SE502506C2 - Sätt att mäta vibrationer hos ett mätobjekt - Google Patents

Description

502 506 lO 15 20 25 30 35 2 bestämt tidsintervall för mottagningen av den mot mätob- jektet reflekterade ultraljudsburstsignalen väsentligen elimineras genom ändring av ultraljudssändarens och/eller ultraljudsmottagarens inriktning och/eller av- stånd relativt mätobjektet.

Uppfinningen bygger således på insikten om att den dåliga reproducerbarheten hos mätresultaten, vilka som exempel kan variera i storleksordningen i 30%, har sin orsak i bland annat upprepade reflektioner av ultralju- det mellan ultraljudssändaren och ultraljudsmottagaren eller reflektioner mot föremål, som är belägna i ett område väsentligen mellan sändaren/mottagaren och mätobjektet.

Enligt uppfinningen kan frånvaron av interfererande signaler säkerställas före varje mätning av vibrationer hos mätobjektet. Detta är särskilt betydelsefullt om förhållandena kring mätobjektet kan ändra sig mellan ef- ter varandra följande vibrationsmätningar.

En särskilt störande inverkan på mätresultatet fås i det fall att ultraljudsmätsignalen kan studsa fram och tillbaka mellan ultraljudssändaren och ultraljudsmot- tagaren. Detta förhindras lämpligen enligt uppfinningen genom att ultraljudssändaren och ultraljudsmottagaren inriktas så, att ultraljudsmottagarens inriktning ej sammanfaller med riktningen för ultraljudsmätsignalens spegelreflektion i mätobjektet.

Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande under hänvisning till medföljande ritningar.

Fig l är ett blockschema och visar uppställningen av utrustning för genomförande av en vibrationsmätning enligt uppfinningen.

Fig 2 visar frekvensspektrumet för en utsignal från utrustningen i fig l.

Pig 3 och 4 visar en reflekterad mätsignal vid när- varo respektive frånvaro av en störsignal. 10 15 20 25 30 35 502 506 3 Fig l illustrerar principen för mätförfarandet en- ligt uppfinningen. En signalgenerator 1 driver en ultra- ljudssändare 2, som sänder ultraljud i riktning mot en vibrerande mätpunkt, t ex en vibrerande yta hos ett mät- objekt 3. När den utsända ultraljudssignalen reflekteras mot den vibrerande ytan, frekvensmoduleras ultraljuds- signalen p g a Dopplereffekten. Med en ultraljudsmot- tagare 4 detekteras den reflekterade ultraljudssignalen och omvandlas till en elektrisk signal. Efter lämplig förstärkning i en förstärkare 5 demoduleras signalen i en detektor 6 i form av en FM-demodulator.

Den demodulerade signalen från FM-demodulatorn 6 är proportionell mot mätpunktens vibrationshastighet. Sig- nalen är emellertid också beroende av några andra para- metrar som är kopplade till ultraljudssignalen.

Den utsända ultraljudssignalen uc kan uttryckas en- ligt uc = UCsin(mCt) (1) där UC är ultraljudssignalens toppvärde och mc = Znfcl dvs vinkelfrekvensen. På motsvarande sätt uttrycks mät- punktens vibrationshastigheten V1 enligt V1 = V1cos(m1t) - (2) där V1 är vibrationshastighetens toppvärde och ml/2n = fl är vibrationsfrekvensen. Med ultraljudets utbred- ningshastighet betecknad med c och infallsvinkel med a kan det resulterande Dopplerskiftet Af vid reflektion uttryckas som Af = 2fCV1cos(a)/c (3) om V1< len ucl blir med utgångspunkt från ekvationen 1 ucl = KUcsin[2n(fC+Af)t] (4) där K beror på reflektionskoefficienten, spridningen och ultraljudsdetektorns mottagningsegenskaper. Ekvation (4) kan skrivas om med hjälp av ekvationerna (2) och (3), vilket ger ucl = KUCsin[2n(fC+2fCV1cos(w1t)cos(a)/c)t] (5) 502 506 10 15 20 25 30 35 4 dvs en frekvensmodulerad signal.

