DE10109568A1

DE10109568A1 - Combined wall thickness and layer thickness measuring method for coated workpieces has combined ultrasound and electromagnetic wave probe

Info

Publication number: DE10109568A1
Application number: DE10109568A
Authority: DE
Inventors: Michael Platte; Andreas Kolze; Philipp Ettel; Michael Lach
Original assignee: KARL DEUTSCH PRUEF und MESGERA
Current assignee: KARL DEUTSCH PRUEF und MESGERA
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-07-25

Abstract

The method involves using a combined probe for ultrasound and electromagnetic waves. An ultrasonic pulse is transmitted into the workpiece, and the echo received. An alternating electromagnetic field is set up in the same measuring region, so that the magnetic field lines penetrate the coating axisymmetrically to the center axis of the ultrasound sensor. An Independent claim is included for an apparatus for combined wall and layer thickness measurement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten Wand- und Schichtdickenbestimmung bei beschichteten Werkstücken sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer an einer beschichteten Werkstückoberfläche aufzusetzenden Sonde für Ultraschall und elektromagnetische Wellen, die über Kabel mit einer Auswerteeinheit (Mikroprozessor) mit Anzeigeeinheit verbunden bzw. zu verbinden ist.The invention relates to a method for combined Wall and layer thickness determination for coated Workpieces and a device for carrying them out this process with one on one coated Ultrasound probe to be placed on the workpiece surface and electromagnetic waves that are transmitted via cables with a Evaluation unit (microprocessor) with display unit connected or is to be connected.

Bei der nachstehenden Erläuterung des Standes der Technik ist auf die Fig. 1 bis 6 Bezug genommen worden. Diese zeigen:In the following explanation of the prior art, reference has been made to FIGS. 1 to 6. These show:

Fig. 1 einen Längsschnitt nach der Linie I-I der Fig. 2 durch eine übliche Ultraschall-Sonde einer bekannten Wanddickenmessvorrichtung, Fig. 1 is a longitudinal section along line II of FIG. 2 by a conventional ultrasonic probe of a known wall thickness measuring device,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Sonde gemäss Fig. 1, Fig. 2 is a plan view of a probe according to FIG. 1,

Fig. 3 eine grafische Darstellung des zeitlichen Ver laufs der Impulsempfangsspannung am Empfänger einer Sonde nach den Fig. 1 und 2, Fig. 3 is a graphical representation of the time Ver run of the pulse voltage received at the receiver of a probe according to FIGS. 1 and 2,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine übliche Sonde der bekannten Schichtdickenmessvorrichtungen, Fig. 4 shows a longitudinal section through a conventional probe of the known layer thickness measuring devices,

Fig. 5a-5c schematische Ansichten der kombinierten Sonde eines bekannten Messgerätes für die kombinierte Wand- und Schichtdicken messung und Fig. 5a-5c schematic views of the combined probe of a known measuring device for the combined wall and layer thickness measurement and

Fig. 6 eine schematische Ansicht einer auf eine Mess stelle aufgesetzten Sonde nach den Fig. 5a-c. