<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Messung von Wandstärken und Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und in weiterer Ausbildung ein Gerät zur Messungvon Wandstärken, z. B. von Platten, Blechen, Rohren, Kabelmänteln u. dgl., nach welchem Verfahren das zu untersuchende Werkstück-nit Hilfe eines Ultraschall-Materialprufgerätes unter Verwendung wenigstens eines Tastkopfes Inder Richtungder zumessendenwandstärke durchschallt und die Kurven der Sende- und Echoimpulse auf einer Kathodenstrahlröhre angezeigt werden. Derartige Verfahren sollen insbesondere eine
EMI1.1
gen aufweisenden Werkstücken an beliebigen Stellen ermöglichen.
Die bekannten Verfahren erfordern einen hohen technischen Aufwand, sind umständlich in der Anwendung und ermöglichen praktisch nur grobe Messungen. Nach einem bekannten Verfahren wird die Schallfrequenz so lange verändert, bis Resonanz auftritt, was aus der sprunghaften Erhöhung der am Schirm der Kathodenstrahlröhre aufgezeigten Schallkurven ersichtlich ist. Die Resonanzfrequenz gibt dann, wenn die Materialeigenschaften bekannt sind, ein Mass für die Wandstärke. Bei diesem Verfahren wird mit einem Dauerton gearbeitet. Das Verfahren ist praktisch nur bei absolut parallelen Begrenzungsflächen der Wandung anwendbar. Ausserdem ist es schwierig festzustellen, ob es sich bei der auftretenden Resonanz um eine Resonanz der Grundwelle oder einer Harmonischen handelt.
Aus diesen Gründenist weder eine genaue Messung möglich, noch ist eine Sicherheit gegen völlige Fehlmessungen gegeben. Nach andern bekannten Verfahren werden über den Tastkopf in das zu messende Werkstück Schallimpulse gesendet und es wird am Leuchtschirm der Kathodenstrahl- röhre eine Zeitskala erzeugt, wobei der Abstand der Zeitmarken jeweils einer bestimmten Stärke des Materials entspricht. Der Anfang dieser Zeitskala ist meist durch den Sendeimpuls gegeben. Die Ermittlung der Wandstärke erfolgt durch Abzählen der zwischen zwei Zeitmarken angezeigten Echoimpulse. Dieses Verfahren setzt eine geringe Schalldämpfung voraus, da sonst nur wenige Mehrfachechos des Sendeimpulses auftreten.
Da kaum zwischen zwei Zeitmarken eine ganze Anzahl von Echos aufscheint, muss bei der Messunginterpoliertwerden, was sowohl zeitraubend ist als auch Ungenauigkeiten der Messung mit sich bringt.
Die Messungen werden praktisch immer vom angezeigten Sendeimpuls aus vorgenommen, so dass die den Schwinger des Tastkopfes schützende Schicht sowie die zur Schallübertragung zwischen Tastkopf und Werk- stück angebrachte Koppelflüssigkeit in die Messung einbezogen wird. Bei genaueren Messungen muss daher die Dicke der Flüssigkeits- und Schutzschicht mitberücksichtigt werden, d. h. es muss die spezifische Schallgeschwindigkeit dieser Schichten ermittelt, auf die Schallgeschwindigkeit des gemessenen Materials umgerechnet und vom erhaltenen Messresultat der ermittelte Korrekturwert abgezogen werden.
Bei der Messung geringer Wandstärken wird der erste oder sogar die ersten Echoimpulse ander Kathodenstrahlröhre nicht angezeigt, da diese Impulse unter die abklingenden Schwingungen des Sendeimpulses fallen. Die Anzahl der nicht angezeigten Echoimpulse kann wohl geschätzt, aber nicht mit Sicherheit gezählt werden, so dass beträchtliche Ungenauigkeiten bei der Messung möglich sind und vor allen Dingen das Verfahren nur von Fachkräften, die alle auftretenden Unsicherheitsfaktoren hinreichend berücksichtigen und ein gutes Schätzungsvermögen besitzen, ausgeführt werden kann. Bei allen bekannten Verfahren dieser Art beträgt der mittlere Messfehler ein bis mehrere Prozent.
