Ich habe Interesse an der Dicken-/Längenmessung von Metallen per
Ultraschall. Das Prinzip ist einfach (Echo-/ Laufzeitmessung), die
Umsetzung wohl etwas schwieriger. Die Frage ist, ob man sowas "einfach"
realisieren kann.
https://de.wikipedia.org/wiki/Schallgeschwindigkeit
Luft: 343.000 mm/s
Alu: 6.300.000 mm/s
Stahl: 5.900.000 mm/s
Kupfer: 4.660.000 mm/s
Messing: 3.530.000 mm/s
Messbereich: 0.x .. 20 mm
Auflösung: 0.1 mm
Bei einer angenommenen max. Schallgeschwindigkeit von 10.000.000 mm/s
und einer Auflösung von 0.1 mm müsste die Laufzeit auf 1/50.000.000 s
bestimmt werden (der Impuls durchläuft die Strecke zweimal) - 20 ns !
Lässt sich so ein Timing sich vielleicht mit Mikrocontrollern der 100+
MHz Klasse realisieren?
Die nächsten Probleme sind vor allem die Schaltung für einen sehr kurzen
Impuls mit höherer Spannung für einen entsprechenden Schallgeber
(Piezo), sowie dem anschließenden Empfang des Echos (schneller OPV, der
auch die Treiberspannung verträgt).
Also nicht ohne. Kennt jemand was Gebasteltes zur Inspiration bzw.
Nachbau?
Impulsdauer, hmm, da reicht doch eigentlich eine Detektion der
reflektierten Flanke, oder? Eine volle AD-Wandlung ist da doch
eigentlich überflüssig.
Mit den geposteten Chips wird das aber nix. 20 ns mit einem 100 kHz
Signal messen? Eher nicht...
Jemin K. schrieb:> Impulsdauer, hmm, da reicht doch eigentlich eine Detektion der> reflektierten Flanke, oder? Eine volle AD-Wandlung ist da doch> eigentlich überflüssig.
der Piezo erzeugt aber keine Flanke ...
> Mit den geposteten Chips wird das aber nix. 20 ns mit einem 100 kHz> Signal messen? Eher nicht...
die 100 kHz sind weder die Frequenz des US noch die Abtastrate ...
Ich entwickle hauptberuflich Ultraschall-Prüfelektronik, hier ein paar
Details.
Heutzutage wird das alles mit FPGAs gemacht. Microcontroller mit CPLD
plus schnellem Sample-Speicher geht vielleicht auch. Oder sowas wie den
PSOC vom Cypress. Hast ja schon richtig erkannt, dass man mit weniger
als 50MS/s da nicht viel machen kann. Die Pulse werden ganz klassisch
seit den 80ern oder so erzeugt, indem ein Kondensator geladen wird, und
dann per N-FET über den Prüfkopf entladen wird. Früher hat man das auch
mit Avalanche Transistoren gemacht, da kommen dann steile Nadelimpulse
raus. Bis 200V etwa kann man auch integrierte Transmitter ICs nehmen.
Zum Beispiel den MAX4940 oder ähliches. Gibts auch von TI, ST, Analog,
Suptertex...
Einen empfindlichen Verstärker brauchst du dann auch noch,
sinnvollerweise mit einstellbarer Verstärkung. Wenn 80dB Verstärkung
gefordert sind, nimmt eigentlich jeder dem AD8332 dafür. Bei reiner
Wanddickenmessung kann man vielleicht etwas abspecken. Dazu kommt noch
eine Menge Schutzschaltung, denn die Hochspannung darf ja den Empfänger
nicht kaputt machen. Außerdem braucht man schon ein ordentliches
Platinendesign denn ein 200V Puls mit 5ns Anstiegszeit ist schon heftig
in der Elektronik. Dazu halt das ganze ADC-Design samt FPGA,
Stromversorgung, einstellbarer Hochspannung und PC-Interface. Sowas
macht man nicht mal eben so nebenher.