Efter FM-demodulationen erhålls en signal v1ß som motsvarar Af i uttrycket ovan dvs v1ß = 2fCV1cos(w1t)cos(a)/c (6) Utsignalen från mätsystemet är med andra ord en funktion av den utsända ultraljudsfrekvensen fc, ultra- ljudshastigheten c, ultraljudets infallsvinkeln a, mät- punktens maximala vibrationshastighet V1 och vibrations- frekvensen f1. Med hjälp av en frekvensanalysator kan signalen analyseras, vilket ger information om vibra- tionsfrekvensen f1 och en amplitud V1ß (se fig 2). V1ß kan skrivas enligt V1ß = 2fcV1cos(d)/c (7) och ur detta kan maximala vibrationshastigheten V1 i mätpunkten beräknas, eftersom alla parametrar i ekvatio- nen är kända utom V1. Resultatet blir V1 = V1ßc/2fCcos(a) (8) När nu den momentana vibrationshastigheten v1 i mätpunkten är känd både med avseende på amplitud och frekvens, kan även mätpunktens läge x1 och acceleration a1 beräknas, eftersom X1 =Iv1at <9) och a1 = dv1/dt (10) Med vibrationshastigheten V1 = V1COS(w1t) (ll) blir X1 = (V1/m1)sin(w1t) + konstant (12) och 61 = -w1V1Sin(w1t) (13) dvs division med m1 resp multiplikation med -m1.

För att få bra mätnoggrannhet med avseende på frek- vens och amplitud krävs en hög ultraljudsfrekvens. Detta att vibrations- beror på att ekvation (3) förutsätter, frekvensen är mycket mindre än ultraljudsfrekvensen. 10 15 20 25 30 35 502 506 5 Erfarenhetsmässigt erhålles dock ofta variation i storleken hos amplituden Vlß.

Genom att enligt uppfinningen ställa in signalgene- ratorn 1 i burstmod, dvs låta den sända ultraljudsmät- signalen under en kort period, som längst är av samma storleksordning som mätsignalens gångtid från ultra- ljudssändaren via mätobjektet till ultraljudsmottagaren, företrädesvis endast ungefär en tredjedel av denna gång- tid, och analysera den av ultraljudsmottagaren mottagna signalen, kan förekomsten av störsignaler fastställas.

I fig 3 visas som exempel en av ultraljudsmottaga- ren 4 mottagen, mot ett vibrerande mätobjekt reflekterad ultraljudsmätsignal som funktion av tiden. Signalen vi- sas före demodulering. Ett signalavsnitt A representerar den utsända ultraljudsburstsignalen, såsom reflekterad en gång mot det vibrerande mätobjektet, medan ett signalavsnitt B representerar samma mätsignal reflek- terad två gånger mot det vibrerande mätobjektet efter tillbakastuds från ultraljudssändaren. Förekomsten av sådana störsignaler som signalavsnittet B representerar medför normalt ett fel i amplituden vlß hos utsignalen från detektorn 6.

I fig 3 är burstperiodens längd tg-tl ungefär en tredjedel av ultraljudssignalens gångtid tl-to från sändaren 2 via mätobjektet 3 tillbaka till mottagaren 4. kan det bli svårt att urskilja förekomsten av störsignaler.

Om burstperiodens längd göres större, Förekomst av reflektioner från föremål i ett område väsentligen mellan sändaren/mottagaren och mätobjektet kan resultera i störsignaler, vilka likt signalavsnittet B ligger efter signalavsnittet A i tiden eller ligger före signalavsnittet A i tiden. Sådana störsignaler kan också uppträda som innebär att signalavsnittet A får en större utbredning i tiden än ett förutbestämbart tidsintervall. 502 10 15 20 25 30 35 506 6 För att säkerställa korrekta och reproducerbara mätresultat skall enligt uppfinningen sådana signaler som kan interferera med den från mätobjektet reflekte- rade ultraljudssignalen väsentligen helt elimineras.

Detta àstadkommes enligt uppfinningen genom att signal- generatorn har en mätmod, i vilken en kontinuerlig ult- raljudssignal sändes från ultraljudssändaren 2, och en burstmod, i vilken en ultraljudsburstsignal av samma frekvens som ultraljudsmätsignalen sändes från ultra- ljudssändaren 2 mot mätobjektet 3. Härvid detekteras hu- ruvida ultraljudsmottagaren 4 mottager signaler utanför det förutbestämda tidsintervallet (tex intervallet tl _ t2 i fig 3) 3 reflekterade ultraljudsburstsignalen. Om så är fallet för mottagningen av den mot mätobjektet elimineras den eller dessa interfererande signaler genom att ultraljudssändarens 2 och/eller ultraljudsmottaga- rens 3 inriktning och/eller avstånd relativt mätobjektet 3 ändras. Förfarandet upprepas till dess att den av ult- raljudsmottagaren 4 mottagna signalen väsentligen enbart uppvisar signalavsnittet A enligt fig 4 och dessutom detta signalavsnitt A ligger inom nämnda förutbestämda tidsintervall för mottagning av den mot mätobjektet en gång reflekterade ultraljudsburstsignalen.

