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Vorrichtung zur Dickenmessung und Prüfung fester Werkstücke und Werkstoffe
mittels Ultraschallwellen
Die Erfindung befaßt sich mit Vorrichtungen zur Dickenmessung
und Prüfung fester Werkstücke und Werkstoffe mit Hilfe von Ultraschall. Die Erfindung
hat eine Vorrichtung dieser Art zum Gegenstand, bei welcher ein elektromechanischer
Wandler, z. B. ein piezoelektrischer Kristall, welcher durch einen mit Elektronenröhren
arbeitenden Oszillator von veränderlicher Frequenz erregt wird, mit dem zu prüfenden
Körper oder Werkstoff in Berührung gebracht werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird diese Vorrichtung in der Weise ausgebildet,
daß der elektromechanische Wandler eine von der vermutbaren Resonanz des Prüflings
wesentlich verschiedene Eigenfrequenz besitzt und leicht abnehmbar, federnd, vorzugsweise
unter Zwi,schenll!age einer Kopplungsschicht (z.B.
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Ölschicht) an die Oberfläche des Prüflings andrückbar ist und ein
Meßgerät zur Anzeige des Resonanzzustandes im Prüfling zwischen Anode des Oszillators
und die Kraftquelle geschaltet ist.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Vorrichtung
in der Weise ausgebildet werden, daß parallel zu dem Abstimmkondensator in dem Ausgangskreis
des Oszillators ein mit einem Widerstand in Reihe liegender Hilfsabstimmkondensator
geschaltet wird und durch ein gemeinsames Regelorgan beide Abstimmkondensatoren
in dem Frequenzbereich so verändert werden, daß in den Kreis eine veränderliche
Kompensationsbelastung eingeführt wird, um die Stromanzeige in dem Oszillatorkreis
bei Nichtbelastung im wesentlichen konstant zu halten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann z. B. verwendet werden, um
die Wandstärke von Teilen eines Hohlkörpers zu bestimmen oder um die Verbindung
von zusammengesetzten Werkstoffen zu prüfen.
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Gegenüber bekannten Meß- und Prüfeinrichtungen, welche für ähnliche
Zwecke bisher benutzt wurden, zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung vor
allem dadurch aus, daß sie sehr klein, tragbar und leicht bedienbar ausgebildet
werden kann.
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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden
in Verbindung mit den Zeichnungen näher besch'rieben: Fig. 1 ist eine perspektivische
Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 2 ist ein vergrößerter Schnitt
durch den auf das Werkstücl aufzusetzenden Fühler; Fig. 3 ist ein Schaltbild der
Vorrichtung, und Fig. 4 und 5 sind Teilschaltbilder, die andere Ausführungsformen
für den Anschluß des Anzeigeinstruments an den Kreis darstellen.
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Die in Fig. I im ganzen dargestellte Vorrichtung besteht aus einem
Gehäuse 120, das die elektrische Schaltung mit den Bauelementen enthält und einen
einstellbaren Knopf I24 mit einer Skala I56 sowie ein Anzeigeinstrument 70 aufweist,
ferner aus einem mit diesem Gehäuse durch ein Kabel I26 verbundenen Fühler 56. Der
Fühler kann auf jedes zu messende Werkstück 154 aufgesetzt werden.
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Fig. 3 zeigt die Schaltung mit den Bauelementen; diese besteht aus
einer Oszillatorröhre 2 mit der Anode 4, dem Bremsgitter 6, Schirmgitter 8, Steuergitter
Io und Kathode 12. Der abstimmbare Eingangskreis ,der Oszillatorröhre 2 wird durch
eine Hauptinduktivität 14 in Parallelschaltung mit einem veränderlichen Kondensator
16 gebildet und ist durch Leitung I8, Kondensator 19 und Gitterableitwiderstand
20 mit dem Steuergitter 10 der Röhre verbunden. Die Induktivität 14 besitzt einen
einstellbaren Angriff 22 zur Kathodenrückführung.