Fpga K. schrieb:> http://www.izfp.fraunhofer.de/de/abteilungen/elektronik-zfp-systeme.html
Jaja, das können wir aber besser :P
Gerd schrieb:> Dennoch hat er recht: fuer die Anwendung taugen diese Chips nicht.> Kennst du besser geeignete Treiber-ICs?
So Ungeeignet sieht der nicht aus, pulser, für US wurden auch mit dem
LT3782
aufgebaut. Dann gab/Gibt es noch einen kleineren IC-Hersteller dessen
Namen mir leider entfallen ist, HiTec oder ähnlich. Allerdings waren
deren datasheets nur als NDA zu bekommen würde Dir also nicht viel
nützen.
MfG,
Fpga K. schrieb:> Ich weiss, du hattest mal einen Link zu "Eurem" Gerät gepostet, wäre> hier auch passend.
Wir haben ja eine ganze Palette. Findet man aber auch per Suchmaschine,
ansonsten PM an mich.
Schaltplan gibts natürlich eh nicht von mir, und mit den Billigteilen
wie USM Go können wir aufgrund unserer Kostenstruktur nicht mithalten.
Aber unser Focus liegt auch auf Automatisierung.
Ich kann mir nicht vorstellen, dass das so einfach wird.
Wie man an den am Anfang aufgezeigten Geschwindigkeiten sehen kann,
dürften sehr kleine Verunreinigungen (oder Legierungsbestandteile),
extreme Laufzeitunterschiede mit sich bringen.
Ob dann aber mehr als ein Schätzeisen herauskommt...?
Amateur schrieb:> dürften sehr kleine Verunreinigungen (oder Legierungsbestandteile),> extreme Laufzeitunterschiede mit sich bringen.
Sorry, aber Du hast keine Ahnung worüber Du sprichst.
MfG,
Er meint, dass kleine Verunreinigungen oder Legierungen nicht so
drastisch die Schallgeschwindigkeit beeinflussen, wie du vielleicht
glaubst. Aber prinzpiell ist es schon richtig, die muss man wissen, bzw.
an einem mechanisch vermessbarem Referenzkörper bestimmen.
Gerd schrieb:> Bei einer angenommenen max. Schallgeschwindigkeit von 10.000.000 mm/s> und einer Auflösung von 0.1 mm müsste die Laufzeit auf 1/50.000.000 s> bestimmt werden (der Impuls durchläuft die Strecke zweimal) - 20 ns !
Von altersher hat man dafür analoge Phasenvergleichsschaltungen
genommen, oder glaubst du, dass die Laserentfernungsmesser aus dem
Baumarkt, die 1,5mm Genauigkeit aufweisen, den Laser mit 100GHz
modulieren?
einen Sender udn einen Empfänger verwenden. Den Sender
Frequenzmodulieren, ds Empfangene Signal mit dem des Senders mischen und
das Mischproukt auswerten. So wird es zumindest bei Radargeräten
gemacht, sollte also auch mit Ultraschall funktionieren.
Wesentlicher Vorteil ist, dass man keine Zeit sondern nur eine, relativ
niedrige, Frequenz messen muss, den Sender muss man auch nicht mit
irgendwelchen Impulsen quälen, ein Sinussignal reicht. Traditionell
macht man das mit einem Schwingkreis dessen Reonanzfrequenz permanent
verändet wird (Früher: mit einem Motor am Drehko)
Hp M. schrieb:> Von altersher hat man dafür analoge Phasenvergleichsschaltungen> genommen, oder glaubst du, dass die Laserentfernungsmesser aus dem> Baumarkt, die 1,5mm Genauigkeit aufweisen, den Laser mit 100GHz> modulieren?
Korrekt. Ganz früher gabs optische Entfernungsmesser mit einer
Lochscheibe. Die Auswertung der Phasenverschiebung erledingt das geübte
Auge des Benutzers. Einfach die Drehzahl der Lochscheibe so einstellen,
dass bei einem Blick durch das Guckloch einmal die Helligkeit minimal
wird, dann das gleiche nochmal für maximale Helligkeit und jetzt den
Rechnenschieber benutzen...
