DE3822716C2 - Einrichtung zum Überwachen von Änderungen der Ultraschalleigenschaften eines faserverstärkten Kunststoffes während eines Aushärteprozesses - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Überwachen von Änderungen der Ultraschalleigenschaften eines faserver­ stärkten Kunststoffes während eines Aushärteprozesses.

Die gegenwärtige Technologie zum Aushärten von faserverstärk­ ten Kunststoffen verwendet einen Aushärtzyklus, der für das interessierende Material empirisch ermittelt wird. Die Anwen­ dung der "intelligenten Preßtechnologie", um die Parameter des Aushärtens, wie beispielsweise die Temperatur und Druck, in Abhängigkeit von dem Materialzustand während des Aushärtens einzustellen, erfordert eine zerstörungsfreie Technik zur Er­ mittlung des Aushärtungsgrades des Kunststoffes, während die Aushärtung fortschreitet. Während einer Aushärtung durchlau­ fen Kunststoffe große Veränderungen im Elastizitätsmodul. Des­ halb sollten Änderungen in den Ultraschalleigenschaften, wie beispielsweise Geschwindigkeit und Dämpfung, für ein empfind­ liches und zuverlässiges Maß des Aushärtungsgrades sorgen. Was erforderlich ist, ist ein verbessertes Mittel zur Ermitt­ lung der Geschwindigkeit und Dämpfung von Ultraschallwellen eines faserverstärkten Kunststoffes während der Aushärtung, das genau und trotzdem einfach bei der Herstellungsarbeit an­ zuwenden ist.

Wenn das Kunstharz eines faserverstärkten Kunststoffes aus­ härtet, bilden sich Bindungen zwischen den verschiedenen Poly­ merketten, und diese zunehmend komplexe Verbindung hat pro­ gressive Vergrößerungen in der Viskosität, im Kompressions­ modul und dem Schubmodul der Kunstharzmatrix und der Gesamt­ zusammensetzung zur Folge. Ultraschall-Längsgeschwindigkeits­ daten, die diese Änderungen in Epoxid-Kohlenstoff-Zusammen­ setzungen demonstrieren, sind von W.P. Winfree und F.R. Parker in dem Aufsatz "Measurement of the Degree of Cure in Epoxies with Ultrasonic Velocity" Rev. of Progress in Quantitative NDE 1985, Band 5B, Plenum Press., aufgenommen worden. Frühere Mes­ sungen der Geschwindigkeit sind unter Verwendung kurzer, breit­ bandiger Impulse gemacht worden, wie es in DE 35 22 771 A1 oder US 4 327 587 beschrieben ist. Diese Technik ist zwar vom Konzept her einfach, aber Schwierigkeiten (aufgrund der stark frequenzabhängigen Dämpfung der Zusammensetzung) bei der Er­ zeugung von Impulsen, die kurz genug sind, um eine temporäre Auflösung von einzelnen Echos von der Probe zu gestatten, haben den Wirkungsgrad dieser Impuls-Echo-Techniken eingeschränkt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine robuste und genaue Einrichtung zum Überwachen von Änderungen in der Ultraschall­ geschwindigkeit und Dämpfung von Kunststoffen während des Aushärteprozesses zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß durch die Verwendung eines (Grenz-)Oszillators und einer schmalbandigen Resonanztechnik, um das Aushärten von Kunststoffen zu überwachen und Änderungen sowohl in der Geschwindigkeit als auch der Dämpfung zu messen, eine Überwachungseinrichtung erhalten wird, die genau und stabil ist und mit vernünftigen Kosten hergestellt werden kann.

Eine Literaturstelle, wo ein Grenz-Oszillator in einer medizinischen Anwendung erörtert ist, um Änderungen in der Ultraschalldämpfung aufgrund von Streuung und Absorp­ tion von Teilchen in einem Fluid zu messen, ist die Doktor­ arbeit von Dennis R. Dietz, Washington University, St. Louis, 1976. Eine weitere ist M.S. Conradi, J.G. Miller und J.S. Heymann, Rev. Sci. Instrum. 45, 358 bis 360, 1974. Ein Grenz-Oszillator ist, kurz gesagt, ein Oszillator, der gerade genügend positive Rückführung hat, um eine kontinuierliche Oszillation aufrecht zu erhalten.

