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Ultrasdiall-Iinpuls-Sende/Empfangsgerät Die Erfindung betrifft ein
Ultraschall-Impuls-Sende/Empfangsgerät zur Ermittlung der Dicke von Werkstücken
nach dem Ultraschall-Impuls-Reflexionsverfahren. Jeder der von dem Senderteil eines
derartigen Gerätes in das Werkstück eingesandten Ultraschallfmpulse löst innerhalb
des Werkstückes ein Mebrfachecho aus, das von dem Empfangsteil des Gerätes als Echoimpulsfolge
aufgenommen wird. Zur Ermittlung der Dicke des Werkstüdces ist dann mittels des
Gerätes der zeitliche Abstand zweier Echoimpulse innerhalb der Echoimpulsfolge zu
bestimmen, Bei bekannter Schallgeschwindigkeit im Werkstück ist dieser zeitliche
Abstand. ein Maß für die Werkstückdicke.
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Zur Ermittlung des zeitlichen Abstandes zweier Echoimpulse innerhalb
der Echoimpulsfolge enthalten die bekannten Geräte entweder eine Kathodensrrahlröhre
mit einem Bildschirm, auf dem die Echoimpulsfolge sichtbar gemacht wird und die
Abstände 4er Echoimpulse innerhalb der Echoimpulsfolge mittels eines Maßstabes auszumessen
sind, oder ein auf die Echoimpulsfolgefrequenz abzustimmendes Frequenzmeßgerät.
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Diese bekannten Geräte weisen folgende Nach teile auf: Bei jeder
Dickenmessung muß die Bedienungsperson nicht nur den Schallkopf des Gerätes auf
die Werkstückoberfläche aufsetzen, sondern sie muß noch einen oder mehrere Bedienungsgriffe
betätigen. So muß z. B. die Bedienungsp.erson bei der Ermittlung des zeitlichen
Abstandes zwischen zwei Echoimpulsen mittels eines Frequenzmeßgerätes die Abstimmung
dieses Frequenzmeßgerätes so lange verändern, bis Resonanz mit der zu messenden
Frequenz, nämlich der Echo-
impulsfolgefrequenz, eintritt oder bei
der Ermittlung des zeitlichen Abstandes zweier auf einem Bildschirm sichtbar gemachter
Echoimpulse - der zeitliche Abstand der Impulse tritt auf dem Bildschirm als räumlicher
Abstand auf - den Nullpunkt eines Maßstabes mit einem Echoimpuls in Deckung bringen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dickenmessung durch
das Ultraschall-Impuls-Sende/Empfangsgerät selbsttätig ausführen zu lassen, so daß
die Werkstückdicke bei bekannter Schallgeschwindigkeit im Werkstück unmittelbar
abgelesen werden kann. In vielen Fällen reicht es auch aus, wenn ein derartiges
Gerät selbsttätig das Über- oder Unterschreiten einer einstellbaren Werkstückdicke
anzeigt.
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Erfindungsgemäß wird dies mit einem Ultraschall-Impuls-Sende/Empfangsgerät
zur Ermittlung der Dicke von Werkstücken nach dem Ultraschall-Impuls-Reflexionsverfahren
unter Ausnutzung der von einem Uitraschallimpuls in dem Werkstück ausgelösten Echoimpulse
dadurch erreicht, daß in ihm eine selbsttätige Vorrichtung zur Messung der Zeit
vorgesehen ist, in der eine vorgegebene feste Zahl (n) von einem Sendeimpuls ausgelöster
Echoimpulse von dem Empfangsteil des Gerätes aufgenommen wird. Bei bekannter Schallgeschwindigkeit
im Werkstück ist diese Zeitmeßvorrichtung in Längeneinheiten, die die Werkstückdicke
angeben, eichbar.
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In Ausbildung der Erfindung sind Mittel vorgesehen, die den Anfang
der Zeit, in der die vorgegebene feste Zahl ( von Echoimpulsen von dem Empfangsteil
des Gerätes aufgenommen wird, durch die Eintreffszeit eines Echoimpulses und das
Ende dieser Zeit durch den Eintreffszeitpunkt des n-ten folgenden Echoimpulses festlegen.
