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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallvorrichtung zum Fehlernachweis in Werkstücken, insbesondere in Eisenbahnschienen, mit einem Impulsgenerator, einer auf das Werkstück aufsetzbaren Wandleranordnung zum Senden und Empfangen von Ultraschallimpulsen, und mit einer an die Wandleranordnung angeschlossenen, z. B. einen Kathodenstrahloszillographen enthaltenden, Mess- bzw. Auswerteeinrichtung, wobei zwei mit je einem Teil der Ultraschallwandler verbundene Kanäle für die Impulsübertragung vorgesehen sind.
Die innere Unversehrtheit eines Testobjektes und bzw. oder dessen Dicke kann mit impulsweise in das Testobjekt ausgestrahlter Ultraschallenergie bestimmt werden. Seine Dicke wird durch die Zeit bestimmt, welche die Ultraschallenergie, die von der Oberfläche in das Testobjekt ausgestrahlt wird, benötigt, um die Rückfläche zu erreichen und, indem sie dort reflektiert wird, zur Vorderfläche zurückzukehren. In ähnlicher Weise kann die Tiefe, in der ein Fehler in dem untersuchten Material gelegen ist, aus der Zeit bestimmt werden, welche die Ultraschallenergie benötigt, um den Fehler zu erreichen und, indem sie von ihm reflektiert wird, an die Oberfläche zurückzukehren und um dort als Fehlerecho empfangen zu werden.
Die zurückkommende Impulsenergie kann reflektiert, wieder abgestrahlt oder zerstreut oder alles zusammen sein, jedoch wird sie hier der Einfachheit halber als reflektiert bezeichnet.
Bei einer bekannten Vorrichtung wird die Ultraschallenergie in das Testobjekt in der Form eines Ultraschallstrahles ausgesendet, der an der Oberfläche eines Ultraschall-Wandlers erzeugt wird, der von der Oberfläche des Testobjektes durch ein Kupplungsmedium in Form eines dünnen Films getrennt ist. Der Wandler wird, wenn das Teststück auf innere Fehler abgetastet wird, in bestimmter Weise über die Oberfläche des Teststückes bewegt. Die Signale, die aus dem Ultraschallstrahl vom Wandler aufgenommen werden, werden ausgewertet, und zeigen daher die Verhältnisse in den inneren Bereichen des Testobjektes an. Der Ultraschallstrahl wird aber veranlasst, wenn es nicht möglich ist, die Dicke des Filmes konstant zu halten, die Breitenstreuung und die Richtung infolge der Rauheit der Oberfläche, über die sich der Wandler während des Abtastens bewegt, zu verändern.
Man kann leicht erkennen, dass Signale, die von einem Strahl herrühren, der so leicht abgelenkt wird, keine genaue Anzeige der Fehler und ihrer Grösse geben können.
In der DE-AS 1074289 ist eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken durch Ultraschallimpulse geoffenbart, bei der durch drei zugleich als Sender und Empfänger diende Ultraschallwandler auf einem Oszillographenbildschirm ein Impulsbild erzeugt wird, welches Rückschlüsse auf die Lage und Art der Fehler zulässt. Nachteilig bei dieser bekannten Einrichtung ist, dass von den Ultraschallwandlern scharf gebündelte Ultraschallstrahlen ausgesendet werden müssen und dass ein erheblicher Aufwand an Sende- und Empfangsfunktionen notwendig ist.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und durch Ausnutzung von Ultraschallwellenfronten die Zahl der Sende- und Empfangsfunktionen zu verringern und eine besonders genaue Fehlerortung zu ermöglichen.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass bei der Wandleranordnung ein als Sender zum Aussenden von Wellenfronten ausgebildeter Ultraschallwandler und ein Paar von einen Abstand voneinander aufweisenden und diesem Sender gemeinsam als Empfänger zum Empfang der durch Wellenfronten gebildeten Fehlerechosignale zugeordneten Ultraschallwandlern vorgesehen sind, wobei die Sendeund Empfangsfunktionen auch vertauscht sein können und wobei entweder jeder der beiden Sender durch je einen Übertragungskanal mit dem Impulsgenerator oder jeder der beiden Empfänger durch je einen Übertragungskanal mit der Mess- bzw.
