwandler je nach den Anforderungen des
Benutzers entweder ein akustischer Umwandler oder ein Kontakt-Umwandler
sein kann.
-
Der
Ausgang des Umwandlers 6 wird in einen High-Gain-Vorverstärker 7 geleitet.
Dann wird das verstärkte
Eingangssignal kapazitiv an das Dämpfungsnetzwerk 8 gekoppelt,
welches das verstärkte
Eingangssignal mit einem der verschiedenen festen logarithmischen
Werten dämpft,
der vom Benutzer wählbar
ist.
-
Danach
wird das gedämpfte
Signal in den Überlagerungsfrequenzverschieber 9 geleitet,
der ein Ausgangssignal mit einer hörbaren Frequenz und einer Amplitude,
die proportional zu den Ultraschallfrequenzkomponenten des angelegten
Signals ist, erzeugt. Dieses Ausgangsignal wird von dem Audioverstärker 10 verstärkt und
dem niederohmigen Ausgang 11 zugeführt, wo es verwendet werden
kann, um Lautsprecher oder Kopfhörer
bei einem festen Ausgangspegel anzusteuern und außerdem als
Eingang für
Signalprozessoren oder -analysatoren verwendet werden kann. Das
verstärkte
Audiosignal wird auch durch einen Halbwellengleichrichter 12 geleitet
und dann verwendet, um die logarithmische Anzeige 13 anzusteuern,
die eine LED-Balkenanzeige sein kann.
-
Im
Folgenden werden die einzelnen Schaltungsbauteile gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung detaillierter beschrieben. Alle verwendeten Komponenten
können
handelsübliche
Temperaturbereiche haben und serienmäßig produzierte Elemente sein.
Die Schaltungen werden vorzugsweise von einer Batterie mit einer
Spannungsversorgung Vb im Bereich von 7,2 bis 9 Volt Gleichstrom
betrieben. Die bevorzugte Ausführungsform
kann als Mischung aus oberflächenmontierten Komponenten
und herkömmlichen
Komponenten mit Durchgangsbohrungen ausgeführt sein.
-
Wie
in 2A zu sehen ist, umfasst der Vorverstärker 7 (preamp)
einen Operationsverstärker 16 (op-amp)
mit einer parallelen negativen RC-Rückkopplungsschleife, die den
Widerstand 18 und den Kondensator 20 umfasst.
An den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 16 wird
die Vorspannung Vc angelegt, die ungefähr halb so groß ist wie
die Versorgungsspannung Vb von der Batterie. Diese Verstärkerkonfiguration
wird als Ladungsverstärker
klassifiziert, da kein Reihenwiderstand zwischen den Umwandlern
und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärker 16 geschaltet
ist. Daher sendet das Signal von den Umwandlern eine Ladung in den
Kondensator 20. Die Verwendung dieser Art von Verstärker macht
den Ultraschalldetektor relativ unempfindlich gegenüber Änderungen
der Ausgangsimpedanz oder -kapazitanz des Umwandlers. Ferner ist
als Teil des Ausgangs des Vorverstärkers 7 eine zusätzliche
Dämpfungsschaltung
enthalten, die den Widerstand 22 und den veränderlichen
Widerstand 24 umfasst. Der veränderliche Widerstand 24 wird
normalerweise so eingestellt, dass keine Dämpfung erfolgt. Bei extrem
hohen Ultraschallintensitätspegeln
kann er jedoch so angepasst werden, dass das Übersteuern des Audio-Ausgangs an die Lautsprecher
und der Anzeige verhindert wird, wenn das Dämpfungsnetzwerk 8 auf
maximale Dämpfung
eingestellt ist.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
ist der Operationsverstärker 16 ein
High-Gain-IC-Verstärker,
zum Beispiel ein NE5532 Chip. Der Widerstand 18 ist 1 M
Ohm, und der Kondensator 20 hat die Kapazität 4 pF.
Dadurch entsteht ein Vorverstärker
mit einer Verstärkung
von etwa 600 V/V oder 55 dB mit einer Bandbreite von 20 KHz bis
100 KHz und einer Amplitude von ungefähr 6 Volt Spitzenspannung. Dies
bietet eine ausreichende Aussteuerungsreserve, um die meisten Sättigungsprobleme
zu verhindern. Bei einem typischen Umwandler- Ausgangs-Spannungspegel von 100 bis
200 Mikrovolt wäre
ein Eingang von 10 Millivolt vom Umwandler nötig, um den 6 Volt Ausgangspegel
zu erzeugen. Außerdem
erlaubt es diese Aussteuerungsreserve, das Dämpfungsglied nach dem Vorverstärker 7 anzuordnen.
-
Der
Ausgang des Vorverstärkers 7 ist
durch den Kondensator 26 an das logarithmische Dämpfungsnetzwerk 8 gekoppelt,
das in 2B dargestellt ist. Das logarithmische
Dämpfungsnetzwerk 8 umfasst
einen Multipositionsschalter 28, der mit den Reihenwiderständen 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 und 44 verbunden
ist. Die Werte der Widerstände
sind so gewählt,
dass sie die gewünschten
Dämpfungspegel ergeben,
zum Beispiel –10dB
pro Schritt. Die Höhe der
Dämpfung
ist eine Funktion der Verhältnisse
der Widerstandswerte und der Wechselwirkung zwischen den Widerständen des
Dämpfungsglieds
und der Eingangsimpedanz des Überlagerungsfrequenzverschiebers 9.
-
Ein
Verfahren zum Bestimmen der richtigen Widerstandswerte besteht darin,
als Ultraschalleingangssignal eine Quelle für weißes Rauschen zu verwenden.
Weißes
Rauschen wird verwendet, weil es Ultraschelllecks und Reibungssignale
unter Turbulenzströmungsbedingungen
charakterisiert. Die Widerstandswerte können dann angepasst werden, während das
Ausgangssignal bei unterschiedlichen Schalterstellungen kontrolliert
wird, bis die gewünschte
Dämpfung
erreicht ist.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
haben die Widerstände 30, 32, 34, 36, 38, 40 und 42 alle
1 % Toleranz, und sie haben die Werte 1,30 K, 3,83 K, 8,98 K, 845,
140, 30,1 beziehungsweise 10 Ohm. Der Widerstand 44 hat
2,2 Ohm mit einer Toleranz von 5 %. In dieser Konfiguration kann
der Benutzer zwischen Dämpfungspegeln
von 0 dB bis –70
dB in –10 dB-Intervallen
wählen.
-
Das
Dämpfungsnetzwerk 8 ist
wie das Dämpfungsglied 24 nach
dem High-Gain-Vorverstärker 7 positioniert,
um die Sättigung
des Audio-Ausgangs-Verstärkers 10 und
die Übersteuerung
der Ausgangsanzeige 13 zu verhindern. Dann wird der Ausgang
des Dämpfungsnetzwerks
zu dem Überlagerungsfrequenzverschieber 9 und
dem Audioverstärker 10 geleitet,
wie es in 2A dargestellt ist.
-
Der Überlagerungsfrequenzverschieber 9 besteht
aus einem Phasenkettenoszillator 48, der ein Kommutierungs-
oder Schaltsignal erzeugt, Vergleichsschaltungen 50 und 52 und
einem abgestimmten Audiofilter 54. Die Überlagerungsschaltung kann
wie folgt zusammengefasst werden. Der Phasenkettenoszillator 48 enthält den Operationsverstärker 68 und
ein RC-Rückkopplungsnetzwerk
bestehend aus den Kondensatoren 70, 72, 74,
den Widerständen 76, 78 und
dem veränderlichen
Widerstand 80. An den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 68 wird
die Vorspannung Vc angelegt, in der gleichen Weise wie beim Operationsverstärker 16.
