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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine zerstörungsfreie Prüfvorrichtung
zum Untersuchen, Verwaltung und Auswerten der Konstruktion und der
Verschlechterung einer Struktur oder eines Materials wie Beton in
einem Gebäude
und einem technischen Werk.
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STAND DER
TECHNIK
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Um
eine zerstörungsfreie
Prüfung
einer Betonstruktur durch Verwendung einer elastischen Welle zu erzwingen,
ist es erforderlich, eine Reflexionswelle oder eine Durchgangswelle,
die sich durch das Innere des Betons fortpflanzt, genau zu erfassen.
D.h., in Anbetracht der Größe einer
Brücke,
einer Straße,
eines Damms, eines Gebäudes
oder dergleichen, die zu untersuchen sind, ist ein Wellensender
erforderlich, der die Fähigkeit hat,
die elastische Welle mit dem Pegel einer erfassbaren Vibrationsfrequenz
wirksam in das Messobjekt zu injizieren, selbst wenn die Welle mehrere
zehn Zentimeter bis mehrere zehn Meter durch das Innere des Betons
hindurchgeht. Anders als bei einem gleichförmigen Material wie Metall
ist in dem Fall von Beton, wenn eine akustische Welle in dem Band
von etwa mehreren MHz, die für
ein metallisches Material verwendet wird, in den Beton eingeführt wird,
die Dämpfung
schwerwiegend und die Reichweite ist kurz. Somit ist es unmöglich, die
akustische Welle für
den Beton zu verwenden. Aus diesem Grund muss das Band von mehreren
zehn Hz bis zu mehreren zehn kHz verwendet werden.
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Herkömmlich werden
bei dem zerstörungsfreien
Prüfen
einer derartigen technischen Gebäudestruktur aus
Beton die Messung der akustischen Geschwindigkeit oder einer Dicke
des Messobjekts und eine Schlussfolgerung für eine innere Struktur oder
eine Position eines anomalen Bereichs durchgeführt mit einem einen Schlaghammer
verwendenden Schlagverfahren mit elastischer Welle, und durch Überschallprüfungen wie
einem Impulsreflexionsverfahren, bei dem eine einen piezoelektrischen
Vibrator verwendende Sonde als ein Wellensender für eine Überschallwelle
verwendet wird, ein Übertragungsverfahren
und ein Resonanzverfahren.
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Das
den piezoelektrischen Vibrator bildende piezoelektrische Material,
das übermäßig als
ein Wellensender für
eine Überschallwelle
verwendet wurde, erzeugt eine Verformung entsprechend der Größe eines elektrischen
Feldes. Der piezoelektrische Vibrator hat eine Struktur, bei der
das piezoelektrische Material zwischen Elektroden angeordnet ist,
und er gibt eine große
Vibration aus bei einer Frequenz, bei der seine Dicke der halben
Wellenlänge
einer Längswelle
des piezoelektrischen Materials entspricht. Im Allge meinen ist ein mechanischer
Q-Wert des piezoelektrischen Materials hoch und der Ausgangswirkungsgrad
von anderen als diesem mechanischen Resonanzpunkt ist merkbar verschlechtert.
Demgemäß sollte,
um eine Vibration in dem Band zu erhalten, das für die Diagnose der Betonstruktur
erforderlich ist, die Dicke des piezoelektrischen Vibrators mehrere
zehn Zentimeter oder mehr betragen. Jedoch ist es sehr schwierig;
einen piezoelektrischen Vibrator mit einer solchen Größe auszubilden.
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D.h.,
die den piezoelektrischen Vibrator verwendende Sonde ist geeignet
für die
Ausgabe einer Überschallwelle
mit einer gleichförmigen
Frequenz, die aufgrund seiner Eigenschaften gleich oder höher als
mehrere zehn MHz ist. Aus diesem Grund besteht eine Grenze für die Messung
bei der zerstörungsfreien
der Betonstruktur, in der die Hochfrequenzwelle merklich gedämpft wird.
Insbesondere wird, da es schwierig ist, die Energie einer Niedrigfrequenzwelle
zu erhalten, die benötigt
wird zum Erfassen der Ultraschallwelle, die sich über mehrere
zehn Meter oder länger
fortpflanzt, durch den piezoelektrischen Vibrator, ein Schlaghammer,
das Herabfallen eines Metallgewichts oder dergleichen verwendet.
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Der
Schlaghammer wird übermäßig verwendet
in einem weiten Gebiet aus den Gründen wie seiner Einfachheit
und der Größe der Schlagenergie.
Das Vibrationsband beträgt
mehrere zehn kHz. Er wird auch verwendet für die zerstörungsfreie Prüfung einer
langen und großen
Betonstruktur. Bei einer derartigen Betonstruktur ist, um die Reflexionswelle
zu erhalten, eine Welle mit einer bestimmten Wellenlänge oder
mehr erforderlich. Jedoch kann die Reflexionswelle in einem Signal
des Schlages begraben sein. Es ist erforderlich, die Intensität des Schlages
geeignet einzustellen, um den Zweck der Messung zu treffen. D.h.,
dies hängt
in großem
Maße von
der Erfahrenheit oder dem Gefühl
des Prüfers
ab. Andererseits ist es schwierig, die Vibrationskraft immer konstant
zu halten. Die beobachtete Wellenform variiert bei jedem Schlag.
Dies führt
zu einer Schwankung der Auswertung. Das Vibrationsband beträgt etwa
1 KHz, aber es ist unmöglich,
die Frequenz wie gewünscht
zu steuern. Insbesondere ist es schwierig, die Reflexionswelle in
einem kurzen Abstand zu erfassen aufgrund der Beeinträchtigung
durch ihre Echowelle.
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Die
Arbeitsweise eines Überschallwellen-Prüfverfahrens
unter Verwendung des piezoelektrischen Vibrators wird nun beschrieben.
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Ein
Impulsreflexionsverfahren und ein Durchgangsverfahren sind bekannt
als Messverfahren unter Verwendung der Ultraschallwelle.
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Das
Impulsreflexionsverfahren und das Durchgangsverfahren sind ein Verfahren,
bei dem die impulsartige Ultraschallwelle von der Oberfläche der
Struktur aus eingeführt
wird, eine Zeitperiode, bis die Reflexionswelle hiervon zurückkehrt,
oder eine Zeitperiode, bis sich die Durchgangswelle fortpflanzt,
wird gemessen, die akustische Fortpflanzungsgeschwindigkeit oder
die Dicke oder der Abstand zu der Reflexionsfläche des Messobjekts wird erhalten
aus der Zeitperiode, um hierdurch auf die innere Struktur oder die
Abwesenheit/Anwesenheit des Schadens des Messobjekts zu schließen. Andererseits
ist das Resonanzverfahren ein Verfahren, bei dem eine Wellenlänge der
Ultraschallwelle, die in das Messobjekt einzuführen ist, kontinuierlich geändert wird
durch Überstreichen
der Fre quenz eines Oszillators vom piezoelektrischen Typ, um die
Resonanzfrequenz zu messen, und die Plattendicke wird anhand der
Frequenz gemessen.
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Weiterhin
gibt es als ein Verfahren zum Messen einer akustischen Fortpflanzungsgeschwindigkeit oder
einer Dicke des Messobjekts ein Rumsingverfahren, bei dem der eingeführte Ultraschallwellenimpuls durch
einen Wellenempfänger
an der Endfläche
erfasst wird und der erfasste Impuls als ein Auslöser verwendet
wird, um die Oszillation des Ultraschallwellenimpulses zu wiederholen.
Gemäß diesem
Verfahren wird eine Impulsreihe in einem konstanten Zyklus erzeugt.
Dieser Zyklus ist identisch mit der Verzögerungszeit des Impulses, um
sich durch das Messobjekt fortzupflanzen. Es ist daher möglich, die
akustische Fortpflanzungsgeschwindigkeit oder die Dicke des Messobjekts
zu erhalten.
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Die
Arbeitsweise des Schlagverfahrens mit elastischer Welle unter Verwendung
des Schlaghammers wird nun beschrieben.
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Das
Schlagverfahren mit elastischer Welle ist ein Verfahren, bei dem
der Hammerschlag auf das Messobjekt ausgeübt wird, so dass eine ordnungsgemäße Vibration,
die dem Objekt an sich zugehörig
ist, angeregt und bei der Messung verwendet wird. Dieses Verfahren
kann in weitem Umfang angewendet werden bei Beton, Bausteinen, einem
Ziegelmaterial, einer Holzstruktur, einem laminierten Material,
einem unter der Erde vergrabenen Objekt oder dergleichen, und es
wird in weitem Maße
verwendet als ein zerstörungsfreies Untersuchungsverfahren
aufgrund der Einfachheit, die Prüfung
durchzuführen.
