DE102011011764A1

DE102011011764A1 - Ultraschallmesssystem

Info

Publication number: DE102011011764A1
Application number: DE201110011764
Authority: DE
Inventors: Dr. Stickel Manfred
Original assignee: Intellifast GmbH
Current assignee: Intellifast GmbH
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2012-08-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Messsystem sowie ein Verfahren zur Durchführung von Ultraschallmessungen mit einer Datenakquisitionseinheit (20) und einem Transducer (12) zur Einkopplung eines Ultraschallpulses in ein Verbindungselement (10) und zur Auskopplung eines Ultraschallechos aus dem Verbindungselement (10). Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschall-Messsystem umfasst die Datenakquisitionseinheit (20), welche eine Kombination aus analoger und digitaler Elektronik zur Anregung und Ansteuerung des Transducers (12) darstellt. Diese ist von einer Datenverarbeitungseinheit (24) getrennt und steht mit dieser über eine kabelgebundene oder kabellose Verbindung (22) in Kontakt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallmesssystem, welches einen Ultraschall-Transducer umfasst und genaue Laufzeitmessungen von Ultraschallpulsen in unter mechanischer Spannung stehenden Verbindungselementen, wie zum Beispiel Schrauben, Bolzen, Nieten oder dergleichen erlaubt.
Stand der Technik
Aus DE 42 25 035 A1 und DE 42 32 254 A1 sind Ultraschallprüfverfahren bekannt. DE 10 2004 038 638 bezieht sich auf ein Verbindungsbauteil, in dessen Kopf- oder Fußbereich sich ein Ultraschallsensor befindet, dessen Aufbau als Schichtaufbau ausgebildet ist.
DE 10 2009 060 441 A1 betrifft ein Sensorelement. Ein Verbindungsbauteil umfasst einen integrierten Ultraschallsensor zur Analyse der mechanischen Spannungsverteilung, insbesondere zur Bestimmung der Vorspannkraft des Verbindungsbauteiles, wobei der Ultraschallsensor einen zumindest zweischichtigen Aufbau mit einer Elektrodenschicht und mindestens einer Schicht aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften aufweist. Die Elektrodenschicht und die Schicht aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften sind an mindestens einem frei zugänglichen Ende des Verbindungsbauteiles aufgedampft, insbesondere aufgesputtert, wobei in der Elektrodenschicht Strukturen durch Erzeugung ausgelaserter Bereiche ausgeführt sind.
Das wichtigste Gebiet von Ultraschall-Messverfahren ist in der Untersuchung mechanischer Spannungszustände, insbesondere die Messung der Vorspannkraft in Verbindungselementen verschiedener Bauart zu erblicken. Ein weiteres sehr breites Gebiet ist das ”Health Monitoring” von Verbindungselementen und Bauteilen, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Grundlage dieser Messungen besteht in der Anregung, der Ausbreitung und dem Nachweis mechanischer Ultraschall-Wellen in den zu untersuchenden Materialien, die die unter Belastung oder Spannung stehenden Bereiche der Bauteile durchlaufen und dabei ihre Eigenschaften in zu charakteriesender Art und Weise ändern. Speziell bei der Kraftmessung wird die Differenz der Laufzeiten eines Ultraschall-Pulses zwischen einem unter mechanischer Spannung stehendem Verbindungselement und einem unbelasteten Referenzzustand bestimmt. Durch die mechanische Spannung wird sowohl eine Verlängerung des Verbindungselementes erzwungen, als auch die Schallgeschwindigkeit im Material verringert. Es lässt sich somit eine Vergrößerung der Schalllaufzeit messen, die wiederum über empirische Kalibrationsparameter in Kräfte umgerechnet werden kann.
Die o. g. Verfahren zur Ausstattung von Verbindungselementen mit geklebten oder gesputterten Transducern platzieren einen Konverter, der elektrische Signale und Wellenformen in mechanische Ultraschall-Pulse und zurück verwandelt, direkt auf dem Verbindungselement. Zur Anregung des Transducers und der Registrierung der Echos ist eine Kombination aus digitaler und analoger Elektronik notwendig, die mit dem Transducer über Kabel in Verbindung gebracht wird. Zur Datenanalyse, Datenspeicherung und Darstellung der Messergebnisse wird ein in die Messeinheit integrierter Computer verwendet. Die Pulssende- und Echoempfangselektronik ist zusammen mit dem Auswerterechner in einer gemeinsamen Gehäuse oder einem Einschub-Rack untergebracht. Um Störungen der Messsignale zu vermeiden und die Signalschwächung zu begrenzen, muss die integrierte Messeinheit selbst in der Nähe der Messstelle platziert werden.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Messsystem bereitzustellen, mit dem nach dem Prinzip der Ultraschallpuls-Echo-Methode eine Untersuchung des mechanischen Spannungszustandes und der inneren Struktur polykristalliner Materialien durch Ultraschall-Transducer erlaubt.
Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Bestimmung der Vorspannkraft in Verbindungselementen verschiedener Bauart, wie zum Beispiel Schrauben, Bolzen oder der Nieten, zuverlässig zu ermöglichen.
Zur Messung der Spannungszustände in den Verbindungselementen ist am Ort der Messung allerdings lediglich die analog/digital – Komponente der Pulssende- und Echoempfangselektronik nötig, da die beteiligten Analogsignale von und zum Transducer nicht kabellos übertragen werden können. Nach der Digitalisierung der Echosignale können alle weiteren Verarbeitungsschritte sowohl räumlich als auch zeitlich getrennt von Ort und Zeitpunkt der Anregung des Transducers durchgeführt werden. Eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Trennung der analog-digitalen Pulssende-Echoempfangselektronik von der dahintergeschalteten Datenanalyse- und Speichereinheit ist in den Fällen von Vorteil, wo es am Messort starke räumlich Beschränkungen gibt und keine Messelektronik installiert werden kann, wo der Messort nicht ständig zugänglich ist und zeitlich kontinuierlich der Zustand überwacht werden soll, oder mit kleinstmöglicher Baugrösse manuelle Messungen punktuell oder in einem Inspektionsmodus gemacht werden sollen.
Insbesondere können mit modernen kabellosen Übertragungs-Methoden digitale Daten ohne Störung und Verluste zu einem Analysesystem mit entsprechender Auswertesoftware übertragen werden, die losgelöst von spezieller Hardware auf jedem geeigneten Rechnersystem laufen kann und sich damit einfach auf erweiterte Anforderungen hinsichtlich der Analysemethoden anpassen lässt oder verbesserte Rechner-Technologien (z. Bsp. schnellere CPUs) für z. Bsp. größere Messraten ausnutzen kann. Die Festlegung des Anwenders auf eine bestimmte Hardware und Messgeräteausstattung wird wesentlich vermindert. Eine separate Entwicklung der analog-digitalen Pulssende- und Echoempfangselektronik und deren rein informationstechnische Verbindung mit einem entsprechenden industriekompatiblen Rechnersystem verkleinert die Turnaround-Zeit bei technischen Änderungen.
Wird das Verbindungselement mit der genannten analog-digitalen Pulssende- und Echoempfangselektronik fest ausgestattet, wird die vormals passive, mit einem Transducer versehene Schraube mit der Elektronik zu einem aktiven Element einer Verbindung, die als physikalischer Sensor wie etwa für Druck/Temperatur agieren und sich selbst monitoren kann. Eine Fortentwicklung ist die Integration der Transducer/Elektronik-Kombination in die Schraube schon bei deren Herstellung, die aktive Schraube kann dann mit Ihrer Umgebung in Verbindung treten, entweder aktiv abgefragt werden oder selbsttätig alle notwendigen Daten über ihren Zustand senden, ohne dass zwingend eine ständige Verbindung mit einem Empfänger der Daten verlangt wird.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, wird die Differenz der Laufzeiten eines Ultraschall-Pulses zwischen einem unter mechanischer Spannung stehenden Verbindungselement und einem unbelasteten Referenzzustand bestimmt, der über empirische Kalibrationsparameter in Kräfte umgerechnet werden kann. Die Laufzeit eines Ultraschall-Pulses in einem Material wiederum ist gegeben durch die Länge eines Verbindungselementes zusammen mit der Schallgeschwindigkeit, wobei der ausgesandte Puls an dem dem Sender entgegengesetzten Ende reflektiert wird. Das Verfahren der Kraftmessung basiert auf den physikalischen Prinzipien der Längenänderung eines Verbindungselementes unter mechanischer Spannung und der damit einhergehenden Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle. Beide Mechanismen führen zur Vergrößerung der Laufzeit eines Ultraschall-Pulses in einem Verbindungselement im eingebauten, d. h. belasteten Zustand.