Auswerteeinrichtung verbunden ist, und dass entweder durch wenigstens eine in die Übertragungskanäle eingesetzte einstellbare Zeitverzögerungseinrichtung oder durch Verschieben einer Wandleranordnung, bei der zumindest das gleiche Funktionen aufweisende Paar von Wandlern mechanisch miteinander verbunden ist, auf dem Werkstück die Fehlerechosignale in der Messbzw. Auswerteeinrichtung zur Deckung bringbar sind.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass von ein-und demselben Fehler herrührende, von Ultraschallwellenfronten gebildete Fehlerechosignale in einer Mess- bzw. Auswerteeinrichtung zur Deckung gebracht werden, wodurch Rückschlüsse auf die Lage und Art des Fehlers möglich sind.
Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung werden also zwei, einen Abstand voneinander aufweisende Ultraschallwandler entweder als Sender oder als Empfänger und ein dritter Ultraschallwandler als Empfänger oder als Sender verwendet. Somit werden bei Wahrnehmung eines Fehlers entweder zwei Signale
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zur Fehlerstelle gesendet und eines empfangen oder es werden bei Sendung eines Signals zwei Signale empfangen. Die Lage der Fehlerstelle in bezug auf die Ultraschallwandler kann dadurch ermittelt werden, dass die Wandler so lange auf dem Werkstück verschoben werden, bis die Weglängen der beiden Signale gleich werden. Sind die Weglängen gleich, so werden die beiden Signale gleichzeitig empfangen und es werden ihre Amplituden addiert, um ein grösseres Signal-Geräuschpegel-Verhältnis zu erhalten.
Die Addition der Amplituden der Fehlerechosignale bei der erfindungsgemässen Vorrichtung ergibt grosse praktische Vorteile. So werden z. B. in einer Ausführungsform der Erfindung die überlagerten, einen Fehler anzeigenden Signale dazu verwendet, ein akustisches Alarmsignal zu erzeugen. Es ist bekannt, dass jeder mit Ultraschall arbeitende Fehlerdetektor einen bestimmten Geräuschpegel aufweist und es notwendig ist, die Ansprechschwelle, bei welcher das Alarmsignal ausgelöst wird, auf einen Pegel festzulegen, der genügend hoch über dem Geräuschpegel liegt, um einen Fehlalarm nach Möglichkeit zu vermeiden. Daraus ergibt sich der Nachteil, dass jene Fehler, welche ein Signal mit einer Amplitude verursachen, welche zwischen dem Geräuschpegel und der Ansprechschwelle liegen, nicht angezeigt werden. Es werden also in diesem Fall nur grosse Fehler angezeigt.
Im Gegensatz dazu werden bei der Erfindung einen Fehler anzeigende Signale addiert, welche unter der Ansprechschwelle liegen und über der Ansprechschwelle wirksam werden, um einen Alarm zu erzeugen. Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist somit eine so hohe Empfindlichkeit auf, dass auch kleine Fehler angezeigt werden können. Darüber hinaus kann, da nur bei Gleichheit der Weglängen der Signale Alarm gegeben wird, durch Triangulation die Lage des Fehlers genau ermittelt werden, ohne Differenzen von Weglängen genau messen und einem Computer zuführen zu müssen.
In jener Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Zeitverzögerungseinrichtung verwendet wird, wird eines der Signale entweder durch Verzögerung auf der Sendeseite oder auf der Empfangsseite zeitlich derart verschoben, dass die beiden Signale, wie oben angegeben, überlagert werden. Die Lage des Fehlers kann dabei durch das bekannte Mass der Zeitverzögerung, durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallimpulse und durch den Abstand der Ultraschallwandler bestimmt werden.