Durch diese Mittel wird Anfang und Ende des zu messenden Zeitabschnittes in einfachster
Weise eindeutig festgelegt. In weiterer Ausbildung der Erfindung erfolgt die Messung
dieser Zeit durch Mittel, die dieser Zeit eine Rechteckspannung gleicher Zeitdauer
zuordnen, durch weitere Mittel, die diese Rechteckspannung in eine Dreieckspannung
gleicher Basislänge umwandeln, durch einen Kondensator, der mit dieser Dreieckspannung
aufgeladen wird, und durch Mittel zur Anzeige der Spannung am Kondensator, nachdem
er mittels der Dreieckspannung aufgeladen wurde. Die an dem Kondensator liegende
Spannung ist dann proportional der zu messenden Zeit. Da bekanntlich der Sendeimpuls
vielfach Form und Lage der ersten eintreffenden Echoimpulse beeinflußt und den Empfangsteil
des Gerätes zeitweilig blockiert, sind in weiterer Ausbildung der Erfindung Mittel
zur Einstellung einer derartigen minimalen Zeit zwischen dem Sendeimpuls und dem
ersten, den Anfang der Zeitmessung festlegenden Echoimpuls vorgesehen, daß die Wirkungen
des Sendeimpulses auf diesen Echoimpuls und auf den Empfangsteil des Gerätes nach
dieser Zeit vernachlässigbar klein sind. In weiterer Ausbildung der Erfindung wird
die Freigabe der Zeitmeßvorrichtung nach der eben genannten minimalen Zeit zwischen
dem Sendeimpuls und dem ersten, den Anfang der Zeitmessung festlegenden Echoimpulse
durch einen Synchronisator zur Steuerung der Zeitpunkte für die Auslösung der Sendeimpulse
und der Zeitpunkte für die Freigabe der Zeitmelßvorrichtung bewirkt. Zur Festlegung
der Zahl n der von einem Sendeimpuls ausgelösten Echoimpulse, die von dem Empfangsteil
des Gerätes aufgenommen werden, sind in weiterer Ausbildung der Erfindung Untersetzerstufen
vorgesehen. Bei Verwendung der üblichen Untersetzerstufen ist hierdurch die Zahl
der von dem Empfangsteil des Gerätes aufzunehmenden Echoimpulse innerhalb der Echoimpulsfolge
auf die Auswahl zwischen 2, 4, 8, r6 usw. festgelegt. Für die praktischen Erfordernisse
reicht diese Auswahl aus.
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Eine grundsätzlich andere Art der Messung der Zeit, in der eine vorgegebene
feste Zahl I von einem Sendeimpuls ausgelöster Echoimpulse von dem Ultraschall-Impuls-Empfangsgerät
aufgenommen wird, besteht in weiterer Ausbildung der Erfindung darin, daß man einen
Eichimpulsgeber zur Aussendung von Eichimpulsfolgen mit veränderbarer Impulsfolgefrequenz
und veränderbarer, im zeitlichen Abstand der Sendeimpulse periodisch wiederkehrender
Impulszahl verwendet und Mittel zum Vergleich des zeitlichen Abstandes zwischen
zwei Eichimpulsen innerhalb einer derartigen EichimDulsfolge mit dem entsprechenden
zeitlichen Abstand zwischen zwei Echoimpulsen innerhalb der Echoimpulsfolge vorsieht.
Zur Abzählung der vorgegebenen festen Zahl von Echoimpulsen und der gleichen Zahl
von Eichimpulsen werden in weiterer Ausbildung der Erfindung wiederum Untersetzerstufen
verwendet. Der Eintreffszeitpunkt des letzten Echoimpulses wird in weiterer Ausbildung
der Erfindung mit dem Eintreffszeitpunkt des letzten Eichimpulses durch einen Koinzidenzverstärker
verglichen, der dann ein ihm angeschlossenes Relais mit nachgeschaltetem Signalgeber
ansprechen läßt, wenn eine Koinzidenz zwischen dem letzten der beiden Echoimpulse
mit dem letzten der beiden Eichimpulse vorliegt.
