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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung mit
Hilfe von Ultraschall, insbesondere eine Sinrichtung zur Ultraschallprüfung von
i.rzeugnissen.
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Die hrSindung kann in verschiedenen Gebieten der Technik zur Messung
der Erzeugnisdicke oder der Tiefe von Defekten in Erzeugnissen benutzt werden.
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Bekannte digitale Einrichtungen zur Ultraschallprüfung von Erzeugnissen
(vgl. z.B. den sowjetischen Urheberschein Nr. 608093, klasse G01 29, 1977, oder
die Beschreibung des Dickenmessers DM-1 der Xrautkrämer GmbH) enthalten einen Prüfimpulsgenerator,
einen piezoelektrischen Schwingungswandler, einen Verstärker, einen l^ießzeitgebex,
einen Zählimpulsgenerator, einen Impulszähler, einen Dechiffrator und ein Anzeigegerät.
In diesen Einrichtungen verwendet man logische Elemente mit großer Arbeitsgeschwindigkeit
(30 ... 40 MHz) sowie Quarzstabilisierung des Zählimpulsgenerators.
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Ein bekannter digitaler J)ickenmesser (vgl. die Beschreibung des
im Jahre 1966 hergestellten Ultraschall-Dickenmessers der französischen Firma "Rochar
Electroniqie" vom Typ a-1457/E, Utilisateur Technique, A 1457) enthält eine Reihe
schaltung eines l-rüfimpulsgenerators, eines piezoelektrischen Schwingungswandlers
sowie eines Verstärkers, dessen Ausgänge an einen Meßzeitgeber und einen Zählintervallgeber
angeschlossen sind. Der andere Eingang des Meßzeitgebers ist mit dem Prüfimpulsgenerator
verbunden, während der Eingang des Zählintervallgebers am Ausgang eines Zweitaktintegrators
liegt.
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Zum Gerät gehören auch Schalter, bei denen ein eingang an den Meßzeitgeber
bzw, an den Zählintervallgeber angeschlossen ist. Bei einem Schalter ist der andere
Eingang an eine Referenz-adesjpannungsquelle und beim anderen Schalter an eine Referenz-Entladespannungsquelle
geschaltet. Die Ausgänge der beiden Schalter sind mit dem Zweitaktintegrator verbunden.
An einen ingang des Zählintervallgebers ist eine Torschaltung angeschlossen, die
mit einem Impuls zähler, einem Dechiffrator und einem Anzeigegerät in Reihe liegt.
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Außerdem ist die Tor schaltung mit einem Zahlimpulsgenerator verounden.
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Die fehlende Quarzstabilisierung des Zählimpulsgenerators und schlechte
Stabilisierung der Referenzspannungsquellen fuhren aber im bekannten Dickenmesser
zu seinem instabilen Betrieb und zur Instabilität der Anzeige.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Ultraschallprüfung
von Erzeugnissen zu schaffen, die eine höhere Stabilität der Anzeige ohne Quarzstabilisierung
des Zählimpulsgenerators und ohne Anwendung von teueren Bauelementen gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem in der Einrichtung zur Ultraschallprüfung
von Erzeugnissen mit einer Reihenschaltung von einem Prüfimpulsgenerator, einem
piezoelektrischen Schwingungswandler, einem Verstärker, bei dem ein Ausgang an einen
Eingang eines MeBzeitgebers angeschlossen ist, dessen anderer Eingang auf den Prüfimpulsgenerator
geschaltet ist, während der andere Ausgang des Verstärkers mit einem Eingang
eines
Zählintervallgebers verbunden ist, dessen anderer Eingang am Ausgang eines Zweitaktintegrators
liegt, einem Schalter, dessen Eingänge mit dem Meßzeitgeber und mit einer Referenz-Ladespannungsquelle
verbunden sind, einem Schalter, bei dem ein Eingang an den Zählintervallgeber angeschlossen
ist und der andere Eingang mit dem Ausgang einer Referenz-Entladespannungsquelle
verbunden ist, wobei die Ausgänge beider Schalter am Eingang des Zweitaktintegrators
liegen, einer Torschaltung, bei der ein Eingang mit dem Ausgang des Zählintervallgebers
verbunden ist und der andere Einang am Zähliinpulsgenerator liegt, einem Impulszähler,
einem Dechiffrator und einem Anzeiegerät, erfindungsgemäß ein Referenz-Entladespannungsregler
verwendet wird, bei dem die Eingänge an die Referenz-Entladespannungsquelle bzw.
an die Referenz-Ladespannungsquelle sowie an den Zählimpulsgenerator angeschlossen
sind und bei dem der Ausgang mit dem zweiten Schalter verbunden wird.
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Zweckmäßig wird der Reerenz-E'ntladespannungsregler als Fre quenz-Spannungs-Wandler
ausgeführt.
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Der Referenz-Entladespannungsregler kann bevorzugt als Pulslängenmo
dul at or aufgebaut sein.
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In der erfindungsgemäß ausgeführten Einrichtung wird eine effektive
Stabilisierung der Anzeige ohne quarzstabilisierung des Zählimpulsgenerators erreicht.