Die Anwendung der "Additionsüberlagerung", welche nur auftritt, wenn die beiden Signale zur Deckung gebracht werden, führt bei der erfindungsgemässen Vorrichtung zu einer sehr genauen Ermittlung der Lage der Fehler.
Die DE-AS 1096076 zeigt eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Schienenuntersuchung bei Gleisen, bei der neben den Aufzeichnungen der das Innere der Schiene erfassenden Körperschallwandler Aufzeichnungen von am Fahrzeug angebrachten, die äussere Gestalt der Schiene und ihrer unmittelbaren sowie weiteren Umgebung durch ihre Strahlungscharakteristik erfassenden Luftschallwandlern erfolgen.
Die in dieser Druckschrift gezeigte Vorrichtung hat die gleichen Nachteile wie die eingangs erwähnten bekannten Anordnungen.
Allen Ausführungsformen der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Koinzidenz zweier durch Wellenfronten gebildeter Fehlerechosignale mit geringstem Aufwand eine äusserst genaue Fehlerbestimmung möglich ist.
Eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wandler des Paares von lediglich eine Sendefunktion oder eine Empfangsfunktion aufweisenden Wandlern in an sich bekannter Weise durch zwei Wandler, die für verschiedene Winkel zur Vertikalen eingerichtet sind, ersetzt ist, wobei diese einander benachbart sind, und der eine andere Funktion als das Paar von Wandlern aufweisende Wandler in der Mitte der Reihe angeordnet ist, wobei die Wandler der für verschiedene Winkel zur Vertikalen eingerichteten Wandler, die für grössere Winkel zur Vertikalen eingerichtet sind, näher zum mittleren Wandler angeordnet sind als diejenigen Wandler, die für kleinere Winkel zur Vertikalen eingerichtet sind.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Blockschema einer ersten Anordnung, Fig. 2 eine zweite Anordnung und Fig. 3 eine Abänderung der Anordnung der Fig. 2.
In Fig. 1 ist ein Impulsgenerator bzw. Taktgeber --1-- vorgesehen, der Auslöseimpulse mit einer bestimmten Impulsfrequenz zugleich an einen Kathodenstrahloszillographen--6--, um die Zeitbasis zur Bildung eines Ablenkzeichens --11-- auszulösen, und an zwei Impulsgeber--2 und 3-- abgibt, die mit einem Paar Sonden--B, C--verbunden sind, die daher Sendewandler zum Abstrahlen von Ultraschallenergie-Impulsen in das Teststück bilden. Eine beliebig einstellbare Zeitverzögerungseinrichtung --4-- ist
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zwischen dem Taktgeber-l--und dem Impulsgeber --2-- vorgesehen, um es zu ermöglichen, die Ultraschallenergieimpulse aus dem Ultraschallwandler --B-- gegenüber denen aus dem Wandler--C--zu verzögern.
Die Wandler--B und C-- sind in einem bestimmten Abstand d voneinander angeordnet. Der Wandler--A--stellt einen Empfänger für die Ultraschallenergie dar, die von einem Fehler im Teststück reflektiert wird und ist in irgendeiner geeigneten Entfernung von den Wandlern--B und C--angeordnet, um eine optimale Ultraschallkopplung mit den Wandlern --B und C-- zu erreichen. Der Wandler--A--ist über einen Verstärker --5-- mit dem Kathodenstrahloszillographen --6-- elektrisch verbunden.
Bei der Verwendung der oben erwähnten Vorrichtung wird die Anordnung der Ultraschallwandler --A, B und C--längs der Oberfläche eines Teststüekes-7-bewegt, z. B. einer Schiene einer Eisenbahnfahrbahn, bis ein Fehler festgestellt wird. Dadurch werden auf der Zeitbasis zwei Ablenkzeichen - 8 und 9-- hervorgerufen, die - wie gezeigt - etwas auseinanderliegen, wobei der Zwischenraum der Weglängendifferenz der Wellenfronten der beiden Impulse der Wandler--B und C--, die von dem Fehler --10- in dem Teststück reflektiert werden, entspricht.