Für die Erzeugung eines Ultraschall-Pulses in einem Verbindungselement ist ein Konverter erforderlich, der beim Senden des Pulses elektrische Signalformen in entsprechende mechanische Wellenformen umwandelt und beim Empfang des Echos umgekehrt in ein elektrisches Analogsignal zurückverwandelt. Solche Ultraschall-Transducer existieren in den verschiedensten Bauformen und weisen unterschiedlichste Wandlungscharakteristiken auf. Es ist insbesondere der im Hochvakuum aufgebrachte Piezo-Dünnschicht-Transducer gemäß DE 10 2009 060 441 A1 zu nennen, der eine sehr breitbandige Wandlungscharakteristik besitzt und relativ schwache Echo-Signale liefert. Im Gegensatz dazu stehen beispielsweise klassische geklebte Piezo-Scheiben-Transducer, die sehr schmalbandig sind und entsprechend stärkere Ultraschall-Echo-Signale zu liefern im Stande sind.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschall-Messsystem nutzt in enger Verbindung mit einer digitalen Hardware diese unterschiedlichen Ausprägungen, d. h. unterschiedliche Wandlungscharakteristika der Transducer und sorgt für die notwendige Organisation des Mess-Zyklus', der eine Wellenformdefinition, ein Senden des Ultraschall-Pulses, aus Abwarten einer vorher spezifizierten Zeitspanne bis zur Rückkehr des Echos, sowie dessen Digitalisierung und Weiterleitung mit zusätzlichen Daten umfasst.
Eine direkt damit verbundenen Analogsignal-Komponente übernimmt die Aufgabe des Konvertierens des Sende- und Empfangspulses zwischen der analogen und digitalen Signalform sowie des Filterns und Verstärkens der insbesondere bei Dünnschicht-Transducern sehr schwachen Signale der Ultraschall-Echos.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend wird nur die für die Anregung des Tranducers und die Detektion der Echos zwingend notwendige Elektronik am Ort der Messung platziert. Die gesammelten Informationen werden in digitaler Form mittels Kabel oder kabellos zu den entsprechenden anderen Komponenten des Messsystems übertragen, die räumlich vom Ort der Messung getrennt sein können, während die Auswertung der übertragenen Informationen sowohl räumlich als auch zeitlich getrennt von der Datenaufnahme stattfinden kann.
Neben Einzelmessungen mit entsprechendem externem Trigger sind vom Ultraschall-Messsystem auch wiederholte oder automatische Messserien zu steuern, bis hin zu einem weitgehend autonomen Abarbeiten von vordefinierten Messzyklen, wobei eine Verbindung mit dem externen Datenanalyse- und Kontrollsystem nicht immer gewährleistet sein muss.
Es ist vorteilhaft, die Datenakquisitionseinheit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems möglichst nahe am Ort der Messungen anzubringen. Da dies die Einbausituation bzw. die Zugängigkeit aber nicht in allen Fällen erlaubt, kann das elektrische Analog-Signal des Sendepulses sowie das Signal des Echos durch Kabel variabler Länge geleitet werden. Aufgrund der endlichen Signalgeschwindigkeit im Kabel ergibt sich ein nicht zu vernachlässigender Beitrag zur Gesamt-Laufzeit des Pulses, der separat bestimmt und abgezogen werden muss, um auf die reine Ultraschall-Laufzeit des Ultraschall-Pulses im Verbindungselement zu schließen. Das Ultraschall-Messsystem muss in Verbindung mit der Hardware das notwendige Verfahren bereitstellen, diese sogenannte Kabellaufzeit direkt zu messen oder eine als Zahlenwert vorliegende extern gemessene Kabellaufzeit zu übernehmen und für die Ultraschall-Laufzeitmessungen korrekt in Ansatz zu bringen.
In vorteilhafter Weise kann die Datenakquisitionseinheit des Ultraschall-Messsystems zum universellen Einsatz in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten in ein transportabel gehaltenes Gehäuses integriert sein. Es handelt sich bevorzugt um eine Kombination einer speziell entworfenen Analogelektronik in Verbindung mit einem digitalen Teil zur Steuerung. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausprägung der Trennung der Datenakquisitionseinheit von der Datenauswerteeinheit ist in erster Linie die Handhabung aufgrund der möglichen Miniaturisierung als auch die Kraft-Messrate sowie der Stromverbrauch wesentlich günstiger. Die Datenakquisitionseinheit kann wesentlich flexibler eingesetzt werden und gegebenenfalls auch erweiterte Richtlinien, insbesondere Anforderungen an Explosionssicherheit erfüllen. Im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystem ist eine strikte Trennung der Messung von Daten und der Datenaufbereitung verwirklicht, so dass die Möglichkeit gegeben ist, mehrere Datenakquisitionseinheiten an nur einer Datenauswertestation (z. Bsp. via Ethernet oder WLAN) zu betreiben. Die Datenakquisitionseinheit bleibt für den Anwender unsichtbar, arbeitet fast völlig wartungsfrei und kann aufgrund seines weitgehend geringen Komplexitätsgrades auf den eigentlichen Messprozess – vorrangig im Hinblick auf Geschwindigkeit – optimiert werden.