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Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung eines konkreten
Ausführungsbeispiels und anhand der beigefügten Zeichnung mit einem Blockschaltbild
der Einrichtung
zur Ultraschallprüfung von Erzeugnissen gemäß der
Erfindung näher erläutert.
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Die zur Ultraschallprüfung von Erzeugnissen bestimmte Einrichtung
ist als Reihenschaltung eines Prüfimpulsgenerators 1, eines piezoelektrischen Schwingungswandlers
2 an einem zu untersuchenden Erzeugnis 3 und eines Verstärkers 4 aufgebaut. Der
Ausgang 5 des Verstärkers 4 ist an den Singang 6 eines l.Seßzeitgebers 7 angeschlossen,
dessen Eingang d Ausgang des A'ii'impulsgenerators 1 liegt. Der Ausgang 9 des Verstärkers
4 liegt am eingang 10 eines Zählintervallgebers 11, bei dem der Eingang 12 mit dem
Ausgang eines Zweitaktintegrators 13 verbunden ist.
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Der Ausgang des ivleßzeitgebers 7 ist an einen Schalter 14 angeschlossen,
der mit einer Referenz-Ladespannungsquelle 15 verbunden ist. Beim Zählintervallgeber
11 liegt der Ausgang an einem Schalter 16. Hierbei sind die Ausgänge beider Schalter
14 und 16 mit dem Zweitaktintegrator 13 verbunden.
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An den Ausgang des Zählintervallgebers 11 ist der Singang 17 einer
Torschaltung 18 angeschlossen, die mit einem Impulszähler 19, einem Dechiffrator
20 und einem Anzeigegerät 21 in Reihe liegt. Mit dem Eingang 22 der Torschaltung
1d ist ein Zählimpulsgenerator 23 verbunden.
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Die Einrichtung enthält einen Referenz-Entlade spannungsregler 24,
dessen Eingänge 25 und 26 auf die Referenz-Ladespannungsquelle 15 bzw. auf die Referenz-Entladespannungsquelle
27 geschaltet sind. Der Eingang 28 des Reglers 24 ist an
den Zählimpulsgenerator
23 angeschlossen, während der Ausgang des Reglers 24 am Eingang des Schalters 16
liegt.
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Der Referenz-Entladespannungsregler 24 kann als Frequenz-Spannungs-Wandler
oder als Pulsl ang enmodul at or ausgeführt werden.
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Die Einrichtung zur Ultraschallprüfung von brzeugnissen funktioniert
wie folgt.
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Ein im Prüfimpulsgenerator 1 erzeugtes impulsförmiges Signal wird
über den piezoelektrischen Schwingungswandler 2 in das zu untersuchende Erzeugnis
3 eingestrahlt und an einem Srzeugnisdefekt oder an der Erzeugnisgrenze reflektiert,
worauf es im Verstärker 4 verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 4 gelangt
zum Eingang 5 des Meßzeitgebers 7, an dessen Ausgang ein Impuls (Eins-Impuls) erscheint.
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Der Anfang dieses Impulses fällt mit dem ftüfimpuls und sein Ende
mit dem vom Verstärker 4 zugeführten Zchoimpuls zur am men. Vom Ausgang des iYießzeitgebers
7 wird der Eins-Impuls einem Schalter 14 zugeführt, der für die Dauer dieses Impulses
eine Referenz-Ladespannungsquelle 15 mit dem Eingang des Zweitaktintegrators 13
verbindet. Infolgedessen beginnt die Ausgangsspannung des Zweitaktintegrators 13
linear anzusteigen und wird gegen Ende des vom Meßzeitgeber 7 gelieferten it;ins-Impulses
der Erzeugnisdicke oder dem Defektabstand proportional. Nach der Ankunft des am
Defekt reflektierten Signals vom Verstärker 4 wird der Zählintervallgeber 11 ausgelöst,
der eine Referenz-n'ntladespannungsquelle 27 mit Hilfe eines Schalters 16 über den
mit dem Zählimpulsgenerator 23
verbundenen Regler 24 mit dem Eingang
des Zweitaktintegrators 13 verbindet.- Wird die Referenz-Entladespannungsquelle
27 auf den Eingang des Zweitaktintegrators 13 in einer gegenüber der Reierenz-Ladespannungsquelle
15 entgegengesetzten Polarität geschaltet, so beginnt die Ausgangsspannung des Integrators
13 linear bis auf Null abzufallen. Wenn die Ausgangsspannung des Integrators den
Nullwert erreicht, fällt der Eins-Impuls des Zählintervallgebers 11 ab, wobei der
Schalter 16 die Referenz-Entladespannungsquelle vom Eingang des Integrators 13 abschaltet.
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Der vom Ausgang des Zählintervallgebers 11 abgegebene Eins-Impuls,
dessen Dauer dem Defekt abstand proportional ist, öffnet eine Torschaltung 1d, die
zum Eingang des Zählers 19 mehrere Zählimpulse des Zählimpulsgenerators 23 durchläßt.