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Parallel zu Idem Hauptabstimmkondensator I6 liegt ein Trimmerkondensator
24, um die beiden abgestimmten Kreise in Gleichlauf zu Ibringen. Der Hauptabstimmkondensator
16, der Trimmer 24 und die Induktivität 14 sind jeweils einseitig geerdet.
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Der Angriff 22 der Spule I4 ist durch Leitung 30 mit der Kaßhode 12
der Röhre 2 verbunden. Das Schirmgitter 8 ist über Leitung 32 über einen Widerstand
34 an einen veränderlichen Abgriff 36 eines Widerstandes 38 angeschlossen, dessen
eine Seite geerdet und dessen andere Seite durch Leitung 40 an die Drosselspule
42 und den Siebkondensator 44 angeschlossen ist; dieser Siebkondensator bildet in
Verbindung mit der Drosselspule und einem weiteren Siebkondensator 46 eine Siebkette
zwischen dem Widerstand 38 und der Spannungsquelle. Zwischen Leitung 32 und Leitung
26 ist ein Kondensator 48 geschaltet.
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Von der Anode 4 der Oszillatorröhre 2 führt eine Leitung 50 zu einem
Blockkondensator 52 und von dort die Leitung 54 eines abgeschirmten Kabels I26 zu
dem piezoelektrisch'en Kristall 58, der in dem Fühler 56 (Fig. 2) befestigt ist
und auf das Werkstück 154 aufgesetzt werden kann. Der Kabelmantel 126, der Kristallhalter
und durch Berührung mit dem Halter auch das Werkstück sind geerdet.
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Zwischen Leitung 50 ,und einem Kondensator 28 liegt eine Induktivität
60, der ein Abstimmkondensator 62 zur Abstimmung des Oszillatorausgangskreises parallel
geschaltet dst. Außerdem ist hier ein kleiner Trimmerkondensator 64 in Reihe mit
einem kleinen Belastungswiderstand 66 parallel zu dem Kondensator 62 geschaltet.
Das untere Ende des aus der Spule 60 und dem Kondensator 62 bestehenden Abstimmkreises
ist über die Drossel 68 mit der Stromanzeigevorrichtung, d. h. dem in dem Gehäuse
120 untergebrachten Milliamperemeter 70, verbunden (Fig. I).
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Die mit ,dem Ausgang des Gleichspannungsfilters verbundene Leitung
40 führt zu einem Begrenzungswiderstand 72, der seinerseits mit dem anderen Pol
des Milliamperemeters 70 verbunden ist. Das Instrument ist durch einen Kondensator
74 gegen Masse abgeblockt. Dieser Punkt der Schaltung führt weiterhin über einen
veränderlichen Widerstand 76, einen Begrenzungswiderstand 78 und eine Leitung 86
zu dem Ausgang einer Gleichrichterbrücke 80, deren entgegengesetzter Pol durch Leitung
82 wieder mit dem Milliamperemeter 70 verbunden ist. Zeitungen 82 und 86 sind durch
einen Kondensator 84 überbrückt. Der Eingang der Gleichrichterbrücke ist durch die
Leitungen 88 und 90 mit einer kleinen Sekundärwicklung 92 des Netztransformators
verbunden, dessen Primärwicklungen 96 und 94 durch die Leitungen 98 und 100 angeschlossen
sind. Eine weitere Sekundärwicklung 102 des Transformators ist an ihrem Mittelabgriff
durch eine Leitung 104 geerdet; ihre beiden Enden sind durch die Leitungen 106 und
108 an die Elektroden 110 und 112 einer Zweiweggleichrichterröhre 114 angeschlossen,
deren Kathode 116 durch eine Leitung 118 mit dem oben beschriebenen Filtersystem
42, 44, 46 verbunden ist.
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Die abgestimmten Eingangs- und Ausgangskreise des Oszillators werden
gleichzeitig verändert, wie in der Figur durch die die beiden Kondensatoren I6 und
62 verbindende strichpunktierte Linie angedeutet ist. Das wird durch den Knopf 124
(Fig. 1) bewirkt, der sich zusammen mit der Skalenscheibe 156 unter der Einstellmarke
bewegt. Der kleine Kompensationskondensator 64 wird gleichzeitig mit der Abstimmeinstellung
verstellt und ist so justiert, daß der Anodenstrolm des Oszillators ohne äußere
Belastung über den ganzen Frequenzbereich hinweg nahezu konstant ist.
