DE2242466C3 - Schaltvorrichtung zur Bestimmung der Wanddicke von MeBobjekten wie Platten o.dgl. nach dem Ultraschallverfahren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zur Bestimmung der Wanddicke von Meßobjekten wie Platten od. dgl. aus der am Meßobjekt erregten und ihm über Ultraschall-Empfänger-Sender rückgekoppelten Resonanzschwingung, wobei die abklingende Resonanzschwingung des Meßobjektes zeitlich verzögert und dem Schallsender wieder zugeführt wird, mit einer Zählvorrichtung für Schwingungen.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Wanddickenmessung mit Ultraschall bekannt, bei der die abklingende w> Resonanzschwingung des Meßobjektes, über eine Wasservorlaufstrecke verzögert, von einem Schalempfänger empfangen wird. Diese Schwingung wird nach der, durch die Wasservorlaufstrecke gegebenen Verzög^rungszeit. die länger als die Ablkingzeit der Prüflingsresonanz ist, dem Schallsender wieder zugeführt. Ein impulsgetasteter Schallsender und ein Schallempfänger sind über eine Verzögerungsstrecke aus Wasser mit dem Meßobjekt zu einem verzögert zurückgekoppelten Kreis züsämmengeschältet Der Rhythmus der Tastung des Rückkoppelkreises zum erneuten Senden und zur Auswertung der Messung wird dabei von einer Echoimpulseinrichtüng gewonnen. Diese besteht notwendigerweise aus einem Hilfsschwinger zum Senden und Empfangen eines Ultraschallimpulses, der allerdings in seiner Frequenz von der zu erwartenden Resonanzschwingung wesentlich abweicht, damit für die eigentliche Messung keine Störung erwartet werden muß. Der Abstand dieses Hilfsschwingers mißt den Abstand des Sende- und Empfangsprüfkopfes vom Meßobjekt oder auch eine etwas größere Entfernung, so daß eine Vergrößerung der Verzögerungszeit in die Messung eingehet) kann. Der Hilfsschwinger, der beispielsweise mit einem Frequenzimpuls von ca. 25 MHz beaufschlagt wird, dient außerdem bei der bekannten Vorrichtung zur Justierung des gesamten Prüfkopfsystems gegenüber dem Meßobjekt (DE-OS 20 25 210).

Die bekannte Vorrichtung hat folgende Eigenschaften:

Es ist schwierig, einen Sendeprüfkopf, einen Empfangsprüfkopf und den Hilfsschwinger so miteinander und gegenüber dem Meßobjekt anzuordnen, daß die Stelle auf der Oberfläche des Meßobjektes, auf die — mit Hilfe des Hilfsschwingers — justiert wird, identisch ist mit der Stelle der Oberfläche, an der die Dickemessung durchgeführt wird.

Damit die Vorrichtung optimal ausgerichtet werden kann, diente bisher der Hilfsprüfkopf auch als Justierhilfe. Es ist jedoch schwierig, drei Prüfköpfe gegeneinander und gegenüber dem Meßobjekt zu justieren, da drei voneinander abhängige [ustiervorgänge notwendig sind.

Auch bei optims'cr Justierung des Hilfsprüfkopfes kann nicht unterschieden werden, ob bei Rohren auf einer Mittellinie gemessen wird oder senkrecht zur Rohrachse. Bei einer Messung senkrecht zur Rohrachse können bei Rohren ungünstiger geometrischer Form (man hat z. B. als ungünstig das Verhältnis Wanddicke zum Rohrdurchmesser mit größer als 0,15 herausgefunden) andere Eigenresonanzen angeregt werden, statt derjenigen, die zur Dickenmessung verwertbar sind.

Solche anderen Resonanzen, wie z. B. zickzackförmige Transversalwellen im gesamten Rohrumfang, liefern Falschmessungen. Durch eine Justierung des Meßsystems auf die Mantellinie eines Rohres werden solche Fehlresonanzen gegenüber Wanddickenresonanzen des Prüflings, unterdrückt.

Dann ist zu berücksichtigen, daß der Hilfsschwinger eine Laufzeit, z. B. t₂ zum Meßobjekt und zurück mißt. Diese ist größer als die Laufzeit, z. B. i, der Ultraschallwellen-'akete vom Sendeprüfkopf zum Meßobjekt und zurücK zum Empfangsprüfkopf. Die Zeitdifferenz i2-fi ist durch die geometrische Anordnung der Prüfköpfe gegeben und für ein- und dieselbe Meßvorrichtung konstant. Diese konstante Zeitdifferenz bestimmt den Zeitpunkt, nach welchem die ausschwingenden Prüflingsresonanzen der Auswertung und dem Sender wieder zugeführt werden. Dadurch wird bei einem dünnen Meßobjekt (d. h. bei hoher Resonanzfrenquenz) die Auswertung bei einer späteren freien Schwingung des Prüflings erfolgen, als bei einem dickeren Meßobjekt. Das bedeutet, daß bei einem dünnen Meßobjekt bereits während der Zeitdifferenz ti-t\ wegen der höheren Resonanzfrequenz mehrere Schwingungen mehr erfolgt sind, verglichen mit einem dicken Prüfling mit niedrigerer Resonanzfrequenz.