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20 ist eine Ansicht, die die Ausbildung
des Schlagverfahrens mit elastischer Welle unter Verwendung des
Hammers zeigt. In der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 311 einen
Hammer, die Bezugszahl 312 bezeichnet einen Schlagempfangssensor,
die Bezugszahl 313 bezeichnet einen Empfänger für eine elastische
Welle, die Bezugszahl 314 bezeichnet ein Speicheroszilloskop
und die Bezugszahl 315 bezeichnet ein Messobjekt.
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Die
Arbeitsweise des Reflexionswellen-Messverfahrens durch Hämmern wird
nun beschrieben. Der Schlagempfangssensor 312 wird auf
die Messobjektfläche
des Messobjekts 315 aufgesetzt und der Hammer 311 schlägt auf die
Oberfläche.
Um die Genauigkeit der Messung zu dieser Zeit zu erhöhen, ist
es erforderlich, aufmerksam zu sein und die Intensität des Schlages
in Abhängigkeit
von dem Messzweck oder dem Material des Messobjekts 315 einzustellen
und sicherzustellen, dass der Schlag nur einmal gegeben wird. Die
in das Messobjekt 315 durch den Schlag eingeführte elastische
Welle schreitet durch das Innere des zu messenden Objekts 315 fort,
während
sie an einem anomalen Bereich wie der gegenüberliegenden Oberfläche des
Messobjekts, einer inneren Struktur oder einer Beschädigung oder
einem Spalt reflektiert wird, so dass ein Teil hiervon den Schlagempfangssensor 312 erreicht.
Das Ausgangssignal des Schlagempfangssensors 312 geht durch
ein Filter hindurch und die Wellenform der Frequenz entsprechend
dem Zweck der Messung wird herausgezogen. Wenn die Impulswelle durch
den Schlag als ein Auslösesignal
für das
Speicheroszilloskop 314 gegeben ist, um die Reflexionswelle
aufzufangen, kann die Zeitperiode von der Hammerschlagzeit bis zur
Ankunft der Reflexionswelle gemessen werden. Somit wird der Abstand
bis zu der Oberfläche,
an der die Reflexionswelle erzeugt wird, aus der gemessenen Zeit
und der akustischen Geschwindigkeit des Materials erhalten werden.
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Bei
der herkömmlichen
Diagnose einer Betonstruktur gibt es, da die akustische elastische
Welle durch Verwendung des Hammers oder des Wellensensors für die Ultraschallwelle
wie vorbeschrieben erzeugt wird, die folgenden Probleme.
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Ultraschallwellen-Prüfverfahren
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- (1) Der Wellensender für die Ultraschallwelle
ist geeignet für
die Ausgabe der akustischen elastischen Welle mit einer Frequenz
von mehreren zehn kHz oder mehr in Anbetracht der Ausbildung des
Vibrators des Oszillators vom piezoelektrischen Typ. Aus diesem
Grund kann das Verfahren für
die Messung eines Materials, das eine geringe Dämpfung innerhalb eines Mediums
wie Metall hat, oder eines dünnen
Materials angewendet werden. Jedoch ist in dem Fall eines Messobjekts
wie Beton, bei dem die Dämpfung
innerhalb eines Mediums schwerwiegend ist, der erreichte Abstand
der Übertragung
oder Reflexion kurz, und es ist schwierig, das Verfahren für die Diagnose
der langen und großen
Betonstruktur anzuwenden.
- (2) Um die Reflexionswelle zu identifizieren, ist ein spezialisiertes
Wissen erforderlich. Insbesondere ist es in dem Fall einer komplizierten
Form oder einer komplizierten inneren Struktur schwierig, sie auszuwerten.
- (3) In dem Fall, in welchem der Ausbreitungsabstand lang ist
und die Dämpfung
schwierig ist, oder in dem Fall, in welchem die Reflexion von der
inne ren Struktur oder dem anomalen Bereich oder dergleichen des Messobjekts
schwach ist, ist die Amplitude der zu erfassenden Reflexionswelle
sehr klein mit demselben Pegel wie dem des Rauschens. In einem derartigen
Fall tritt ein Fehler bei der Erfassung der Reflexionsposition oder
der Geschwindigkeit auf.
- (4) Jedes der Verfahren erfordert eine spezielle Signalverarbeitung
oder Beurteilung anhand der Gestalt der Reflexionswelle, was ein
spezielles Wissen verlangt.
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Elastisches
Schlagverfahren
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- (1) Der Hammer ist gebunden, wenn die Vibration
zugeführt
wird. Als eine Folge wird die Vibrationszuführung mehrere Male in einem
kurzen Zyklus durchgeführt.
Aus diesem Grund ist die Reflexionswelle in dem Vibrationssignal
versteckt oder das Signal kann nicht von der Reflexionswelle unterschieden
werden. Demgemäß ist eine
genaue Messung schwierig. Um dies zu vermeiden, muss der Prüfer für die Vibrationszuführung gut
ausgebildet sein.
- (2) Da die Intensität
der Vibration manuell eingestellt ist, wird ein für die Messung
geeignetes Signal, d.h., die Intensität, die ausreichend ist, um
die Reflexion zu erzielen, nicht erhalten, die Vibration ist zu
hoch, um das beabsichtigte Schlagsignal zu werden, um den dynamischen
Bereich des Verstärkers
oder des Beschleunigers auszurangieren, und statt dessen wird eine
komplizierte Frequenzkomponente erzeugt. Wenn die Frequenzkomponente
nahe der Eigenvibration der Struktur ist, wird ein fehlerhafter
gemessener Wert dargestellt.
- (3) D.h., es gibt keine Reproduzierbarkeit der Vibration und
das Messergebnis schwankt entsprechend dem Geschicklichkeitsgrad
des Prüfers.
- (4) In dem Fall, in welchem die Dicke der Struktur relativ dünn ist,
ist eine Hauptkomponente der Vibration durch den Hammer manchmal
niedriger als die Eigenfrequenz der Struktur. In diesem Fall ist
die Reflexionswelle versteckt durch den Widerhall nach der Vibrationszuführung, und
es ist schwierig, die Reflexionswelle zu erfassen.
- (5) Es ist unmöglich,
die Vibrationssteuerung wie die Änderung
der Vibrationszuführungsfrequenz
in gewünschter
Weise durchzuführen
oder die Vibration unter der Rückführung zuzuführen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorbeschriebene Probleme
zu lösen,
und es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine zerstörungsfreie
Prüfvorrichtung
für eine
Betonstruktur vorzusehen, mit der eine hoch reproduzierbare, stabile,
hochgenaue Prüfung
durchgeführt
werden kann ohne dass die Geschicklichkeit oder Erfahrung einer
Bedienungsperson erforderlich ist, und die leicht ist und nicht
besonders ein spezielles Wissen für die Auswertung benötigt.
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US 4 566 084 bezieht sich
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen von Materialien unter Verwendung
einer geschlossenen Schleife, die durch ein Verstärkersystem
mit variabler Verstärkung
gebildet ist, das zwischen einen elektroakustischen Generator und
einen Empfänger
geschaltet ist. Die Verstärkung des Verstärkersystems
wird erhöht,
bis ungedämpfte
Schwingungen erzeugt werden. Die Frequenz der Schwingungen und die
Verstärkung
des Verstärkers
werden als Anzeige für
die Eigenschaften des Materials verwendet. Die geschlossene Schleife
enthält
ein Filter zum Entfernen von Störsignalen.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Aspekte
der Erfindung sind in den begleitenden Ansprüchen mit dem einzigen unabhängigen Anspruch
1 dargestellt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Ansicht, die eine Systemkonfiguration einer zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Ansicht, die die Ausbildung eines Wellensenders der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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3 ist
eine Ansicht, die ein Steuersystem mit positiver Rückführung der
zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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4 ist
ein Blockschaltbild, das ein Rückführungs-Steuersystem
der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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5 ist
eine Ansicht, die ein Tafeldiagramm des positiven Rückführungssystems
unter Verwendung eines Tiefpassfilters in der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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6 ist
eine Ansicht, die ein Tafeldiagramm des positiven Rückführungssystems
unter Verwendung eines Bandpassfilters in der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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7 ist
eine Ansicht, die die Ausbildung eines Verstärkers, der mit einer Steuerfunktion
für eine
automatische Verstärkungsrate
versehen ist, in der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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8 ist
eine Ansicht, die ein Beispiel für
ein Ausgangssignal in einem Frequenzband in Übereinstimmung mit der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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9 ist
eine Ansicht, die ein Simulationsbeispiel für ein Steuersystem ohne eine
positive Rückführung in Übereinstimmung
mit der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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10 ist
eine Ansicht, die ein Simulationsbeispiel (mit der positiven Rückführung) des
Steuersystems für
positive Rückführung bei
der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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11 ist
eine Ansicht, die ein Messbeispiel für einen Übergangszustand durch die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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12 ist
eine Ansicht, die ein Messbeispiel für einen Normalzustand durch
die zerstörungsfreie
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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13 ist
eine Ansicht, die ein Beispiel für
eine Dickenmessung durch die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt;
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14 ist
eine Ansicht, die die Ausbildung eines variablen Filters in Übereinstimmung
mit einer zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
2 dieser Erfindung zeigt;
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15 ist
eine Ansicht, die eine Frequenzcharakteristik eines idealen Bandfilters
gemäß dem Ausführungsbeispiel
2 dieser Erfindung zeigt;
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16 ist
eine Ansicht, die eine interne Struktur des Messobjekts gemäß dem Ausführungsbeispiel
2 nach dieser Erfindung zeigt;
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17 ist
eine Ansicht, die eine Charakteristik des variablen Filters der
zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
2 nach dieser Erfindung zeigt;
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18 ist
ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für einen Messvorgang unter Verwendung
der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
2 nach dieser Erfindung zeigt;
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19 ist
ein Flussdiagramm, das ein anderes Beispiel für einen Messvorgang unter Verwendung
der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
2 nach dieser Erfindung zeigt; und
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20 ist eine Ansicht, die eine Systemkonfiguration
für ein
herkömmliches
Verfahren mit akustischer elastischer Welle durch einen Hammer zeigt.
