DE1005758B

DE1005758B - Einrichtung zur zerstoerungsfreien Materialpruefung mit Ultraschall

Info

Publication number: DE1005758B
Application number: DEB20576A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Bradfield
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1951-05-28
Filing date: 1952-05-27
Publication date: 1957-04-04
Also published as: US2803129A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall, die einen piezoelektrischen Meßkopf enthält, der abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet wird. In der Sendeperiode wird dem Meßkopf elektrische Hochfrequenzenergie im Bereich von etwa 2,5 MHz zugeführt, und der in den Prüfling gestrahlte Ultraschallimpuls wird von der Rückseite des Prüflings bzw. von Unregelmäßigkeiten im Material wie Lunkern oder Rissen reflektiert und vom Meßkopf empfangen, wobei das erhaltene elektrische Empfangssignal über einen Anzeigeverstärker einer Kathodenstrahlröhre zugeführt wird, deren Zeitablenkung jeweils durch den Sendeimpuls ausgelöst wird, so daß, wenn der Meßkopf über eine Fehlerstelle geführt wird, ein entsprechender Lichtfleck auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre erscheint, wobei aus dem Abstand des Lichtflecks vom Koordinatenursprung des Schirmbildes auf die Entfernung der Fehlerstellen von der Oberfläche des Prüflings geschlossen werden kann.

Die bekannten Prüfeinrichtungen dieser Art haben einen wesentlichen Nachteil. Wenn nämlich dicht unter der Oberfläche des Prüflings liegende Fehlerstellen zuverlässig angezeigt werden sollen, ist der Weg des ausgestrahlten und reflektierten Ultraschallimpulses sehr kurz, und die Zeit, innerhalb deren der Meßkopf vom Senden auf Empfang umgesteuert werden muß, liegt in der Größenordnung von Mikrosekunden. Die Umsteuerungszeit wird dadurch nachteilig vergrößert, daß die für den genannten Zweck bisher verwendeten Quarzkristalle wegen ihrer geringen Masse einen geringen Energieübergang (Fehlanpassung) in die gewöhnlich aus Metall bestehenden Prüflinge ergeben und daß die Quarze in den bekannten Meßköpfen nicht genügend rasch ausschwingen. Vor allem aber entsteht eine unerwünschte Verzögerung der Umsteuerung dadurch, daß der an den Schwingquarz gekoppelte Anzeigeverstärker durch einen automatischen Schwundausgleich während der Sendeperiode heruntergeregelt werden muß, und dieser Schwundausgleich hat eine unvermeidliche Zeitkonstante, innerhalb deren nach Abklingen des Sendeimpulses der Anzeige verstärker noch nicht funktionsfähig ist.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Vermeidung dieser Mängel den Schwingquarz in einer Fassung aus dämpfendem Material zu haltern und die Zeitkonstante des Schwundausgleichs durch Frequenztransformation vor dem Anzeigeverstärker herabzusetzen. Die bisher angewandten konstruktiven Mittel zur Vergrößerung der Dämpfung sind aber ungenügend, und auch die Verringerung der erwähnten Zeitkonstante ist trotz des erheblichen technischen Aufwandes für die Frequenztransformation nicht ausreichend, um Fehlerstellen zuverlässig anzuzeigen, die dicht unterhalb der Oberfläche des Prüflings liegen.

Nach der Erfindung werden diese Mängel dadurch ver-Einrichtung zur zerstörungsfreien
Materialprüfung mit Ultraschall

Anmelder:

Geoffrey Bradfield, Teddington,
Middlesex (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. A. Maxton, Köln, Bismarckstr. 31, und Dr.-Ing. R. Meldau, Harsewinkel (Westf.),

Patentanwälte

Beansprucht© Priorität:
Großbritannien vom 28. Mai 1951

Geoffrey Bradfield, Teddington, Middlesex

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

mieden, daß das piezoelektrische Element in an sich bekannter Weise aus Bariumtitanat besteht und daß es den einen Zweig einer abgeglichenen Brückenschaltung bildet, deren benachbarter Zweig durch ein das piezoelektrische Element nachbildendes abgleichbares Netzwerk und deren andere beide Zweige durch die symmetrisch angezapfte Sekundärwicklung des Ausgangsübertragers eines HF-Generators gebildet sind, wobei an diese Anzapfung das Anzeigegerät angeschlossen ist.

Der Meßkopf bildet also einen Zweig einer Brückenschaltung, die nach Größe und Phase dadurch abgeglichen wird, daß ein Netzwerk aus einstellbaren Widerständen als benachbarter Brückenzweig hinsichtlich des Impedanzverlaufs innerhalb des Meßbereichs der Impedanz des Meßkopfes angepaßt wird, so daß das an eine Brückendiagonale angeschlossene Anzeigegerät während der Sendeperiode praktisch spannungslos ist, ohne daß eine Regelschaltung im Anzeigeverstärker erforderlich ist.

Die Verminderung der Ausschwingzeit des Kristalls wird durch Überziehen desselben und durch Überziehen der ihn gegen den Prüfling abschließenden Membran mit Dichtungsmaterial sowie durch die Wahl eines besonders gestalteten und aus besonderem Material bestehenden dämpfenden Halterungsblockes erreicht, wie weiterhin noch ausgeführt werden wird. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Inhalt der Ansprüche 2 bis 13.

609 867/203

3 4

Die Erfindung möge an Hand der in den Figuren eingeölt und dann auf einen Sitz gesetzt wird, die Koppschematisch dargestellten Ausführungsbeispiele weiter lung selbst unter gleichbleibendem Druck sich für eine erläutert werden. Es zeigt kurze Zeit bei der Ultraschallprobe ändert und dann

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsart gleichförmig wird. Dieser gleichbleibende Wert kann dann eines Meßkopfes gemäß der Erfindung, während 5 zur Prüfung verwandt werden, um die Echoanzeige des

Fig. 2 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsart Risses oder der Gußblase festzustellen, des Meßkopfes gemäß der Erfindung darstellt; Beim Einbringen des Kristalls ist größte Sorgfalt auf-

Fig. 3 zeigt schematische Wiedergabe mit einer Anord- zuwenden. Man kann etwa in der Weise vorgehen, daß nung, wobei die Art der Schwingungen im Prüfling man die eine Seite außer mit dem Silberüberzug auch geändert werden kann; io noch mit einem Polyvinyl-Acetat-Binder überzieht, der

Fig. 4 ist ein Schaltschema mit einem Brückenstrom- bei 190° C 1 Stunde lang behandelt wird, und einen entkreis gemäß der Erfindung; sprechenden Überzug auch auf der Membran vorsehen.

Fig. 5 zeigt ein Schaltschema einer anderen Aus- Die beiden Teile werden dann unter einem sehr gleichführungsform eines Stromkreises; förmig aufgebrachten Druck miteinander vereint, der für

Fig. 6 und 7 sind Schaltschemen, um klarzulegen, in 15 den oben angegebenen Durchmesser etwa 45 bis 90 kg welcher Weise das Maß der Kopplung zwischen dem Auf- betragen möge, und dann 1 Stunde bei 190° C erhitzt, nahmekopf und der Probe ausgewertet werden kann. In entsprechender Weise kann die Rückseite der »Haar-

Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht der Meßkopf aus einer bürsten mit unter dem Handelsnamen »Aroldit« bedünnen Metallmembran 1, die das piezoelektrische kanntem Harz unter Anwendung eines hohen Druckes Element schützt und es gestattet, das Element gegen die 20 am Kristall befestigt werden.

Probe durch die Membran anzudrücken, ohne ungewollte Dank der Tatsache, daß Bariumtitanat in polykristal-

Schwingungen einzuführen, die auf Echowirkung im liner Form leicht in eine nicht ebene Oberflächenform Gehäuse selbst zurückzuführen wären. übergeführt werden kann und sich dann so polarisieren