Das geht auch ganz ohne Elektronik und ist erstaunlich genau.
Christian R. schrieb:> Er meint, dass kleine Verunreinigungen oder Legierungen nicht so> drastisch die Schallgeschwindigkeit beeinflussen, wie du vielleicht> glaubst. Aber prinzpiell ist es schon richtig, die muss man wissen, bzw.> an einem mechanisch vermessbarem Referenzkörper bestimmen.
Der Abweichung vom Tabellenwert 5,93 km/s bei legierungen ist in der
Messpraxis vernachlässigbar (~ 5%). Statt da ins Blaue von Schätzeisen
zu fabulieren hätte man einen Blick in die Tabelle geworfen oder ein
bißchen Google. Ein größeren Einfluß auf die Schallgeschwindigkeit als
die Legierung haben bearbeitungschritte wie Glühen und Härten. Eine
Justierung auf die Materialzusammensetzung ist daher zweckfrei.
Ursache dafür ist die Kristallstruktur, denn diese bestimmt die
Elastizitäts- und damit Wellenleiteigenschaft des Materials.
"Verunreinigungen" im Material äußern sich daher als Störung in der
kristallinen Struktur, also als Ungänze. D.H. dort treten Reflexionen
die messbar sind. Und diese detektiert man.
MfG,
Hp M. schrieb:> Gerd schrieb:> Von altersher hat man dafür analoge Phasenvergleichsschaltungen> genommen, oder glaubst du, dass die Laserentfernungsmesser aus dem> Baumarkt, die 1,5mm Genauigkeit aufweisen, den Laser mit 100GHz> modulieren?
Von Altersher nimmt man bei der Ultraschallprüfung ein Oszilloskop und
bestimmt durch Auszählen der Rasterstriche auf der x-Achse den
Laufzeitunterschied zwischen aufeinanderfolgenden Rückwandecho. Oder
zwischen Eintritts und ersten Rückwandecho.
http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/schallgeschwindigkeit/ausblick
MfG,
Fpga K. schrieb:> Hp M. schrieb:>> Gerd schrieb:>>> Von altersher hat man dafür analoge Phasenvergleichsschaltungen>> genommen, [...]>> Von Altersher nimmt man bei der Ultraschallprüfung ein Oszilloskop> [...]
Und um das abzulesen braucht man einen FPGA?
Unser US-Messgerät (mit 1 MHz Messfrequenz) hat nach Einfügen
von ca. 15m Koax-Kabel brav eine Phasenverschiebung von ca. 20°
angezeigt; somit lassen sich Laufzeitunterschiede von 5 ns
recht sicher detektieren.
Im Gerät werkelte ein ATMega32 und eine Handvoll analoges
Geraffel.
Wozu braucht man da einen FPGA?
Possetitjel schrieb:> Unser US-Messgerät (mit 1 MHz Messfrequenz) hat nach Einfügen> von ca. 15m Koax-Kabel brav eine Phasenverschiebung von ca. 20°> Wozu braucht man da einen FPGA?
Vielleicht um Eure 15m Koax Leitung einzusparen?
MfG,
Fpga K. schrieb:> Possetitjel schrieb:>>> Unser US-Messgerät (mit 1 MHz Messfrequenz) hat nach Einfügen>> von ca. 15m Koax-Kabel brav eine Phasenverschiebung von ca. 20°>>> Wozu braucht man da einen FPGA?>> Vielleicht um Eure 15m Koax Leitung einzusparen?
Seufz. War das tatsächlich SOOO unverständlich?
Das Koax-Kabel war ein BEISPIEL dafür, dass Laufzeitdifferenzen
im Bereich von 5ns zuverlässig messbar sind - und zwar ohne
jeden FPGA.
Zum Nachrechnen: 1° bei 1 MHz sind etwa 2.8 ns: 20° sind
entsprechend knapp 60 ns.