Eine weitere Eigenart der bekannten Vorrichtung besteht darin, daß ein Hilfsschwinger benutzt werden muß, der mit einer Frequenz beaufschlagt Wird, die wesentlich von der Meßfrequenz abzuweichen hat. Daher muß für diesen Hilfsschwinger ein eigener Sender^Empfcngskreis zur Verfügung gestellt Werden. Dadurch tritt eine zusätzliche Verteuerung der Vorrichtung ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einfacher

als bisher bzw. ohne Hilfsschwinger und unabhängiger von den Abmessungen des Prüflings seine Dicke zu bestimmen. Man benutzt die Erkenntnis, eine vom Meßobjekt unabhängige Zeitdifferenz zu verwenden, die den Meßzeitpunkt so festlegt, daß jeweils die erste rein sinusförmige Schwingung des Ausschwingvorgangs als erste Schwingung der Auswertung und dem Sender zugeführt wird. Es kann sich bereits nach der sechsten Schwingung des freien Ausschwingvorganges des Meßobjektes eine rein sinusförmige Schwingung einstellen. Später auftretende Schwingungen können eventuell eine für die Auswertung zu kleine Amplitude haben. Es ist ja bekannt, daß der Ausschwingvorgang abhängig von den Dämpfungseigenschaften des Meßobjektes und des ihm ungebcnden Mediums bereits nach sehr kurzer Zeit abgeklungen sein kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß während der Dauer des Aussendens des Signals zur Anregung der Resonanzschwingung die mit konstanter Frequenz (Taktfrequenz) arbeitende Zählvorrichtung Schwingungen während eines Zeitbereiches vorwärts zzhlt, so daß die Zeitdauer des Sendeimpulses (Sendetores) feststellbar und speicherbar ist, daß nach Eintreffen des vom Meßobjekt reflektierten Signals der Zählvorgang des Zählers umkehrbar ist und beim Erreichen des Zählwertes Null bzw. des Ausgangswertes der Zählvorrichtung ein Synchronisationssignal, z. B. ein Nullsignal, an einen nachgeschalteten Torzähler gelangt, der nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit oder vorzugsweise nach Abzählung einer vorbestimmten Empfangsschwingungszahl gestartet wird und aus dem Empfangssignal ein neues Anregungssignal, bestehend aus einer vorbestimmten Anzahl von Schwingungen für einen folgenden Meßzyklus, bildet

Die neue Anordnung gestattet mit Hilfe lediglich eines Undefinierten Rauschens eine Justierung mit zwei Meßköpfen, wobei einer als Sender und der andere als Empfänger arbeiten.

Eine Au'-führungsform der Erfindung ist in der einzigen Zeichnung dargestellt, die ein Blockschaltbild mit einem Sende- bzw. Empfangsprüfkopf zeigt. Die steile Vorderflanke des ausgestrahlten Sendesignals 101. z. B. eines rechteckförmigen Rauschimpulses, bleibt während des gesamten Meßvorgangs erhalten. Diese steile Vorderflankc des Impulses wir 1 nach Reflexion an der Oberfläche des Prüflings 4 praktisch in ihrer Anstiegszeit iiicht verändert. Somit kann sie als unabhängige Größe zur Triggerung und damit zur Synchronisation der Vorrichtung herangezogen werden. Gemäß der Zeichnung wird der Regelkreis durch to einen Schalter 1 aufgetrennt und dem Sendeprüfkopf 2 ein Rauschsignal vom Rauschgenerator 3 zugeführt. Das an der Oberfläche des Prüflings 4 reflektierte Signal wird über den Err.pfangsprüfkopf 5 und Verstärker 8a einem Anzeigeninstrument 6 zugeführt, dessen maximaler Ausschlag eine optimale Justierung bedeutet. Jetzt wird der Schalter 1 in die aus der Figur ersichtlichen Stellung umgelegt.

