Ultraschallsender soll Holzwerkstoffe bis 100 Millimeter Dicke vermessen

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Einflussfaktor Plattendicke und -dichte

Ein weiterer Einflussfaktor auf die Signalschwächung ist die Plattendicke und -dichte. Bei dünnen Platten ist die Signalschwächung geringer, während bei dickeren Platten die Ultraschallsignalschwächung zunimmt. Der Einfluss der Plattendichte auf die Schallschwächung ist sehr stark vom verwendeten Holzmaterial und Partikelgröße abhängig. Für Spanplatten gilt: Je leichter die Platte desto größer ist die Signalschwächung.

Ziel der Arbeit war es, die Ansteuerung und die elektrische Ankopplung des neuen piezoelektrischen Ultraschallsenders so zu optimieren, dass die abgegebene Schallenergie maximal wird. Die maximal messbare Plattendicke kann somit weiter erhöht werden.

Um ein maximales Signal zu erhalten, sind die mechanische Eigenfrequenz des Ultraschallsenders und die erzeugte Messfrequenz aufeinander abgestimmt. Die Frequenz beträgt 25 kHz. Es ist bekannt, dass niedrige Frequenzen weniger durch Holz- und Faserplatten absorbiert werden als höhere Ultraschallfrequenzen. Die hier gewählte Frequenz ist also ein Kompromiss zwischen minimaler Absorption und sinkender Auflösung der Messergebnisse, die mit der Frequenz steigt.

Ultraschallsender mit gewobbeltem Rechtecksignal ansteuern

Die Ansteuerung des Ultraschallsenders geschieht durch ein gewobbeltes Rechtecksignal um 25 kHz. Die Spannung wird durch einen Transformator auf 400 V hochtransformiert. Diese Spannung liegt an den Piezoscheiben an, die den Resonanzkörper zum schwingen bringt.

Grundgedanke der elektrischen Verbesserung ist es, den Transformator in einen Schwingkreis mit den Piezoscheiben (einfaches Ersatzschaltbild ist ein Kondensator) zu bringen. Im nächsten Schritt sollte die am Piezo anliegende Spannung durch das Übersetzungsverhältnis erhöht werden.

Aus der überprüften Kapazität des Senders folgt die benötigte Induktivität der Sekundärspule des Transformators und damit (in Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses) die Wicklungszahlen der Primär- und Sekundärspule.

Die Anzahl N der Sekundärwicklungen lässt sich anhand der Induktivität der Spule, dem AL-Wert des Transformatorkerns und dem Koppelfaktor k bestimmen. Der Koppelfaktor k eines Transformators ist ein Maß dafür, wie viel des magnetischen Flusses einer Spule durch die zweite Spule erfasst wird und wird messtechnisch bestimmt.

Der verwendete Drahtquerschnitt wird durch die kleine Bauweise des Transformatorkerns bestimmt. Er wird so ausgelegt, dass der Querschnitt möglichst groß ist, um den möglichen Spulenplatz vollständig zu nutzen.

In vorherigen Versuchen wurde gezeigt, dass sich der Drahtquerschnitt nur minimal auf das Empfangssignal auswirkt, jedoch eine leichte Steigerung möglich ist, wenn der Drahtquerschnitt möglichst groß gewählt wird.

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