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Der Füliler 56 (Fig. 2) besteht aus einem langen zylindrisch leitenden
Gehäuse 128 aus Metall, das durch die Schrauben 152 mit dem Kabelmantel 126 verbunden
und dadurch geerdet ist; an seinem unteren Ende besitzt es drei Vorsprünge 130,
die dazu dienen, d'ie Grundplatte I32 in einem kleinen Abstand von der Oberfläche
des Werkstückes 154 zu halten.
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Am unteren Ende der inneren Bohrung I34 befindet sich ein Innenflansch
136, gegen den durch
eine elektrisch leitende Feder 144 der Bund
I40 einer Kreisscheibe I38 aus Isolierstoff mit der Bohrund 142 gedrückt wird, die
dien piezoelektrischen Kristall 58 trägt. Die leitende Feder I44 steht mit einer
Elektrode auf der oberen Oberfläche des Kristalls 58 in Kontakt und drückt außerdem
die Scheibe I38 heraus. Auf der anderen Seite ist d!ie Feder 144 mit der Zuleitung
54 für den Hochfrequenzstrom verbunden, die in einem Außenmantel 146 gelagert ist;
in diesem befindet sich eine Anzahl Isolierperlen 148, die den Leiter 54 zentrisch
führen. Ein weiterer röhrenförmiger Isolator 150 führt den Mantel I46 und das Ende
des Kabels I26 und wird selbst in dem Gehäuse 128 durch geeignete Erdungsschrauben
I52 gehalten'.
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Es ist notwendig, einen Kristall auszuwählen, dessen Resonanzfrequenz
außerhalb des verwendeten Frequenzbandes liegt; deshalb ist es zweckmäßig, beim
Wechsel des Meßbereichs auch den Kristall auszuwechseln. Zu diesem Zweck ist es
lediglich notwendig, die Feststellschrauben 152 zu lösen, das Isolierrohr 150 und
das in diesem gehalterte Kabelende herauszunehmen und die den Kristall 58 tragende
Scheibe 138 aus dem Gehäuse I28 herauszuziehen. Dann wird eine andere Scheibe, die
einen Kristall geeigneter Charakteristik trägt, eingeschoben und durch Einstecken
der Anordnung 150, 126 und 144 die Verbindung wieder hergestellt.
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Wenn der Fühler auf der Oberfläche einer Metallplatte, z. B. I54 in
der Fig. 2, aufgesetzt wird, deren Dicke gemessen werden soll, legt er sich automatisch
auf Grund der drei Vorsprünge I30 bei jeder Oberflächenform an. Dadurch wird der
Kristall durch die Feder I44 in Kontakt mit der Oberfläche der Platte I54 gebracht.
Um eine gute Kopplung zu erhalten, wird der Kristall zuerst in 01 getaucht, das
dann einen Film zwischen ihm und der Oberfläche tblillldet.
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Die Vorrichtung beruht auf der Tatsache, daß sich die elektrischen
Eigenschaften mechanisch belasteter Elemente bei einer Änderung dieser mechanischen
Belastung ändern. Zum Beispiel kann man die Änderung der Impedanz einer Magnetspule
durch mechanischen Druck auf den ferromagnetischein Kern derselben ausnutzen; ferner
kann man die Impedanzänderung eines Kondensators durch Ände'rung des mechanischen
Druckes oder Zuges auf das Dielektrikum verwenden. Dabei sind diese mechanischen
Belastungsänderungen abhängig von der verwendeten Frequenz und von der Resonanzamplitude
des zu messenden Werkstückes. Wenn die Wellenlänge der durch einen elektromechanisehen
Wandler dem Werkstück zugeführten Schallschwingungen in diesem gleich der doppelten
Dicke des Werkstückes ist, schwingt es in Resonanz.
