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Ultraschalldickenmess er Die Erfindung betrifft die Messung von Wandstärken
von Materialien, bei denen nur eine Oberfläche zugänglich ist. Dieser Zustand besteht
z. B. bei der Messung der Wandstärke von Rohren, Vorratsbehältern, Schiffskörpern
u. dgl. Es sind Verfahren entwickelt worden, um die Dicke in solchen Fällen zu messen.
Die wirksamsten Verfahren benutzen die Ultraschalltechnik für die zerstörungsfreie
Messung und Untersuchung von Materialien.
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Es sind Ultraschalldickenmesser bekannt, die einen Impulsgenerator
zur Erzeugung wiederkehrender Ultraschallimpulse haben und einen Wandler aufweisen,
der auf den Generator anspricht, die Impulse einzeln in den Gegenstand einstrahlt
und vielfache Impulse aufnimmt, die den inneren Reflexionen der eingestrahlten Impulse
zwischen der Eintrittsoberfläche und einer Gegenfläche in dem Gegenstand entsprechen.
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Nach einem bekannten Verfahren werden die Vielfachreflexionen in
der Amplitude einander gleichgemacht und integriert, um eine Spannung zu erhalten,
die in einer Anzahl von Stufen gleicher Größe ansteigt. Diese stufenweise ansteigende
Spannung wird geglättet, um ein Signal mit gleichförmigem Anstieg zu erhalten. Die
Ansteigesteilheit hängt von dem Intervall zwischen den einzelnen Stufen oder Impulsen
ab, ist aber unabhängig von der an sich unbestimmten Anzahl von aufgenommenen Impulsen.
Die ansteigende Spannung wird differenziert, um ein Potential zu erhalten, dessen
Amplitude proportional der Steilheit ist, d. h. umgekehrt proportional zur Dicke
des geprüften Gégenstandes.
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Gemäß der Erfindung ist das Ultraschalldickenmeßgerät, das einen
Impulsgenerator, der wiederkehrende Ultraschallimpulse erzeugt, und ferner einen
Wandler enthält, der von dem Generator gesteuert wird, um die Impulse in den Gegenstand
einzustrahlen und um vielfache Impulse entsprechend den internen Reflexionen der
ausgestrahlten Impulse zwischen der Eintrittsfläche und einer in dem Gegenstand
vorhandenen Gegenfläche aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulszähler
vorgesehen ist, der eine vorbestimmte Anzahl von aufgenommenen Impulsen nach jedem
ausgestrahlten Impuls zählt, und ein Generator zur Erzeugung von Schwingungen veränderlicher
Amplitude, der eine Schwingung erzeugt, deren Amplitude von dem Impulszählintervall
abhängt und den Abstand zwischen der Eintrittsfläche und der Gegenfläche darstellt.
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Weitere Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes gehen aus der folgenden
ausführlichen - Beschreibung hervor, in der auf die Zeichnung Bezug genommen wird.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung in Form
eines Blockdiagramms
von einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, Fig. 2 zeigt ein Diagramm- -der
Schwingungen, welche die Zeitfolge der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1
darstellen.
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Die in Fig. 1 in Kreisen- eingeschlossenen Buchstaben beziehen sich
auf das in Fig. 2 angegebene Zeitdiagramm.
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In Fig. 1 ist ein Gegenstand oder ein Arbeitsstück 10 dargestellt,
das geprüft werden soll. Für die Zwecke der Erfindung sei angenomme-n, daß nur eine
Oberfläche des Gegenstandes--zugänglich ist, wie z. B. bei einem Schiffskörper,
und daß es erwünscht ist, die Wandstärke dieses Gegenstandes zu messen. Zu diesem
Zweck ist ein kombinierter Wiederholungsfrequenzgenerator und Hochfrequenzimpulserzeuger
12 vorgesehen, dessen- Impulswiederholungsfrequenz veränderlich ist und auf eine
Wiederholungsfrequenz eingestellt wird, die gestattet, daß die ganze Ultraschallenergie
in dem Gegenstand 10 aufgezehrt wird, bevor der nächste Prüfimpuls aufgebracht wird.
Impulshäufigkeiten zwischen 60 und 1000 PPS sind im allgemeinen passend; Der Impuls
wird einem Wandler oder Umsetzer 15 zugeführt, der besonders-für die Prüfung von
dünnen Teilen geeignet ist.
