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?
http://www.ge-mcs.com/de/ultrasound.html http://www.amazon.de/Werkstoffpr%C3%BCfung-mit-Ultraschall-Josef-Krautkr%C3%A4mer/dp/3540157549 http://www.izfp.fraunhofer.de/de/abteilungen/elektronik-zfp-systeme.html In der Profitechnik nimmt man FPGA's und Mehrkanal-ADwandler für die Signalaquise, für die Ansteuerung der Hochspannung für den Piezo gibt es auch dedizierte Chips. MfG,
Fpga K. schrieb: > für die Ansteuerung der Hochspannung für den Piezo gibt es > auch dedizierte Chips welchen denn?
Fuer Eckdaten ganz interessant: http://www.ge-mcs.com/de/ultrasound/portable-flaw-detectors/usm-go.html Pulse ab 120 V und 30 ns 30 V pp bis 100 kHz: LM48580 Hohe Spannung, aber nur wenige kHz: http://www.ti.com/product/DRV2700/datasheet/specifications#SLOS8618963 http://electronicdesign.com/analog/specialized-circuit-drives-150-v-piezoelectric-motor-using-low-voltage-op-amp
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...
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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 ...
Dennoch hat er recht: fuer die Anwendung taugen diese Chips nicht. Kennst du besser geeignete Treiber-ICs?
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,
Christian R. schrieb: > Fpga K. schrieb: >> http://www.izfp.fraunhofer.de/de/abteilungen/elektronik-zfp-systeme.html > > Jaja, das können wir aber besser :P Ich weiss, du hattest mal einen Link zu "Eurem" Gerät gepostet, wäre hier auch passend. 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.
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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,
>Sorry, aber Du hast keine Ahnung worüber Du sprichst.
Danke für den Hinweis. Jetzt bin ich gleich viel schlauer.
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.
Angehängte Dateien:
-
P1020032_US_Rail.JPG
140 KB
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.
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