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BESTE ART
DER AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Ausführungsbeispiel 1
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Eine
zerstörungsfreie
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 nach dieser Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist
eine Ansicht, die eine Systemkonfiguration der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung zeigt. 2 ist eine
Ansicht, die die Ausbildung eines magnetostriktiven Vibrators der
zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 nach dieser Erfindung zeigt. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben
Bezugszahlen dieselben oder entsprechende Teile.
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In 1 bezeichnet
die Bezugszahl 5 eine magnetisch erregte Stromzuführungsvorrichtung,
die Bezugszahl 6 bezeichnet ein Messobjekt, die Bezugszahl 7 bezeichnet
einen Wellenempfänger,
die Bezugszahl 8 bezeichnet ein Filter, die Bezugszahl 9 bezeichnet
einen Verstärker,
der mit einer Steuerfunktion für
eine automatische Verstärkungsrate
ausgestattet ist, die Bezugszahl 10 bezeichnet einen Signalprozessor
zum Verarbeiten eines von dem Wellenempfänger 7 erfassten Signals,
die Bezugszahl 11 bezeichnet eine Anzeigevorrichtung für die Darstellung
einer von dem Wellenempfänger 7 erfassten
Signalwellenform oder eines durch den Signalprozessor 10 erhaltenen
Prozessergebnisses, und die Bezugszahl 20 bezeichnet einen
Wellensender.
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In 2 bezeichnet
die Bezugszahl 1 ein magnetostriktives Element, die Bezugszahl 2 bezeichnet
einen magnetostriktiven Vibrator, die Bezugszahl 3 bezeichnet
eine magnetisch erregende Spule, und die Bezugszahl 4 bezeichnet
einen magnetisch vorspannenden Permanentmagneten. Dieser magnetostriktive
Vibrator 2 bildet den Wellensender 20. Der Pfeil
zeigt eine Vibrationsrichtung an.
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Die
Arbeitsweise der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 wird nun beschrieben.
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Ein
magnetostriktives Material hat solche Eigenschaften, dass, wenn
es innerhalb des magnetisches Feldes angeordnet ist, das Material
eine leichte Verformung in seiner Richtung erzeugt und die Größe der Verformung
und die Richtung der Verformung sind bestimmt entsprechend der Intensität und der
Richtung der Magnetisierung. Für
das magnetostriktive Element 1 werden dünne Platten aus magnetostriktivem
Material in eine geeignet Form geschnitten, thermisch und magne tisch
behandelt und nacheinander dem Isolierungsprozess unterzogen. Die
Schichten werden durch einen Klebstoff miteinander befestigt. Mit
einer derartigen Schichtkonfiguration wird der durch die magnetische
Erregung erzeugte Wirbelstromverlust herabgesetzt. Der magnetostriktive
Vibrator 2 wird gebildet durch Anbringen einer magnetisch
erregenden Spule 3 vom Solenoidtyp an einem Kernmaterial
des magnetostriktiven Elements 1. Wenn der magnetisch erregte
Strom durch diese magnetisch erregende Spule 3 fließt, wird
das magnetische Feld in dem Inneren der magnetisch erregenden Spule 3 gemäß seiner
Größe erzeugt.
Das magnetostriktive Element 1 erzeugt eine Verformung
entsprechend der Größe des erzeugten
magnetischen Feldes.
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In
dem Fall, in welchem das magnetostriktive Material die Eigenschaften
hat, dass es sich in einer konstanten Richtung verändert ungeachtet
der Richtung der Magnetisierung, hat die Vibration einen Zyklus,
der zweimal so groß ist
wie der des magnetisch erregten Stroms, und es ist unmöglich, die
Oszillation wie gewünscht
zu erhalten, selbst wenn eine Rückführschleife
gebildet ist. Demgemäß ist der
magnetisch vorspannende Permanentmagnet 4 an dem magnetostriktiven
Vibrator 2 befestigt, um eine magnetische Vorspannung für die geeignete
Einstellung des Arbeitspunktes zu geben.
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Der
Resonanzfrequenzpunkt des magnetostriktiven Vibrators 2 wird
durch seine Länge
bestimmt. Beispielsweise ist eine Länge des minimalen magnetostriktiven
Elements mit einer Resonanzfrequenz von 10 kHz etwa 25 cm, wenn
die Longitudinalwellengeschwindigkeit des magnetostriktiven Materials
5000 m/s beträgt. Es
ist möglich,
den magnetostriktiven Vibrator mit einer de rartigen Größe leicht
herzustellen. Im Vergleich mit dem piezoelektrischen Vibrator ist
der mechanische Q-Wert
des magnetostriktiven Vibrators niedrig. Demgemäß ist die Verschlechterung
des Ausgangswirkungsgrads niedrig, selbst bei einer anderen Frequenz
als der mechanischen Resonanz.
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Da
der magnetostriktive Vibrator 2 eine derartige Ausbildung
hat, wird auch eine durch die Vibration bewirkte Beanspruchung nicht
auf die magnetisch erregende Spule 3 ausgeübt. Die
Richtung des Laminats und die Vibrationsrichtung sind vertikal,
und eine Beanspruchung, die den Klebstoff zwischen den Schichten abschält, wird
nicht ausgeübt.
Der magnetostriktive Vibrator 2 hat somit eine mechanische
Festigkeit, die äquivalent
der Materialfestigkeit des magnetostriktiven Materials ist.
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Das
den magnetostriktiven Vibrator 2 bildende magnetostriktive
Element 1 hat eine positive Verformungscharakteristik,
so dass die Länge
hiervon mit Orientierung vergrößert wird,
wenn es magnetisch erregt ist. Das magnetostriktive Element 1 ist
so gebildet, dass mehrere magnetostriktive dünne Platte mit einer auf Metall
basierenden Kristallausbildung aus Eisenchromlegierung oder Eisenkobaltlegierung
oder dergleichen aufeinander laminiert sind unter der Bedingung,
dass die jeweiligen magnetostriktiven dünnen Platten elektrisch isoliert
sind, und die Platten sind integral mit einem thermisch härtbaren
Harz verbunden, um einen starren Körper zu bilden. Eine praktische
magnetostriktive dünne
Platte mit der positiven Verformungscharakteristik kann in geeigneter
Weise eine magnetostriktive Fe-Co-Legierung sein, die in der Japanischen
Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. Hei 10-88301 mit dem Titel "Verfahren zum Her stellen
von Fe-Co-Legierungsplatten" offenbart
ist (z.B., C: 0,008 Gew.-%, Si: 0,08 Gew.-%, Mn: 0,07 Gew.-%, Co:
49,22 Gew.-%, V: 1,546 Gew.-%, Fe: der Rest).
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Da,
je niedriger die Frequenz des magnetisch erregten Stroms ist, desto
größer die
Impedanz der magnetisch erregenden Spule 3 wird, wird,
je niedriger die Frequenz der angelegten Spannung des Anschlusses der
magnetisch erregten Spule 3, die zu Zuführen eines gegebenen magnetisch
erregten Stroms benötigt
wird, ist, desto niedriger die Spannung. Demgemäß ist dies vorteilhaft für die Ausbildung
der Zuführungsvorrichtung 5 für den magnetisch
erregten Strom.