Nach dem Auffinden eines Fehlers wird die Anordnung der Wandler--A, B und C--unverändert belassen und die Zeitverzögerungseinrichtung --4-- so eingestellt, dass die Wellenfronten den Fehler - gleichzeitig erreichen. Daher fallen die beiden Ausgangssignale des Empfängers --A--, die sich aus den Ultraschallwellenfronten ergeben, die von den Wandlern --B und C-- ausgesendet werden, zusammen, und die Ablenkzeichen --8 und 9-- fallen deshalb ebenfalls zusammen.
Bei einer solchen Koinzidenz kann ein Fehler durch Triangulation genau lokalisiert werden, die auf der bekannten Entfernung zwischen den Wandlern --B und C-und auf der Differenz der Weglängen der entsprechenden Wellenfronten beruht, die aus der Grösse der Zeitverzögerung, die auf die Impulse des Wandlers --B-- ausgeübt wird, erhalten wird.
Nachdem die Wandler-A, B und C--ortsfest gehalten werden und die Zeitverzögerung --4--, wie oben beschrieben, eingestellt wird, können die Rauhheit der Oberfläche und Änderungen in der Dicke des Kopplungsfilmes die Messergebnisse nicht beeinflussen.
Als Alternative zu der in Fig. l gezeigten Anordnung können die beiden Wandler-B und C-
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zwischen ihren zugehörigen Verstärker und den Kathodenstrahloszillographen --6-- geschaltet ist. Der Wandler --A-- wird dann der Sendewandler sein, der an einen Impulsgeber, wie den Impulsgeber--2--, angeschlossen ist, der wieder mit dem Taktgeber-l--verbunden ist.
In einer weiteren wahlweisen Ausführungsform kann der Wandler--A--auch zwischen den Wandlern --B und C-- angeordnet sein.
Fig. 2 zeigt ebenfalls eine Reihenanordnung von drei Wandlern-A, B und C--, die auf der Oberfläche einer Eisenbahnschiene, die das Teststück --7-- bildet, angeordnet sind. Die Wandler --A, B und C-sind zur gemeinsamen Bewegung über das Teststück --7-- zusammengeschlossen, wobei die Wandler--B und C-- in diesem Beispiel Empfänger sind und der Wandler--A--ein Sender ist.
Bei der Verwendung der Anordnung der Fig. 2 werden die Wandler--A, B und C--während der Fehlersuche in Richtung des Pfeiles --12-- bewegt. Beim Auffinden eines Fehlers wird dieser von zwei Ablenkzeichen wie --8 und 9-- (Fig. 1) auf einer gemeinsamen Zeitbasis angezeigt, und die Entfernung dieser beiden Ablenkzeichen wird eine Angabe der Weglängendifferenz a und b der Wellenfronten bilden, die von dem Fehler in die Empfangswandler --B und C-- reflektiert werden. Bei fortgesetzter Bewegung der Wandler-A, B und C-- in die Richtung des Pfeiles --12-- werden die Weglängen a und b gleich werden, wobei die Weglänge a abnimmt und die Weglänge b zunimmt. Wenn dies eintritt, werden die Ablenkzeichen --8 und 9-- zusammenfallen und ihre Amplitude summiert, um ein maximales Signal zu bewirken.
Wieder kann daher durch Triangulation die Lage des Fehlers genau lokalisiert werden.
