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Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Wandstärke von Gegenständen
mittels Ultraschallwellen
Zur Bestimmung der Wandstärke von Gegenständen, die nur
von einer Seite her zugänglich sind, ist es bekannt, gegen diese Oberfläche Ultraschallwellen
zu richten und die von der Gegenseite des Gegenstandes reflektierten Wellen aufzufangen,
um dann aus dem Maß der Phasenverschiebung zwischen der ausgehenden und der aufgefangenen
Welle die Stärke des Gegenstandes zu ermitteln.
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Die hierzu bisher bekannten Einrichtungen beruhen auf der Ausnutzung
der sich bei der Phasenverschiebung einstellenden Resonanzerscheinungen oder der
Anwendung eines Schwingsystems und sind sehr aufwendiig, ohne dabei vergleichsweise
Rei'henmessungen zuzulassen.
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Die Erfindung betrifft ein neues. Verfahren zur Durchführung dieser
Wandstär3fienbesttimmungen mittels der Messung der Phasenverschiebung von gegen
den zu untersuchenden Gegenstand gerichteten und von dessen Rückseite reflektierten
Ultraschallwellen, das sich leicht und schnell durchführen läßt und auch die Ausführungen
von Reihen- oder Vergleichsbestimmungen in einfacher Weise ermöglicht. Sie besteht
in der Erkenntnis, daß die an sich bekannte Maßnahme, die Phasenverschiebung zwischen
elektrischen Wechselströmen und. Spannungen auf dem Schirm von Kathodenstrahlröhren
mittels der sich dort ergebenden sogenannten Lissajous-Figuren zu be-
stimmen,
sich vorteilhaft auch für die hier vorliegende Aufgabe anwenden läßt und zu einer
wesentlichen Vereinfachung gegenüber den hierfür bisher bekannten Maßnahmen führt.
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Hiernach besteht somit die Erfindung darin, daß zum Bestimmen der
Wandstärke von Gegenständen unter Verwendung von Ultraschallwellen, die gegen die
zugängtiche Fläche des Gegenstandes gerichtet sind und bei dem die von der Gegenseite
des Gegenstandes reflektierten. Wellen aufgefangen sowie das Maß der Phasenverschiebung
zwischen diesen Wellen ermittelt wird, diese Phasenverschiebung aus den Lissajous-Figuren
auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre bestimmt wird.
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Vorteilhaft wird das neue Verfahren mit Ultraschallwellen mit einer
Frequenz von etwa 50 Kcs/sec durchgeführt.
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Zur Ausführung des neuen Verfahrens kann beispielsweise eine Einrichtung
dienen, die aus folgenden Teilen besteht: einer Erzeugerquelle für elektrische Hochfrequenzschwingungen,
einem Sender für Ultraschallwellen der gleichen Frequenz wie diese Hochfrequenzschwi,ngun.gen,
weun von deren Erzeugerquelle erregt, und einem von einem piezoelektrischen Quarzkristall
gebildeten Empfänger für Ultraschallwellen, wobei der Sender und der Empfänger auf
die Oberfläche des zu messenden Gegenstandes aufsetzbar sind, sowie einem an den
Empfänger angeschlossenen Verstärker zum Verstärken der diesem durch die aufgenommenen
Ultraschallwellen erteilten elekfrischen Impulse und einem Anzeigegerät zur Bestimmung
der Zeit zwischen der Aussendung der Schwingungen von der Hochfrequenzquelle und
der Aufnahme der verstärkten Impulse durch den Empfänger.
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Zweckmäßig besteht der Sender für die Ultraschallwellen aus einem
mit dem Empfängerkristall übereinstimmenden piezoelektrischen Quarzkristall, während
zur Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden und dem Empfangen der Ultraschallwellen
zweckmäßig eine Kathodenröhre dient.
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Das neue Verfahren und die zu seiner Durch führung dienende Einrichtung
sind nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
einer Meßvorrichtung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 das Schaltdiagramm der Einrichtung
und Fig. 2 eine Reihe von bei verschiedenen Wandstärken durch die Kathodenröhre
erzeugten Schirmbildern.
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Das Meßgerät nach der Fig. I besteht aus einem Senderkristall 1 und
einem Empfängerkristall 2, die von einer Messinghülse 3 aufgenommen sind.
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Die beiden piezoelektrischen Kristalle I, 2 sind gleich ausgebildet
und in dem Gehäuse 3 durch eine zu einem Kästchen geformte Metallfolie 4 getrennt,
die zwischen Gummiplättchen 5 eingebettet ist.
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Damit verbleibt in dem von der Metallfolie 4 umschlossenen Raum ein
Luftspalt.
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Die Metallfolie 4 bildet zwischen den beiden Kristallen I, 2 einen
elektrischen Schirm, und der von ihr eingeschlossene Luftspalt ver.hindert einen
Übergang der Ultraschallwellen von dem einen Kristall zu dem anderen. Damit wird
durch die Gummi-Metall-Zwischenlage zwischen den beiden Kristallen 1, 2 jeder unmittelbare
Übergang zwischen diesen von elektrischen oder akustischen Wellen verhütet.
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Die Abgabefläche 7 des Sendekristalls 1 und die Aufnahmefläche 8
des Empfängerkristalls 2 liegen in einer Ebene. Die Gegenenden der beiden Kristalle
I, 2 sind mit je zwei Anschlüssen versehen, von denen jeweils einer an deren das
hohe Potential führende Elektrode angeschlossen ist, während die beiden anderen,
die zu den Gegenelektroden führen, an dem Gehäuse geerdet sind.
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Die Einrichtung umfaßt noch eine Kathodenröhre 9, einen Verstärker
10 und einen Röhrenschwingungserzeuger 11 mit einem Betriebsbereich von 15 Kcs/sec
bis 1 Mc/sec. Der Hochfrequenzschwingungserzeuger ist einerseits geerdet und andererseits
durch eine gemeinsame Leitung an den Senderkristall und eine der Y-Platten der Kathodenröhre
angeschlossen. Eine der X-Platten der Kathodenstrahlröhre ist an den Verstärker
angeschlossen, dessen Aufnahmeseite mit der Klemme des Aufnahmekristalls verbunden
ist. Die beiden anderen X-und Y-Platten der Kathodenstrahlröhre sind geerdet.
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Zur Durchführung einer Messung wird der Hochfrequenzschwingungserzeuger
eingeschaltet und so eingeregelt, daß er einen Wechselstrom mit einer Frequenz von
50 Kcs/sec an. die an ihn angeschlossene Y-Platte der Kathodenstrahlröhre liefert
und somit auf deren Schirm eine gerade Linie erzeugt, die auf der Y-Achse des Schirmes
liegt. Der Schwingungserzeuger liefert den gleichen Hochfrequenzstrom an den Sendekristall
1, dessen Aussendefläche dann Ultraschallwellen mit der gleichen Frequenz aussendet,
die auch mit der Hochfrequenzwelle des Schwingungserzeugers im gleichen Intervall
liegen.
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Die eine Seite des zu messenden Gummigegenstandes wird mit Wasser
angefeuchtet, wobei die beiden Kristal'le 1, 2 auf diese Fläche angesetzt werden.
Die Gegenseite des Gummigegenstandes bleibt trocken, so daß hier eine Unterseite
bedeckende Luftschicht verbleibt.
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Die von dem Senderkristall ausgesandten Ultraschallwellen durchdringen
den Gummigegenstand und werden von dessen von Luft umgebenen Unterseite zurückgeworfen.
Diese reflektierten Ultraschallwellen oder wenigstens ein erheblicher Teil hiervon
werden von dem Empfängerkristall 2 aufgenommen, von diesem in einen schwachen elektrischen
Strom umgewandelt, der die gleiche Frequenz bat wie die ihn auslösende Ultraschallwelle.