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Wenn der Wandler mit dem Werkstück mechanisch gekoppelt ist, ändern
sich die Reaktionskräfte zwischen den beiden und dadurch die elektrischen Eigenschaften
des Wandlers; diese Änderung wird zur Anzeige des Resonanzpunktes verwendet. In
unserem Beispiels wird ein piezoelektrischer Kristall verwendet, aber nur zur Veranschaulichung
des Prinzips; es kann jedoch auch irgendein anderer der vielen elektromechanischen
Wandler mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden.
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Beim Betrieb bringt man den Fühler mit dem Kristall in Berührung
mit der Oberfläche des zu messenden Werkstückes. An den Kristall wird eine Wechselspannung
angelegt, so daß dieser mit der Frequenz der Spannung schwingt; diese Schwingung
wird durch einen Ölfilm auf das zu messende Werkstück übertragen und dieses dadurch
ebenfalls in Schwingungen versetzt. Wenn die aufgezwungene Frequenz so groß ist,
daß die Dicke des Werkstückes gleich der halben Wellenlänge oder einem Vielfachen
davon ist, gerät das Werkstück in Resonanz. Man ändert deshalb durch Drehung des
Abstimmknopfes I24 des Oszillators langsam die Frequenz der Erregerspannung über
den verfügbarren Bereich; wenn Resonanz auftritt, steigt die mechanische Belastung
des Kristalls 58 stark an, und seine elektrischen Eigenschaften ändern sich so,
!daß die durch den Anodenstrom meßbare Ausgangsleistung des Generators scharf ansteigt.
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Die Resonanzlage wird deshalb durch das Instrument 70 angezeigt,
das den Anodenstrom mißt; die dann abgelesene Frequenz gestattet die Bestimmung
!der Materialdicke. Die Berechnung derselben für Stahl erfolgt z. B. nach folgender
Formel: 3,25 # 106 t Dabei ist f die Frequenz in Hertz, t die Dicke des Bleches
in Millimeter. Mit Hilfie dieser und ähn'li'che'r Umrechnungsformeln kann die Skalenscheibe
156 für verschiedene Materialien geeicht werden. Die Scheibe kann aber auch empirisch
mit Hilfe von Werkstücken bekannter Dicke geeicht werden.
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Wenn sich der Anodenstrom bei Änder'ung der Abstimmung über den Frequenzbereich
ohne äußere Belastung ändert, ergibt sich beim Aufsetzen des Kristalls auf das Werkstück
eine falsche Anzeige. Es ist desh,alb wesentlich, daß der Generator so konstant
wie möglich arbeitet. Zu diesem Zweck wird der Kompensationskondensator 64 (Fig.
3) eingeführt, der eigentlich eine mit dem Kondensator 62 verbundene belastete Platte
darstellt; durch Änderung dieser Belastung wird der Schwingstrom der unbelasteten
Platte von vornherein über den Frequenzbereich konstant gemacht.
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Es kann auch wünschenswert sein, den Strom, der sich bei ider Prüfung
des Werkstückes vor dem Durchdrehen ,der Frequenz einstellt, auf Null oder auf irgendeinen
anderen Wert einzustellen. Um das Milliamperemeter 70 auf einen bestimmten Ausschlag
zu bringen, wird durch einen kleinen Widerstand 76 ein Kompensationsstrom zugeführt.
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Dieser wird von dem Netztransformator über die Gleichrichterbrücke
80 geliefert. Man bringt den Kristall in Berührung mit dem Werkstück und stellt
den Widerstand 76 so ein, daß das Milliamperemeter 70 auf Null zeigt; dann wird
der Abstimmknopf 124, wie oben beschrieben, durch gedreht.
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In manchen Fällen kann es zweckmäß"ig sein, das Milliamperemeter
anders anzuschalten, als in Fig 3 gezeigt, um das System zu vereinfachen.
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Fig. 4 und 5 zeigen zwei derartige abgeänderte Schaltungen. In Fig.