Im Vergleich z. B. mit den bekannten Quarzkristall- läßt, daß die Polarisationsachse senkrecht zu seiner Ober-Suchgeräten gestattet es der erfindungsgemäße Meßkopf, 35 fläche steht, kann die Anordnung nach Fig. 1 z. B. dahin wesentlich längere und biegsamere Kabel zu benutzen. abgewandelt werden, daß eine Barium-Titanat-Scheibe von Der Kopf besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 2, leicht zylindrischer unterer Oberfläche mit einer gebogenen z. B. aus Stahl, das etwa in der Mitte seiner Länge eine Membran verbunden wird und durch eine ebenfalls geisolierende Brücke 3 trägt, die über Schrauben 4 im bogene »Haarbürste« gehalten wird. Auf diese Weise Gehäuse festgelegt ist. Das andere Ende ist durch die 30 kann die Anordnung besser an die gekrümmten Ober-Membran 1 von dünnem hochgekohltem Stahl geschlossen, flächen runder Proben angelegt werden, die entweder mit dem Gehäuse verlötet werden kann oder Es wurde gefunden, daß verbesserte Ergebnisse dadurch einen aufgeschraubten Klemmring 6 gehalten wird durch erhalten werden können, daß man das Barium- und den Barium-Titanat-Schwinger gegen Kapazitäts- titanat auf solche Weise hinterlegt, daß eine zusätzliche minderung durch etwaige Berührung mit dem Ölfilm auf 35 Dämpfung entsteht. Ein einzelner Block eines dichten dem Prüfling schützt. Für die Benutzung bei 2V₂ MHz Dämpfungsstoffes kann auf der Rückseite des Kristalls soll eine Stärke für die Membran von 0,05 mm gewählt angeordnet werden. Indessen zeigt Fig. 2 eine besonders werden, während für 5 MHz die Stärke 0,025 mm oder ein günstige Möglichkeit, diese Dämpfung zu erzielen. Der wenig mehr sein möge, wobei die Stärke der Membran Kristall 21 selbst ist mit dämpfendem Werkstoff 22 verfür 1 MHz und ¹I₂ MHz entsprechend größer ausgelegt 40 bunden, der vorzugsweise durch eine starre oder schwere werden muß. Auf der oberen Seite der Membran 1 wird äußere Hülle 23 gehalten ist, auf welche der Druck in der durch ein Bindemittel ein Kristall 5 aus Bariumtitanat üblichen Weise mittels einer Schraube 24 aufgebracht befestigt, der eine aufgebrannte, vorzugsweise doppelte werden kann, die ihrerseits in der isolierenden Brücke 25 Silberschicht aufweist. Der diesen Kristall umgebende befestigt ist; diese Brücke sitzt dann in vorbeschriebener freie Membranring kann mit dämpfendem Werkstoff über- 45 Weise im Gehäuse 26, an dessen unterem Ende die Memzogen sein, wodurch die Ausschwingzeit weiter ver- bran 27, mit der der Kristall 21 verbunden ist, durch mindert wird. Der Kristall wird auf seiner Rückseite durch einen Haltering 28 gehalten ist.

eine große Anzahl dünner Hakennägel gehalten, die in Vorzugsweise soll der Stoff 22 ein spezifisches Gewicht

Spitzen 7 auslaufen und auf einer Unterlage 8 sitzen, zwischen 1, 2 und 8 haben und muß fest mit der Rückso daß dieses Teil etwa »haarbürstenartig^ ausgebildet 50 seite des Kristalls ohne irgendwelche Lufteinschlüsse entist. Eine im Inneren gelegene Druckschraube 9 durchsetzt weder durch unmittelbare Adhäsion oder durch einen die isolierende Brücke 3 und liegt an dem Körper 8 an. Verbinder befestigt sein oder durch einen dünnen Öl-Das obere Ende des Gehäuses ist z. B. durch eine Messing- oder Fettfilm od. dgl. Als geeigneten Stoff für den Körscheibe 11 verschlossen, die einen seitlich abstehenden per 22 kann man z. B. Polyvinylchlorid verwenden, Arm 12 aufweist, welcher als Tragorgan für das biegsame 55 dessen spezifisches Gewicht und Dämpfungswirkung koaxiale Kabel 13 dient. Die Unterseite der Messing- durch das Einlagern von gepulvertem Wolfram erhöht scheibe weist eine Isolierscheibe 14 auf, die eine G-förmige werden kann. Die Innenfläche des äußeren Haltekörpers Kontaktfeder 15 trägt, die mit ihrem einen Ende mit dem 23 für den Stoff 22 soll vorzugsweise eingezogen oder Innenleiter des Koaxialkabels verbunden ist, während das stufenförmig ausgebildet sein, wie dies in der Zeichnung andere Ende gegen die vorstehend genannte Druck- 60 dargestellt ist, wobei ein besonders günstiger Winkel etwa schraube 9 anliegt. Für 2¹Z₂ MHz benutzt man ein bei 48° gegenüber der Körperachse liegt. Auf diese Weise Kristall von 1 mm Stärke und 20 mm Durchmesser, wird der Weg für die Reflektion der Energie auf einen wobei der Durchmesser des Gehäuses etwa 32 mm sein Höchstwert gebracht, bevor die Energie reflektiert wird möge. Wenn der Aufnahmekopf an die Probe gelegt wird, und den Kristall 21 trifft.