Dieser schwache Strom wird über den Verstärker der an diesen angeschlossenen X-Platte
der Kathodenstrahlröhre zugeführt. Er hat zwar die gleiche Frequenz wie die Welle
des Hochfrequenzschwingungserzeugers 11, liegt aber zeitlich hinter dieser wegen
der Zeit, die die Ultraschallwelle für den Hin- und Zurückgang durch den zu messenden
Gegenstand braucht.
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Es ergibt sich somit eine Phasenverschiebung zwisdhen der Schwingungswelle
und der von dem Empfänger weitergegebenen Welle, die gleich ist 2T v worin V = Geschwindigkeit
des Durchganges durch den Gegenstand (cm/sec) und T = Stärke des zu messenden Gegenstandes.
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Diese zeitliche Verschiebung führt zu einer Phasenverschiebung zwischen
der Schwingungswelle und der Abgabewelle durch den Empfängerkristall von 2 a, wenn
die zeitliche Verschiebung gleich ist einer vollen Wellenperiode, d. h. wenn 2T
1 v f worin f = Frequenz der Oszillatorwelle in Schwingungen pro Sekunde.
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Sofern die Zei'tverschiebung nicht der Wellenperiode entspricht,
dann steht die Phasenverschiebung in einem bestimmten Verhältnis zu der zeitlichen
Verschiebung und beträgt
worin # = Wellenlänge der Schallwellen in dem Prüfmaterial in Zentimetern ist.
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Wenn zwei einfache harmonische Schwingungen, die im rechten Winkel
zueinander liegen, die gleiche Frequenz haben, aber nicht in der gleichen Phase
liegen, ergibt sich eine elliptische Bewegung, die auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre
bei Zufuhr der beiden Wellen zu der X- bzw. Y-Platte der Röhre eine Ellipse erzeugt,
wobei die Länge und Neigung dieser Ellipse von dem Ausmaß der Phasenverschiebung
der die X- und Y-Platte der Röhre beeinflussenden Wellen abhängt.
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Für eine Phasenverschiebung zwischen o und 2# ergibt sich eine Reihe
von Schirmbildern (Fig. 2), wobei jedes Schirmbild einer bestimmten Phasenverschiebung
zwischen der Oszillatorwelle und der Verstärkerwelle entspricht. Da die Phasenverschiebung
von der Wandstärke des zu messenden Gegenstandes abhängig ist, entspricht also jede
der auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre erscheinenden Figuren einer bestimmten
Wandstärke des zu messenden Gegenstandes bis zu einer Phasenverschiebung von 2 #
oder einer vollen Wellenperiode. Für eine Phasenverschiebung zwischen 2 und 4 #
wiederholen sich die Schirm bilder, wobei jedes S.chirmbild eine Wand stärke anzeigt,
die gleich ist der Wandstärke im Bereich der Phasenverschiebung von o bis 2 # zuzüglich
der sich für die Phasenverschiebung von 2 # ergebenden Wandstärke. Die gleiche Wiederholung
ergibt sich für eine Phasenverschiebung über 4 n.
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Für eine Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 50 Kcs/sec beträgt
die Wellenlänge (jl) in Gummi etwa 32 mm, so daß also eine Phasenverschiebung von
2 # beim Hin- und Rückgang der Ultraschallwelle durch eine Gummiwand von I6mm Stärke
eintritt.
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Da es ohne weiteres möglich ist, nach dem Augenmaß einen Gegenstand
in die Stärkengruppen von I bis I6, I6 bis 32, 32 bis 48 mm Stärke einzureihen,
bietet es keine Schwierigkeit, aus dem Schirmbild die tatsächliche Stärke festzustellen,
auch wenn diese Schirmbilder sich für die einzelnen Stärkegruppen wiederholen.