Zusammenfassend zeichnet sich die Datenakquisitionseinheit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems mit strikter Trennung von Datenaufnahme und Datenaufbereitung durch eine sehr große Transparenz gegenüber dem Anwender aus. Das Messsystem ist äußerst wartungsarm, da es nur wenige Konfigurationsparameter gibt. Des Weiteren ist über Ethernet oder WLAN eine einfache Aktualisierungsmöglichkeit gegeben. Die Datenakquisitionseinheit erstellt eine detaillierte Fehlerberichtsanalyse und zeichnet sich durch eine hohe Datenaufnahmegeschwindigkeit und geringe Leistungsaufnahme bei gleichzeitiger hoher Kraftmessrate aus. Ferner ist die Datenakquisitionseinheit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems äußerst leicht handhabbar, was nicht zuletzt auf ein kleines und kompaktes Gehäuse zurückzuführen ist.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung für ein Ultraschall-Messsystem umfasst die Datenakquisitionseinheit als analog arbeitender Teil die Verbindung zum Ultraschall-Transducer, während die digitale Komponente zur Datenaufbereitung der Organisation der Datenakquisitionseinheit eingesetzt wird und darüber hinaus die Schnittstelle zum Benutzer bzw. Anwender darstellt.
Der analog arbeitende Teil der Hardware-Komponente lässt sich in die beiden Signalwege des Sendepulses der Datenakquisitionseinheit zum Transducer und des Echo-Signals vom Transducer zur Datenakquisitionseinheit aufteilen. Beide Signalwege benutzen außerhalb der Datenakquisitionseinheit zwingend das gleiche Signalkabel, insbesondere ausgebildet als Koaxialkabel. Der Aufwand bei der Verbindung der Datenakquisitionseinheit mit dem Transducer ist hierbei auf das absolut notwendige Minimum beschränkt. Besondere Anforderungen werden speziell an die Generierung und Übertragung der Wellenformen zum und vom Transducer gestellt. Die hohe Dynamik der zu erwartenden Echo-Signale bei der Wellenformübertragung wird durch verschiedene Transducer-Bauformen, der (für die Messung solch kleiner Kräfte) sehr hohen Genauigkeitsanforderung an die Laufzeitmessung und die teilweise sehr starken Einflüsse des durchlaufenden Materials bestimmt.
Es ist anzustreben, die Signalübertragung daher möglichst rauschfrei, mit großer Verstärkung, unverzerrt, innerhalb der angeregten Bandbreite des Transducers frequenzunabhängig, phasenstabil und weitestgehend ohne Zeitunschärfe mit hoher absoluter Zeitauflösung durchzuführen.
Die digitale Hardware-Komponente dient zum zeitlichen Steuern und Regeln der analogen Hardware-Komponente und der Ultraschall-Laufzeit-Messzyklen insgesamt. Alle notwendigen Parameter zur Definition der Pulswellenform und der Ablaufsteuerung liegen zum Zeitpunkt einer Messung vor. Dies ist durch die Software dieser Komponente sichergestellt. Der Benutzer des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems steht mit dieser Komponente in Verbindung, um Ultraschall-Laufzeit-Messungen zu initiieren und deren Resultate in Form von digitalisierten Echos und weiteren Informationen zu erhalten. Zur Weiterverbearbeitung der Messungen ist ein Export und Transfer der digitalisierten Echo-Signale zusammen mit allen weiteren für die Messung relevanten Parameter zu einer nachgeschalteten, räumlich von der Datenakquisitionseinheit getrennten Datenverarbeitungseinheit vorgesehen.
Da auch Temperaturänderungen die Länge von Verbindungselementen und damit Ultraschall-Laufzeiten ändern, ist eine separate synchronisierte Messung der Temperatur während der Propagation des Ultraschall-Pulses erforderlich. Dies erfolgt über ein hochgenaues temperatursensitives Widerstandselement, so zum Beispiel einen Pt100-Messfühler.
Obwohl die Datenakquisitionseinheit so nahe wie möglich am Ort der Laufzeitmessungen angebracht werden sollte, kann nicht in allen Fällen diese optimale Situation gewählt werden. Es entsteht daher die Notwendigkeit, das elektrische Analogsignal des Sendepulses sowie das Signal des Echos durch Kabel variabler Länge zu leiten. Wegen der endlichen Signalgeschwindigkeit innerhalb des Kabels, ergibt sich ein nicht zu vernachlässigender Beitrag zur Gesamtlaufzeit des Ultraschall-Pulses, der separat bestimmt und abgezogen werden muss, um die reine Ultraschalllaufzeit in den Verbindungselementen zu bestimmen. Die digitale Hardware-Komponente stellt eine Möglichkeit bereit, die Laufzeit des elektrischen Signals im angeschlossenen Kabel direkt zu bestimmen und über das Benutzer-Interface zu exportieren, so dass sie von der insgesamt gemessenen Laufzeit abgezogen werden kann.
Für die beiden zu erfassenden Messgrößen Laufzeit und Temperatur werden hardwareseitig ein hochgenauer Quarzoszillator und externe Temperatursensoren eingesetzt. Diese müssen wiederum in regelmäßigen Zeitabständen ihrerseits mit entsprechenden Referenznormalen kalibriert werden, um die Funktionalität und Korrektheit der Messergebnisse zu gewährleisten. Dazu sind entsprechende Signaleingänge vorgesehen.
Zur Durchführung eines Ultraschall-Zyklus' führt das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschall-Messsystem unter Kombination aus digital arbeitenden und analog arbeitenden Hardware-Komponenten folgende Aufgaben aus:
Es wird eine analoge, komplexe, zeitlich begrenzte elektrische Pulswellenform erzeugt. Es besteht optional die Möglichkeit einer variablen Verstärkung des generierten Analogsignales zum Anregen von Ultraschall-Transducern verschiedener Bauart. Es erfolgt eine Übertragung der generierten elektrischen Wellenform zum Ort des Transducers. Nach dem Senden des Ultraschall-Pulses wird die Ausgangssignalkette abgeschaltet zur Vermeidung unnötiger Störung in der Empfangssignalkette. Nach Ablauf einer vorgegebenen variabel definierbaren Zeitspanne werden Ultraschall-Echos detektiert. Gleichzeitig erfolgt die Bestimmung der Temperatur des Verbindungselementes während der Ultraschall-Pulsausbreitung im Material des zu vermessenden Bauteiles.
Danach erfolgt eine Bandpassfilterung und Verstärkung der sehr schwachen Echosignale des nun als Empfänger arbeitenden Transducers. Daran schließt sich eine Digitalisierung des verstärkten Eingangssignales über einen vorgegebenen Zeitbereich nach dem Senden des Pulses an, sowie gegebenenfalls dessen Mittelung über viele Echos zur Erhöhung des Signal-zu-Rauschverhältnisses.
Abschließend wird eine vollständige Zeitserie, d. h. ein Messzyklus zusammen mit weiteren komplementären Daten über einen Datentransferkanal (z. Bsp. Ethernet) zu einem PC-ähnlichen System zur weiteren Datenanalyse weitergeleitet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 den schematischen Aufbau des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems,
2 eine Darstellung der Komponenten der Datenakquisitionseinheit,
3 eine Detaildarstellung der Komponenten, die in einem Pulssendemodul und einem Echoempfangsmodul der Datenakquisitionseinheit enthalten sind.
Ausführungsvarianten
Der Darstellung gemäß 1 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ultraschall-Messsystems zu entnehmen.
Der Darstellung gemäß 1 ist ein Verbindungselement 10 zu entnehmen, bei dem es sich in der Darstellung gemäß 1 um eine Schraube handelt. Alternativ dazu kann das Verbindungselement 10 auch durch einen Niet, einen Bolzen oder ein anderes Verbindungsbauteil dargestellt sein. 1 zeigt des Weiteren, dass am Kopf des Verbindungselementes 10 ein Transducer 12 angeordnet ist. Bei dem Transducer 12 kann es sich um einen solchen handeln, der in Dünnschichttechnik ausgebildet ist oder um einen anderen, kommerziell erhältlichen Ultraschall-Transducer (12).
Das Verbindungselement 10 umfasst einen Schaft 14. An den Schaft 14 des Verbindungselementes 10 – ausgebildet als eine Schraube – schließt sich ein Abschnitt mit einem Gewinde 16 an. Über den Transducer 12 ist das Verbindungselement 10 gemäß der Darstellung in 1 mit einer Datenakquisitionseinheit 20 mit integriertem Analog/Digital-Konverter verbunden.