Grenz-Oszillatoren stellen eine einfache und trotzdem höchst genaue Technik dar zum Überwachen von Ände­ rungen in den akustischen Eigenschaften von faserverstärkten und anderen Kunststoffen während des Aushärtzyklus. Eine der­ artige Einrichtung zur Ermittlung sowohl der Dämpfung als auch der Geschwindigkeit von Schall in der Probe hat die folgenden Komponenten. Die Verstärkung eines Verstärkers wird durch ein Verstärkungsregelsignal eingestellt, und der aku­ stische Resonator wird in einer Schleife mit positiver Rück­ führung angeordnet. Ein Amplituden-Regelkreis hat Mittel, um das Verstärkerausgangssignal abzutasten- und das Verstärkungs­ regelsignal und somit die Verstärkung einzustellen, so daß das Ausgangssignal im wesentlichen konstant ist. Der akusti­ sche Resonator wird von einer Form, die die Probe aus Kunst­ stoff enthält, dessen Resonanzfrequenz und Dämpfung sich än­ dert, wenn die Probe aushärtet, und Sende- und Empfangswandlern auf der Form gebildet, um Ultraschallwellen zu erzeugen, die durch die Probe hindurchtreten und empfangen werden. Es sind Mittel vorgesehen zum Messen der Resonanzfre­ quenz und der Verstärkung, die auf entsprechende Weise zu der Schallgeschwindigkeit und Dämpfung in der Probe in Be­ ziehung stehen. Vorzugsweise werden die Signalfrequenz und die Verstärkungsregelspannung gemessen, um den Aushärtungs­ grad zu ermitteln.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Grenz-Oszillator zum Messen der Resonanz­ frequenz und deshalb der Schallgeschwindigkeit von einer Probe aus faserverstärktem Kunststoff.

Fig. 2 zeigt ein Grenz-Oszillatorsystem, das die Dämpfung der Probe und auch die Resonanzfrequenz ermittelt.

Fig. 3 stellt einen Ultraschall-Resonantor dar, der bei Ex­ perimenten verwendet wird.

Fig. 4 zeigt die Änderung in der Resonanzfrequenz der Epoxid­ probe während des Aushärtzyklus.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm von dem vollständigen Grenz-Oszilla­ torsystem, ohne den Ultraschall-Resonator, mit einem die Frequenz verriegelnden Abschnitt, um die Ver­ folgung der Resonanzfrequenz der Probe zu erlauben.

Gemäß Fig. 1 wird ein (Grenz-)Oszillator in seiner einfachsten Form von einer Probe 10, einem sendenden Ultraschallwandler (Sendewandler) 11 und einem empfangenden Ultra­ schallwandler (Empfangswandler) 12 und einem variablen Verstärker 13 gebildet, der das empfangene Signal zurück zu dem sendenden Wandler schickt. Die zwei Wandler 11 und 12 und die Probe 10 dienen als ein schmalbandiger akustischer Resonator und können als eine Rückführungsschleife für den Verstärker 13 betrachtet werden. Der sendende Wandler 11 erzeugt akustische Wellen, die durch den empfangenden Wandler 12 empfangen werden, und bei gewissen Frequenzen, Resonanzfrequenzen der Probe 10, er­ gibt sich ein stehendes Wellenmuster. Bei jeder anderen Re­ sonanzfrequenz haben die Signale keine Phasenverschiebung über der Rückführungsschleife (bei den anderen Resonanzfre­ quenzen ist die Phasenverschiebung π Radian), und deshalb stellt bei diesen Frequenzen ohne Phasenverschiebung die Schleife einen Mitkopplungspfad bzw. einen Pfad mit positiver Rückführung dar. Wenn die Verstärkung des Verstärkers größer als die Dämpfung der Probe ist, dann steigt bei Signalen ge­ eigneter Frequenz die Amplitude, bis ein gewisses nicht-line­ ares Ansprechverhalten des Verstärkers, gewöhnlich Abschnei­ den bei den Netzversorgungswerten, die Verstärkung des Ver­ stärkers verkleinert. Die Resonanzfrequenz der Probe wird da­ durch ermittelt, daß die Frequenz des empfangenen Signals ge­ messen wird.

Um die Dämpfung einer Probe unter Verwendung eines(Grenz-)Oszillators zu ermitteln, muß das in Fig. 1 gezeigte System nur leicht abgeändert werden. In Fig. 2 ist ein Grenz­ oszillatorsystem dargestellt, dem ein Amplituden-Regelkreis hinzugefügt ist. Der Verstärker ist der Verstärker einer auto­ matischen Verstärkungsregelung (AGC) oder ein Verstärker mit variabler Verstärkung, bei dem die Verstärkung durch eine externe Spannung geregelt werden kann. Ein Amplitudendetektor 15, der einfach eine Reihendiode und ein Kondensator nach Masse sein kann, wird verwendet, um die Verstärkung des Verstärkers 14 so einzustellen, daß die Amplitude des Ausgangssignals aus dem Verstärker konstant ist. Damit dieser Zustand auftritt, muß die Verstärkung des Verstärkers 14 gleich der Dämpfung der Probe 10 sein. Wenn sich die Dämpfung der Probe ändert, tritt eine kom­ pensierende Änderung in der Verstärkung des variablen Verstärkers 14 auf. Deshalb wird die Dämpfung der Probe dadurch überwacht, daß einfach die Verstärkung des Verstärkers 14 abgetastet und gemessen wird, was gewöhnlich durch Messen des Spannungspegels des Verstärkungsregelsignals getan wird.

Für viele Anwendungsfälle ist das in Fig. 2 gezeigte Grenz-Oszil­ latorsystem ausreichend zum überwachen der Änderungen in der Schallgeschwindigkeit in einer Probe, durch Änderungen in der Resonanzfrequenz, und Dämpfung einer Probe. Die Schallgeschwin­ digkeit V_s, und die keine Phasenverschiebung aufweisende Re­ sonanzfrequenz f_R stehen gemäß der folgenden Gleichung zueinan­ der in Beziehung

wobei T die Trennung zwischen dem Wandlern (s. Fig. 2) und n die Harmonische und eine ganze Zahl sind. Wenn die Resonanz­ frequenz bei zwei Harmonischen n und n+1 bekannt sind, wird die Differenz der Resonanzfrequenzen mit T multipliziert, um die Schallgeschwindigkeit zu ergeben. Die Resonanzfre­ quenz ist gleich der Frequenz des empfangenen Signals und wird auf einfache Weise gemessen durch einen Frequenzzähler an diesem Punkt. Die Verstärkung wird so geregelt, daß sie gleich der Dämpfung der Probe ist; die Verstärkungsregelspan­ nung wird gemessen, um die Dämpfung zu ermitteln. Wenn die Probe ein Kunststoff ist, dessen Geschwindigkeit und Dämpfung sich während des Aushärtzyklus ändern, können diese akusti­ schen Eigenschaften überwacht werden, um eine Anzeige für den Aushärtungsgrad zu ergeben.