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Wenn
andererseits die Frequenz des magnetisch erregten Stroms erhöht wird,
nimmt der Verlust innerhalb der Laminatausbildung zu und der Wirkungsgrad
wird verschlechtert. Der Verlust wird erhöht entsprechend der Dicke der
dünnen
Platten. Im Fall von reinem Nickel, das als ein magnetostriktives
Material bekannt ist, führt,
wenn die Dicke der dünnen
Platte 0,2 mm beträgt,
dies zu einer Herabsetzung des Wirkungsgrades der elektrischen/mechanischen
Umwandlung von etwa 30% bei 10 kHz. Demgemäß ist der magnetostriktive Vibrator 2 ein
Wellensender, der geeignet für
die Zuführung
der Vibration ist, die gleich oder weniger als 10 und einige kHz
in Anbetracht seiner Ausbildung ist.
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Angesichts
des Vorstehenden ist der magnetostriktive Vibrator 2 geeigneter
als der Schlaghammer oder der piezoelektrische Vibrator für die Zuführung der
Vibration mit nicht mehr als mehreren 10 kHz, die benötigt wird
für die
zerstörungsfreie
Prüfung
der technischen Werkstruktur wie einer Betonstruktur.
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Der
magnetostriktive Vibrator 2 wird auf der Messfläche des
Messobjekts 6 befestigt und ein akustisches Signal (Vibration)
des Messobjekts 6 wie einer Betonstruktur wird durch den
Wellenempfänger 7 wie
ein akustischer (Vibrations-)Sensor erfasst, um in ein elektrisches
Signal umgewandelt zu werden. Nachdem eine Bandbegrenzung bei dem
umgewandelten elektrischen Signal durch das Filter 8 durchgeführt ist,
wird die Verstärkungsrate
automatisch durch den mit automatischer Verstärkungsraten-Steuerfunktion
ausgerüsteten
Verstärker 9 so
gesteuert, dass das Signal eine gegebene Signalamplitude hat. Dieses
wird in die Zuführvorrichtung 5 für einen
magnetisch erregten Strom eingegeben, um den magnetisch erregten
Strom zu dem magnetostriktiven Vibrator 2 (Wellensender 20)
zu führen,
um eine positive Rückführschleife
zu bilden.
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3 illustriert
die Ausbildung eines Steuersystems für Rückführerregung und -vibration des
erfassten Reflexionswellensignals und zum Herausziehen nur einer
Frequenz, die der Vibrationsbedingung genügt, unter der die Schleife
durch den Oszillationspunkt, die Reflexionsfläche und das Signalempfangsende
gebildet ist. In der Zeichnung ist (L) die Dicke (Fortpflanzungsabstand)
des Messobjekts 6, (c) ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der akustischen elastischen Longitudinalwelle innerhalb des Messobjekts 6,
und (r1) ist der Reflexionskoeffizient an der Endfläche des
Messobjekts 6.
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Bei
einer derartigen Ausbildung wird, selbst wenn das Reflexionswellensignal
klein ist, die Reflexionswelle, die der Vibrationsbedingung genügt, automatisch
erregt und in Vibration versetzt durch die Rückführungserregung und -vibration,
so dass die Beschleuni gungsenergie auf die Frequenz entsprechend
dem Abstand zu der Reflexionsfläche
angewendet wird. Wenn der Vibrationsbedingung bei der spezifischen
Frequenz genügt
ist, bewirkt die Zuführung
der Energie, dass die Frequenz zunimmt, und die Zuführung wird
fortgesetzt, bis die konstante Steuerung bei einem konstanten Signal/Verstärkung schließlich durchgeführt wird.
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4 ist
ein Blockschaltbild des vorbeschriebenen Rückführungs-Steuersystems. In der
Zeichnung wird die Fortpflanzungszeit T erhalten durch die folgende
Formel, in der c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elastischen
Longitudinalwelle des Messobjekts 6 ist und L der Abstand
zu der Endfläche
(oder der internen Reflexionsfläche)
ist: T = L/c
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Die
Reflexion findet an der Endfläche 6b statt
und dieser Reflexionskoeffizient ist als r1 gegeben. Die Reflexionswelle
pflanzt sich zu einer Oszillationsfläche durch das Messobjekt 6 fort
und erreicht eine Oszillationsfläche 6a in
der Fortpflanzungszeit T. Diese Welle wird weiterhin an der Oszillationsfläche 6a reflektiert und
die Fortpflanzung zu der Endfläche 6b wird
wiederholt. Der Reflexionskoeffizient an der Oszillationsfläche 6a ist
als r0 gegeben.
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Es
wird nun angenommen, dass X das Triggereingangssignal für die Oszillation
ist und Y das Ausgangssignal an dem Wellenempfänger 7 ist. Es wird
auch angenommen, dass β die
Rückführungsverstärkung der
positiven Rückführschleife
ist und A die Verstärkung
des Verstärkers
ist. Hier stellt die Verstärkung
A des Verstärkers
die Gesamtverstärkung
des mit der automatischen Verstärkungsraten-Steuerfunktion
ausgerüste ten
Verstärkers 9,
der Zuführvorrichtung 5 für den magnetisch
erregten Strom und des Wellensenders 20 dar und die Rückführverstärkung β ist die
Gesamtverstärkung
des Wellenempfängers 7 und
des Filters 8.
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Der
mit der automatischen Verstärkungsraten-Steuerfunktion ausgerüstete Verstärker 9 ist
ein Verstärker
mit der PID-Steuerfunktion, die aus Elementen zum Berechnen eines
Effektivwertes (RMS) des Eingangssignals zusammengesetzt ist, d.h.,
einem Proportionalelement (P), einem Integrationselement (I) und
einem Differenzialelement (D).
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Wenn
die Fortpflanzungsverzögerung
zu der Reflexionsfläche
durch eine Laplace-Transformation dargestellt ist, ist die Formel
wie folgt gegeben:
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Weiterhin
ist die Fortpflanzungsverzögerung
von der Zwischenfläche
wie folgt gegeben:
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Daher
ist das Ausgangssignal Y gegeben als die Formal (
1):
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In
dem Fall, in welchem die positive Rückführung nicht bewirkt wird, ist
das Ausgangssignal gegeben als Aβ =
0, und das Ausgangssignal Y ist wie folgt:
worin
Der Reflexionskoeffizient
ist r < 1, obgleich
er von den Eigenschaften des Messobjekts abhängt.
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Wie
aus dem Ausdruck (1a) ersichtlich ist, erscheint nach der Erzeugung
des Triggersignals (t = 0) die erste Welle r1X
mit t = 2L/c (elastische Longitudinalwelle), und danach werden die
zweite und die dritte Reflexionswelle erfasst und wie folgt gedämpft: rLrX, rLr2X, rLr3X, Λ
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Durch
die positive Rückführung, r1r0, ist der Nenner
der Formel (1a) gleich r1r0 +
r1Aβ.
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Wenn
r1r0 + r1Aβ =
K ist, gibt die Formel (1) bei dem Zyklus T = 2L/c durch die positive
Rückführung eine
zyklische Wellenformformel (2) aus, in der die Wellenform
in jedem Zyklus gleich K2m·X(0 t
T) ist.
-
-
Aβ wird auf
einen zweckmäßigen Wert
eingestellt, so dass das Ausgangssignal konstant ausgegeben wird.
-
Nachfolgend
wird die Oszillationsbedingung geklärt. Die Oszillationsbedingung
wird aus der Formel (1) erhalten, wenn der Nenner nicht kleiner
als 0 ist, und sie wird ausgedrückt
durch die folgende Formel (3).
-
-
D.h.,
dies kann wie folgt ersetzt werden:
-
D.h.,
die Oszillationsbedingung kann wie folgt dargestellt werden:
- ➀ Die Verstärkung (r1r0 + r1Aβ) ist 1 oder
mehr als 1.
- ➁ Die Phase von e-2Ls/c ist
gleich der Phase von r1r0 +
r1Aβ).
-
Wenn
(r1r0 + r1Aβ)
eine reelle Zahl ist, d. h., wenn keine Frequenzabhängigkeit
besteht, ω =
c/L. nπ gemäß der Bedingung
ii).
-
D.h.,
wenn f = c/2L. n(n = 1, 2, ...), wird der Oszillationsbedingung
genügt.
D.h., n = 1 ist eine Grundfrequenz, n = 2 ist eine sekundäre Harmonische,
und fortschreitend fn = c/2L. n die n-te
Harmonische.
-
Gemäß der Verstärkungsbedingung
i) und der Phasenbedingung ii) wird die Oszillationsbedingung bestimmt.
Eine geeignet Frequenzcharakteristik ist dem Filter und dem Verstärker innerhalb
der positiven Rückführung gegeben,
um hierdurch die Oszillation durch die Harmonischen zu steuern.