drückt eine von einem starren Haltearm getragene Druck- 65 So tritt eine nur geringe Störung des Wellenzuges durch schraube axial gegen die Oberfläche der Messingscheibell. solche unerwünschten Signale ein. Man kann Einlaß- und Wenn ein Brückenstromkreis benutzt wird, wie dies Auslaßlöcher in dem Haltestück 23 vorsehen, so daß das nachstehend beschrieben ist, sichert der Druckarm den Dämpfungsmaterial 22 gegen den Kristall 21 unmittelbar ständigen Kontakt, während die Brücke abgeglichen wird. im Spritzgießverfahren zur Anlage gebracht werden kann. Die Erfahrung hat gelehrt, daß, wenn ein Aufnahmekopf 7° Eine Feder 29 kann ebenfalls vorgesehen werden, um den

Kontakt zwischen der Rückfläche des Kristalls 21 und dem Haltestück 23 zu sichern, die aber ihrerseits auch die Rückseite des metallisierten Kristalls nahe dessen Kante berühren kann.

Der Vorzug, den Kristall mechanisch auf seiner Rückseite zu dämpfen, ist ein doppelter. Einerseits wird die Energie so vom erregten Kristall abgelenkt, daß die Schwingungen des letzteren schneller gedämpft werden und auf diese Weise die Ausschwingzeit vermindert wird. Andererseits ist es auch besonders in dem Fall, wo man den Kristall benutzt, um Nahechos zu suchen, von Wichtigkeit, daß die besondere Dämpfung bis zu einem gewissen Ausmaß alle Kopplungsänderungen zwischen dem Kristall und der Probe unterdrückt und den genauen Abgleich der Netzelemente überflüssig macht, wo diese benutzt werden. Die Wirkung auf die Netzelementwerte wird in der Hauptsache beschränkt auf Rm (s. unten), das im Werte heraufgesetzt wird, während z. B. das Q des Systems vermindert wird.

In Fig. 3 ist ein Meßkopf 31 dargestellt, der etwa gemäß Fig. 1 oder 2 ausgebildet sein kann und in an sich bekannter Weise mit einem Keil 32 von einem Werkstoff verbunden ist, durch welchen die Schwingungsart bzw. -form verändert wird. Ein geeigneter Werkstoff ist z. B. PoIymethyl-Methacrylat. Der Kopf und der Keil können in einem Gehäuse 33 miteinander vereint sein, und die Gesamtanordnung kann mit der Probe in der Weise verbunden werden, daß die Grundfläche des Keils an der Probe anliegt, etwa in gleicher Weise, wie man den Aufnahmekopf unmittelbar an die Probe anlegt, d. h. zum Beispiel durch einen starren Arm und eine Druckschraube. Naturgemäß kann der Brückenstrom den Kontakt zwischen dem Keil und der Probe nicht berücksichtigen.