Die Schaltungskomponenten werden so gewählt, dass der Oszillator bei
einer Frequenz von ungefähr
37,2 kHz funktioniert, mit einem Ausgang, der um die Spannung Vc
schwankt.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
ist der Operationsverstärker 68 ein
integrierter High-Gain-Schaltkreis, zum Beispiel ein NE5532 Chip.
Die Kondensatoren 70, 72 und 74 haben
jeweils eine Kapazität
von 560 pF. Die Widerstände 76 und 78 sind
jeweils 1 K Ohm, und der veränderliche Widerstand 80 ist
1 M Ohm.
-
Das
Kommutierungssignal von dem Ausgang des Operationsverstärkers 68 wird
an den invertierenden Eingang der Vergleichsschaltung 50 und
den nichtinvertierenden Eingang der Vergleichsschaltung 52 angelegt.
An den nichtinvertierenden Eingang der Vergleichsschaltung 50 und
den invertierenden Eingang der Vergleichsschaltung 52 wird die
Vorspannung Vc angelegt. Die Vergleichsschaltungen müssen offene
Kollektorenausgänge
haben, wie sie in einem LM339 IC Chip zu finden sind.
-
Der
Audioverstärker 10 umfasst
den Operationsverstärker 82,
der ein LM386 IC sein kann, und den zugehörigen Widerstand 84 sowie
die zugehörigen
Kondensatoren 86 und 88.
-
Das
abgestimmte Audiofilter 54 enthält die Kondensatoren 60 und 62 und
die Widerstände 64 und 66.
In der bevorzugten Ausführungsform
hat der Kondensator 60 die Kapazität 0,01 μF, der Kondensator 62 die
Kapazität
0,047 μF,
und die Widerstände 64 und 66 sind
beide 1 K Ohm.
-
Die Überlagerung
zum Verschieben der Frequenz des ermittelten Ultraschallsignals
in den hörbaren
Bereich erfolgt durch Kommutierung der Eingänge des abgestimmten Audiofrequenzfilters 54 bei der
Hochfrequenz von 37,2 kHz und anschließendes differenzielles Filtern
und Anlegen des Ausgangs an den Audioverstärker 10. Das Ultraschalleingangssignal
wird durch die Kondensatoren 56 und 58 an die Eingänge des
abgestimmten Audiofilters 54 angelegt. An alternierenden
Halbwellen kommutieren die Ausgänge
der Vergleichsschaltungen 50 und 52 das Ultraschallsignal,
das an die Differenzeingänge
des Operationsverstärkers 82 geht.
Die Gleichtaktunterdrückung
des Operationsverstärkers 82,
kombiniert mit der Filtertätigkeit
des Filters 54, extrahiert das überlagerte Audio, das an dem
Ausgang des Operationsverstärkers 82 erscheint.
Das extrahierte Audio wird durch den Kondensator 94 an
die Ausgangsschaltung gekoppelt. In der beschriebenen Ausführungsform
ist die Bandbreite der Überlagerungsschaltung 9, 10 ungefähr 0 bis
20 kHz im Vergleich zur Bandbreite von 20 kHz bis 100 kHz der Vorverstärkerschaltung 7.
-
Die
Ausgangsschaltung ist in 2B abgebildet
und umfasst den niederohmigen Audioausgang 11 und eine
logarithmische LED-Anzeige 13. Der Audioausgang 11 beinhaltet
den Cinch-Stecker 96 und die Widerstände 98 und 100.
Er eignet sich zum Ansteuern von 8- oder 16 Ohm-Lautsprechern oder
-kopfhörern
bei einem festen Ausgangspegel, und er eignet sich außerdem als
Eingang für
Signalprozessoren oder -analysatoren.
-
In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
hat die logarithmische Anzeige einen LED-Ansteuerungschip mit logarithmischer
Antwort 102, zum Beispiel der logarithmische Chip NSC 3915,
der verwendet wird, um eine aus 10 Segmenten bestehende LED-Balkenanzeige 104 anzusteuern.
Der NSC 3915 ist eine bewährte,
kostengünstige
Vorrichtung, und er ist für
diese Zwecke präzise
und effizient.