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von den Linien --13 und 14-- angegeben wird, und die Wandler --B2 und C2-- eine optimale Empfangsrichtung haben, die von den Linien-15 und 16-angezeigt wird. Somit bildet die Reihe, welche die Wandler-A, B und C1-- umfasst, eine Vorrichtung entsprechend Fig. 2, und ist besonders für eine Abtastung unter kleinem Winkel geeignet. Ähnlich bilden die Wandler --A, B2 und C2-- eine Anordnung
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entsprechend Fig. 2, die aber für eine Abtastung unter grossem Winkel geeignet ist. Die zusammengesetzte Anordnung ist zum Abtasten dicker Teststücke geeignet.
Zweckmässigerweise ist der Sendewandler ein 0 -Wandler und die Wandler --B1 und C1-- sind 70 -Wandler, d.h. ihre optimale Empfangsrichtung liegt bei 70 zur Vertikalen, und die Wandler --B2 und C2-- sind 400-Wandler. Daher werden die Wandler --B1 und C1-- z. B. auf Fehler in den oberen zwei Dritteln der Dicke des Teststückes und die Wandler --B2 und C2-- auf Fehler in dem unteren Drittel des Teststückes optimal ansprechen.
Ein Vorteil der in der Fig. 3 gezeigten Reihe ist es, dass der gesamte Querschnitt der Probe auf eine Einstellung der Zeitbasis bezogen wird und die Vorrichtung fähig ist, Fehler in irgendeiner virtuellen Ebene zu finden. Diese Eigenschaft ermöglicht eine umfassende Ultraschallabtastung, die in einem einzigen Messvorgang durchgeführt werden kann, an Stelle von wiederholten Messungen bei der Verwendung von verschiedenen Wandlern, die für verschiedene Winkel eingerichtet sind, um einen Bereich zur Überprüfung vollständig zu erfassen. Ein weiterer Vorteil dieser Reihenanordnung ist es, dass sie ermöglicht, die Spur zu überprüfen und dadurch eine automatische, hörbare Fehleranzeige zu bewirken.
Als weitere Hilfe kann infolge der einzigen Zeitbasis ein Halbprofil einer Schiene auf den Bildschirm vorgezeichnet werden, und bei einer genauen Bereichseinstellung zeigt diese die Fehler in ihrer entsprechenden Lage.
Die Anordnung der Fig. 1 kann auch nach Art der Fig. 3 abgeändert werden, wobei die Zeitverzögerungseinrichtung z. B. zwischen dem Taktgeber und den Impulsgebern für beide Wander--bai und B2-- angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung der Fig. 1 und 2 sind einer der Wandler --B oder C--und der Wandler--A--in einem einzigen Sende-Empfangswandler vereinigt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ultraschallvorrichtung zum Fehlernachweis in Werkstücken, insbesondere in Eisenbahnschienen, mit einem Impulsgenerator, einer auf das Werkstück aufsetzbaren Wandleranordnung zum Senden und
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der Ultraschallwandler verbundene Kanäle für die Impulsübertragung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wandleranordnung ein als Sender zum Aussenden von Wellenfronten ausgebildeter Ultraschallwandler und ein Paar von einen Abstand voneinander aufweisenden und diesem Sender gemeinsam als Empfänger zum Empfang der durch Wellenfronten gebildeten Fehlerechosignale zugeordneten Ultraschallwandlern vorgesehen sind, wobei die Sende- und Empfangsfunktionen auch vertauscht sein können und wobei entweder jeder der beiden Sender (B, C, Fig.
1) durch je einen Übertragungskanal mit dem Impulsgenerator oder jeder der beiden Empfänger durch je einen Übertragungskanal mit der Mess- bzw. Auswerteeinrichtung verbunden ist, und dass entweder durch wenigstens eine in die Übertragungskanäle eingesetzte einstellbare Zeitverzögerungseinrichtung (4, Fig. 1) oder durch Verschieben einer Wandleranordnung, bei der zumindest das gleiche Funktionen. aufweisende Paar von Wandlern mechanisch miteinander verbunden ist, auf dem Werkstück (Fig. 2 und 3) die Fehlerechosignale in der Mess- bzw. Auswerteeinrichtung (6) zur Deckung bringbar sind.