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Verfahren und Einrichtung zur Messung und Prüfung von festen Medien
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und Prüfung von festen Medien, vorzugsweise
zur Feststellung der Länge, Homogenität und Härte von metallischen Werkstücken od.
dgl. Körpern mit Hilfe von in das Medium eingesendeten und von diesem reflektierten
Wellen, sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Einrichtung.
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Es sind bereits Einrichtungen bekannt (vgl. z. B. die USA.-Patentschrift
2 280 226), welche die Maße bzw. die Gleichförmigkeit des inneren Aufbaues von metallischen
Werkstücken dadurch messen bzw. untersuchen, daß Hochfrequenzschwingngen in das
zu untersuchende Werkstück gesendet werden, wobei nach Art der Echolotmethode die
Zeitspanne ermittelt wird, die zwischen der Ankunft der ausgesendeten und der Ankunft
der reflektierten Welle am Meßgerät vorgeht. Aus der Länge dieses Intervalls kann
man entsprechende Rückschlüsse auf die Länge des Werkstückes bzw. auf seinen inneren
Aufbau ziehen.
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Diese bekalmten Einrichtungen lassen jedoch keine quantitativen Feststellungen
der Inhomogenität zu; sie zeigt nur die Lage der Fehlstelle an, aber nicht deren
Größe. Die Fehlstelle muß außerdem mindestens 5 5% des Querschnittes des Werkstückes
ausmachen. Der Längenmeßbereich ist überdies ziemlich begrenzt, die Messung selbst
erfolgt im übrigen mit Hilfe einer zusätzlichen Einrichtung auf Basis eines Resonanzverfahrens.
Ferner ist auch keine Prüfung der Härte des Werkstückes möglich.
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Die vorIiegende Erfindung beseitigt diese Mängel und gestattet auch
die Messung des Härtegrades des Werkstückes. Hierbei wird von der Tatsache
Gebrauch
gemacht, daß die in ein Medium gesendeten Wellen (insbesondere hochfrequente Transversal-
oder Schubwellen) auf Grund der Dimensionen und der Natur des Mediums durch eine
Art von Kompressions. bzw. Dilationserscheinungen in verschiedenem Maße absorbiert
werden.
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Zur Messung des Absorptionskoeffizienten von Ultraschallschwingungen
in Flüssigkeiten ist bereits empfohlen worden, nach der Echolotmethode zu arbeiten.
Zu diesem Zweck wird in den Weg des aus dem Flüssigkeitsmedium kommenden reflektierten
Wellenzuges ein Dämpfungsglied eingeschaltet, so daß bei Untersuchung verschiedener
Flüssigkeiten auf dem Maßgerät gleiche Intervalle eingestellt und demgemäß vergleichbare
Werte für den Absorptionskoeffizienten erhalten werden können. Die angewendete Echolotmethode
macht grundsätzlich die Anwendung einer Zeitmarkierung notwendig, um die Zeitspanne
zwischen Primärimpuls und Refievimpuls feststellen zu können. Bei der Erfindung
wird dagegen der jeweils eingestrahlte Wellenzug in seinem gesamten Ablauf bis zur
völligen Absorption verfolgt, also unabhängig von der Zeitspanne für die Absorption
und somit ohne Zeitmarkierung. Die bekannten Echolotprüfverfahren erweisen sich
daher für die im vorliegenden Fall erforderliche Bestimmung der Gesamtabsoirption
als ungeeignet.
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Erflndungsgeinäß wird mit Hilfe von in das feste Medium, z. B. in
ein metallisches Werkstück eingesendeten und von diesem reflektierten Wellenzügen
die Absorption dieser das Werkstück bis zu sein:e'm der Einstrablstelle entgegengesetzten
Ende durchlaufenden Wellenzüge beobachtet und unabhängig von einer Ermittlung der
Zeitspanne, die für die Absorption des Wellenzuges jeweils erforderlich ist, auf
einem den Absorptionsverlauf des Wellenzuges optisch darstellenden Anzeigegerät
gemessen. Aus den so gefundenen Absorptionsverhältnissen lassen sich die zu bestimmenden
Eigenschaften des Mediums, wie Länge, Homogenität, Härte u. dgl., in einfacher Weise
ermitteln.