Unser Gerät löste auf 0.1° auf; als Genauigkeit würde ich
etwa 1° ansetzen (das sind bei 1 MHz knapp 3 ns). .
Der Laufzeitunterschied wurde - als Demonstration für unseren
Chef - auf elektrischem Wege mittels 15m Kabel erzeugt. Akustisch
hätten 0.5 mm Stahl genügt.
Ich wiederhole meine Frage, weil ich es WIRKLICH gern verstehen
möchte: Wozu braucht man in dem Kontext einen FPGA?
Possetitjel schrieb:> Fpga K. schrieb:>>> Gerd schrieb:>>> Von altersher hat man dafür analoge Phasenvergleichsschaltungen>>> genommen, [...]>>>> Von Altersher nimmt man bei der Ultraschallprüfung ein Oszilloskop>> [...]>> Und um das abzulesen braucht man einen FPGA?>> Unser US-Messgerät (mit 1 MHz Messfrequenz) hat nach Einfügen> von ca. 15m Koax-Kabel brav eine Phasenverschiebung von ca. 20°> angezeigt; somit lassen sich Laufzeitunterschiede von 5 ns> recht sicher detektieren.
Hm, Koaxkabel. Also komplett ohne Transducer,Vorlaufkeil und
Akkustikstrecke gemessen?! ->
Keine Verflachung der Flanke durch den Piezo berücksichtigt? Keine
Pseudoechos durch die nahe Rückwand, keine Dämpfung;Dispersion durch das
Werkstück ... das sagt wirklich nicht viel über die Leistungsfähigkeit
des Systems
> Wozu braucht man da einen FPGA?
Für einen dummen Wanddickenmesser mit einfachen 1 MHz Kopf
offensichtlich nicht. Aber damit kann man auch keine Materialprüfung
betreiben:
-die Ortsauflösung bei Ultraschall ist abhängig von der Wellenlänge des
US, also
lamnbda = v/f
=5.9 * 10^6/10^6 mm
= 5,9 mm
http://www.usra.de/raeumliche-aufloesungen/
Bedeutet, das eine Bohrung in der zu prüfenden Wand erst detektiert wird
wenn sie einige mm Durchmesser hat. Mal ganz zu schweigen von Haarrissen
wie sie bei Sprödbruch auftreten. Das kann man gut selbst ausprobieren,
einfach mal einen Prüfkörper mit einem 1 mm Bohrer anbohren und schauen
wie die Wanddickenmessung darauf reagiert.
Deshalb verwendet man Prüfköpfe mit hohe Frequenz bspw. 50 MHz für
Stahl.
Diese 50 MHz lassen sich aber kaum mit einem µC abtasten.
Des weiteren schärft man die Flanke durch einen digitalen Filter. Auch
dafür ist ein DSP/FPGA besser geeignet.
Ferner kann man an der Pulsform einiges mehr ablesen als an der reinen
Laufzeit als stellt man die Amplitude über der Zeit dar (A-Scan). Diese
Bildschirmansteuerung überfordert aber auch viele Controller, da ist ein
FPGA die bessere Fall.
Da man Haarrisse eher entdeckt wenn man sie nicht von oben sondern
seitlich anschallt verwendet man Phased array Gruppenstrahler. Es sind
also mehrere Köpfe mit exakte Verzögerung (einige Nanosecs) anzusteuern.
Systeme mit 64 Köpfen also 64 AD-Kanälensollten meines Wissens nicht mit
einem Controller vernünftig ansteuerbar sein:
http://www.elektronikpraxis.vogel.de/embedded-computing/articles/146346/
MfG,
http://www.tf.uni-kiel.de/servicezentrum/neutral/praktika/anleitungen/b401.pdf
Fpga K. schrieb:>> Unser US-Messgerät (mit 1 MHz Messfrequenz) hat nach Einfügen>> von ca. 15m Koax-Kabel brav eine Phasenverschiebung von ca. 20°>> angezeigt; somit lassen sich Laufzeitunterschiede von 5 ns>> recht sicher detektieren.>> Hm, Koaxkabel. Also komplett ohne Transducer,Vorlaufkeil und> Akkustikstrecke gemessen?! ->
Nein.