Ein Tiefpassfilter (TPF) wird als ein Filter zum Unterdrücken der
Harmonischen angewendet.
-
In
diesem Fall stellt r1r0 +
r1A (jω) β (jω) die in
den 5 und 6 gezeigte Frequenzabhängigkeit
dar.
-
Andererseits
hat in derselben Weise ejω2L/c die Frequenzabhängigkeit,
dass die Phase sich periodisch bei einem Zyklus cπ/2L bei der
Verstärkung 1 wie
in den 5 und 6 gezeigt ändert.
-
Die
Oszillationsfrequenzen sind in dem Oszillationsbereich, der der
Verstärkungsbedingung
in den 5 und 6 genügt, die Tafeldiagramme zeigen,
und sind Oszillationspunkte (massive schwarze Punkte in den Zeichnungen),
die der Phasenbedingung genügen.
In dem Fall, in welchem das Band nach 5 breit ist
und mehrere Harmonische in diesem Band enthalten sind, tritt die
Oszillation bei der Frequenz auf, die die niedrigste Ordnung in
diesem Band hat.
-
Aufgrund
der Phasencharakteristiken des Filters ist die Oszillationsfrequenz
gegenüber
der Grundfrequenz und ihrer Harmonischen versetzt. Jedoch sind die
Phasencharakteristiken des Durchlassbandes in der Nähe von 0
gesetzt, um hierdurch zu ermöglich,
die Genauigkeit zu behalten, die für die Messung benötigt wird.
-
Wenn
die Oszillation auftritt, wird die Oszillationsfrequenz stabilisiert.
Dies ergibt sich daraus, dass, selbst wenn die Frequenzversetzung
durch die positive Rückführung, bei
der der Fortpflanzungszyklus als das Grundsignal verwendet wird,
erzeugt wird, ein für
dessen Korrektur ausgegebenes Kompensationssignal von der positiven
Rückführung ausgegeben
wird, und die Frequenz konvergiert wieder zu der Oszillationsfrequenz, die
durch den Fortpflanzungszyklus bestimmt ist. D.h., wenn die Oszillationsbedingung
versetzt ist, wird der Pegel des Reflexionswellensignals herabgesetzt
und die Verstärkung
des mit einer Steu erfunktion für
die automatische Verstärkungsrate
ausgerüsteten
Verstärkers 9 wird
erhöht.
-
Da
die Phase von Aβ ebenfalls
in einer zu der Oszillationsfrequenz zurückkehrenden Richtung verschoben
wird, wenn sich die Verstärkung ändert, wird
auch die Steuerung bewirkt, um wieder der Oszillationsbedingung
zu genügen.
-
Der
Vorgang der Oszillation ist wie folgt:
- (1)
Zuerst wird ein Triggersignal X erzeugt. Das Triggersignal kann
einen Impuls haben, der absichtlich hierin eingegeben ist, oder
kann ein Schlagsignal sein, das erzeugt ist, wenn der Wellensender 20 in
Kontakt mit dem Messobjekt 6 gebracht ist.
- (2) Wenn das Triggersignal erzeugt ist, wird das Signal durch
den Verstärker 9 verstärkt, und
die elastische Longitudinalwelle pflanzt sich zu dem Messobjekt 6 fort
und pflanzt sich zu der Endfläche 6b fort
und wird an dieser reflektiert. Bei der Reflexion wird eine Dämpfung des
Signalpegels, die durch den Reflexionskoeffizienten r1)
definiert ist, erzeugt.
- (3) Die Reflexionswelle pflanzt sich in der entgegengesetzten
Richtung von der Endfläche 6b zu
der Oberfläche
der gesendeten Welle fort und wird an der Oberfläche für die empfangene Welle durch
den Wellenempfänger 7 erfasst.
- (4) der Wellenempfänger 7 gibt
dieses Reflexionswellensignal zu dem Filter 8 aus.
- (5) Das Filter 8 gibt das Signal, das auf das Band
begrenzt ist, zu dem mit der Steuerfunktion für eine automatische Verstärkungsrate
ausgerüsteten
Verstärker 9 aus.
- (6) Der mit einer Steuerfunktion für eine automati- sche Verstärkungsrate
ausgerüstete
Verstärker 9 vergleicht
dem Signalpegel mit dem Aufstellwert. In dem Fall, in welchem der
Signalpegel kleiner ist, wird die Verstärkung auf der Grundlage der
Differenz zwischen diesen erhöht.
Dieses verstärkte
Signal wird zu der Zuführungsvorrichtung 5 für den magnetisch
erregten Strom ausgegeben.
- (7) Aus den insoweit beschriebenen Signalkomponenten wird die
Frequenzkomponente, die der Oszillationsbedingung genügt, wiederholt
durch die positive Rückführungsschleife
zirkuliert und wird schließlich
in eine Sinuswelle mit der Oszillationsfrequenz konvergiert. Die Änderung
in die Sinuskurve erfolgt aufgrund des Umstandes, dass die Hochfrequenzkomponente
oder die Niedrigfrequenzkomponente durch das Filter innerhalb der
positiven Rückführung gedämpft wird.
- (8) Die Oszillationsfrequenz fn wird
automatisch durch die vorbeschriebenen (1) bis (7) herausgezogen.
-
7 ist
eine Ansicht, die die Ausbildung eines mit einer Steuerfunktion
für eine
automatische Verstärkungsrate
ausgestatteten Verstärkers
zeigt. In derselben Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 111 eine RMS-Berechnungsvorrichtung,
und die Bezugszahl 112 bezeichnet eine Pegeleinstellvorrichtung
zum Setzen des Pegels des Rückführungssignals.
Auch bezeichnet die Bezugszahl 113 einen Addierer mit Polaritäten zum Berechnen
der Differenz der Ausgangssignale zwischen der RMS-Berechnungsvorrichtung 111 und
der Pegeleinstellvorrichtung 112 und zum Ausgeben des Signals
zu einem Proportionalverstärker 114,
einem Integrator 115 und einem Differenziator 116.
Weiterhin bezeichnet die Bezugszahl 117 einen Addierer
mit Polaritäten,
und die Bezugszahl 118 bezeichnet einen Proportionalverstärker.
-
Der
obige Addierer 113 mit Polaritäten, der Proportionalverstärker 114,
der Integrator 115, der Differenziator 116, der
Addierer 117 mit Polaritäten und der Proportionalverstärker 118 bilden
die PID-Berechnungsvorrichtung,
um das Korrekturausgangssignal so auszugeben, dass das Ausgangssignal
der RMS-Berechnungsvorrichtung 111 dem
durch die Pegeleinstellvorrichtung 112 gesetzten Pegel
entspricht. Der Verstärker 119 der
letzten Stufe verstärkt
das durch den Verstärker 120 eingegebene
Signal, der das so berechnete Korrekturausgangssignal als das Verstärkungseinstellsignal
verwendet und automatisch die Verstärkungsrate des Signals steuert.
-
Die
RMS-Berechnungsvorrichtung 111 führt die Effektivwertberechnung
des Effektivwertes des Eingangssignals durch und berechnet den Pegel
des Eingangssignals.
-
Die
jeweilige Verstärkung,
Integrationszeit und Differentiationszeit der Proportionalverstärker 114 und 118,
des Integrators 115 und des Differenziators 116 werden
auf optimale Werte eingestellt durch ein Abstimmverfahren der PID-Steuerung,
das allgemein bekannt ist.
-
Das
Merkmal dieses Verfahrens besteht darin, dass nur die Welle der
Frequenz, die der Phase der Reflexionswelle angepasst ist, automatisch
ausgewählt
wird und durch die positive Rückführung kontinuierlich bei
einer einzigen Frequenz oszilliert ungeachtet des Pegels und der
Form des Signals der Reflexionswelle. Dies ist stabil und hochgenau
im Vergleich mit einem Verfahren zum Messen der Fortpflanzungszeit
anhand eines vorübergehend
empfangenen Wellensignals, das gedämpft wird, welches bei einem
herkömmlichen
Verfahren angewendet wird.
-
Gemäß dem herkömmlichen
Verfahren musste die Fortpflanzungszeit anhand des Intervalls berechnet werden,
indem bewirkt wurde, dass die Triggerwellenform dem Anstiegspunkt
oder Abfallpunkt des Signals der Reflexionswelle oder dergleichen
entspricht. Jedoch tritt die innerhalb eines Messobjekts in der
Fortpflanzung oder der Verformung der Wellenform erzeugte Dämpfung aufgrund
der Diffusion auf. Es ist nicht leicht, diese Korrespondenz zu beurteilen.