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Zur sichtbaren Registrierung der Absorption wird zweckmäßig von einem
Impulserzeuger ausgegangen, von weichem in üblicher Weise mittels einer synchronisierenden
Einrichtung eine H ochfrequenzweile, z.B. mit einer Frequenz zwischen oooooHz und
2 MHz, in Intervallen über einen Sender bzw.
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Senderempfänger dem zu prüfenden Werkstück od. dgl., gleichzeitig
aber auch einem Meßgerät (beispielsweise einem Kathodenstrahloszillographen) zugeleitet
wird. Anschließend werden die vom Werkstück reflektierten Wellen nach entsprechender
Verstärkung ebenfalls dem Meßgerät zugeleitet, wobei durch die genannte synchronisierende
Umschalteinrichtung der Impulserzeuger gesperrt bleibt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden nun die refllektierten
Impulse auf ihrem Wege zum Verstärker und Meßgerät durch ein mit der Synchronisiereinrichtung
verbundenes einstellbares Dämpfungsglied in ihrer Absorption in einem solchen Ausmaß
beeinflußt, daß die Amplitude der vom Meßgerät angezeigten reflektierten Wellen
innerhalb eines bestimmten, wahlweise festgelegten Bereiches der Meßgerätskala gerade
auf Null gedämpft werden. Hierdurch ergibt sich beispielsweise ein annähernd keilförmiges
Indikationsmuster des Absorptionsverlaufes, welches Muster in Verbindung mit einer
Skala bzw. einem Raster des Meßgerätes zur Lokalisierung und Größenbrestimmung von
Fehlstellen des Werkstückes dient.
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Bei dieser Methode hängt die Gröfe der Amplitude und die Anzahl der
reflektierten Wellen von der Länge und vom inneren Aufbau des zu messenden Werkstückes
ab, da das Werkstück seinerseits einen Teil der Energie der eingesendeten Schwingungen
absorbiert. Dieser Absorptionsvorgang ist je nach Länge des durchstrahlten Mediums
und seiner Struktur verschieden Die Erfindung ermöglicht jedoch eine Anpassung zwischen
dem optischen Meßbereich und dem Volumen des zu untersuchenden Mediums, derart,
daß mit ein und demselben Meßgerät sowohl die starke Absorption bei großem Volumen
als auch die schwache Absorption bei kleinem Volumen einwandfrei registriert werden
kann. Aus der Größe des zu diesem Zweck erforderlichen Dämpfungsgliedes, dessen
Einstellorgan vorteilhaft eine direkt zur Längenmessung geeichte Skala besitzt,
sowie aus der Änderung des Absorptionsverähltnisses läßt sich daher ein unmittelbarer
Schluß auf die Länge und die Struktur des Werkstückes ziehen.
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Die Messung der Härte erfolgt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
durch Zuschalten eines weiteren fix eingestellten Absorptionsgliedes, wodurch der
durch das erste Dämpfungsglied auf den gewählten Bereich der Meßgerätskala eingestellte
Absorptionsverlauf weiter gedämpft wird, wobei die hierdurch bewirkte Verkürzung
des Indikationsmusters als Maß für die Härtebestimmung von Werkstücken gleichartiger
Materialbeschaffenheit (Struktur) verwendet wird.
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Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders
geeignete Einrichtung ist in der Zeichnung an Hand eines nicht beschränkenden Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Es zeigt Fig. I eine prinzipielle Schaltung der erfindungsgemäßen
Eimichtung; Fig. 2 bis 5 zeigen die verschiedenen Erscheinungsformen des Indikationsmusters
in dem Meßgerät, beispielsweise eines Kathodenstrahloszillographen (Braunsches Rohr),
und Fig. 6 zeigt den Leuchtschirm eines derartigen Meßgerätes mit den Skalen der
Härtegrade.