Fackmannen inser hur analysen av den av ultraljuds- mottagaren 4 mottagna ultraljudsburstsignalen kan göras för att uppställda kriterier skall vara uppfyllda.

I beroende av stabiliteten i mätuppställningen och mätförhàllandena kan kontrollen av frånvaron av interfe- rerande signaler behöva göras mer eller mindre ofta. För att alltid garantera korrekta mätresultat kan frånvaron av interfererande signaler säkerställas före varje mät- ning av vibrationer hos mätobjektet.

En särskilt vanlig interfererande signal har visat sig vara den som representeras av signalavsnittet B i fig 3, och ultraljudsmottagaren 4 studsande ultraljudsmät- dvs en flera gånger mellan ultraljudssändaren 2 10 15 20 25 502 506 7 signal. Denna kan exempelvis enkelt undanröjas genom att ultraljudssändaren 2 och ultraljudsmottagaren 4 ej riktas i samma vinkel mot normalen till ytan i mätpunkten hos mätobjektet 3. En annan möjlighet är att förskjuta ultraljudssändaren 2 och ultraljudsmottagaren 4 relativt varandra i mätobjektets 3 plan i mätpunkten.

Således skall ultraljudsmottagarens 4 inriktning ej sam- manfalla med riktningen för ultraljudsmätsignalens spe- gelreflektion i mätobjektet 3.

Andra med den av ultraljudsmottagaren 4 mottagna signalen interfererande signaler kan undanröjas genom förändring av avstànden mellan ultraljudssändaren 2 res- pektive ultraljudsmottagaren 4 och mätobjektet 3. Spe- ciellt kan amplituden hos interfererande signaler mins- kas genom att dessa avstånd ökas. Även ultraljudsmätsignalens frekvens har betydelse för förekomsten av interfererande signaler. En hög frek- vens hos ultraljudsmätsignalen är fördelaktig redan av det skälet att därmed väldefinierade mätpunkter kan er- hållas och mätning av relativt höga vibrationsfrekvenser kan göras, men dessutom dämpas en ultraljudssignal nor- malt snabbare ju högre dess frekvens är. Lämpligen ut- nyttjas därför ultraljudsmätsignaler med en frekvens av ungefär 200 kHz eller högre, dvs till och med kring 1 MHz och däröver.

Claims (4)

502 10 15 20 25 30 506 8 PATENTKRAV

1. l. Sätt att mäta vibrationer hos ett mätobjekt, varvid en ultraljudsmätsignal av väsentligt högre frek- vens än mätobjektets (3) vibrationsfrekvens sändes från en ultraljudssändare (2) mot det vibrerande mätobjektet, den från mätobjektet reflekterade ultraljudssignalen de- tekteras av en ultraljudsmottagare (4) och frekvensdemo- duleras samt den frekvensdemodulerade signalen frekvens- analyseras för bestämning av vibrationsfrekvens och/eller maximal vibrationshastighet hos mätobjektet, k ä n n e t e c k n a t av att före vibrationsmätningen frånvaro av signaler, som interfererar med den från mät- objektet reflekterade ultraljudssignalen, säkerställes genom att en ultraljudsburstsignal av samma frekvens som ultraljudsmätsignalen sändes från ultraljudssändaren (2) och eventuella av ultraljudsmottagaren (4) mottagna signaler utanför ett förutbestämt tidsintervall för mot- tagningen av den mot mätobjektet (3) reflekterade ultra- ljudsburstsignalen väsentligen elimineras genom ändring av ultraljudssändarens och/eller ultraljudsmottagarens inriktning och/eller avstånd relativt mätobjektet.

2. Sätt enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k - n a t av att frånvaron av interfererande signaler sä- kerställes före varje mätning av vibrationer hos mätob- jektet (3).

3. Sätt enligt patentkravet l eller 2, k ä n - n e t e c k n a t av att ultraljudssändaren (2) och ult- raljudsmottagaren (4) inriktas så, att ultraljudsmotta- garens inriktning ej sammanfaller med riktningen för ultraljudsmätsignalens spegelreflektion i mätobjektet.

4. Sätt enligt något av patentkraven l-3, k ä n - n e t e c k n a t av att en ultraljudsmätsignal med en frekvens över ungefär 200 kHz utnyttjas.