Fig. 4 zeigt einen Brückenstromkreis gemäß der Erfindung für die Verwendung eines kombinierten Sende- und Aufnahmekopfes 34 unter Benutzung von Bariumtitanat. Bei Anwendung dieser Brückenschaltung besteht die Möglichkeit, als hauptsächliche Elemente einen kapazitiven und einen induktiven Widerstand in Reihe zusammen mit einer Kapazität Ce zu verwenden. Für einen Meßkopf gemäß Fig. 1 oder 2 und für eine Messung bei 2,5 MHz besteht die Hauptkomponente der Schaltung in einem veränderlichen Kondensator Ce, der einen Bereich von etwa 2500 bis ungefähr 3700 pF aufweisen soll. Die Eingangsklemmen der Schaltung werden mit dem EIement Ce über ungefähr ³/₄ Ohm verbunden. Parallel mit den Eingangsklemmen der Schaltung liegt eine Reihenkombination veränderlicher Kapazitäten Cm in Reihe mit einer veränderlichen Induktivität Lm und einem veränderlichen Widerstand Rm. Der letztere kann gegebenenfalls parallel mit einem einstellbaren Kondensator Cmc liegen. Läßt man diesen Kondensator Cmc fort, dann kann die Größenordnung der einzelnen Steuermittel etwa wie folgt sein: Cm — 120 bis 36OpF; Lw = IO bis 36 μΗ; Rm = 20 bis 180 Ω. Wenn man Cmc mit einem Bereich von ungefähr 0,0003 bis 0,003 μΡ vorsieht, dann kann der Einstellwert von Rm beträchtlich geringer sein, als oben angegeben, und der von Cm sogar noch geringer. Die Verwendung des Kondensators Cmc hat den Vorteil, daß nur eine Einstellung nötig ist (z. B. die von Cmc), wenn die Oberflächenbedingungen sich ändern, wobei die Änderungen sowohl von Rm als auch von Cm nur sehr gering zu sein brauchen, vorausgesetzt, daß die Oberfläche nicht vollständig unregelmäßig ist. Weiterhin erlaubt die Verwendung von Cmc einen besseren Ausgleich über einen größeren Frequenzbereich.

Dieses aus Widerständen von gebräuchlicher Größe aufgebaute Netzwerk ergibt eine einfache Nachbildung des Impedanzverlaufes des Barium-Titanat-Schwingers im benötigten Frequenzbereich zwischen 2,5 und 5 MHz, so daß ohne Anwendung einer selbsttätigen Steuerung die Sendeimpulse von der an die eine Brückendiagonale angeschlossenen Anzeigevorrichtung ferngehalten werden.

Die ausgezeichnet hohe, praktisch reflexionsfreie elektromechanische Kopplung von Bariumtitanat zum Prüfling erlaubt eine hervorragende Feststellung von Rissen, Lunkern und Gußblasen durch Ultraschall selbst ohne Ausgleichsschaltungen und Brückensysteme für die Aussendung und Aufnahme, um die Einschwingzeit des Empfangsverstärkers in einem gewöhnlichen Sender-Empfänger zu vermindern, und zwar auf Grund des hohen Sendeimpulses; z. B. kann der Sendeimpuls bei Benutzung eines Kopfes von 20 mm Durchmesser und 2,5 MHz unter Verwendung von Bariumtitanat gemäß Fig. 1 oder 2 in der in Fig. 5 dargestellten Weise ausgesandt und empfangen werden, indem man den letzteren an ein Potentiometer 41 schaltet, das z. B. 500 Ω mit einer Anzapfung bei 100 Ω aufweist, wobei dieses Element vorzugsweise in Nebenschluß zu einer Induktivität von ungefähr 1,5 nH gelegt wird, um eine zweckentsprechende Bandbreite zu ergeben, deren Mittelwert bei 2,5 MHz liegt. Es ergibt sich hieraus ein reflektiertes Signal von einer etwa 50 mm entfernt liegenden Grenze, das nur ungefähr 18 db unterhalb des übertragenden Impulses liegt (gemessen am Kristall).

Die unter Bezug auf Fig. 4 beschriebene Schaltung ist von größerer Bedeutung bei der Untersuchung von Rissen oder Gußblasen, die sich nahe der Oberfläche befinden, wo es bei der Verwendung der üblichen Sender und Empfänger nötig ist, die Einschwingzeit des Verstärkers soweit wie möglich zu verkürzen. Für Untersuchungen in großem Abstand werden nur wenige oder gar kein Netzelement nachgestellt werden müssen, während man von einer Meßstelle zur anderen übergeht, mit Ausnahme dort, wo es erwünscht ist, die Echoanzeige, die von der Gußblase herrührt, zu messen.

