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Vorrichtung zur Dickenmessung und Prüfung fester Werkstücke und Werkstoffe
mittels Ultraschallwellen Zusatz zum Patent 925 613
Die Erfindung betrifft eine vorteilhafte
Ausgestaltung der durch das Patent 925 6I3 geschützten Erfindung, die sich auf eine
Vorrichtung zur Dickenmessung und Prüfung fester Werkstücke und Werkstoffe mittels
Ultraschall bezieht. Es wird dort ein elektromechanischer Wandler, wie z. B. ein
piezoelektrischer Quarzkristall, von einem abstimmbaren Generator erregt und als
Geber auf das zu prüfende oder zu messende Werkstück aufgesetzt. Die Frequenz wird
so lange verändert, bis sich bei einer Resonanzfrequenz im Prüfling stehende Wellen
ausbilden, wodurch eine starke Rückwirkung auf den Geber erfolgt. Die damit einhergehende
Anderung des elektrischen Zustandes des erregenden Generators zeigt an, daß die
Resonanzfrequenz erreicht ist. Aus der Resonanzwellenlänge ergibt sich das gesuchte
Dickenmaß.
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Die Ausgestaltung dieser Vorrichtung besteht nach der vorliegenden
Erfindung insbesondere darin, daß ein motorischer Antrieb vorgesehen ist, der die
Generatorfrequenz fortlaufend und in periodisch wiederkehrender Folge über einen
gewissen Bereich hin verändert und daß geeignete
Mittel in derselben
periodisch wiederkehrenden Folge die vom Generator abgegebene Leistung zur Anzeige
bringen, so daß eine stationäre Anzeige der Resonanzfrequenz z. B. durch einen Oszillographen
oder ein Stroboskop erhalten werden kann.
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Hierdurch ergibt sich eine weitgehende Automatisierung des Meßvorganges
verbunden mit einer wesentlichen Verkürzung der Meßdauer.
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Der auf diese Weise erzielte Vorteil besteht insbesondere gegenüber
einer bekannten, ebenfalls der Dickenmessung und Werkstoffprüfung dienenden Vorrichtung,
bei der an dem zu messenden Werkstück ein magnetostriktiver Schwinger durch Schweißverbindung
od. dgl. fest angebracht und mit veränderbarer Frequenz erregt wird. Kommt das System
Geber-Platte auf Resonanz, so wird dieses über ein Mikrophon und einen Strommesser
angezeigt. Bei Kenntnis der Daten des Gebers läßt sich dann die Wanddicke des Prüflings
aus der Resonanzfrequenz errechnen. Der Beschreibung dieser bekannten Vorrichtung
oder ihrer Ausführung läßt sich jedoch kein Hinweis auf eine automatische und periodisch
wiederkehrende itnderung der Erregungsfrequenz etwa durch motorischen Antrieb od.
dgl. und eine damit verbundene stationäre Anzeige der Resonanzfrequenz entnehmen,
wie es Gegenstand der Erfindung- ist.
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Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß bei der Erfindung die
Ausgangsleistung des Gebers als Meßgrundlage dient, während bei der erwähnten bekannten
Vorrichtung die Anzeige der Resonanzfrequenz auf dem Umweg über ein Mikrophon geschieht,
das mit dem Prüfling in mechanischen Kontakt gebracht werden muß und dessen Inkonstanz
nachteilig ist. Weitere dieser bekannten Vorrichtung noch anhaftende Nachteile werden
bereits durch das Hauptpatent vermieden.
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Bevor auf weitere Einzelheiten der Erfindung eingegangen wird, sei
noch ein Gerät erwähnt, das auf dem allerdings sehr entfernt liegenden Gebiet der
Messung von Wassertiefen bekanntgeworden ist. Es handelt sich um ein Gerät zur Lotung
von Wassertiefen od. dgl., das auch nach einem Resonanzprinzip arbeitet. Die Kapazität
des Abstimmkondensators eines akustischen Gebers wird fortlaufend durch Schwingung
oder Drehung des beweglichen Plattensystems des Kondensators geändert und die Resonanz
durch Aufleuchten einer Lampe festgestellt. Die Lampe rotiert mit der Welle, die
den Abstimmkondensator betätigt.
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Sie leuchtet daher wegen der somit starren Phasenbeziehung zwischen
ihrer Rotationsbewegung und der Frequenzänderung stets in derselben Stellung auf,
was auf eine stationäre Anzeige der Resonanzwellenlänge hinausläuft. Die Beschreibung
dieses Gerätes erwähnt außerdem, daß ein gesonderter Empfänger weggelassen werden
und die Leistungsabgabe des Schallsenders als Meßgröße dienen könne. Zu diesem Punkt
werden jedoch keine Ausführungsvorschläge gemacht. Hinweise darauf, daß das hier
behandelte Lotungsverfahren Bedeutung für die Dickenmessung fester Körper haben
könne, bestehen nicht.
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Die erwähnten Merkmale des bekannten Gerätes zur Messung von Wassertiefen
erscheinen in ähnlicher Form auch bei der vorliegenden Erfindung, wenn auch wegen
der anders gearteten Aufgabenstellung, die auf dem Gebiet der Werkstattmeßgeräte
zur Messung von Materialeigenschaften vorliegt, unter völlig anderen Voraussetzungen.
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Ihre neuartige Verwendung auf diesem Gebiet führt zu den eingangs
erwähnten wesentlichen Verbesserungen, was im einzelnen auch aus der nachfolgenden
Beschreibung an Hand der Zeichnungen hervorgeht.
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Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform der
Vorrichtung nach dem Hauptpatent mit einigen Merkmalen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 erläutert die Erfindung an Hand eines Schaltbildes; Fig. 3 ist eine vergrößerte
Ansicht des Indikators; Fig. 4 ist das Schema einer weiteren Ausfiihrungsform der
vorliegenden Erfindung.
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Fig. I zeigt die eine Seite 2 des erfindungsgemäßen Gerätes, das
durch den Handabstimmknopf 4 eingestellt werden kann, obwohl die Handalestimmung
als solche hier nicht besonders beansprucht wird. Die Anzeige des Generatorausgangsstromes
erfolgt auf dem Schirm 8 einer Kathodenstrahlröhre. Von dem Gehäuse I2 führt ein
Kabel 10 zu dem Schwinger 14, der auf die Oberfläche des Werkstückes I6 aufgesetzt
wird. dessen Dicke gemessen werden soll.
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Die allgemeine Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
so, daß der Schwinger I4 auf die Oberfläche des Werkstückes I6 aufgesetzt und der
Generator daraufhin durch den Schalter I8 eingeschaltet wird. Dann wird die von
dem Kristall im Schwinger 14 erzeugte Schwingungsfrequenz automatisch verändert;
bei einer bestimmten Frequenz, die das Werkstück in Resonanz versetzt, steigen die
mechanische Belastung des Kristalls und die elektrische des Generators wesentlich
an, und eine scharfe Anhebung des Lichtfleckes auf dem Schirm 8 zeigt die Resonanzlage
an. Der Schirm besitzt eine im Dickenmaß geeichte Skala, so daß der jeweilige Zahlenwert
bei jeder Resonanzlage abgelesen werden kann.
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Fig. 2 zeigt zunächst eine Oszillatorenröhre 20 mit Anode 22, Steuergitter
24 und Kathode 26.
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Zwischen Gitter und Kathode sind eine Spule 28 und in Reihe damit
die beiden Kondensatoren 30 und 32 geschaltet. Das Gitter ist über den Gitterableitwiderstand
34 mit der Kathode 26 und diese über Leitung 36 mit Masse verbunden. Zwischen Masse
und dem positiven Pol der Anodenspannungsquelle befindet sich der Widerstand 38.
Die Spule 28 ist über Leitung 42 mit einer Ausgangsspule44 verbunden. Diese beiden
Spulen besitzen zur Erzielung einer Gitterrückkopplung eine gewisse Gegeninduktivität.
Das andere Ende der Spule 44 ist über Leitung 46 mit der Anode 22 der Röhre 20 verbunden.
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Parallel zur Spule 44 liegt ein Drehkondensator, bestehend aus einer
oder mehreren Statorplatten 48, die über Leitung 50 mit Leitung 46 verbunden sind,
und aus einer oder mehreren Rotorplatten 52, die über Leitung 54 mit Leitung 42
verbunden sind.
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In dem dargestellten Gerät ist der Rotor 52 auf der von einem kleinen
Motor 56 angetriebenen Welle 53 befestigt, die auch den Handbedienungsknopf 4 der
Fig. I trägt. Ein 5operiodiger Synchronmotor bietet in diesem Falle den Vorteil
einer leichten Synchronisierung der Kippfrequenz des Oszillographen. Der Ausgangskreis
des Generators wird kapazitiv über den Kondensator 58 und die im Kabel 10 liegende
Leitung 60 auf den Schwinger 14 ausgekoppelt. Leitung 60 führt durch die geerdete
Abschirmung 64 zum Kristall 62, der auf das Werkstück I6 aufgelegt wird.
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Der Anodenwechselstrom erzeugt an dem Widerstand 66 im Anodenkreis
die Anzeigespannung, die über einen Kondensator 71 an die Eingangsklemmen 68 und
70 eines Verstärkers 72 gelegt wird. Der Ausgang dieses Verstärkers ist mit dem
in vertikaler Richtung ablenkenden Plattenpaar eines Kathodenstrahloszillographen
73 verbunden.
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Der Kippgenerator 74 ist mit dem in horizontaler Richtung ablenkenden
Plattenpaar des Oszillographen verbunden. Falls ein Synchronmotor 56 verwendet wird,
wird der soperiodige Netzwechselstrom zur Synchronisierung der Kippfrequenz verwendet.
Andernfalls kann die Synchronisierung durch einen Schleifkontaktgeber auf der Motorwelle
erfolgen.
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Der Schirm 8 des Oszillographen besitzt eine horizontale Skala 75
(Fig. 3), die in jedem beliebigen Bereich geeicht werden kann, in dem die Dickenmessung
erfolgen soll; im erfindungsgemäßen Falle ist der Bereich von 50- bis gotausendstel
Zoll Stahldicke dargestellt. Wenn die Apparatur leer arbeitet, erzeugt der Kippkreis
des Oszillographen eine horizontale Linie und der Motor 56 verschiebt synchron hierzu
die Oszillatorfrequenz iiber das geeichte Frequenzband. Da keine Resonanzbelastung
vorliegt, erscheint der Leuchtstrich lediglich als flache horizontale Linie.
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Wenn jetzt der Schwinger 14 auf das zu untersuchende Werkstück 16
aufgesetzt wird, entsteht bei jeder halben Umdrehung des Motors ein Resonanzpunkt
bzw. eine Resonanzspitze, wenn die Abmessung des Werkstückes in dem geeichten Bereich
liegt. Der Anstieg der Oszillatorbelastung bei der Frequenz des Resonanzpunktes
liefert bei dieser Frequenz eine Spannung an den Widerstand 66 und erzeugt dadurch
eine vertikale Ablenkung, wie z. B. bei 76 auf dem Schirm 8 gezeigt (Fig. I).
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Da dieses sich mit hoher Geschwindigkeit wiederholt, weil die Oszillatorfrequenz
durch ihren Bereich gedreht wird, erhält man eine stationäre Anzeige und damit eine
direkte und genaue Ablesung.
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Es sind auch andere Verfahren zur Anzeige der Resonanzfrequenzen
des zu untersuchenden Werkstückes verwendbar. Ein derartiges Verfahren ist in Fig.
4 dargestellt. Die Schaltung ist sonst dieselbe wie in Fig. 2, der Kathodenstrahloszillograph
ist jedoch fortgelassen, und der Verstärker, der dort mit den vertikal ablenkenden
Platten verbunden war, wird jetzt zur Speisung einer Stroboskoplampe verwendet,
die jedesmal bei Resonanz des Werkstückes aufleuchtet. Diese Stroboskoplampe 80
ist auf eine geeichte Skalenscheibe 82 fokussiert, die auf der Motorwelle des Abstimmkondensators
sitzt. Dadurch scheint die Skalenscheibe still zu stehen, und zwar in der Lage,
in der der Kondensator auf die Resonanzfrequenz des zu untersuchenden Werkstückes
eingestellt ist.
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Die stroboskopische Ablesung kann also auf der Skalenscheibe unter
einem festen Zeiger erfolgen.
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Nachdem nun im einzelnen das Wesen der Erfindung und ihre Ausführungsmöglichkeit
beschrieben und dargestellt wurde, werden folgende Anspriiche erhoben.