Kompletter Aufbau incl. Akustik wie im normalen Betrieb, aber
Empfänger einmal mit kurzen Kabel angeschlossen und einmal
mit langem --> Zeitdifferenz.
> Keine Verflachung der Flanke durch den Piezo berücksichtigt?
Gibt's nicht - gepulster Sinus; Laufzeitbestimmung durch
Phasenvergleich.
> Keine Pseudoechos durch die nahe Rückwand, keine Dämpfung;> Dispersion durch das Werkstück ... das sagt wirklich nicht> viel über die Leistungsfähigkeit des Systems
Doch, es sagt genau das, wonach am Anfang gefragt wurde: Man
kann Zeiten bis in den einstelligen Nanosekunden-Bereich mit
Bastlermitteln auflösen, völlig ohne FPGA und DSP: Mit einer
Phasenmessung.
>> Wozu braucht man da einen FPGA?> [...]
Danke für Deine Erklärungen. - Ich habe immer gewisse Scheu-
klappen, weil wir recht spezielles Ultraschallzeug gemacht
haben, wo nur skalar (Amplitude/Phase) gemessen wurde;
allenfalls wurde ein gewisses Spektrum abgefahren. Da kommt
man mit einem µC und klassischer HF-Technik aus.
Sachen wie bildgebende Verfahren oder Apertursynthese (phased
array) habe ich nicht wirklich auf dem Schirm. Dafür braucht
man natürlich mehr Rechenleistung; das sehe ich ein.
Mit eher klassischer HF technik, allerdings mit getrenntem Sender
Empfänger habe ich bei 50 MHz schon Laufzeiten bis auf 1 ps aufgelöst.
Das geht über die Phasenmessung. Da wird es dann aber schon unangenehm
weil man anfängt selbst den Temperatureffekt auf Koaskabeln zu sehen.
Die Echomessung bei geringer Dicke ist da schon etwas anspruchsvoller,
weil die Pulse halt kurz sein müssen und man keine langen Wellenpakete
mehr senden kann. Da macht es dann schon Sinn das Signal zu
digitalisieren und dann rechnerisch auszuwerten. Selberbauen vermeidet
man da eher, sondern nutzt z.B. ein fertiges DSO intern ist da in aller
Regel ein FPGA.
Interessante Beitraege, danke. Nehmen wir also an, (m)ein Oszi reicht
erstmal fuer Experimente mit manueller Phasenlagenmessung. Dann
reduziert sich der Aufwand auf den Schallgeber und einen entsprechenden
Pulsgenerator.
Welche Anforderungen muss der Piezo erfuellen, damit er so ein
hochfrequentes Signal bzw. einen solchen kurzen Puls ueberhaupt erzeugen
kann?
Und zweitens waere natuerlich ein IC als Treiber fuer die "hohe"
Spannung auch sehr komfortabel. Wie laesst sich abschaetzen, welche
Leistung man fuer so eine Messung benoetigt?
Gute Nacht!
Gerd schrieb:> Wie laesst sich abschaetzen, welche> Leistung man fuer so eine Messung benoetigt?
Man muss unterhalb der Kavitationsgrenze bleiben.
Das Minimum sollte natürlich so gewählt sein das ein Echosignal noch
detektierbar ist. Das wiederum ist vom SNR abhängig und vom gewählten
Empfangsverfahren.
Das ist übrigens ein Punkt bei dem die Digitaltechnik ihre Vorteile
ausspielen könnte, indem man zur Signalrekonstruktion durch
Optimalfilter (Korrelationsfilter) übergeht.