Zum Verbessern der Bandbreite ist es bei der Messung oft von Vorteil, den Kristall in Nebenschluß mit einer Induktivität Lee von 1,5 H (für 2¹J₂ MHz) und diese Kombination in Nebenschluß zu einem verhältnismäßig niedrigen Widerstand zu legen, der etwa die Größenordnung von 40 Ohm haben möge, und entsprechend bemessene Elemente in den Netzzweig zu legen. Durch geeignetes Auslegen des Ausgleichtransformators können die Induktivitäten bzw. die Widerstände als ein Teil des Transformators selbst vorgesehen werden oder als ein Teil des Eingangsstromkreises.

Den Fig. 4 und 5 entsprechende Schemen können für andere Frequenzen entworfen werden, und da es naturgemäß im allgemeinen vorzuziehen ist, den Durchmesser des Aufnahmekopfes im umgekehrten Verhältnis zur Frequenz zu erhöhen (denn dadurch wird der Divergenzwinkel der Ausstrahlung konstant gehalten), ist in solchen Fällen die Eichung der Meßelemente auf die neue Frequenz lediglich in der Weise durchgeführt, daß man alle Elemente (mit Ausnahme von Rm und Re, die unverändert bleiben) im Verhältnis

alte Frequenz

neue Frequenz
vervielfacht.

Wie oben angegeben, ermöglicht es die Erfindung, das Ausmaß der Kopplung zwischen dem Aufnahmekopf und der Probe auszuwerten. Es versteht sich, daß, abgesehen von den Vorteilen, die das Bariumtitanat hinsichtlich der höheren Intensität und besseren Unterscheidung der Echos bietet, die Möglichkeit einen Ausgleichstromkreis zu verwenden, welcher eine unmittelbare Anzeige der Streubedingungen geben kann und auf diese Weise die Angabe der Größe eines Risses oder einer Gußblase ermöglicht, einen weiteren sehr beachtlichen Vorteil dar-

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stellt. Die mathematische Grundlage dieser Verbesserung Auf diese Weise entsteht eine Leerlaufspannung nach

stellt sich wie folgt dar: der Formel (7) von der Größe

Unter Bezugnahme auf Fig. 6, welche das einfachste

Ersatzschaltbild für den Übertrager darstellt, ergibt eine ,p ^₂ 2r λ· 10~⁷

Eingangsspannung von V_texp (i ω t) am (Cm—Lm)-Re- 5 V_r = P_rM— g (a_f λ)

sonanzkreis eine Strahlungskraft W_t von der Größe ^r V_t\l\ " I +

1 _T73

η ^yt v_r Απα* , „, IU

(vgl. z.B. Morse, McGraw-Hill, 1948, »Vibration and Da alle diese Werte mit Ausnahme von g (a_f, λ) bekannt

Sound«, S. 328) und demgemäß einen Druck P_tr pro sind oder leicht gemessen werden können, kann der Wert exp (i ω t) im Abstand r von der Achse (Fraunhofer- 15 g (a_f, λ) leicht erhalten werden, vorausgesetzt, daß Rm Bereich) bei hoher Frequenz und Ce gemessen werden.

In der Praxis ist der entsprechende Stromkreis des

~i_{vou a}2 Meßkopfes etwa so wie in Fig. 7 dargestellt. Da aber die

P_iT = — . (2) zusätzlichen Elemente bekannt oder meßbar sind, kann

^r 20 trotzdem die Berechnung der Merkmale der Fehlerstelle

g (a_f, λ) nur mit etwas größerem Arbeitsaufwand erfolgen.

Hierin ist i = ]/—1, γ die Frequenz in Hz, ρ die Dichte, Eine Weiterentwicklung besteht darin, daß der

U₀ die Anfangsgeschwindigkeit der Teilchen und α der Brückenstromkreis durch die Benutzung eines Servo-Strahlungsradius. Ferner ist mechanismus ausgeglichen wird, der in an sich bekannter

25 Weise durch ein Signal in Tätigkeit gesetzt wird.

_π Es bestehen praktische Ausführungen hierfür, in denen

Wt = -=■ Q ca² U₀ , (3) aufeinanderfolgende Impulse einer Impulsgruppe be

nutzt werden, um verschiedene Funktionen ohne gegen-

rr——— seitige Störung zu ermöglichen. Zweckmäßig wird bei

_u — . I / . * _j (4) 30 den im Anmeldungsgegenstand verwandten Impulsgebern

2 y π QC und Servomechanismen jeweils nur einer von mehreren

aufeinanderfolgenden Impulsen benutzt, um die Energie

worin c die mittlere Wellengeschwindigkeit darstellt. Aus für die Untersuchung der Probe zu übertragen (Sendediesem Grunde ist impuls), und die anderen, die als »Einstellimpulse« be-