Auch führt
die Versetzung der entsprechenden Punkt zu der Verschlechterung der
Messgenauigkeit. Andererseits wird gemäß dieser Erfindung die Phasensteuerfunktion
der positiven Rückführung verwendet,
um automatisch die Oszillation der einzelnen Frequenz zu realisieren
ungeachtet der Form des empfangenen Wellensignals. Demgemäß diese
Oszillationsfrequenz leicht mit hoher Genauigkeit gemessen werden,
indem ein Fourier-Funktionstransformations(FFT)-Merkmal
oder ein Frequenzzählmerkmal
oder dergleichen angewendet wird.
-
8 zeigt
die Frequenz, die normal oszilliert, welche ausgedrückt ist
durch einen Frequenzbereich durch die FFT.
-
Ein
Simulationsbeispiel ist in den 9 und 10 gezeigt. 9 zeigt
den Zustand, in welchem das Signal natürlich gedämpft wird ohne jede Wirkung
der positiven Rückführung. 10 zeigt
den Zustand, in welchem die positive Rückführung arbeitet, so dass, nachdem
das Triggersignal auftritt, das Signal durch die Rückführung verstärkt wird
und die normale Oszillation bei f = c/2L stattfindet.
-
Als
Nächstes
wird das Messbeispiel in den 11 und 12 gezeigt.
Die 11 und 12 zeigen ein
Erfassungsbeispiel für
eine Hochspannungssäule
bei 8 m (= 8000 mm), die aus Betonstrukturen besteht. 11 ist
eine Ansicht, die eine Übergangserscheinung
zu der normalen Oszillation durch die positive Rückführung zeigt. Auch ist 12 eine
Ansicht, die den normalen Oszillationszustand nach der normalen
Oszillation zeigt.
-
11 zeigt
einen Prozess, in welchem der Treiberstrom und das empfangene Wellensignal
zu einer konstanten Frequenz konvergiert sind, und einen Prozess,
bei dem das Frequenzspektrum somit eine Spitze bei der Oszillationsfrequenz
entwickelt.
-
Auch
zeigt 12 einen Zustand, in welchem
das empfangene Wellensignal in einer stabilen Weise bei der Oszillationsfrequenz
erfasst werden kann. Diese Oszillationsfrequenz ist f1 =
(4,250 m/s)/(2 × 8
m) = 266 Hz (Grundfrequenz). Umgekehrt kann die Länge von
8 m gemessen werden anhand der Geschwindigkeit 4250 m der elastischen
Welle innerhalb der Betonsäule 6.
-
13 ist
das Messbeispiel für
die Bodendicke einer Betonstruktur. Wie in dem untersten Teil derselben
Zeichnung gezeigt ist, findet die Oszillation bei ei ner Frequenz
von f = (3,456 m/s)/(2 × 0,18
m) × 2
= 19,2 kHz (sekundäre
Harmonische) statt entsprechend der Bodendicke von 180 mm. Das Messbeispiel
für die
Frequenzüberstreichung
ist auch in dem mittleren Teil von 13 gezeigt.
Es ist festzustellen, dass es sehr schwierig ist, die Zielfrequenz
bei der Frequenzüberstreichung
zu bestimmen, während
die Messung unter Verwendung der Oszillationsfrequenz gemäß der vorliegenden
Erfindung einfach ist.
-
Wie
bei den vorbeschriebenen Messbeispielen gezeigt ist, oszilliert
die Oszillationsfrequenz mit einer Frequenz, die einen positiven
ganzzahligen Faktor hat, der größer als
eine halbe Wellenlänge
der Wellenlänge ist,
die durch die Geschwindigkeit der akustischen elastischen Welle
bestimmt ist. Dies entspricht dem Abstand zu der Reflexionsfläche oder
dem Übertragungsabstand.
Wenn demgemäß das Durchlassband
des Filters 8 vorher in dem Zielband aus der Resonanzfrequenz
gesetzt ist, die durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen
elastischen Welle und dem Übertragungsabstand
oder dem Abstand zu der Reflexionsfläche erhalten ist, ist es möglich, die Änderung
der Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Objekts 6,
den Übertragungsabstand,
den Abstand zu der internen Reflexionsfläche und dergleichen genau zu
erhalten.
-
Die
zerstörungsfreie
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung ist mit dem Wellensender 20 durch den
auf Metall basierenden magnetostriktiven Vibrator 2, der
Zuführungsvorrichtung 5 für magnetisch
erregten Strom zum Zuführen
des magnetisch erregten Stroms zu dem magnetostriktiven Vibrator 2,
dem Wellenempfänger 7 zum
Erfassen der akustischen elastischen Welle, die sich durch das Messob jekt 6 fortpflanzt,
den mit einer Steuerfunktion für
die automatische Verstärkungsrate
ausgestatteten Verstärker 9 zum
automatischen Steuern der Verstärkungsrate,
um eine gegebene Größe der Amplitude
ungeachtet der Größe der Amplitude
der Reflexionswelle oder der Übertragungswelle,
die von diesem Wellenempfänger 7 erfasst
wird, zu erhalten, und dem Filter 8 zum Herausziehen des
Signals des zu messenden Zielfrequenzbandes versehen, die die Rückführungsschleife
bilden. Die Vorrichtung ist weiterhin versehen mit Signalprozessor 10 als
eine Berechnungsvorrichtung oder dergleichen zum Verarbeiten des
von dem vorbeschriebenen Wellenempfänger 7 erfassten Signals
und der Anzeigevorrichtung 11 zur Darstellung der von dem
vorbeschriebenen Wellenempfänger 7 erfassten
Signalwellenform oder des von dem vorbeschriebenen Signalprozessor 10 erhaltenen
Prozessergebnisses.
-
D.h.,
bei der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
1 dieser Erfindung ist der magnetostriktive Vibrator 2 an
zu messenden Betonstruktur 6 befestigt, der akustische
Pegel der zu messenden Struktur 6 wird durch den Wellenempfänger 7 wie
einen akustischen Sensor oder dergleichen erfasst, und die Bandbegrenzung
wird bei dem erfassten akustischen Signal durch das Filter 8 durchgeführt, wonach die
Verstärkungsrate
durch den mit der automatischen Steuerfunktion für die Verstärkungsrate ausgestatteten Verstärker 9 automatisch
gesteuert wird, um eine gegebene Signalamplitude zu erhalten. Diese
wird in die Zuführungsvorrichtung 5 für den magnetisch
erregten Strom des vorbeschriebenen magnetostriktiven Vibrators 2 eingegeben,
um die Rückführungsschleife
zu bilden. Aus diesem Grund beginnt, wenn die zu messende Betonstruktur 6 ein
Teil der Rückführungsschleife
wird und die Verstärkungsrate geeignet
eingestellt ist, die Rückführungsschleife
die Oszillation in Übereinstimmung
mit dem Durchlassband des Filters 8. Wenn das Durchlassband
des Filters 8 geeignet gesetzt ist, findet die Oszillation
der Resonanzfrequenz statt, die durch die Form des Messobjekts und
die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen elastischen Welle
bestimmt ist. Diese Oszillationsfrequenz ist eindeutig bestimmt,
so dass die Prüfung
mit hoher Reproduzierbarkeit und hoher Genauigkeit durchgeführt werden
kann.
-
Ausführungsbeispiel 2
-
Eine
zerstörungsfreie
Prüfvorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel
2 dieser Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 14 ist
die Ausbildung eines variablen Filters der zerstörungsfreien Prüfvorrichtung
gemäß Ausführungsbeispiel
2 dieser Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel 2 wird das variable
Filter anstelle des Filters nach Ausführungsbeispiel 1 verwendet,
aber die andere Ausbildung ist dieselbe wie die des Ausführungsbeispiels
1.
-
14 zeigt
ein zustandsvariables Filter als ein Beispiel für das variable Filter 8A.
In der Zeichnung bezeichnet die Bezugszahl 121 eine Filtercharakteristik-Einstellvorrichtung
zum Einstellen und Speichern einer Mittenfrequenz f0 und einer Bandbreite
B des variablen Filters 8A unter Verwendung einer Tastatur
(alphanumerische Eingabetasten). In dem in dieser Zeichnung gezeigten
Filter 8A bildet eine Kaskade aus einem Hochpassfilter 124 und
einem Tiefpassfilter 125 ein Bandpassfilter. Widerstände R6 und
R7 innerhalb einer Schaltung des Hochpassfilters 124 und
Widerstände
R6 und R7 innerhalb einer Schaltung des Tiefpassfilters 125 sind
durch Widerstandsanordnungen 123a, 123b, 123c bzw. 123d gebildet.