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Wandler für Ultraschallprüfgeräte bestehen gewöhnlich aus einem einzelnen
piezoelektrischen Kristahl, der durch ein geeignetes - Trägermaterial auf einen
Wert Q von 6 bis 8-gedämpft ist und einen elektrischen Wellenzug in mechanische
Schwingungen umwandelt und umgekehrt mechanische Schwingungen
in
elektrische Wellenzüge umsetzt. Ein Wandler dieser Art wird gewöhnlich mit dem untersuchten
Gegenstand über ein geeignetes Kopplungsmittel, z. B. Öl, gekoppelt, so daß die
mechanischen Schwingungen in den Gegenstand hineingeschickt und zurückkehrende Echoschwingungen
aufgenommen werden. Dieses Verfahren ist brauchbar und zuverlässig für Obj ektabmessungen,
die größer als 1 Zoll (2,5 cm) sind, weil der Verstärker genügend Zeit hat, sich
von dem Stoß des ersten Im pulses zu erholen, dessen Amplitude gewöhnlich zwischen
600 bis 1000 Volt Spitzenspannung beträgt, und wobei die Verlängerung des Echos
durch den Wandler von untergeordneter Bedeutung ist.
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Die Verwendung von getrennten Wandlern für die Ausstrahlung und die
Aufnahme der Schwingungen bringt auch keine Lösung für das Problem der Messung dicht
unterhalb der Oberfläche oder von dünnen Teilen, da diese Wandler nicht die gleichen
Flächen abtasten.
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Während gemäß der Erfindung ein einziger Kristall für die Messung
in dickeren Teilen verwendet werden kann, bezieht sich die Erfindung auch auf eine
Wandleranordnung, die besonders für die Verwendung bei dünnen Teilen geeignet ist.
Zu diesem Zweck besteht der Wandler 15 aus einem treibenden piezoelektrischen Kristall
17 und einem angetriebenen piezoelektrischen Kristall 18, die durch ein Koppelelement
19 getrennt sind, weIches den Ultraschall leitet und eine so große Länge hat, daß
die gesamte Laufzeit des Impulses darin größer ist als die Laufzeit des Impulses
in dem Gegenstand 10. Die zwei Kristalle sind elektrostatisch gegeneinander abgeschirmt.
Der treibende Kristall 17, dessen Eigenfrequenz die gleiche ist wie die Prüffrequenz,
ist mit dem Impulserzeuger 12 verbunden.
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Sowohl die Impulserzeugerschwingungen als auch die Schwingungen des
treibenden Kristalls werden nach einer gesteuerten Zahl von Schwingungen mit Hilfe
eines elektrischen Dämpfungsgenerators 21 plötzlich abgebrochen. Der getriebene
Kristall 18 hat eine Eigenfrequenz, die wesentlich höher als die Arbeitsfrequenz
ist, und ist daher für Schwingungen der Arbeitsfrequenz kritisch gedämpft, so daß
er bei der Arbeitsfrequenz nicht weiterschwingt oder klingt. Der getriebene Kristall
18 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 22 verbunden und wird beim Senden durch
den treibenden Kristall 17 über das Koppelelement 19 angetrieben. Infolge dieser
Anordnung wird der Verstärker 22 durch den treibenden elektrischen Schwingungszug
nicht stoß erregt, da eine Isolation zwischen dem Sender und dem Verstärker erreicht
ist, während gleichzeitig eine Abtastfläche wie bei einem einzigen Kristall vorhanden
ist, und die zurückkehrenden Echos sind nicht verlängert, so daß die höchstmögliche
Auflösungsempfindlichkeit gegeben ist. Die einzige Bedingung für einen solchen Wandler
besteht darin, daß die Laufzeit im Koppelelement 19 größer als die Laufzeit im Gegenstand
10 sein muß.
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Der Impuls erzeuger 12 erzeugt gleichzeitig mit der Erzeugung des
Impulses, der dem Wandler 15 zugeführt wird, einen Auslöseimpuls, der einen Verzögerungskreis24
betätigt. Der verzögerte Auslöseimpuls des Verzögerungskreises 24 öffnet einen Steuergenerator
25. Der Verzögerungskreis 24 ist so eingestellt, daß er die Steuerstufe öffnet,
nachdem der Impuls vom Impulserzeuger 12 beendet ist und bevor der Impuls an dem
getriebenen Kristall 18 ankommt. Der Generator 25 steuert den Signalverstärker 22
und einen Zähler 23. Der Zähler ist vorher durch den Auflöseimpuls auf Null gestellt,
der zur Teit T0 vom Impulserzeuger 12 erzeugt wird. Der Impuls des Impuls-
generators
12 trifft an dem getriebenen Kristall 18 zu einer Zeit T2 ein und erzeugt eine elektrische
Spannung, die dem Gegenstand 10 zugeführt wird. Diese erzeugte Spannung wird von
dem Verstärker 22 durchgelassen und betätigt den Zähler 23 und löst gleichzeitig
einen Steuergenerator 26 aus. Bei längerem Betrieb kann ein Verzögerungsmultivibrator
28 verwendet werden, um das t)ffnen des Steuergenerators 26 zu verzögern. Der Steuergenerator
26 betätigt den Sägezahngenerator 27, der eine lineare Sägezahnspannung erzeugt,
deren Anstieg von der Bedienungsperson durch eine Bereichseinstellung 27' so eingestellt
wird, daß der Prüfbereich richtig bemessen ist und die verschiedenen Geschwindigkeitswerte
der verschiedenen Materialien kompensiert werden. Der Sägezahngenerator 27 kann
gegebenenfalls eine logarithmische Abhängigkeit aufweisen, wenn eine Vergrößerung
des angezeigten Bereiches der Dicke gewünscht wird.