Die sich zunächst auf ein Verfahrender eingangs genannten Art beziehendeErfindung bestehtim wesentlichen darin, dass den zur Anzeige gelangenden Impulsen in der Impulsfolgefrequenz eine Rechteckspannung überlagert wird, deren Anfang und Ende einstellbar ist und deren Anfang auf einen Sende- oder Echoimpuls und deren Ende auf einen der folgenden Echoimpulse eingestellt wird, so dass sich aus der not-
<Desc/Clms Page number 2>
wendigen Einstellung der Impulsbreite der Rechteckspannung ein Mass für die Wandstärke ergibt. Im Gegensatz zu dem beschriebenen Verfahren mit feststehenden Zeitmarken wird somit nach dem erfindunggemässen Verfahren mit beweglichen (durch die beiden Flanken der Rechteckspannung gegebenen) Zeit-
EMI2.1
werden jeweils auf angezeigte Impulse eingestellt. Somit erübrigtder Impulsbreite erhalten.
Bei einfachen Messungen, die praktisch zur Überschlagsbestimmung dienen, genügt es, wenn die Vorderflanke des Rechteckimpulses auf den auf der Kathodenstrahlröhre angezeigten Sendeimpuls, die Impulsbreite und damit das hintere Ende des Rechteckimpulses aber auf den ersten Echoimpuls eingestellt wird. Bei genaueren Messungen dagegen wird erfindungsgemäss der Anfang der Rechteckspannung auf ein Mehrfachecho und das Ende auf ein bestimmtes der folgenden, etwa das viertfolgende Mehrfachecho eingestellt. Dadurch wird erreicht, dass die Dicke der Schutzschicht des als piezoelektrischer Schwinger ausgebildeten, meist in einem Tastkopf untergebrachten Schallgebers sowie die Dicke des zur Schallübertragung dienenden Flüssigkeitsfilmes zwischen Schallgeber und Werkstück nicht in die Messung einbezogen werden.
Dadurch, dass das Ende der Rechteckspannung nicht auf das unmittelbar auf jenes Echo, auf das der Anfang eingestellt ist, folgende Echo, sondern erst auf eines der weiteren Mehrfachechos eingestellt wird, lässt sich eine grosse Messgenauigkeit erzielen, da sich im Messresultat jeweils nur der durch die Anzahl der in die Messung einbezogenen Echos bestimmte Bruchteil der allfälligen Einstellfehler bemerkbar machen kann. Bei der Messung dünner Wandstärken kann nach dem erfindungsgemä- ssen Verfahren auch dann eine genaue Messung durchgeführt werden, wenn ein oder mehrere Echoimpulse von den ausklingenden Schwingungen desSe'ndeimpulses überdeckt werden. Der Anfang der Rechteckspannung wird dann eben auf eines der bereits voll sichtbaren Echos eingestellt.
Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn die Rechteckspannung den Ablenkplatten der Kathodenstrahlröhre mit gegenüber den Echoimpulsen umgekehrter Polung zugeführt wird, so dass sie die am Schirm der Röhre aufscheinende Basislinie nach unten auslenkt. Die angezeigten Echoimpulse lenken die Basislinie nach der entgegengesetzten Seite aus, so dass also die Höhe der angezeigten Echoimpulse in bezug auf die Basislinie im Bereich der Auslenkung durch die Rechteckspannung kleiner als im übrigen Bereich ist. Es wird dadurch möglich, die Verstärkung der Echoimpulse ledig- lich unter Berücksichtigung der Grösse der Kathodenstrahlröhre vorzunehmen, ohne dass auf die Auslenkung durch die Rechteckspannung Rücksicht genommen werden muss.
Würden die Polungen der Sende- bzw.
Echoimpulse und der Rechteckspannang gleich gewählt, dann könnte es vorkommen, dass bei grösserer Ver- stärkung die Spitzen der angezeigten Impulse im Bereich der Rechteckspannungnicht mehr angezeigt werden.
Eine besonders genaue Messung wird dann erhalten, wenn der Anfang und das Ende der Rechteckspannung jeweils auf einen bestimmten Punkt der für die Messung herangezogenen Kurven der Mehrfachechos z. B. auf die Vorderflanke der Kurve oder einen ausgeprägten Kurvenzahn, insbesondere auf eine einzelne im jeweiligen Echo enthaltene HF-Schwingung, eingestellt wird. Diese Einstellung wird durch die senkrecht zur Basislinie verlaufenden Endflanken der Rechteckspannung erleichtert, da der Kurvenpunkt, auf den die jeweilige Flanke eingestellt wird, in dem Augenblick, in dem die Flanke mit ihm übereinstimmt, sprunghaft seine Lage verändert.
Bei der Einstellung auf eine im jeweiligen Echo enthaltene HF-Schwin-
EMI2.2
ordnung der Wellenlänge auf, ist also um ein Vielfaches grösser als bei allen bekannten Verfahren dieser Art.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird meist ein normales Ultraschall-Materialprüfgerät verwendet, das mit einem eingebauten oder mit ihm verbindbaren Zusatzgerät zur Erzeugung und Einstellung der Rechteckspannung versehen wird.
Erfindungsgemäss sind zur Erzeugung der Rechteckspannung vom Schallimpulssender in der Impulsfolgefrequenz erregte, als Monovibratoren geschaltete Kippkreise od. dgl. vorgesehen, deren erster vom Sendeimpuls über ein verstellbares RC-Glied verzögert erregbar ist und bei seinem Ansprechen den zweiten Kippkreis für eine durch ein in diesen eingeschaltetes, einstellbares RC-Glied bestimmte Zeitdauer erregt, so dass mit. Hilfe des RC-Gliedes des ersten Kreises der Impulsanfang, mit Hilfe des zweiten aber die Impulsbreite und damit das Ende des Impulses einstellbar ist.
Für die Einstellung jedes der beiden RCGlieder kann ein Einstellknopf vorgesehen sein. Erfindungsgemäss ist nun das RC-Glied des die Breite der Rechteckspannung bestimmenden Kreises über mit einer nach Probestücken des geprüften Materials geeichten Messskala ausgestattete, vorzugsweise auswechselbare Einstellknöpfe od. dgl. verstellbar. Die Eichung und die Ausbildung der Einstellknöpfe kann verschieden ausgeführt sein.
So ist es möglich, die Messteilung des Einstellknopfes nur für einen Werkstoff vorzusehen, wobei gleich der Längenmassstab angegeben wird.
<Desc/Clms Page number 3>
Ein Einstellknopf kann aber auch mehrere, etwa an verschiedenen Seiten angeordnete oder verschieden- farbige Messskalen für verschiedene Werkstoffe aufweisen, Anderseits können auch Einstellknöpfe mit Messskalen für je ein bestimmtes Material gegeneinander auswechselbar sein. Eine andere Möglichkeit des Verfahrens besteht darin, den Einstellknopf mit einer festen, allenfalls über einen Nonius ablesbaren Messskala zu versehen und dem Gerät Tabellen beizugeben, aus denen für ein bestimmtes Material die einem bestimmten abgelesenen Skalenwert entsprechende Wandstärke ersichtlich ist. Dabei sollen auch die Einstellknöpfe bzw.
Tabellen für eine bestimmte Art der Messung gekennzeichnet werden. So können Tabellen für die Messung vom ersten zum zweiten oder vom ersten zum vierten Mehrfachecho aufgestellt werden. Gleiches gilt auch für die auswechselbaren Drehknöpfe.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen Fig. 1 bis 4 Kurvenzüge, wie sie bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens am Schirmbild des Oszillographen aufscheinen, Fig. 5 ein Blockschaltschema zu dem zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Gerät, Fig. 6 das Prinzipschaltschema der zur Erzeugung der Rechteckspannung dienenden Schaltungsanordnung und Fig. 7 einen Einstellknopf in Draufsicht.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Basislinie 1 des Schirmbildes der Kathodenstrahlröhre durch eine den angezeigtenSchallimpulsen 2,3 m der Impulsfolgefrequenz überlagerte Rechteckspannung 4 nach unten ausgelenkt. Der Anfang sowie die Breite und damit das Ende der Rechteckspannung sind verstellbar, so dass sich bei der Einstellung des Anfangs der Rechteckspannung auf
EMI3.1
Gegenstandes ergibt. Nach Fig. 2 ist der Anfang der Rechteckspannung auf das erste Echo, das Ende dagegen auf das viertfolgende Mehrfachecho eingestellt, so dass in diesem Fall zunächst die vierfache Wandstärke gemessen wird. Dadurch werden Ungenauigkeiten durch Einstellfehler klein gehalten.
Bei Werkstücken mit grösserer Wandstärke bzw. mitschlechten Schalleiteigenschaften wird demgegenüber nur der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Echos gemessen, wie dies inFig. 3 veranschaulicht wird. Wie bereits oben erwähnt, ist bei dem erfindungsgemässen Verfahren eine äusserst genaue Einstellung von Anfang und Ende der Rechteckspannung auf bestimmte Punkte der Echokurven. möglich. Wie in Fig. 3 strichliert angedeutet wurde, kommt es bei einer nur geringfügigen Fehleinstellung der Vorderilanke der Reehteckspannung 4 zu einer sprunghaften Erhö- hungdes erstenEchoimpulses 3a gegenüber der Grundlinie l, so dass der Fehler sofort erkennbar ist.
Wie ausder KurvendarsteIlung gemäss Fig. 4 hervorgeht, in der eine Echokurve vergrössert veranschaulicht wurde, ergibt sich durch den Hochfrequenzanteil der aufgezeichneten Echoimpulse eine ausgeprägte Zahnung, die bei allen aufeinanderfolgenden und daher nebeneinander abgebildeten Mehrfachechos dieselbe Form aufweist und sich bei den Einzelechos nur der Amplitude nach von den benachbarten Echos unterscheidet. Es ist nun möglich, die Einstellung der Flanken der Rechteckspannung jeweils auf einen dieser Zähne 3b vorzunehmen, wodurch eine weitere Vergrösserung der Einstell- und Messgenauigkeit erzielt wird. Beispielsweise kann die Vorderflanke der Rechteckspannung auf den dritten Zahn des ersten und die Endflanke der Rechteckspannung auf den dritten Zahn des vierten Mehrfachechos eingestellt werden.
Bei Fehleinstellungen kommt es wieder zu einer sprunghaften Lageveränderung der betreffenden Zahnspitze, so dass diese Fehleinstellung leicht festgestellt und behoben werden kann.
Gemäss Fig. 5 ist das zur Durchführung der Messungen verwendete, an sich bekannte Materialprüfgerät mit einem Sender 5 versehen, der über eine Leitung 6 in einer vorbestimmten Impulsfolgefrequenz kurze hochfrequente Impulse zu einem vorzugsweise als Tastkopf ausgebildeten und mit einem Piezoschwinger versehenen Schallumwandler sendet, von dem aus die nunmehr in Schallimpulse umgewandelten Impulse in das Werkstück eintreten und der in weiterer Folge die Echoimpulse wieder aufnimmt und in elektrische Impulse umwandelt. Diese aufgenommenen Impulse werden über eine Leitung 7 zu einem Verstärker 8 geführt und nach ihrer Verstärkung der einen Ablenkplatte einer Kathodenstrahlröhre 9 zugeführt. Es hat sich als günstig erwiesen, Prüffrequenzen in der Höhe von 3 bis 20 MHz zu verwenden.
Für dieses bekannte und daher nur inden wesentlichen Einzelheiten erwähnte Gerät ist zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eine Zusatzeinrichtung vorgesehen, die im wesentlichen aus zwei über Drehknöpfe 10,11 einstellbaren Monovibratoren 12, 13 besteht. Der Monovibrator 12 ist - gegebenenfalls über einen Steckeran-
EMI3.2
- mitMit Hilfe der Monovibratoren 12,13 werden in der Impulsfolgefrequenz Rechteckspannungen erzeugt, deren Anfang und Ende über die Drehknöpfe 10, 11 einstellbar sind und die wieder einer Ablenkplatte der Kathodenstrahlröhre 9 zugeführt werden. Gemäss Fig. 6 ist in den Kreis jedes der beiden als Monovibrato- ren geschalteten Kippkreise ein aus einem Widerstand R bzw.
Rl und einem Kondensator C bzw. C bestehendes RC-Glied eingeschaltet, das beim Ausführungsbeispiel durch Ausführung des Widerstandes R bzw.
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
impuls bringt die in der Zeichnung rechts dargestellte Röhre des Kippkreises 12 zum Ansprechen, während die bis dahin leitende zweite Röhre gesperrt wird. Dieser Schaltzustand bleibt für die Dauer der Entladung des aus den Gliedern Rund C bestehenden RC-Gliedes aufrecht. Durch Verändern desRC-Gliedes (Verstellung des Potentiometers R) über den Einstellknopf 10 kann auch die Entladungszeit verändert werden.
Die positive Endflanke der während der Entladung wirksamen, negativen Vorspannung (die in ihrer Kurvenform. einer Rechteckspannung entspricht) löst den zweiten Monovibrator 13 für die durch die Entladungszeit des RC-Gliedes Rl, Ct bestimmte Dauer aus. Während der Entladung des RC-Gliedes Ri, ci entsteht an der Anode der im Kippkreis13rechts dargestellten Röhre eine positive Rechteckspannung, die über einen Kondensator umgepolt und über eine Leitung 15 der Ablenkplatte der Kathodenstrahlröhre 9 zugeführt wird.
Die Impulsbreite der Rechteckspannung wird somit lediglich durch das Re-Glied R., C, bestimmt. Der Drehknopf 10, der zur Verstellung des RC-Gliedes des ersten Monovibrators 12 dient, kann allenfalls mit einer Messskala versehen sein, die eine Grobeinstellung bzw. eine Grobmessung der jeweiligen Werkstückdickeermöglicht, da die notwendige Verstellung des Knopfes 10 ein Mass für den Abstand des ersten Echoimpulses vom Sendeimpuls gibt. Der Einstellknopf 11 des zweiten Monovibrators ist gemäss Fig. 7 im Be- reich seiner einen Hälfte mit einer Messskala für Stahl und im Bereich seiner andern Hälfte mit einer Mess-
EMI4.2
stoff wie die Wandung deren Stärke zu messen ist, hergestellt sind.
PATENTANSPRÜCHE : 'l. Verfahren zur Messung von Wandstärken, wobei das zu untersuchende Werkstück mit Hilfe eines Ultraschall-Materialprüfgerätes unter Verwendung wenigstens eines Tastkopfes in der Richtung der zu messenden Wandstärke durchschallt und die Kurven der Sende- und Echoimpulse auf einer Kathodenstrahlröhre angezeigt werden,'dadurch gekennzeichnet, dass den zur Anzeige gelangenden Impulsen in der Impulsfolgefrequenz eine Rechteckspannung überlagert wird, deren Anfangund Ende einstellbar ist und deren Anfang aus einem Sende- oder Echoimpuls und deren Ende auf einen der folgenden Echoimpulse eingestellt wird, so dass sich aus der notwendigen Einstellung der Impulsbreite der Rechteckspannung ein Mass für die Wandstärke ergibt.