Die Kabelverbindung 18 zwischen dem Transducer 12 und der Datenakquisitionseinheit 20 ist bevorzugt durch ein Koaxialkabel gegeben. Die Kabelverbindung 18 zwischen der Datenakquisitionseinheit 20 und dem Transducer 12 ist nicht zwingend erforderlich. Gestatten es die Einbauverhältnisse des Verbindungselementes 10, so kann die Datenakquisitionseinheit 20 unmittelbar auf die Oberseite des Transducers 12 aufgesetzt werden. Dadurch kann die elektrische Ankopplung des Transducers 12 direkt an die Datenakquisitionseinheit 20 erfolgen. Sollten dies die Einbauverhältnisse des Verbindungselementes 10 hingegen nicht zulassen, so besteht optional die Möglichkeit, den Transducer 12 auf der Oberseite des Verbindungselementes 10 mit Messmodul 20 über die Kabelverbindung 18 zu verbinden und auf diese Weise die Anregungssignale zum Transducer 12 zu leiten und die erhaltenen Echos über die insbesondere als Koaxialkabel gestaltete Kabelverbindung 18 an die Datenakquisitionseinheit 20 zu übertragen.
Über eine kabelgebundene oder kabellose Verbindung 22, bei der es sich zum Beispiel um Ethernet oder WLAN oder dergleichen handelt, ist die Datenakquisitionseinheit 20 ihrerseits mit einem eine Datenaufbereitung ermöglichenden System, insbesondere eines PC, verbunden, das zur Auswertung der Daten dient, in Figur angedeutet durch die Datenauswerteeinheit 24.
Der Darstellung gemäß 2 sind Komponenten der Datenakquisitionseinheit zu entnehmen.
Wie 2 zeigt, steht die Datenakquisitionseinheit 20 über die Kabelverbindung 18 mit dem Verbindungselement 10, hier ausgebildet als eine Schraube, in Verbindung. Die Datenakquisitionseinheit 20 umfasst ein Pulssendemodul 26, mit dem ein Ultraschallpuls über die Kabelverbindung 18 und den in 2 nicht dargestellten Transducer in das Verbindungselement 10 eingeleitet wird. Des Weiteren umfasst die Datenakquisitionseinheit 20 ein Echoempfangsmodul 28, welches – ebenfalls über die Kabelverbindung 18 – vom Verbindungselement 10 über den in 2 nicht dargestellten Transducer das Echo des durch das Pulssendemodul 26 ausgesandten Ultraschallimpulses empfängt. Des Weiteren sind in der Datenakquisitionseinheit 20 gemäß der schematischen Darstellung gemäß 2 ein Kontrollmodul 30 sowie ein Kommunikationsmodul 32 enthalten. Über das Kommunikationsmodul 32 werden über die kabellose Verbindung 22 entsprechend aufbereitete Daten zur Datenauswerteeinheit 24 übermittelt. Das Kontrollmodul 30 übernimmt die logische und zeitliche Ablaufsteuerung aller am Messprozess beteiligten Komponenten. Insbesondere erfolgt in dem Kontrollmodul 30 eine Korrektur der Laufzeit des Ultraschallpulses im Verbindungselement 10 um den Laufzeitanteil, der auf die Laufzeit in der Kabelverbindung 18 entfällt. Des Weiteren erfolgt im Kontrollmodul 30 auch eine Temperaturkompensation der gemessenen Ultraschallpulslaufzeit durch das Verbindungselement 10.
Ferner erfolgt die Berücksichtigung des Temperatureinflusses auf die Ultraschallecholaufzeit innerhalb des als Schraube ausgebildeten Verbindungsbauteiles 10 im Kontrollmodul 30, da dieses mit einer entsprechenden algorithmischen Intelligenz ausgestattet ist. Entsprechend auf die reine Ultraschallsignallaufzeit im Verbindungselement 10 korrigierte Daten werden über das Kommunikationsmodul 32 und die kabelgebundene oder kabellose Verbindung 22 an die Datenauswerteeinheit 24 – hier angedeutet durch einen Laptop – übermittelt.
Der Darstellung gemäß 3 sind einzelne Komponenten des in 2 dargestellten Pulssendemoduls sowie des in 2 dargestellten Echoempfangsmoduls der Datenakquisitionseinheit zu entnehmen.