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Ein derartiges Gerät zeigt selbsttätig das Über-oder Unterschreiten
einer an dem Eichimpulsgeber einstellbaren Werkstückdicke an.
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In den Zeichnungen sind beispielsweise Ausführungen erfindungsgemäßer
Ultraschall-Impuls-Sende/Empfangsgeräte und Amplituden-Zeit-Diagramme der für sie
maßgeblichen Impulsfolgen dargestellt.
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In Fig. I ist ein Ultraschall-Impuls-Sende/Empfangsgerät dargestellt,
bei der die Messung der Zeit, in der eine vorgegebene feste Zahl (ii) von einem
Sendeimpuls ausgelöster Echoimpulse von dem Empfangsteil des Gerätes aufgenommen
wird, durch Messung einer dieser Zeit proportionalen Spannung erfolgt.
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Fig. 2 gibt in einem Amplituden-Zeit- (.d, t) Diagramm die wesentlichen
der von dem Gerät nach Fig. 1 erzeugten Impulse wieder.
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Fig. 3 gibt ein Ultraschali-Impuls-Sende/Emp-
fangsgerät
wieder, bei diem die Zeit, in der eine vorgegebene feste Zahl (») von einem Sendeimpuls
ausgelöster Echoimpulse von dem Empfangsteil des Gerätes aufgenommen wird, mittels
eines Eichimpulsgebers veränderbarer Eichimpulsfolgefrequenz zu bestimmen ist.
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Fig. 4 gibt ,in einem Amplituden-Zeit- (A, t) Diagramm die wesentlichen
der von dem Gerät nach Fig. 3 erzeugten Impulse wieder.
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Die Fig. 1 und 3 erschöpfen- sich in Blockschaltbildern, da die Ausführung
der Schaltungen in den Blöcken bekannt bzw. für den Fachmann unmittel- -bar naheliegend
ist. in Fig. I kennzeichnet I einen Synchronisator, der Rechteckimpulse nach dem
in Fig. 2 angegebenen Verlauf 20 abgibt. Dieser Synchronisator 1 steuert den Sendeteil
2 des Ultraschall-Impuls-Sende/Empfangsgerätes derart, daß die vorderen Kanten 21
der von ihm erzeugten Rechteckimpulse Sendeimpulse 22 auslösen, die über einen elektroakustischen
Wandler 3 als Ultraschallimpulse in das Werkstück 4, dessen Dicke ermittelt werden
soll, gesandt werden. Die von diesen Sendeimpulsen in dem Werkstück 4 ausgelösten
Echoimpulse 23 werden von dem Empfangsteil 5 des Ultraschall-Impuls-Sende/Empiangsgerätes
aufgenommen, dort verstärkt, begrenzt utid demoduliert, so daß an dem Ausgang des
Empfangsteils 5 eine Rechteckimpulsfolge 24 erscheint, die von einem stärkeren Impuls
25 eingeleitet wird. Dieser stärkere Impuls 25 rührt von dem unmittelbar von dem
Sendeteil auf den Empfangsteil wirkenden Sendeimpuls 22 her.
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Wie aus Fig. 2 im Vergleich der Echoimpulsfolge 23 und der Rechteckimpulsiolge
24 ersichtlich, stört der von díem Senideimpuls unmittelbar herrührende Empfangs
impuls 25 den ersten Echoimpuls - in der Praxis möglicherweise auch noch den zweiten
oder dritten Echoimpuls. Durch die Hinterkante 26 der von dem Synchronisator 1 ausgelösten
Impulse wird der Untersetzer 6 freigegeben, der nunmehr die nach diesem Zeitpunkt
eintreffenden acht aufeinanderfolgenden Echoimpulsen bis k abzähit, wobei durch
den ersten dieser Echoimpulse itt dem Rechteckspannungsgenerator 7 eine Rechteckspannung
27 ausgelöst und durch den letzten dieser acht Impulse h in dem Rechteckspannungsgenerator
7 die vordem ausgelöste Rechteckspannung 27 abgeschaltet wird.