D.h., in jedem von R6 und R7 sind mehrere Widerstände (Widerstandsanordnung)
in gewünschter
Weise parallel geschaltet. Eine Widerstandswert-Steuerschaltung 122 führt die
Berechnung so durch, dass die Mittenfrequenz und die Bandbreite,
die durch die Filtercharakteristik-Einstellvorrichtung 121 gesetzt
werden, vorher erhalten werden, und sie steuert eine Kombination
der jeweiligen Widerstandsanordnungen von R6 und R7 des Hochpassfilters 124 und
des Tiefpassfilters 125.
-
15 ist
eine Ansicht, die eine Charakteristik zeigt, wenn das vorbeschriebene
variable Filter 8A als ein ideales Bandpassfilter verwendet
wird. In der Zeichnung stellt die Bezugszahl 41 ein Sperrband
dar, die Bezugszahl 42 stellt ein Durchlassband dar, und
die Bezugszahl 43 stellt ein Sperrband dar. Es wird das
Filter verwendet, dessen Mittenfrequenz und dessen Bandbreite automatisch
oder manuell einstellbar sind und das ein enges Band hat. Es muss
ein Filter mit einer Charakteristik einer extrem kleinen Phasenänderung
innerhalb der Bandbreite gewählt
werden. Als ein Beispiel des Filters, bei dem die Phasenänderung
klein ist, kann ein Butterworth-Filter verwendet werden, und es
ist möglich,
das Filter mit einer minimalen Phasenänderung bei der Mittenfrequenz
auszubilden.
-
Andererseits
ist 16 eine Ansicht, die eine interne Struktur des
Messobjekts 6 zeigt. In der Zeichnung ist die Bezugszahl 61 ein
Riss, der in dem Inneren vorhanden ist, die Bezugszahl 62 bezeichnet
einen inneren Spalt, und das Symbol 6b bezeichnet eine
Endfläche
des Messobjekts 6. Es gibt verschiedene Ausbildungen entsprechend
der inneren Struktur, die anders als die obige sind. Jedoch wird
das vorliegende Ausführungsbeispiel
nun beschrieben, während
es auf den vorbeschriebenen Zustand beschränkt ist.
-
Unter
der Annahme, dass die Mittenfrequenz des Filters gleich f0 und die Bandbreite gleich B sind, ist das
Band des Filters durch B begrenzt, und ➀ der Oszillationsbedingung,
die in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel
1 beschrieben ist, ist nur für
einen Teil innerhalb des Bandes verfügbar, und die zur Oszillation fähige Frequenz
wird aus der Phasenbedingung ➁ ausgewählt.
-
Genauer
gesagt, in Übereinstimmung
mit diesem Band ist der folgende Bereich ein möglicher Messbereich.
-
Mit
anderen Worten, der Wert der Mittenfrequenz f0 wird
automatisch oder manuell verschoben, so dass ein möglicher
Messbereich geändert
wird und der spezifische Bereich selektiv gemessen werden kann.
-
Indem
gleichzeitig den Oszillationsbedingungen ➀ und ➁ genügt wird,
wird die Oszillationsfrequenz bestimmt. In dem Fall, in welchem
das Band von ➀ breit ist und mehrere Oszillationsfrequenzen
in diesem Band enthalten sind, wird eine mit einem hohen Pegel aus
den Reflexionswellen ausgewählt.
-
Mit
Bezug auf Aβ wird
die Frequenzcharakteristik (Verstärkung, Phase) geändert entsprechend
dem mit der automatischen Steuerfunktion für die Verstärkungsrate ausgestatteten Verstärker 9 und
der Filtercharakteristik. Jedoch wird im Allgemeinen ein Band passfilter
(BPF) verwendet, das durch Zusammensetzen eines Tiefpassfilters
(TPF) und eines Hochpassfilters (HPF) erhalten wurde.
-
In 16 erreicht
die durch das Messobjekt 6 hindurchgehende elastische Welle
den Riss 61 und die Reflexionswelle wird an der Rissoberfläche erzeugt.
Wenn diese Reflexionswelle die Oszillationsfläche 6a erreicht, kann
die Fortpflanzungszeit entsprechend dem Abstand erfasst werden.
Wenn weiterhin ein anderer Spalt 62 dahinter vorhanden
ist, erzeugt die durch das Messobjekt 6 hindurchgehende
elastische Welle auch die Reflexionswelle darin, und diese Reflexionswelle
erreicht auch die Oszillationsfläche 6a.
-
Die
Wirkung der Erfassung der inneren Struktur des Messobjekts 6 durch
das variable Filter 8A gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 wird nun beschrieben.
-
17 ist
eine Ansicht, die die Charakteristik des variablen Filters zeigt.
In denselben Zeichen stellen die Bezugszahlen 131 und 132 die
Filtercharakteristiken in den Fällen
dar, in denen die Charakteristiken der variablen Filter das breite
Band bzw. das enge Band haben.
-
In
der inneren Struktur des in 16 gezeigten
Messobjekts 6 wird angenommen, dass f1, f2 und f3 die Oszillationsfrequenzen
entsprechend dem Abstand L1 zu dem Riss 61, dem Abstand
L2 zu dem Spalt 62 bzw. dem Abstand L3 zu der Endfläche 6b sind.
-
Die
Bandbreite ist in der in 14 gezeigten
Filtercharakteristik-Einstellvorrichtung 121 klein gesetzt, so
dass das variable Filter 8A als das Filter 132 mit
engem Band gesetzt ist. Auch wird, wenn der bezeichnete Wert der
Mittenfrequenz f0 allmählich
durch die Widerstandswertsteuerschaltung 122 erhöht wird
und der Wert von der Niedrigfrequenz zu der Hochfrequenzseite verschoben
wird, wie in den anfänglichen
Oszillationsmustern 132a bis 132b in 17 gezeigt
ist, die Oszillationsfrequenz verschoben. Das Symbol 132b bezeichnet den
Fall, in welchem das Durchlassband des Filters 132 mit
engem Band die Oszillationsfrequenz f2 in dem Spalt 62 enthält. Zu dieser
Zeit ist die Oszillationsfrequenz f2 maximal. Somit kann die Hohlraumposition
der inneren Struktur des Messobjekts 6 anhand von f2 berechnet
werden.
-
Danach
sind die Oszillation durch die positive Rückführung und die Berechnung der
Oszillationsfrequenz dieselben wie diejenigen beim Ausführungsbeispiel
1. Der Messvorgang insoweit ist durch Flussdiagramme in den 18 und 19 gezeigt.
-
D.h.,
in den Schritten 141 bis 144 in 18 wird
das variable Filter 8A in dem gesamten Band gesetzt und
der Wellensender 20 und der Wellenempfänger 7 werden auf
das Messobjekt 6 gesetzt. Dann wird die Oszillation gestartet.
-
Als
Nächstes
wird in den Schritten 145 bis 147, wenn die konstante
Oszillation stattfindet, die FFT-Transformation
in dem Signalprozessor 10 gestartet und das Frequenzspektrum
wird auf der Anzeigevorrichtung 11 dargestellt.
-
Als
Nächstes
wird in den Schritten 148 bis 150a in dem Fall
eines Dickenmessbetriebs die Geschwindigkeit der akustischen elastischen
Longitudinalwelle des Messobjekts 6 eingegeben, auf deren
Grundlage die Di cke des Messobjekts 6 durch den Signalprozessor 10 berechnet
wird. Das Ergebnis ist auf der Anzeigevorrichtung 11 dargestellt.
-
Auch
wird in den Schritten 149b bis 150b im Fall des
Messbetriebs für
die Geschwindigkeit der akustischen elastischen Welle die Dicke
des Messobjekts 6 eingegeben, auf deren Grundlage die Geschwindigkeit der
akustischen elastischen Longitudinalwelle des Messobjekts 6 in
dem Signalprozessor 10 berechnet wird. Das Ergebnis wird
auf der Anzeigevorrichtung 11 dargestellt.
-
Auch
werden in den Schritten 151 bis 153 in 19 der
Wellensender 20 und der Wellenempfänger 7 auf dem Messobjekt 6 installiert
und die Oszillation wird gestartet.
-
Als
Nächstes
werden im Schritt 154 die Mittenfrequenz f0 des variablen
Filters 8A und die Bandbreite B gesetzt und eingegeben.
-
Als
Nächstes
wird in den Schritten 155 bis 157, wenn die konstante
Oszillation stattfindet, die FFT-Transformation
in dem Signalprozessor 10 gestartet und das Frequenzspektrum
wird auf der Anzeigevorrichtung 11 dargestellt.
-
Als
Nächstes
wird in den Schritten 158 bis 160 die Geschwindigkeit
der akustischen elastischen Welle des Messobjekts 6 eingegeben,
auf deren Grundlage die Dicke des Messobjekts 6 in dem
Signalprozessor 10 berechnet wird. Das Ergebnis ist auf
der Anzeigevorrichtung 11 dargestellt. Auch ist dies der
Fall bei der Verstärkungsrate
des Amplitudenverstärkers 9 mit
automatischer Verstärkungsraten-Steuerfunktion.