Aus 3 geht hervor, dass das Pulssendemodul 26 analog zur Darstellung gemäß 2 über die Kabelverbindung 18 mit dem hier als Schraube ausgebildeten Verbindungsbauteil 10 unter Zwischenschaltung eines in 3 nicht dargestellten Transducers verbunden ist. Das Pulssendemodul 26 umfasst einen Ausgangsverstärker mit welchem der Ultraschallpuls mittels der Kabelverbindung 18 in das Verbindungselement 10 eingekoppelt wird. Darüber hinaus umfasst das Pulssendemodul 26 gemäß der Darstellung in 3 einen Pulsformspeicher 38, in dem verschiedene Ultraschallpulsformen in digitaler Form abgebildet sind. Zwischen dem Pulsformspeicher 38 und dem Ausgangsverstärker 34 ist ein Digitial-/Analog-Konverter 36 vorgesehen, welcher die in digitaler Form vorliegenden Ultraschallpulse, die im Pulsformspeicher 38 gespeichert sind, in entsprechende Analogsignale umwandelt, die mittels des Ausgangsverstärkers 34 in die Kabelverbindung 28 zum Transducer 12 des Verbindungsbauteiles 10 eingekoppelt werden.
Das in der Datenakquisitionseinheit 20 enthaltene Echoempfangsmodul 28 umfasst auf der Eingangsseite einen Eingangsverstärker 40, mit dem die aus dem Verbindungsbauteil 10, über den in 3 nicht dargestellten Transducer 12 und die Kabelverbindung 18 enthaltenen Ultraschallechos verstärkt werden. Dem Eingangsverstärker 40 des Echoempfangsmoduls 28 ist ein Bandpassfilter 42 nachgeschaltet; diesem wiederum ein Analog-/Digital-Konverter 44. Über den Analog-/Digital-Konverter 44 werden die analogen Echosignale in Digitalsignale umgewandelt, die in einem Ultraschallechospeicher 46 des Echoempfangsmoduls 38 der Datenakquisitionseinheit 20 gespeichert werden.
Aus den 1 und 2 geht hervor, dass die Verbindung 22 beispielsweise als kabellose Verbindung zwischen der Datenakquisitionseinheit 20 und der Datenauswerteeinheit 24 ausgebildet ist. Als kabellose Verbindung kommt beispielsweise eine WLAN-Verbindung in Frage. Alternativ dazu kann die Verbindung 22 auch kabelgebunden ausgebildet sein und beispielsweise als eine Ethernet-Verbindung ausgestaltet sein.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ultraschallmesssystem wie vorstehend anhand der 1 bis 3 beschrieben, kann in einer weiteren vorteilhaften Anwendung auch dazu eingesetzt werden, eine Mehrfachverschraubung, so zum Beispiel an einem Flansch vorzunehmen. Im Rahmen einer Mehrfachverschraubung werden zum Beispiel vier, sechs oder eine andere Anzahl von Verbindungselementen 10, wie beispielsweise Schrauben an einer Nabe, beispielsweise an einem Windradmotor und an einer Nabe eines Windradrotors verschraubt. Dazu kommen in der Regel mehrere gleichzeitig betriebene Anziehwerkzeuge zum Einsatz, in denen jeweils eine Datenakquisitionseinheit 20 wie vorstehend beschrieben integriert ist und das entstandene Gesamtsystem zu mehreren Anziehwerkzeugen mit jeweils integrierten Datenakquisitionseinheiten an sich wird über einen Regelkreis derart betrieben, dass eine Mehrfachverschraubung gleichzeitig an allen Verbindungselementen 10 mit definierten Vorspannkräften erzeugt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Verbindungselement
12: Tranducer
14: Schaft
16: Gewindeabschnitt
18: Kabelverbindung
20: Datenakquisitionseinheit
22: kabellose Verbindung
24: Datenauswerteeinheit
26: Puls-Sendemodul
28: Echoempfangsmodul
30: Kontrollmodul
32: Kommunikationsmodul
34: Ausgangsverstärker
36: Digital-/Analog-Konverter
38: Pulsformspeicher
40: Eingangsverstärker
42: Bandpassfilter
44: Analog-/Digital-Konverter
46: Echospeicher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4225035 A1 [0002]
DE 4232254 A1 [0002]
DE 102004038638 [0002]
DE 102009060441 A1 [0003, 0012]

Claims

Ultraschall-Messsystem mit einer Datenakquisitionseinheit (20), und einem Transducer (12) zur Einkopplung eines Ultraschallpulses in ein Verbindungselement (10) und zur Auskopplung eines Ultraschallpuls-Echos aus dem Verbindungselement (10), dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Datenakquisitionseinheit (20) umfasst, die von einer Datenverarbeitungseinheit (24) baulich getrennt und mittels einer kabelgebundenen oder kabellosen Verbindung (22) mit dieser gekoppelt ist.