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Wenn der Zähler 23 auf drei Zählwerte (zwei Umläufe) der Impulse,
wie in Fig. 2 dargestellt, eingestellt ist, dann erzeugt die zweite Reflexion einen
Auslöseimpuls im Ausgang, der den Generator 25 und auch den Steuergenerator 26 sperrt.
Die Sperrung des Generators 25 sperrt auch den Zähler 23 und den Signalverstärker22.
Es werden daher keine weiteren Reflexionen durch den Verstärker 22 hindurchgelassen
oder von dem Zähler 23 gezählt. Gleichzeitig steigt die Spannung in dem Sägezahngenerator
27 nicht mehr weiter an und kehrt auf den Ruhewert (in diesem Fall auf Null) zurück.
Die Amplitude der auf diese Weise erzeugten Sägezahnspannung ist proportional zur
Dicke des Teiles.
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Der so als Funktion der Dicke des Teiles erzeugte Sägezahn kann durch
ein Dehnungsgerät 38 gedehnt werden. Das gedehnte Signal behält einen stetigen Wert,
der gleich der Spitzenspannung des Sägezahnes von der Zeit T5 bis zur Zeit To ist,
wenn der Dehner 38 durch einen Auslöseimpuls des Impulsgenerators 12 auf Null zurückgeführt
wird. Da der Umlaufanteil konstanter Amplitude ungefähr 95 bis 98 0/o des Gesamtumlaufs
des Dehngeräts ist, kann die Spannung durch ein Tiefpaßfilter 29 leicht gefiltert
werden, wobei die gefilterte Ausgangsspannung an einem Anzeigegerät 30, z. B. einem
Nteßinstrument oder einem spannungsempfindlichen Gerät, abgelesen werden kann.
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Außerdem kann ein Hörsignal bei 31 erzeugt werden, dessen Frequenz
proportional der Dicke ist.
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Zwei Umstände, die bei Nichtbeachtung das Verfahren unwirksam machen
könnten, werden im folgenden noch berücksichtigt. Dies sind erstens der Fall, daß
kein Rücklaufecho vorhanden ist, und zweitens, daß der maximale Bereich durch die
Einstellung bei 27' auf weniger als die Dicke des Teiles eingestellt ist.
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Es ist ersichtlich, daß, wenn kein Echosignal zurückkommt oder erst
zu einer späteren Zeit eintrifft, die Sägezahnspannung weiter bis zu einem Grenzwert
ansteigen würde, der von den Komponenten abhängt.
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Dieser Zustand wird dadurch vermieden, daß ein Spannungsdiskriminator
32 vorgesehen ist, der bei 105 oder 1100/o der normalen maximalen Amplitude der
Sägezahnspannung bei voller Ablenkung des Anzeigeinstrumentes anspricht. Der Ausgang
des Diskriminators 32 sperrt den Generator 25 und den Steuergenerator 26, um den
normalen Betriebsablauf wieder herzustellen, und betätigt eine Anzeigelampe 33,
um die Bedienungsperson zu warnen.
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Wenn die Vorrichtung auch in Anwendung auf die Ermittlung der Wandstärke
beschrieben worden ist, so ist doch ersichtlich, daß sie ebensogut auch zur Feststellung
der Anwesenheit von Fehlern oder Unstetigkeitsstellen
innerhalb
von Gegenständen benutzt werden kann, da solche Fehler, ähnlich wie die Rückseite
des Gegenstandes, reflektierende Flächen sind.
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Die Vorrichtung zeigt daher nicht nur die Anwesenheit eines Fehlers
an, sondern auch die Tiefe des Fehlers oder der Unstetigkeit unterhalb der Oberfläche.
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PATENTANSPCHE: 1. Ultraschalldickenmesser mit einem Impulsgenerator
zur Erzeugung wiederkehrender Ultraschallimpulse und mit einem Wandler, der auf
den Generator anspricht, die Impulse einzeln in den Gegenstand einstrahlt und vielfache
Impulse aufnimmt, die den inneren Reflexionen der eingestrahlten Impulse zwischen
der Eintrittsoberfläche und einer Gegenfläche in dem Gegenstand entsprechen, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Impulszähler vorgesehen ist, der eine vorbestimmte Anzahl
von aufgenommenen Impulsen nach jedem eingestrahlten Impuls abzählt, und daß ein
Generator zur Erzeugung von Schwingungen veränderlicher Amplitude vorgesehen ist,
der eine Schwingung erzeugt, deren Amplitude von dem Impulszählintervall abhängt
und den Abstand zwischen der Eintrittsoberfläche und der Zwischenfläche darstellt.