-
Die
logarithmische Anzeigeschaltung 13 wird von einem Halbwellengleichrichter 12 angesteuert, der
aus den Widerständen 106, 108, 110 und 112, dem
Kondensator 114, der Diode 116 und dem Transistor 118 besteht.
Der Gleichrichter 12 korrigiert das überlagerte logarithmisch gedämpfte Audiosignal und
führt es
dem logarithmischen Anzeigechip 102 als Mittelwertsignal
zu.
-
Wie
zu erkennen ist, konvertiert die Verwendung des logarithmischen
(log) Dämpfungsglieds
zusammen mit der logarithmischen Ausgangsanzeige das Eingangssignal
in ein Dezibelanzeigeformat. Die 8 Positionen des Dämpfungsglieds
bieten sowohl einen weiten dynamischen Bereich als auch feste Referenzpunkte,
d. h. jede Schalterposition liefert eine Dämpfung in einer bekannten Höhe. Messpotentiometer
können
diese Art von Genauigkeit nicht bieten. Wenn zum Beispiel zwei Signale
mit stark unterschiedlicher Amplitude verglichen werden sollen, kann
das Dämpfungsglied
verwendet werden, um den Amplitudenbereich des größeren Signals
zu verkleinern oder den des kleineren zu vergrößern, und dann können sie
genau gemessen oder verglichen werden. Die Differenz zwischen dem
Bereich der Amplitudenbereiche des größeren und des kleineren Signals
erfährt
man aus dem erforderlichen Grad an Dämpfung, der aus der Schalterposition
ersichtlich ist. Die Verwendung von festen Referenzpunkten (die verwendet
werden, um den Basispegel oder den Grundgeräuschpegel zu bestimmen) verleiht
diesem Sensor die Anpassungsfähigkeit,
als Präzisionsgerät verwendet
zu werden und wiederholbare Messungen zu ermöglichen.
-
Zusätzliche
Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit
kann erreicht werden, indem man eine kegelförmige, entfernbare Fokussiersonde 5 verwendet, die
in den 3A und 3B gezeigt
wird. Die Verwendung der Sonde 5 als Front-End des Ultraschallumwandlers 6 erhöht die Richtwirkung
und vergrößert die
Signalverstärkung
um weitere 10 dB bis 12 dB. Ferner führt die Fokussiersonde 5 Ultraschall
in dem Einzelumwandler 6 zusammen. Dieses Zusammenführen verringert
die Möglichkeit,
dass dem Benutzer ein Leck entgeht, das durch den Empfang und/oder
die Positionierung von Nullstellen bedingt ist, die auftreten, wenn
Multiumwandler verwendet werden, die Umwandlermodule empfangen.
-
In
einer alternativen Anwendung, die in 4A gezeigt
wird, kann der Ultraschalldetektor 206 mit einem Schmierungswerkzeug,
zum Beispiel einer Fettspritze 200, verbunden werden, das
einen Stutzen 202 und einen Schmiernippeladapter 204 aufweist.
Die Ultraschallsschaltung ist in dem Gehäuse 208 angeordnet,
das mit den VelcroTM-Streifen 212 an
dem Körper
der Fettspritze 200 befestigt ist. Alternativ kann das
Gehäuse 208 mit
Clips, Kabelbindern oder beliebigen anderen geeigneten Mitteln,
zum Beispiel durch Schweißen
oder mit Klebstoffen, an der Fettspritze 200 befestigt
werden.
-
Der
Ultraschallumwandler 6 (nicht abgebildet) ist in dem Gehäuse 210 angeordnet
und mit dem Kabel 209 an die Ultraschallschaltung angeschlossen.