Der Zähler 19 summiert diese Impulse und gibt die berechnete Zahl als Parallelkode
an einen Dechiffrator 20 aus, der mit einem Digital-Anzeigegerät 21 verbunden is.
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Die Dauer des Zählintervalls ergibt sich aus der Beziehung:
Hierbei bedeuten: T2 die Dauer des Zählintervalls, zip die Dauer des zu messenden
Zeitintervalls, U1 die Spannung am Ausgang der Referenz-Ladespannungsquelle 15,
U2 die Spannung am Ausgang der Referenz-Entladespan nungsquelle 27.
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Die Anzahl der Zählimpuise, die vom Zähler 19 summiert werden, erhält
man aus dem Ausdruck:
Darin sind: N die Anzahl der Zählimpulse, D der Defektabstand, f die Zählimpulsfrequenz,
T2 die Dauer des Zählintervalls, Ul, U2 Spannungen am Ausgang der Referenz-Ladespannungsquelle
15 bzw. der Referenz-Entladespannungsquelle 27, T1 die Dauer des zu messenden Zeitintervalls.
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Die stabile Anzeige erreicht man in der Einrichtung zur Ultraschallprüfung
durch Stabilisierung der Grösse von
Hierbei sind K der Stabilisierungsfaktor, D der Defektabstand, die Dauer des zu
messenden Zeitintervalls, f die Zählimpulsfrequenz, Uls U2 Spannungen am Ausgang
der Referenz-I.adespannungsquelle 15 bzw. der Referenz-Entladespannungsquelle 27.
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Der Regler 24, der im Stromkreis der Referenz-ntladespannungsquelle
27 liegt und die Stabilisierung nach dem obigen Ausdruck (3) ermöglicht, gewährleistet
also stabile
Messungen der Defektlage im Erzeugnis mit Hilfe der
vorgeschlagenen Einrichtung zur Ultraschallprüfung von xrzeugnissen.
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Als einfachsten Referenz-Entladespannungsregler 24 kann man einen
Frequenz-Spannung s-Wandl er benutzen, der wie folgt funktioniert. Die vom Zählimpulsgenerator
23 erzeugte Folge von kurzzeitigen Impulsen bewirkt die Impulsmodulation der Referenz-Entladespannungsquelle
27. Die sich dabei ergebende Impulsfolge wird nun gemittelt und erscheint am Ausgang
des Reglers 24. bei dieser Umwandlung ergibt sich die Möglichkeit, die Ergebnisse
der Defektabstandsmessungen nur nach einer Kenngröße - der mittleren Zählimpulsfrequenz
- zu stabilisieren, wobei für die Effektivität dieses Verfahrens gute Stabilisierung
der Referenzspannungsquellen erforderlich ist.
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Als Referenz-Entladespannungsregler 24 wird bevorzugt ein Pulslängenmodulator
benutzt, der einen schnellen Plipflop, einen Schalter, einen Integrator und einen
Komparator enthält. Die Schaltung funktioniert folgenderweise. Das impulsförmige
Signal des Zählimpulsgenerators 23 stellt den Flipflop jedesmal in den Eins-Zustand
ein, wobei der Schalter geöffnet wird und dem Eingang des Integrators des Pulslängenmodulators
die Spannung der Referenz-n'ntladespannungsquelle 27 zugeführt wird. Vom Integratorausgang
gelangt das Signal in itorm einer linear veränderlichen Spannung zum Eingang des
Komparators und wird mit einer Spannung verglichen, die der Spannung der Referenz-Ladespannungsquelle
15 proportional ist. Im Zeitpunkt der Gleichheit der beiden Spannungen
entsteht
am Komparatorausgang ein Spannungssprung, der den Flipflop des Pulslängenmodulators
in den anfänglichen Nullzustand überführt. Die Dauer jedes am i'ifodulatorausgang
erzeugten Zählimpulses wird also durch den Ausdruck
bestimmt, in dem die Dauer des .çtsodulatorimpulses ist, den Proportionalitätsfaktor
bedeutet, U1 die Spannung der Referenz-Ladespannungsquelle 15 bezeichnet, U2 die
Spannung der Referenz-Entladespannungsquelle 27 ist.
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Wird die Referenz-Entladespannung dem Eingang des Integrators 13
nicht kontinuierlich, sondern in Form von Impulsen mit einer Dauer # und einer Amplitude
U2 zugeführt, so wird für die diskrete entladung der Kapazität des Integrators 13
bis zum anfänglichen Nullpegel eine Impulszahl N benötigt, die sich wie folgt bestimmen
läßt:
Hierbei sind U1, U2 die Referenz-Ladespannung und die Referenz-jntladespannung-,
T1 das zu messende Zeitintervall, # die Impulsdauer (4).
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Aus dem Ausdruck (5) folgt, daß die in der Einrichtung
zur
Ultraschallprüfung von Erzeugnissen angezeigten heBwerte bei Benutzung des Pulslängenmodulators
in der Funktion des Reglers 24 von der Frequenzstabilität des Zählimpulsgenerators
23 sowie von der Stabilität der Referenzspannungen praktisch unabhängig sind.