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Für jede Stärkegruppe mit je einer Phasenverschiebung von 2 # ergibt
sich ferner eine Übereinstimmung der Schirmbilder für eine Verschiebung von #/2
und 3#/2 bezogen auf den Ausgangspunkt o, 2 m, 4 n von jeder Gruppe. Diese beiden
an sich die gleiche Lage und Form zeigenden Schirmbilder lassen sich jedoch daran
auseinanderhalten, daß die Amplitude der von dem Empfängerkristall aufgenommenen
Welle für verschliedene Stärken des zu messenden Stoffes verschmieden ist. Diese
Unterschiede in der Größe der Amplitude beruhen weitgehend auf der gegenseitigen
Beeinflussung zwischen der ausgesandten und der reflektierten Welle beim Durchgang
durch den zu messenden Gegenstand.
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Durch die Verwendung eines zweiten Meßgerätes, das bis auf die Wellenlänge
mit dem ersten Instrument übereinstimmt, ist es möglich, für jede Stärkegruppe des
von dem ersten Gerät erzeugten Schirmbildes eine andere Form zu erzeugen, so daß
keine übereinstimmenden Schirmbilder in den verschiedenen Stärkegruppen auftreten.
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Die mögliche Phasenverschiebung zwischen den Schwingungen in dem
Leiter von dem Sclhwingungserzeuger zu der Y-Platte der Kathodenstrahlröhre einerseits
und in dem Leiter zu dem Senderknistall zu dem Empfängerkristall und von dort zu
der X-Platte der Röhre über den Verstärker sind bisher nicht berücksichtigt. Jede
sich hieraus ergebende Phasenverschiebung ist aber im wesentlichen für eine bestimmte
Frequenz konstant und führt daher zu einer gleichbleibenden Berichtigung der aus
den Schirmbildern gewonn,enen Ergebnisse.
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Diese Verschiebung kann aber beim Eichen des Gerätes an Meßteilen
bekannter Stärke bereits berücksichtigt werden.
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Das neue Verfahren und die beschriebene Einrichtung sind in der Anwendung
nicht auf die Stärkenbestimmung von Gummiplatten od. dgl. beschränkt. Der besondere
Vorteil liegt darin, daß es nunmehr möglich ist, die Wandstärke solcher Körper zu
bestimmen, die nur von einer Seite her zugänglich sind, wie etwa in sich geschlossene
Hohiringe, also etwa der Stärkenmessung von Heizschiäuchen zur Vulkanisation von
Fahrzeugradbereifungen. Hier ist es notwendig, die Wandstärke der Heizschläuche
unter einer ständigen Kontrolle zu halten, da deren Gebrauchsdauer hiervon wesentlich
abhängt. Zum Prüfen eines solchen Heizschlauches wird ein Teil seiner Oberfläche
für die Herbeiführung einer gutleitenden Verbindung
mit Wasser,
Rizinusöl od. dgl. angefeuchtet und dann. das vorbeschriebene Gerät mit den beiden
-Kristallen gut anliegend aufgesetzt. Die Innenwand des. Schlauches dient dabei
als Ablenkfläche für die Ultraschallwellen.
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Der Sende- und der Empfängerkrista,ll sind so bemessen, daß sie mit
über I Kc/sec gegenüber der Frequenz der von dem Oszillator kommenden Welle ansprechen,
um die Möglichkeit einer unmittelbaren Übertragung von Ultraschallschwingungen zwischen
den beiden Kristallen weiter zu vermindern.
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Das Verfahren und die beschriebene Vorrichtung lassen sich auch für
die Stärkenbestimmung von nicht aus Gummi gefertigten Gegenständen anwenden. Es
muß jedoch für jeden Anwendungsfall die Wellenlänge der Ultraschallwelle in dem
zu prüfenden Werkstoff bestimmt werden, um die Phasenverschiebung auf eine Grundstärke
des Stoffes zu ermitteln.
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Die Frequenz des Sendekristalls kann an sich auf jede beliebige Ultraschallfrequenz
eingestellt sein, doch bildet für die Stärkemessung von Gummi 500 Kcs/sec die obere
Grenze wegen der mit der Erhöhung der Frequenz steigenden Absorption von Ultraschallwellen
dur.ch- Gummi.