Das Umwandlergehäuse 210 ist
an der Fettspritze 200 entlang des Stutzens 202 in
der Nähe
des Schmiernippeladapters 204 oder an dem Adapter 204 selbst
befestigt. Eine Version des Umwandlergehäuses 210, ein Clip-on-Typ,
ist in 4B dargestellt. Es sei jedoch
angemerkt, dass der Umwandler 6 durch eine beliebige andere
Einrichtung, die ihn in akustischen Kontakt mit dem Schmiernippeladapter 204 oder
dem Stutzen 202 bringt, befestigt werden kann. Weitere
Möglichkeiten
der Befestigung des Umwandlers an der Fettspritze beinhalten Riemen oder
magnetische Befestigungsmittel. Alternativ kann der Stutzen 202 oder
der Schmiernippeladapter 204 speziell mit Mitteln ausgeführt sein,
um ein in geeigneter Weise geformtes Gehäuse 210 sicher aufzunehmen.
-
Wenn
eine mechanische Vorrichtung verwendet wird, bewirkt die interne
Reibung die Erzeugung von Ultraschall. Wenn ein Schmiermittel aufgetragen
wird und die Reibungsflächen
oder Ultraschall erzeugenden Flächen
erreicht, nimmt die Intensität des
erzeugten Ultraschalls ab. Das Koppeln eines Ultraschalldetektors
mit einem Schmierungswerkzeug, zum Beispiel eine Fettspritze, erlaubt
es einem Einzelbenutzer, Schmiermittel auf eine mechanische Vorrichtung
aufzutragen und gleichzeitig die Intensität der Ultraschallenergie, die
von dieser Vorrichtung erzeugt wird, zu kontrollieren. Dies erlaubt
es dem Benutzer zu erkennen, wann die nachgewiesene Ultraschallenergie
auf ihren niedrigsten Pegel sinkt und somit wann genügend Schmierung
aufgetragen wurde.
-
Bei
einer Einsatzmöglichkeit
für diese
Anwendung kann die Fettspritze 200 verwendet werden, um
das abgedichtete Lager 220 zu schmieren. Da das Lager 220 abgedichtet
ist, gibt es normalerweise keine Möglichkeit festzustellen, wann
die geeignete Menge an Schmiermittel die Reibungsbereiche, zum Beispiel
den Laufring und die Kugellager, erreicht hat. Zu viel Schmiermittel
kann den Innendruck des Lagers aufbauen und Schäden verursachen, oder es kann
die Dichtung „heraustreiben", so dass Fremdkörper in
das Lager eindringen können. Zu
wenig Schmiermittel kann zur Überhitzung
und zur Blockierung der Lager durch übermäßige Reibung führen. Ein ähnliches
Problem tritt auf, wenn andere abgedichtete mechanische Vorrichtungen
wie zum Beispiel Getriebekästen
oder Getriebe geschmiert werden.
-
Im
Einsatz ist der Schmiernippeladapter 204 an dem Schmiernippel 214 auf
dem Lager 220 befestigt. Der Schmiernippeladapter 204 fungiert
dann als Wellenleiter, der den Ultraschall, der von dem abgedichteten
Lager 220 erzeugt wird, an den Umwandler 6 überträgt. Wenn
das Schmiermittel aufgetragen wird, wird der Pegel an Ultraschall,
der von dem Lager 220 erzeugt wird, optisch auf der LED-Balkenanzeige 104 und
akustisch durch Kopfhörer
(nicht abgebildet), die mit dem Cinch-Stecker 96 verbunden sind,
angezeigt. Siehe 4C. Wie in 4C gezeigt,
kann das Abfallen des Pegels an nachgewiesener Ultraschallenergie
genau gemessen werden, wenn man die festen Dämpfungssollwerte verwendet,
die mittels des Dämpfungsschalters 28 und durch
die Kontrolle der LED-Balkenanzeige 104 auf dem Bedienfeld
des Bauteils wählbar
sind.
-
Das
Schmiermittel wird in das Lager 220 gefüllt, bis der ermittelte Ultraschallpegel
seinen niedrigsten Stand erreicht, was ein Zeichen dafür ist, dass genügend Schmiermittel
aufgetragen wurde. Da der Detektor die Differenzen in der Amplitude
des Ultraschallsignals genau messen kann, hat der Benutzer die Möglichkeit
zu verhindern, dass das Lager „überfüllt" wird und infolgedessen
die Dichtung herausgetrieben wird.