Die Frage nach der Sinnhaftigkeit von FPGA's als Ersatz von
Analogtechnik bei der materialprüfung stelle ich auch. Die macht m.E.
nur Sinn wenn man die Vorteile der Digitalisierung (Speicherbarkeit,
Komprimierbarkeit,Korrelationsfilter, leichter Übergang in den
Frequenzbereich) Konsequent einseztz, was aus meiner Sicht zu selten der
Fall ist. Eventuell hat das was mit den Prüfvorschriften (bspw. für
Nuklöeartechnik) zu tun die auf den Einsatz von Analogtechnik ausgelegt
ist. So bleibt die Digitale Prüftechnik oftmals nur eine Nachstellung
der bewährten Analogtechnik.
MfG,
Fpga K. schrieb:> Die Frage nach der Sinnhaftigkeit von FPGA's als Ersatz von> Analogtechnik bei der materialprüfung stelle ich auch.
Naja, mal drüber gucken und auf dem Bildschirm bewerten reicht halt
nicht mehr. Wir bauen ja Ultraschallgeräte für z.B. ICE
Hohlachsenprüfung. Die wollen die Achsen automatisiert mit bis zu 7
Prüfköpfen prüfen, in möglichst wenig Zeit (ca. 10 min pro Achse), alle
Bilder (A, B, C) zeichnen lassen, reinzoomen, bewerten, Labels an die
Anzeigen schreiben, Protokolle ausdrucken, Prüfdaten archivieren...da
kommt man mit reiner Analogtechnik nicht weit. Allerdings ist auch die
Analogtechnik in einem digitalen Ultraschallgerät keine einfache Sache.
Wir entwickeln hier auch Phased Array Geräte mit bis zu 128 parallelen
Kanälen pro Gerät, vollgestopft mit Analogtechnik und FPGAs, alleine das
Wärmemanagement und die Abschirmung zwischen Analog und digital ist eine
spannende Angelegenheit. Aber ohne FPGAs gehts nun mal nicht mehr, das
Zeug muss ja irgendwie verarbeitet werden.
Christian R. schrieb:> Fpga K. schrieb:>> Die Frage nach der Sinnhaftigkeit von FPGA's als Ersatz von>> Analogtechnik bei der materialprüfung stelle ich auch.>> Naja, mal drüber gucken und auf dem Bildschirm bewerten reicht halt> nicht mehr.
Das kommt darauf an, was man prüfen muß. Das Foto anbei entstand 2012
beim Warten auf die Regionalbahn Richtung Büro. Was der Mann da auf den
Gleisen "spazieren" fährt ist ein Ultraschallprüfgerät. Unten im
Behälter das Koppelmitte das den Schall zwischen Kopf und Schiene
leitet. Das Gerät selber liegt wohl auf den Schwarz/Gelben Teil in
Handhöhe und ist nicht größer als ein Buch. Es muß halt nicht immer
Rack-große Anlagentechnik sein.
Interessant finde ich auch den WP-Artikel zum ICE-Unglück:
https://de.wikipedia.org/wiki/ICE-Unfall_von_Eschede#Wartungsfehler
Da wird erklärt das US-Geräte nicht eingesetzt worden, da diese Fehler
anzeigten, wo keine sind. Das ist nicht ungewöhnlich, je mehr Phased
array Köpfe man einsetzt desto mehr Pseudoechos werden detektiert.
Da sitzt man als Entwicklungsingenieure in der Klemme, da verlangt der
Kunde nun alles was technisch geht, egal ob es nun nützt oder nicht und
der Ing. darf die damit entstehenden "Nebenprobleme" wie Entwärmung
ausbaden.
MfG,
Cool (!), aber das ist sicher auch ein digitales Ultraschall Gerät. Muss
ja nicht immer Phased Array sein. Die DB nimmt für dir Hohlwellen bisher
auch nur konventionell, bisher konnte noch keiner nachweisen dass man
mit PA weniger Wellen ausbauen müsste.
Für Vollwellen nutzen sie allerdings schon PA, da sind etliche
angepasste Köpfe im Einsatz. Immer eine Frage des Einsatzes und der
Anforderungen.