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Diese Rechteckspannung 27 speist einen Dreieckspannungsgenerator8,
der aus der Rechteckspannung 27 eine Dreieckspannung 28 mit der gleichen Basislänge
wie die Rechteckspannung erzeugt. Die -Höhe der Spannung, die innerhalb der Zeitdauer
des Rechteckimpulses von dem Dreieckspannungsgenerator erzeugt wird, ist proportional
der Zeit und wird durch ein auf Spitzenspannungen ansprechendes Röhrenvoltmeter
g gemessen. Da diese Zeit ihrerseits proportional der Dicke des Werkstückes ist,
kann dieses Röhrenvoitmeter unmittelbar in Längeneinheiten, die die Werkstückdicke
angehen, geeicht werden. Eine Berücksichtigung der unterschiedlichen Schallgeschwindigkeit
in unterschiedlichen Werkstücken kann durch Veränderung der Anstiegssteilheit des
Dreiecksimpulses 28 erfolgen.
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In Fig. 3 kennzeichnet 30 einen Synchronisatof, der Rechteckimpulse
nach dem in Fig. 4 angegebenen Verlauf 40 abgibt. Dieser Synchronisator 30 steuert
den Sendeteil 31 des Ultraschall-Impuls-Sende/Empfangsgerätes derart, daß die vorderen
Kanten 41 der von ihm erzeugten Rechteckimpulse Sendeimpul-se 42 auslösen, die über
einen elektroakustischen Wand'ler 32 als Ultraschallimpulse in das Werkstück 33,
dessen Dicke ermittelt werden soll, gesandt werden. Die von diesen Sendeimpulsen
in dem Werkstück 33 ausgelösten Echoimpulse 43 werden von dem Empfangsteil 34 des
Ultraschall-Impuls-Sende/Empfangsgerätes aufgenommen, dort verstärkt, begrenzt und
demodulliert, so daß am Ausgang des Empfangsteiles 34 eine Rechteckimpulsfolge 44
erscheint, die von einem stärkere ren Impuls 45 eingeleitet wird. Dieser stärkere
Impuls 45 rührt von dem unmittelbar von dem Sendeteil auf den Empfangsteil wirkenden
Sendeimpuls 42 her.
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Wie aus Fig. 4 im Vergleich der Echoimpulsfolge 43 und der Rechteckimpulsfolge
44 ersichtlich, stört -der von dem Sendeimpuls 42 unmitteXlbar herrührende Empfangsimpuls
45 den ersten Echoimpuls - in der Praxis möglicherweise auch noch den zweiten oder
dritten Echoimpuls. Durch die Hinterkante 46 der von dem Synchromsator 30 ausgelösten
Impulse wird der Untersetzer 35 freigegeben, der nunmehr die nach diesem Zeitpunkt
eintreffenden aufeinanderfolgenden Echoimpulse abzählt, wobei durch den ersten dieser
Echoimpulse ein Eichimpulsgeber 36 regelbarer Eichimpulsfolgefrequenz ausgelöst
wird. Die von dem Eichimpulsgeber 36 erzeugte Eichimpuisfolge wird ihrerseits einem
Untersetzer 39 zugeführt. In dem dargestellten Beispiel wird jeder achte Impuls
sowohl des Echoimpulsuntersetzers 35 als auch des Eichimpulsuntersetzer 39 auf einen
Koinzidenzverstärker 37 gegeben, der dann ein in ihm enthaltenes Relais schaltet,
wenn Koinzidenz zwischen dem achten Echoimpuls und dem achten Eichimpuls vorliegt.
Dieses Relais schaltet dann seinerseits ein Signal 38. Durch Veränderung der Eichimpulsfolgefrequenz
an dem Eichimpulsgeber wird beispielsweise eine Sdll-Werkstückdicke eingestellt
und dann durch das Signal 38 selbsttätig angezeigt wenn die tatsächliche Werkstückdicke
von der Soll-Werkstückdicke abweicht.