-
Diese
Ausführungsform
kann auch verwendet werden, um defekte Lager zu erkennen. Im Einsatz
erzeugen fehlerfreie Lager einen normalen Basispegel an Ultraschallenergie.
Wenn dieser Energiepegel gemessen wird, entspricht er einer spezifischen
Position des logarithmischen Dämpfungsschalters 28 und
einer bestimmten Anzahl an Leuchtbalken auf der LED-Anzeige 104.
Dieser Pegel kann ermittelt werden, indem man zum Beispiel die Fettspritze 200 an
einem richtig geschmierten Lager befestigt, von dem bekannt ist,
dass es sich in gutem Zustand befindet, und dann den ermittelten
Ultraschall misst. Die festen Referenzpunkte stellen sicher, dass
diese Messung wiederholbar ist, und erlauben es dem Wert, als Referenz
oder Basis verwendet zu werden, wenn spätere Messungen durchgeführt werden.
-
In
der Praxis befestigt ein Bediener den Schmiernippeladapter 204 der
Fettspritze 200 an dem Schmiernippel 214 auf dem
Lager 220 und misst dann die Intensität des emittierten Ultraschalls.
Wenn der nachgewiesene Pegel höher
ist als der vorherbestimmte Basispegel, kann das Schmiermittel aufgetragen
werden, bis der nachgewiesene Ultraschallpegel seinen niedrigsten
Stand erreicht. Selbst nach dem Schmieren eines defekten Lagers
erzeugt es jedoch immer noch einen höheren Ultraschallpegel als normalerweise.
Die Anzahl an Dezibels über
dem Basismesswert zeigt an, in welchem Stadium eines Defekts sich
das Lager befindet.
-
Ein
Messwert von 8 dB über
dem Basismesswert zeigt an, dass sich das Lager in einer Vorstufe
eines Defekts, dem frühesten
Stadium des Defekts, befindet. In diesem Stadium kann das Lager entstandene
Defekte aufweisen, die für
das menschliche Auge nicht sichtbar sind, zum Beispiel Haarrisse oder
mikroskopische Splitter. Aufgrund der festen Referenzpunkte und
der 3 dB/Balken-Skala der LED-Balkenanzeige kann selbst dieser kleine
Anstieg an erzeugter Ultraschallenergie genau gemessen werden.
-
Ein
Messwert von 16 dB über
dem Basismesswert zeigt an, dass sich das Lager in einem defekten
Stadium befindet. Bei diesem Pegel sollte das Lager ausgetauscht
oder häufig
kontrolliert werden. Wenn der nachgewiesene Ultraschallpegel 35-50
dB über
dem normalen Pegel liegt, befindet sich das Lager in einem Katastrophenstadium,
und ein kurzfristiger Ausfall steht unmittelbar bevor. Dies ist
ein höchst gefährlicher
Zustand, da sich die Lagerabstände
vergrößern und
im Innern eines Geräts
zusätzliche
Reibung und Scheuern erzeugen, und somit eventuelle Schäden an anderen
Bauteilen verursachen.
-
Es
sei angemerkt, dass diese Anwendung, auch wenn die zuvor behandelte
Diskussion eine einzige Anwendung verwendete, um ein abgedichtetes Lager
zu schmieren und zu prüfen,
auch zusammen mit anderen abgedichteten mechanischen Vorrichtungen,
zum Beispiel Getriebekästen
und Getriebe, für
die selben Zwecke verwendet werden kann.
-
Die
Erfindung wurde zwar insbesondere unter Bezugnahme auf bevorzugte
Ausführungsformen von
ihr dargestellt und beschrieben, doch der Fachmann wird erkennen,
dass verschiedene Änderungen
in Form und Details an ihr vorgenommen werden können, ohne vom Schutzgebiet
der Erfindung, wie es durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.