-
Nachfolgend
wird in den Schritten 161 bis 162 die Mittenfrequenz
f0 auf f0 = f0 – df0
gesetzt (z.B. df0 = f0/10). Dann kehrt, wenn die Messung nicht beendet
ist, das Programm zum Schritt 154 zurück und der Vorgang vom Schritt 154 zum
Schritt 161 wird wiederholt.
-
Die
zerstörungsfreie
Prüfvorrichtung
gemäß dem Ausführungsbeispiel
2 dieser Erfindung ist mit dem variablen Filter 8A versehen,
das die Funktion zum automatischen oder manuellen Ändern des
zu messenden Zielfrequenzbandes hat.
-
D.h.,
bei der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
2 kann, da das variable Filter 8A, in welchem jedes gewünschte Durchlassband
automatisch oder manuell gesetzt werden kann, in der Rückführungsschleife
vorgesehen ist, jede gewünschte
Resonanzfrequenz aus den Resonanzfrequenzen des Messobjekts 6 herausgezogen
werden. Es ist möglich,
die genaue Prüfung
durchzuführen,
selbst wenn das Messobjekt 6 oder das zu messende Zielfrequenzband
geändert
werden.
-
Ausführungsbeispiel 3
-
Der
mit automatischer Verstärkungsraten-Steuerfunktion ausgestattete
Verstärker 9 steuert
das Ausgangssignal entsprechend dem Intensitätspegel entsprechend dem zu
erfassenden Reflexionswellensignal durch die positive Rückführung. D.h.,
wenn das Reflexionswellensignal klein ist, wird die Verstärkungsrate
erhöht,
und wenn der Reflexionswellenpegel groß ist, wird der Ausgangspegel
verringert.
-
Andererseits
wird die Größe der Reflexion
der Reflexionswelle von dem Messobjekt 6 geändert entsprechend
dem Riss 61 innerhalb des Objekts oder der Größe des Spaltes 62.
Im Allgemeinen wird, je größer der
Schaden ist, desto stärker
die Reflexion. Je kleiner der Schaden ist, desto geringer wird die
Reflexion. Aus diesem Grund kann der Pegel der Reflexionswelle den
inneren Zustand des Messobjekts 6 reflektieren. D.h., wenn
die Größe des Reflexionswellensignals
von dem Messobjekt 6 erfasst wird, ist es möglich, den
inneren Zustand zu erfahren.
-
Die
folgende Formel (6) stellt das Ausgangssignal des mit der automatischen
Verstärkungsraten-Steuerfunktion ausgestatteten
Verstärkers 9 in
dem Oszillationszustand dar.
-
-
Somit
ist darauf hinzuweisen, dass, je kleiner das Reflexionsvermögen r2 ist,
desto größer die
Verstärkung
A des mit der automatischen Verstärkungsraten-Steuerfunktion ausgestatteten Verstärkers 9 wird
und desto größer dessen
Ausgangssignal wird. Somit ist es möglich, auf den Grad des Schadens
der inneren Struktur des Messobjekts 6 zu schließen.
-
D.h.,
wie in 7 gezeigt ist, der mit der automatischen Verstärkungsraten-Steuerfunktion
ausgestattete Verstärker 9 hat
Schaltungen 111 bis 118 für die Ausgabe der Korrekturgröße der Verstärkungsrate
(Verstärkungssignal 120 (Verstärkungseinstellsignal))
und der Signalprozessor 10 erhält die Zustandsinformationen
der inneren Struktur des Messobjekts 6 entsprechend der
vorbeschriebenen Korrekturgröße. Auch
wer den die vorbeschriebenen Informationen auf der Anzeigevorrichtung 11 dargestellt.
-
Die
zerstörungsfreie
Prüfvorrichtung
nach dem Ausführungsbeispiel
3 dieser Erfindung ist mit dem mit der automatischen Verstärkungsraten-Steuerfunktion
ausgestatteten Verstärker 9 versehen,
der eine Funktion des Messens der Größe der Reflexionswelle oder
der Übertragungswelle
entsprechend dem Steuersignal (Korrekturgröße) der Verstärkungsrate
hat, die automatisch gesetzt wird.
-
D.h.,
in dem mit der automatischen Verstärkungsraten-Steuerfunktion ausgestatteten Verstärker 9 der zerstörungsfreien
Prüfvorrichtung
nach diesem Ausführungsbeispiel
3 wird der Vibrationspegel der Reflexionswelle oder der Übertragungswelle
automatisch entsprechend dem Steuersignal der Verstärkungsrate
gemessen. Aus diesem Grund ist es möglich, quantitativ den Zustand
der inneren Struktur oder des anomalen Bereichs des Messobjekts 6 zu
erfassen.
-
INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
-
Wie
vorstehend beschrieben ist, ist die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung
versehen mit: einem Wellensender zum Injizieren einer akustischen
elastischen Wellen in ein Messobjekt auf der Grundlage des magnetisch
erregten Stroms, eine Zuführungsvorrichtung
für den
magnetisch erregten Strom zum Zuführen des magnetisch erregten
Stroms zu dem vorbeschriebenen Wellensender, einem Wellenempfänger zum
Erfassen der akustischen elastischen Welle für die Fortpflanzung durch das
Messobjekt und für
die Ausgabe eines empfangenen Wellensignals, einem Filter zur Durchführung einer
Bandbegrenzung bei dem vorbeschriebenen empfangenen Wellensignal,
einem mit einer automatischen Verstärkungsraten-Steuerfunktion
ausgestatteten Verstärker
zum Verstärken
des von dem vorbeschriebenen Filter ausgegebenen Signals auf eine
gegebene Amplitude und zum Ausgeben des Signals zu der vorbeschriebenen
Zuführungsvorrichtung
für den
magnetisch erregten Strom, und einem Signalprozessor zum Herausziehen
eines Signals aus dem vorbeschriebenen Wellenempfänger mit
einer Oszillationsfrequenz einer positiven Rückführungsschleife, die aus dem
vorbeschriebenen Wellensender, dem vorbeschriebenen Messobjekt,
dem vorbeschriebenen Wellenempfänger,
dem vorbeschriebenen Filter, dem vorbeschriebenen Verstärker und
der vorbeschriebenen Zuführungsvorrichtung
für den
magnetisch erregten Strom zusammengesetzt ist, und zum Verarbeiten
des Signals. Demgemäß stellt
die Vorrichtung die Wirkung sicher, dass die Prüfung mit hoher Genauigkeit
und hoher Reproduzierbarkeit durchgeführt werden kann.
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Auch
kann, wie vorstehend beschrieben ist, der vorbeschriebene Wellensender
ein magnetostriktiver Vibrator sein, der aus einem magnetostriktiven
Element, einer magnetisch erregenden Spule und einem magnetischen
Vorspannmagneten zusammengesetzt ist. Demgemäß stellt die Vorrichtung die
Wirkung sicher, dass die Prüfung
mit hoher Genauigkeit und hoher Reproduzierbarkeit durchgeführt werden
kann.
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Auch
kann, wie vorstehend beschrieben ist, die zerstörungsfreie Prüfvorrichtung
weiterhin mit einer Anzeigevorrichtung versehen sein für die Darstellung
der von dem vorbeschriebenen Wellenempfänger erfassten Signalwellenform
oder des durch den vorbeschriebenen Signalprozessor erhaltenen Prozessergebnisses. Demgemäß stellt
die Vorrichtung die Wirkung sicher, dass die Prüfung mit hoher Genauigkeit
und hoher Reproduzierbarkeit durchgeführt werden kann.
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Auch
ist, wie vorstehend beschrieben ist, das vorbeschriebene Filter
ein variables Filter zum selektiven Herausziehen einer einzelnen
Frequenz aus mehreren Resonanzfrequenzen, die durch die Form und
die innere Struktur des Messobjekts bestimmt sind. Demgemäß ist es
möglich,
selbst wenn ein Messobjekt oder ein zu messendes Zielfrequenzband
geändert
werden, die genaue Prüfung
sicherzustellen.
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Weiterhin
kann der vorbeschriebene Verstärker
eine Schaltung zum Ausgeben der Korrekturgröße der Verstärkungsrate
sein, so dass der vorbeschriebene Signalprozessor die Zustandsinformationen über die
Ausbildung des Messobjekts entsprechend der Korrekturgröße erhält. Demgemäß ist es
möglich,
den Zustand des anomalen Bereichs oder die innere Struktur des Messobjekts
quantitativ zu erfassen.
Der Reflexionskoeffizient ist r < 1, obgleich er von den Eigenschaften des Messobjekts abhängt.