4 wird der Ausgang des Gleichspannungs.filters 42, 44, 46 mit dem einen Ende eines
Widerstandes 158 verbunden, dessen anderes Ende geerdet ist; das Milliamperemeter
70 liegt über Leitung I60 an einem Abgriff des Widerstandes, andererseits über Leitung
162 und einem weiteren Widerstand 164 an der Drossel 68. Zwischen der Leitung I62
und dem Filter liegt ein veränderlicher Widerstand I66. Man sieht, daß diese Schaltelemente
eine Brücke bilden, deren Eingang an den beiden Enden des Widerstandes I58 liegt,
während das Instrument im Querzweig der Brücke liegt. Durch Einstellung des Widerstandes
I66 kann die Bücke also abgeglichen und das Instrument auf Null oder einen bestimmten
Werteingestellt werden.
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In der in Fig. 5 dargestellten anderen Schaltung ist der Ausgang
des Zweiweggleichrichters 114 über das Filter 46, 42, 44 mit einer Leitung I68 und
von dort mit einer Klemme des Milliamperemeters 70 verbunden; dessen andere Klemme
ist über Leitung 170 mit der Anode 172 einer Verstärkerröhre verbunden, deren Gitter
I74 über Leitung I76 an die Drossel 68 angeschlossen ist. Zwischen dieser Drossel
und dem Milliamperemeter sitzt ein Widerstand 178. Die Kathode I80 der Verstärkerröhre
liegt über Leitung I82 an dem veränderlichen Abgriff I84 eines Wildierstandes 186,
der zwischen Leitung I68 und Erde geschaltet ist. Hier liegt wieder eine Brückenschaltung
vor, und zwar bilden diole Widerstände I78 und I86 sowie der Innenwilderstand der
Oszillatorröhre die Zweige der Brücke. Gitter und Kathode der Verstärkerröhre sind
an den Ausgang der Brücke gelegt, wobei die Anodenspannung durch Anschluß an die
Spitze d'er Brücke vom Gleichrichterteil geliefert wird. Das Milliamperemeter liegt
im Anodenkreis der Röhre; die Brücke wird durch Einstellung des Abgriffes I84 an
dem Widerstand I86 so eingestellt, daß sicih der richtige Anzeigewert ergibt. Jede
Unsymmetrie in der Brücke verursacht eine Änderung der Spannung am Gitter I74 und
dadurch eine Änderung des Anodenstromes, so daß das Instrument 70 ausschlägt.
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Bei all diesen Schaltungen werden Änderungen der Gleichspannung ausgeglichen,
sofern die Kompensationsspannung sich in demselben Maße ändert wie die Anodenspannung
des Oszillators, so daß die Anzeige davon nicht beeinflußt wird.
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Bei der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß das Werkstück ein
homogenes Stück ist, in dem durch den Wandler stehende Wellen erzeugt werden. Wenn
andererseits zwei Stücke miteinander verschweißt sind, erscheinen sie bei der Messung
als ein einziges Stück, aber nur dann, wenn die Schweißung sauber ist. Wenn die
Schweißung an irgendeiner Stelle nicht sauber ist und ein kleiner Zwischenraum zwischen
den Werkstücken auftritt, tritt die stehende Welle nur in dem zwischen dem Kristall
und dem Zwischenraum liegenden Teil auf, so daß die Anzeige diese Entfernung ergibt.
So zeigt eine Änderung der ge messenen Dicke des zusammengesetzten Körpers auf eine
kleinere Dicke sofort an, daß eine schlechte Schweißung oder ein Fehler an dem Werkstück
vorliegt.
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Auf folgende Weise kann man sich noch die Messung der Amplitude des
Ausgangsstromes in d'er Nähe der Resonanzstelle zunutze machen. Wenn z. B. der Abstimmknopf
auf eine vorgegebene Dicke eingestellt und der Wandler nacheinander mit einer Reihe
ähnlicher Werkstücke in Kontakt gebracht wird, deren Dicke gleich sein sollte, dann
zeigt eine Änderung des von dem Instrument angezeigten Stromes eine Abweichung in
der Dicke oder in den Eingenschaften des Werkstückes an. Bei einer solchen Prüfung
können Toleranzen festgelegt werden, außerhalb deren die Teile als Ausschuß ausgeworfen
werden.