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Aus einer nicht dargestellten Stromquelle wird über eine Sp annungskonstantbalte
ein richtung 1 ein Gleichtichter 2 angespeist, welcher über eine Stabilisierungsvorrichtung
3 den Impulserzeuger 4 speist Der Impulserzeuger 4 bekannter Bauart sendet Schwingungen,
z B. mit einer Frequenz zwischen 20000 Hz und 2 MHz, aus, welche über Leitung 5
und einen Senderempfänger 6 (z. B. piezoelektrischen Quarz) dem Werkstück 7 und
gleichzeitig über Leitung 8 auch dem Meßgerät 9 zugeleitet werden. Das Gerät I 0
enthält erfindungsgemäß eine synchronisierende elektronische U mschalteinrichtung,
welche verhindert, daß die vom Impuls-
erzeuger 4 ausgesendete Schwingung
über das Gerät 10 und den Verstärker 1 1 an das Meßgerät 9 gelangt. Im Augenblick
der Aussendung der Schwingung bleibt also der Weg vom Impulserzeuger 4 über das
Gerät 10 und den Verstärker 11 zum Meßgerät g gesperrt.
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Der Gleichrichter 2 legt jedoch, gesteuert durch das Gerät I0, im
Augenblick der Aussendung der Schwingung eine solche Gleichspannung an die Steuerplatten
der Kathodenstrahlröhre des Gerätes g (Fig. I), daß der Kathodenstrahl eine horizontale
Bewegung vollführt.
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Die vom Impulserzeuger 4 dem Meßgerät 9 unmittelbar über Leitung
8 zugeleitete Schwingung wird nun über ein weiteres Steuerplattenpaar der Kathodenstrahlröhre
eine zusätzliche vertikale Ablenkung des Kathodenstrahles hervorrufen. Solange der
Sender bzw. Senderempfänger nicht an das Werkstück angelegt wird und falls die vom
Impulserzeuger ausgesendete Welle nur eine kleine Anzahl von Schwingungen enthält,
d. h. ganz kurz ist, wird daher der Kathodenstrabl des Meßgerätes 9 (z. B. ein Braunsches
Rohr) das in Fig. 2 gezeigte Indikationsmuster am Leuchtschirm hervorrufen, welches
aus dem vertikalen Strich bei 12 und aus der anschließenden horizontalen Geraden
12-13 besteht.
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Dieses Indikationsmuster, verbunden mit einer Skalaeinteilung auf
dem Meßgerät 9, stellt eine eichbare Ableseeinrichtung dar, wobei der Meßbereich
mit dem Anfaitgspunkt 12 und dem Endpunkt I3 willkürlich gewählt und für jede Meßserie
beibehalten wird.
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Nach einem erfindungsgemäßen Merkmal wird nun unmittelbar nach Aussendung
einer einstellbaren Anzahl von Schwingungen der Welle durch den synchronisierenden
elektronischen Umschalter im Gerät 10 einerseits die weitere Aussendung der Hochfrequenzschwingung
irn Impulserzeuger 4 gesperrt, so daß nur eine Weile mit wenigen Schwingungen eingesendet
wird, und andererseits der Weg vom Senderempfänger 6 übler das Gerät 10 und den
Verstärker 11 zum Meßgerät 9 freigegeben. Die vom Werkstück reflektierten Wellen
werden daher erstärkt an dasjenige Steuerplattenpaar der lKathiodenstrahlröhre gelegt,
welches die vertikale Ablenkung des Kathodenstrahles bewirkt und dadurch am Leuchtscbirm
sichtbar macht. Es ist klar, daß die Amplitude dieser reflektierten Wellen infolge
der Absorption im Werkstück kleiner ist als die Amplitude der ausgesendeten Wellen
und gemäß einer Exponentialkurve bei homogenem Werkstück stetig kleiner wird, wobei
die Länge der Zwischenräume zwischen den einzelnen reflektierten Impulsen von der
Länge des Werkstückes abhängt.
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Im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen werden jedoch, wie bereits
erwähnt, nicht diese Zwischenräume zwischen dem ausgesendeten Primärimpuls und dem
reflektierten Wellenzug gemessen, es wird vielmehr die gesamte Absorption der Schwingung
im Werkstück ausgewertet. Zu diesem Zweck muß das in einer einzigen Anzeige vereinigte
Bild der gesamten Absorption jedes eingesendeten Wellenzuges bis zur Sendung des
nächsten Impulses schon vollständig auf Null gedämpft sein. Dies wird unabhängig
von der für vollständige Absorption sonst erforderliche Zeitspanne, also ohne den
bei bekannten Anordnungen nach dem Reflexionsverfahren notwendigen Zeitmarkengeber
mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erreicht, welche im Gerät 10 außer dem synchronisierenden
elektronischen Umschalter ein einstellbares Dämpfungsglied enthält. Dieses wird
mit Hilfe einer geeichten Skala so eingeschaltet, daß die letzte noch reflektierte
Welle unmittelbar vor dem Punkt 13 der Meßgerät,eskala sichtbar wird, so daß z.
B. das in Fig. 3 dargestellte Indikationsmuster am Leuchtschirm der Kathodenstrahiröhre
erscheint. Die langgestreckten Begrenzungslinien des abgebildeten, annähern keilförmigen
Musters werden von der Hüllkurve der reflektierten Welienzüge gebildet. An der geeichten
Skala des Einstellorgans des Dämpfungsgliedes im Gerät 10 kann dann die Länge des
Werkstückes 7 unmittelbar abgelesen werden. Der Meßbereich nach der erflndungsgemäßen
Methode liegt z.B. bei einer einzigen Vorrichtung zwischen Medienlängen von 15 mm
und 25 m.
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Wie bereits erwähnt, erfolgt die Abnahme der Amplitudengröße der
reflektierten Schwingungen nur dann nach einer Exponentialkurve, wenn das Werkstück
vollständig homogen ist. Befinden sich jedoch im Werkstück inhomogene Stellen irgendwelcher
Art (z. B. Strukturfehler, wie molekulare Korngrenzenabsonderungen im Gefüge, Risse
von Abkühlungs-, Verformmigs- und Härtevorgängen, nichtmetallische Einschlüsse,
Lunker, Gasblasen od. dgl.), so werden. an diesen Stellen zusätzlich Wellen reflektiert
werden, welche ebenfalls am Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre sichtbar werden
und den gleichmäßigen Verlauf des Indikationsbildes eines fehlerfreien Mediums am
Leuchtschirm stören. Aus dieser Störung des z. B. keilförmigen Indikationsmusters
am Leuchtschirm kalm an der geeichten Skala die Lage und Größe der Fehlstelle im
Werkstück unmittelbar abgelesen werden. Das Indikationsmuster, das auf ein homogenes
Medium geeicht ist, zeigt bei Vorliegen einer Gefügeahnormalität eine raschere Absorption
an der Fehlstelle, wodurch die ursprüngliche Form des waagerechten Keilmusters verändert
und z. B. in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise am Rande abgesetzt wird. Die Lage
dieser Unstetigkeitsstelle in bezug auf die Meßstrecke 12-13 und das Ausmaß der
vertikalen Einschnürung ermöglicht es, den Ort und die Ausbreitung der Inhomogenität
genau zu bestimmen. Auf diese Weise können noch Gefügeabweichungen bis zu 0,001
mm registriert werden. Auch mehrere hintereinanderliegende Fehlstellen können im
Gegensatz zu der bekannten Sondiermethode ohne Schwierigkeit ermittelt werden.
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Zur bloßen Anzeige einer Inhomogenität kann auch ein empfindliches
Galvanometer od. dgl. Instrument benutzt werden.
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Zur Messung der Härte des Werkstückes 7 wird mit Hilfe eines Umschaltorgans
des Gerätes 10 ein zweites Dämpfungsglied in den Weg von Senderempfänger 6 über
Gerät 10 und Verstärker 11 zum Meßgerät 9
eingeschaltet, welches
die reflektierten Schwingungen zusätzlich dämpft und am Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre
ein verkürztes Indikationsmuster, etwa nach Fig. 5, sichtbar werden läßt. Es ist
selbstverständlich, daß dabei die Größe des ersten Dämpfungsgliedes, mit dessen
Hilfe die Länge des Werkstückes lermittelt wurde, nicht verändert werden darf. Dias
zweite Dämpfungsglied muß so beschaffen sein, daß bei der Verschiebung des Indikationsmusters
die Amplitude der Anzeige auf dem Schirm des Meßgerätes konstant bleibt und auch
der Absorptionskoeffizient während der Härtemessung konstant gehalten wird. Der
Härtegrad von Medien gleichartiger Struktur bzw. ähnlicher Zusammensetzung steht,
wie gefunden wurde, mit US.-Absorptionsvermögen dieser Materialien in Beziehung,
so daß aus der Länge des Indikationsbildes der Härtegrad des zu prüfenden Mediums
abgeleitet werden kann.
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Durch das Ausmaß der Verkürzung des Indikationsrnusters, welche eine
Folge der Einschaltung des zweiten Dälmpfungsgliedes ist, ist daher die Härte des
Werkstückes eindeutig festgelegt. Zweckmäßigerweise besitzt das Meßgerät 9 eine
zweite geeichte Skala 14, an welcher sich die Härte des Werkstückes 7 unmittelbar
ablesen läßt. Die Ableseskala 14 wird zweckmäßig vom Punkt 13 dem Punkt 12 zu in
einem Längenverhältnis von wünschenswerter Ablesemöglichkeit untergebracht. Auf
die beschriebene Weise können einwandfrei Härtegrade mit einer Toleranz von # 1
bis 1,5%, z. B. innerhalb einer Grenze von 13 bis 68 Rockwell C, entsprechend etwa
I82 bis 700 Brinell oder 33 bis 98,5 Shgore, gemessen werden.
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An Stelle des in Fig. 1 dargestellten Senderempfängers 6 kann auch
ein eigener Sender und ein von diesem getrennter Empfänger mit Vorteil Verwendung
finden. Ebenso können auch kleinere Frequenzen als die des Ultraschallgebletes benutzt
werden, also z. B. Hörfrequenzen bis zu 20 000 Hz.
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Die Messung und Prüfung der Medien ist nicht auf metallische Werkstücke
beschränkt, sondern kann mit Vorteil auch für andere feste bzw. halbfeste Medien
benutzt werden. Die Erfindung ist vielseitig anwendbar, insbesondere für Zwecke
der laufenden Betriebskontrolle. In Stahlwerken lassen sich z. B. die Eigenschaften
und die Qualität der Erzeugnisse an Ort und Stelle rasch und ,einwandfrei prüfen.
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PATENTANSPRACHE: I. Verfahren zur Messung und Prüfung fester Medien,
vorzugsweise von metallischen Werkstücken, mit Hilfe von in das Werkstück eingesendeten
und von diesem reflektierten Wellenzügen, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorption
des eingesendeten, das Werkstück bis zu seinen der Einstrahlstelle entgegengesetzten
Ende durchlaufenden Wellenzuges unabhängig von einer Ermittlung der Zeitspanne,
die für die Ermittlung der Absorption des Wellenzuges jeweils erforderlich jst,
unter Benutzung eines den Absorptionsverlauf des Wellenzuges optisch darstellenden
Anzeigegerätes gemessen wird.