Es wurden Versuchsdaten während des Aushärtens eines raserver­ stärkten Epoxids gewonnen unter Verwendung des schmalbandigen akustischen Resonators, der in Fig. 3 dargestellt ist. Eine Stahlform 16 hat einen Hohlraum 17, der die Epoxidprobe ent­ hält, und die Sende- und Empfangswandler 11 und 12 sind an den parallelen Stirnflächen der Form angebracht. Die Wandler sind breitbandige 2 MHz Bleiniobat-Vorrichtungen. Fig. 4 zeigt die Änderung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Aushärtzeit von 1,81 MHz zu Beginn bis etwa 1,88 MHz am Ende. Die Änderung in der Dämpfung ist nicht gezeigt, folgt aber im allgemeinen der Ableitung; sie hat einen kleinen Wert zu Beginn (wenige db/cm), nimmt bis zu einem Spitzenwert zu, wo die Änderung in der Resonanzfrequenz am steilsten ist, und kehrt zurück auf einen kleinen Wert.

Die Anwendung von Interesse ist das Überwachen des Aushärtens eines faserverstärkten Kunststoffes, beispielsweise Graphit­ verstärktes PMR-15, Graphit-verstärktes Epoxid und Glas-ver­ stärkte Epoxide und Polyester. Für diesen Anwendungsfall re­ sultiert ein zu überwindendes Problem aus der Tatsache, daß die Resonanzfrequenz der Probe aus. Kunststoff etwa 100 KHz beträgt, aber es wünschenswert ist, die Geschwindigkeitsmes­ sungen in dem unteren MHz-Bereich zu machen. Die Motivation zum Arbeiten in dem unteren MHz-Bereich besteht darin, daß ein einfachster Bandbreitenbruchteil, beispielsweise 10%, leicht den Frequenzbereich überspannt, über dem sich die Re­ sonanz während des Aushärtzyklus verändert. Das Arbeiten in dem unteren MHz-Bereich erfordert die Verwendung einer recht hohen (etwa 20) Harmonischen der Resonanzfrequenz. Es ist relativ einfach für die Resonanzfrequenzänderung, den Abstand von aufeinanderfolgenden Resonanzstellen zu überschreiten. Um sicherzustellen, daß nur eine Harmonische der Resonanzfrequenz ausgewählt wird, an der der (Grenz-)Oszillator arbeitet, und daß diese Harmonische über dem Aushärtzyklus ver­ folgt wird, wird ein Frequenzverriegelungssystem verwendet.

Das vollständige (Grenz-)Oszillatorsystem, ohne akustischen Resonator, ist schematisch in Fig. 5 gezeigt. Eine phasenstarre Schleife (Komponenten 20, 21, 26-29 und Verstärkungs­ regelungskomponenten 22 und 23, die in einer doppelten Funk­ tion arbeiten) wird verwendet, um die Resonanzfrequenz der Probe zu verfolgen, wenn sie während des Aushärtzyklus an­ steigt. Das System führt eine kleine Frequenzmodulation in das Signal ein, was eine Amplitudenmodulation zur Folge hat, nachdem das Signal durch das Bandpaßfilter 21 hindurchgetreten ist. Die resultierende Amplitudenmodulation wird durch den Verriegelungsdetektor 27 abgetastet, dessen Ausgangsgröße zu der Frequenzsteuerung des lokalen Oszillators 29 rückge­ führt wird. Dieser lokale Oszillator wird verwendet, um das Eingangssignal (bei 20) mit einer geeigneten Zwischenfrequenz für das Bandpaßfilter 21 zu mischen.

Das empfangene Signal von dem Empfangswandler wird bei 18 ver­ stärkt, und ein Frequenzzähler 19 ist am Verstärkerausgang angeordnet, um die Resonanzfrequenz zu messen. Das empfangene Signal wird auf eine Zwischenfrequenz bei 20 abgemischt, wo­ bei das Signal aus dem örtlichen Oszillator 29 verwendet wird. Wenn beispielsweise das empfangene Signal eine Frequenz von 2 MHz hat, betragt das Signal des lokalen Oszillators 2,5 MHz ± 10 KHz, und das Bandpaßfilter 21 hat eine Mittenfrequenz von 0,5 MHz, wobei das Ergebnis des Mischens die Summe und die Differenz der zwei Eingangsfrequenzen ist, die beide eine kleine modulierende Frequenz haben. Das Bandpaßfilter 21 läßt die Zwischenfrequenz (0,5 MHz) durch, dämpft aber die höhere Fre­ quenz (4,5 MHz). Die Amplitudenregelungs-Ruckführungsschleife, die von einem variablen Verstärker 22, einem Diodendetektor 23 und einem Verstärker 24 gebildet wird, ist hinter dem Bandpaß- filter 21 angeordnet, um eine stabile Amplitude für die Fre­ quenzverriegelungsschleife beizubehalten. Sie dient auch ihrer Hauptfunktion der Verstärkungsregelung, um irgendwelche Ände­ rungen in der Dämpfung der Probe zu korrigieren. Ein Spannungs­ sensor 25 mißt die Verstärkungsregelspannung, um die Dämpfung zu ermitteln.

Das bezüglich seiner Amplitude abgetastete Signal, das durch die Diode 23 nach dem Durchfluß durch den Verstärker 26 erhal­ ten wird, ist das Eingangssignal in den Verriegelungsdetektor 27. Diese Vorrichtung, die auch als ein phasenempfindlicher Ver­ stärker bekannt ist, hat zwei Ausgangssignale, ein Referenz­ signal (in dem Beispiel eine reine Sinuswelle mit einer Fre­ quenz von 10 KHz) und ein Acos θ-Ausgangssignal, das die Amplitude der Komponente des abgetasteten Eingangssignals ist, das gleichphasig mit dem Referenzsignal ist. Es werden nun die folgenden drei Fälle betrachtet:

• (1) Die Zwischenfrequenz IF ist kleiner als die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters (Frequenz des lokalen Oszillators minus der Resonanzfrequenz ist gleich der Zwischenfrequenz). In diesem Fall hat das in den Verriegelungsdetektor 27 ein­ gegebene Signal eine gewisse Amplitude bei der Frequenz des Referenzsignals und eine Phase, die zu Erläuterungs­ zwecken willkürlich positiv genannt wird. Deshalb liefert der Verriegelungsdetektor eine positive Spannung, die an den Verstärker 28 und den lokalen Oszillator 29 geliefert wird, um dessen Frequenz und deshalb die Zwischenfrequenz IF zu erhöhen. Wenn die Resonanzfrequenz zunimmt, ändert sich die Frequenz des lokalen Oszillators, um die Zwischenfrequenz an der Mitte des Bandpaßfilters zu halten.
• (2) Die Zwischenfrequenz IF ist gleich der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters. In diesem Fall hat das in den Verriegelungs­ detektor 27 eingegebene Signal keine Amplitude bei der Re­ ferenzfrequenz. Deshalb hat der Verriegelungsdetektor 27 keine Spannung an seinem anderen Ausgangs wodurch die Zwi­ schenfrequenz unverändert bleibt.
• (3) Die Zwischenfrequenz IF ist größer als die Mittenfrequenz des Bandpaßfilters 21. In diesem Fall hat das in den Ver­ riegelungsdetektor 27 eingegebene Signal eine gewisse Am­ plitude bei der Referenzfrequenz, aber bei einer negativen Phase (die entgegengesetzte Phase zu Fall (1), da der Ar­ beitspunkt auf der anderen Seite des Bandpasses liegt). Deshalb hat der Verriegelungsdetektor 27 eine negative Ausgangsspannung, die zu dem lokalen Oszillator 29 über den Verstärker 28 zurückgeführt wird, um die Frequenz des Signals des lokalen Oszillators und deshalb die Zwischen­ frequenz zu verkleinern.

Als ein letzter Schritt im dem Frequenzverfolgungssystem wird der IF-Ausgang des variablen Verstärkers 22 mit der ursprüng­ lichen empfangenen Frequenz, der Resonanzfrequenz, gemischt und gefiltert, um Harmonische aus dem Mischen zu unterdrücken. Das Signal des lokalen Oszillators und das bezüglich der Ver­ stärkung geregelte IF-Signal werden dem Mischer 30 zugeführt. Wenn die Frequenzen 2,5 MHz und 0,5 MHz sind, werden die Summe und die Differenz erzeugt, und ein Tiefpaßfilter 21 unter­ scheidet sie von den höheren Frequenzen. Das 2,5 MHz Signal wird einem Dämpfungsglied 32 und einem Leistungsverstärker 33 zugeführt, um eine Treiberspannung für den Sendewandler zu liefern.

Die Amplitudenregelungs-Rückführungsschleife (Komponenten 22-24) ist hinter dem Bandpaßfilter 21 angeordnet, weil die Lei­ stungswerte, die für einen stabilen Betrieb erforderlich sind, zu groß sind, wenn sie vor dem Mischer 20 angeordnet ist. Das Rückführungssignal für das Frequenzverriegelungssystem wird von dem bezüglich der Amplitude abgetasteten Ausgangssignal des Bandpaßfilters 21 abgeleitet. Die Phase des abgetasteten Signals ändert sich, wenn die Zwischenfrequenz über die Mitten­ frequenz des Bandpaßfilters streicht, und die Amplitude des abgetasteten Signals nimmt ab. Das Anordnen der Amplitudenre­ gelung-Rückführungsschleife vor dem Mischer 20 führt dazu, daß der Phasengang des Frequenzverriegelungssystems richtig ist, aber er ist verschlechtert durch einen falschen Amplitudengang. Die Lösung besteht darin, die Amplitudenregelung-Rückführungs­ schleife hinter dem Bandpaßfilter anzuordnen, wodurch eine stabile Amplitude für die Phasenverriegelungsschleife beibe­ halten wird.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Überwachen von Änderungen der Ultra­ schalleigenschaften eines faserverstärkten Kunststoffes während eines Aushärteprozesses,
mit einem, akustischen Resonator (10-12), der eine Probe (10) des Kunststoffes, dessen Resonanzfrequenz und Dämpfung sich während des Aushärteprozesses ändern, und einen Sendewandler (11) aufweist, der Ultraschallwellen erzeugt, die durch den Kunststoff hindurch zu einem Empfangswandler (12) wandern,
mit einem (Grenz-)Oszillator, der einen Verstärker (14; 22), dessen Verstärkung durch ein Verstärkungsregelsignal einstellbar ist, eine von dem akustischen Resonator (10-12) gebildete Rückkopplungsschleife und zur Konstanthaltung des Ausgangssignals des Verstärkers eine Amplitudenregelungs- Rückführungsschleife aufweist, die einen Amplitudendetektor (15; 23) zum Abtasten des Verstärkerausgangssignals, zur Erzeugung des Verstärkungsregelsignals und zum Einstellen der Verstärkung umfaßt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, welche dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß der (Grenz-)Oszillator zum Verfolgen der sich während des Aushärteprozesses ändernden Resonanz­ frequenz der Probe (10) eine phasenstarre Schleife (20-23, 26-29) aufweist, die einen Mischer (20) zur Abwärtsmischung des Signals des Empfangswandlers (12) mit einem Signal eines lokalen Oszillators (29) auf ein Zwischenfrequenz­ signal enthält, das durch ein Bandpaßfilter (21) zu einem variablen Verstärker (22) geleitet wird, wobei der Ampli­ tudendetektor (15; 23) das Ausgangssignal des Verstärkers (22) abtastet und der Amplitudendetektor (15; 23) mit einem Verriegelungsdetektor (27) verbunden ist, der die Frequenz des Signals des lokalen Oszillators (29) steuert.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Amplitudenregelungs-Rück­ führungsschleife einen Spannungssensor (25) aufweist, der das Verstärkungsregelsignal mißt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ausgangssignal des variablen Verstärkers (22) und das Ausgangssignal des lokalen Oszillators (29) einem Mischer (30) zugeführt sind, dessen Ausgang mit einem Tiefpaßfilter (31) verbunden ist, das ein Treibersignal für den Sendewandler (11) liefert.