35 zeichnet werden sollen, dienen dazu, dem Servomechanis-

· · -, / mus den Empfang entsprechender Signale zu gestatten,

P_tr = ]/2 W_t ρ c π = γ- V_t \ ~S~· (5) welche die elektrischen Werte der Ersatzschaltung zur

r r λ y Km Aufrechterhaltung der Brückenabgleichung so einstellen,

daß sie der Kopplung und den Eigenschaften des Prüflings

Auf Grund des Reziprozitätsgrundsatzes besteht nun 40 entsprechen. So kann beispielsweise ein »Einstellimpuls« A eine Beziehung zwischen dem Druck je Einheit des bei r mit langer Impulsdauer und niedriger Frequenz verzugeführten Stromes (auf Grund der als Sender wirkenden wendet werden, als nächster ein Impuls B mit einer Vorrichtung) und der Empfindlichkeit M (als Mikrophon) Frequenz, die ein wenig unterhalb der Resonanz liegt, als in Volt/Dyn (bei offenem Stromkreis), so daß nächster ein langer Impuls C mit einer Frequenz, die ein

45 wenig oberhalb der Resonanz liegt, und schließlich ein

l2rXotr\ langer Impuls D mit einer Frequenz, die nahe bei der

M = I—ψ—^-J · 10-⁷, (6) Kristallresonanz liegt. Für A muß eine Schaltmöglichkeit

\ ·* t Q C / vorgesehen werden, um in der Hauptsache Ce (Fig. 4)

einzustellen, während die Bedingungen für B und C so

worin I_f der in die piezoelektrische Anordnung eingege- 50 verglichen werden müssen, daß eine Phasenverschiebung bene Strom ist, dessen Vektor sich wie folgt errechnet: für B und C aufrechterhalten wird, wobei hauptsächlich

Lm und Cm (Fig. 4) in der Weise eingestellt werden, daß 7 die Höhe der größeren nicht ausgeglichenen Spannung in

7? 2 2—r~ä~' ^ ^^{en au}i^ei^nan(ierfolgenden Zyklen A B C D E (E = Ver-

Km -J-O)-G₆ gg suchsobjekt) leicht herabgesetzt wird, um so eine Gleich

heit mit der anderen nicht ausgeglichenen Spannung zu

Betrachtet man nun eine kleine Fehlerstelle im Ab- erzielen. Dies ist wesentlich leichter durch Anordnen von stand r, die mit einem Druckfeld P_tr bestrahlt wird, dann Cmc und Einstellen allein dieses Wertes zu erreichen; tatstrahlt diese auf die Strahlenquelle eine Welle zurück, sächlich kann man B und C vielfach völlig entbehren und die dort einen Druck P_T aufweist, der errechenbar ist 60 während des Impulses die Haupteinstellung (die bei nach der Formel Fehlen von Cm durch Rm gegeben sein kann) von Cm

durchführen, wobei Cm naturgemäß vorzusehen ist,

p _ Ptr . „ i_a . χ\ „, während Rm auf einen geeigneten Wert fest eingestellt

^r r ^f ' ' wird, der durch Erfahrung für den betreffenden Werkstoff

65 festgelegt ist.

Hierin ist g eine Funktion der Abmessungen der Fehler- Es sei darauf hingewiesen, daß im allgemeinen die

stelle a_f, ihrer Form und Anordnung und der Wellenlänge λ Länge des Impulses während der Prüfungs- oder Unter-(für Flüssigkeiten findet man die charakteristischen suchungsperiode E kurz bemessen sein soll und während Merkmale dieser Funktion bei Morse, McGraw-Hill, der Einstellimpulse lang sein sollte. Es ist wünschenswert, 1948, »Vibration and Sound«, 354). 70 daß der Abgleich bei mindestens zwei verschiedenen Fre-

"V-

quenzen vorgenommen wird, wenn ein Servomechanismus benutzt wird.