Das Empfangssignal 7 enthält das an der zu prüfenden Materialoberfläche 4 refelektierte Sendesignal tO2 und dann die abklingenden Schwingungen 103 aus der Eigenresonanz des Prüflings. Ober einen geregelten Verstärker Sb gelangt das Empfangssignal zur Triggerschaltung 9, wo ein Komparator den Triggerimpuls 10 bzw. 105 auslöst

Die Vorderflanke des Triggerimpulses markiert den Beginn des reflektierten Sendesignalpaktes 102, 103. Der Anfang des Ausschwingvorganges wird durch einen Zähler, z. B. einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler 11 ermittelt, den der Impuls 101 startet Dieser arbeitet mit konstanter Frequenz, die ihm von einem an sich bekannten Frequenzgenerator zugeführt wird. Der Zähler Ii zählt ab seiner Grund- bzw. Nullstellung aus dem vorangegangenen Zyklus k Schwingungen des Sendetores aus und speiche« diese. D. h. der Zählvorgang (1 ... k) wurde mit der Vo«xierflanke des Sendeimpulses 101 gestartet und wird beendet mit der rückwärtigen Flanke, welche die eines Rechteckimpulses sein kann. Der durch die an der Oberfläche des Prüflit.₆s 4 reflektierten Vorderflanke des Sendesignalpaketes 102, 103 ausgelöste Triggerimpuls 105 löst seinerseits den Rückwärtszählvorgang im Zähler 11 aus. Dieser Vorgang läuft bis in die Grund- bzw. Nullstellung des Zählers 11 und wird dort beendet Dann wird ein impulsförmiges Synchronisationssignal 12 (d. h. ein Nullimpuls 106) an den Zähler 13 abgegeben.

Die Vorderflanke des Synchronisationsimpulses 12 kennzeichnet das Ende der Anregung der Resonanzschwingung durch das Sendesignalpaket bzw. den Beginn des Ausschwingvorganges (1 ... I), beendet den Triggerimpuls und startet den Zähler 13. Dieser gibt nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit tyU, bzw. nach einer vorbestimmten Empfangsschwingungszahl / das Meß- und Sendetor 14a bzw. 146 frei. Das Meßtor öffnet die Auswerteinheit 15 und gibt an diese einen Meßimpuls 108 ab, während über das Sendetor dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 11 ein Torimpuls 104 zugeführt wird. Der Sendeimpuls bzw. das neue Anregungssignal, bestehend aus einer vorbestimmten Anzahl k von Schwingungen für den folgenden Meßzyklus, werden über den Sendeverstärker 16 dem Sendeprüfkopf 2 zugeführt, nunmehr wird in an sich bekannter Weise weitergearbeitet, gemäß DE-OS 20 25 210 und die Meßtorimpulse in der Einheit 15 ausgewertet, indem diese Impulse 108 mit einer eigenen Zählfrequenz ausgezählt und als Meßwert, ζ. Β. ή'·ζ Materialdicke des Prüflings zur Anzeige gebracht •veröer:. Hierbei wird die Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Prüflings als bekannt Vorausgesetz'.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltvorrichtung zur Bestimmung der Wanddicke von Meßobjekten wie Platten od, dgl. aus der am Meßobjekt erregten und ihm über Ultraschall-Empfänger-Sender rückgekoppelten Resonanzschwingung, wobei die abklingende Resonanzschwingung des Meßobjektes zeitlich verzögert und dem Schallsender wieder zuführbar ist, mit einer Zählvorrichtung für Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß während der Dauer des Aussendens des Signals zur Anregung der Resonanzschwingung die mit konstanter Frequenz (Taktfrequenz) arbeitende Zählvorrichtung (11) Schwingungen während eines Zeitbereiches (trt\) vorwärts zählt, so daß die Zeitdauer des Sendeimpulses (Sendetores) feststellbar und speicherbar ist, daß nach Eintreffen des vom Meßobjekt reflektierten Signa?" der Zählvorgang des Zählers (11) umkehrbar ist und beim Erreichen des Zählwertes Null bzw. des Ausgangswertes der Zählvorrichtung

(11) ein Synchronisationssignal, z.B. ein Nullsignal

(12) an einen nachgeschalteten Torzähler (13) gelangt, der nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit (ty U) oder vorzugsweise nach Abzählung einer vorbestimmten Empfangsschwingungszah! (I) gestartet wird und aus dem Empfangssignal ein neues Anregungssignal, bestehend aus einer vorbestimmten Anzahl (k) von Schwingungen für einen folgenden Meßzyklus bildet

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Steujrkreis jine Triggerschaltung (9) vorgesehen ist, derei. Fingang an den Regelverstärker (8), deren Ausgang jed( ;h an einen Eingang des. Vorwärts-Rückwärtszählers (11) angekoppelt ist.