Ultraschall-Messsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) mit den am Messort zwingend notwendigen analogen und digitalen Komponenten zur Anregung des Transducers (12) und zum Echoempfang ausgestattet ist und eine kleinstmögliche Bauform aufweist.
Ultraschall-Messsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (22) kabelgebunden oder kabellos ausgeführt ist.
Ultraschall-Messsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitung in der Datenverarbeitungseinheit (24) räumlich und zeitlich getrennt von der Anregung des Tranducers (12) und dem Echoempfang ausgeführt wird.
Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) in enger räumlicher Nähe zum Messort platziert wird, insbesondere direkt auf und fest verbunden mit einem Verbindungselement (10) ohne weitere Kabelverbindung zum Transducer (12).
Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unabhängige Datenakquisitionseinheiten (20) mit einer einzigen zentralen Datenverarbeitungseinheit (24) durch Verbindungen (22) verbunden sind.
Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) nach entsprechender Konfiguration selbstständig in regulären oder irregulären zeitlichen Abständen den Zustand des Verbindungselements (10) automatisch feststellt und die Informationen weiterreicht.
Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) als Teil eines manuellen Inspektionsgeräts zusammen mit einer weiteren Komponente zur Identifikation des Verbindungselements (10) wie ein Barcode Reader oder Kamera kombiniert wird, zur vereinfachten und fehlerfreien Nachmessung und Überwachung des Spannungszustands von Verbindungselementen (10).
Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) direkt in das Verbindungselement (10) integriert ist, so dass aus dem Verbindungselement (10) mit ansteuerbarem Transducer (12) zur Ultraschallmessung ein aktives Verbindungselement (10) wird, das seinen eigenen Zustand selbstständig ermittelt und an eine Datenauswerteeinheit (24) übermittelt.
Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Datenakquisitionseinheit (20) direkt bei der Produktion des Verbindungselementes (10) in dieses integriert wird und so ein aktives Verbindungselement mit Sensorcharakteristik bereits bei der Herstellung entsteht.
Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenakquisitionseinheit (20) in Anziehwerkzeuge integriert oder mit diesen in funktionserweiternder Weise verbunden ist, um Verschraubungen von Verbindungselementen (10) ultraschall-gesteuert mit definierter Vorspannkraft auszuführen.
Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren gleichzeitig betriebenen Anziehwerkzeugen jeweils eine Datenakquisitionseinheit (20) integriert ist und das so erhaltene Gesamtsystem über einen Regelkreis so kontrolliert wird, dass ein Mehrfachverschraubung gleichzeitig an allen Verbindungselementen (10) mit definierten Vorspannkräften erfolgt.
Ultraschall-Messsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit (24) als separates digitales System in die Datenaufnahmeeinheit integriert ist, so dass der mechanische Spannungszustand des Verbindungselementes (10) direkt ohne weitere externe Auswerteeinheiten direkt vom Benutzer abgelesen wird.
Verwendung des Ultraschall-Messsystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dies zur Lebensdauerüberwachung von Bauteilen, insbesondere Stahlträgern oder Hydraulikbauteilen und dergleichen eingesetzt wird.
Verfahren zur Durchführung von Ultraschallmessungen in Verbindungselementen (10) mit einem Ultraschall-Messsystem gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Generieren einer analogen komplexen zeitlich begrenzten elektrischen Puls-Wellenform, b) Übertragen der generierten Puls-Wellenform zum Ort des Transducers (12), c) Abschalten einer Ausgangssignalkette nach dem Senden des Pulses zur Vermeidung unnötiger Störungen in einer Empfangssignalkette, d) Detektieren eines Ultraschall-Echos nach einer vorgegebenen variablen Zeitspanne, e) Bestimmen der Temperatur des Verbindungselementes (10) zum Zeitpunkt der Ultraschallpulsausbreitung im Verbindungselement (10), f) Bandpassfilterung und Verstärkung der Echosignale des als Empfänger arbeitenden Transducers (12), g) Digitalisierung des verstärkten Eingangssignales über einen vorgegebenen Zeitbereich nach dem Senden des Pulses und/oder dessen Mittelung über eine Anzahl von Echos und h) Weiterleiten einer vollständigen Zeitserie zusammen mit weiteren komplementären Daten über kabelgebundene oder kabellose Verbindungen (22) zu einer Datenauswerteeinheit (24).