Es möge erwähnt werden, daß dort, wo die Vorteile aus der besonderen Eignung des Aufnahmekopfes gemäß der Erfindung benutzt werden, d. h. wo ein langes biegsames Kabel zwischen dem Aufnahmekopf und den übrigen Stromkreiselementen gewählt wird, es wünschenswert ist, ein ähnliches Kabel in Reihe mit dem Abgleichstromkreis zu schalten oder in Reihe bzw. parallel geschaltete Elemente anzuordnen, welche dieses Kabel nachbilden. Es versteht sich weiterhin, daß der Aufnahmekopf durch irgendeinen geeigneten Röhrenkreis erregt werden kann, so daß seine Ausgangswerte in einen geeigneten Röhrenverstärker gegeben werden können, dessen Ausgangssignal ζ. B. an eine Kathodenstrahlröhre gelegt werden kann, die mit einer Zeitablenkung versehen ist, welche es ermöglicht, die ausgesandten und aufgenommenen Impulse auseinanderzuhalten und die Zeitintervalle zwischen ihnen und demgemäß die entsprechenden Abstände in der Probe zu messen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall, die einen piezoelektrischen Meßkopf enthält, der abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element in an sich bekannter Weise aus Bariumtitanat besteht und daß es den einen Zweig einer abgeglichenen Brückenschaltung bildet, deren benachbarter Zweig durch ein das piezoelektrische Element nachbildendes abgleichbares Netzwerk und deren andere beide Zweige durch die symmetrisch angezapfte Sekundärwicklung des Ausgangs-Übertragers eines HF-Generators gebildet sind, wobei an diese Anzapfung das Anzeigegerät angeschlossen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung einer an sich bekannten selbsttätigen Abstimmvorrichtung zur Aufrechterhaltung des Brückenabgleichs während des Prüf Vorganges.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Anwendung eines an sich bekannten Servomechanismus zur Herbeiführung des Brückenabgleichs unter Benutzung eines Signals des HF-Generators.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der zeitlich aufeinanderfolgenden HF-Impulse, die von dem Oszillator der Brückenschaltung zugeführt werden, an die selbsttätige Abstimmvorrichtung geschaltet ist, während jeweils nur ein Impuls aus einer Impulsfolge zur Übertragung von Energie für die Untersuchung des Prüflings vorgesehen ist, wobei das Schaltkriterium die Dauer und oder Frequenz der Impulse sein kann.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Bariumtitanat bestehende piezoelektrische Element an der dem Prüfling abgewandten Fläche über einen Block aus gegossenem Material gehaltert ist, in das Schwermetalle, vorzugsweise Wolfram, in pulverisierter Form eingebettet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Block durch einen starren oder schweren, seine freie Oberfläche umschließenden Körper fixiert ist, auf welchen der Druck zum Anpressen des piezoelektrischen Elementes an die Probe wirkt.

7. Piezoelektrischer Meßkopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsfläche zwischen dem Körper und dem Block stufenförmig ausgebildet ist, derart, daß der Reflexions weg der vom piezoelektrischen Element gegen den Körper gestrahlten Energie vergrößert ist.

8. Piezoelektrischer Meßkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element mit einer dämpfenden Schicht überzogen ist.

9. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element gegen den Prüfling durch eine Membran abgeschlossen ist, die aus dünnem, hochgekohltem Stahl besteht und bei Verwendung einer Prüffrequenz zwischen bzw. 2^x/₂ und 5 MHz eine Stärke von bzw. 0,05 bis 0,025 mm aufweist.

10. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran mit dem anliegenden piezoelektrischen Element leicht zylindrisch gebogen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Randteil der Membran zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Gehäuse des Meßkopfes mit einem dämpfenden Überzug versehen ist.

12. Piezoelektrischer Aufnahmekopf mit einem Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein veränderlicher Ohmscher Widerstand in Nebenschluß zu einem veränderlichen Kondensator liegt.

13. Einrichtung mit einem Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element in Nebenschluß zu einem induktiven Widerstand gelegt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 283 285, 2 398 701; Electronics, Bd. 21, 1948, S. 128 bis 130.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen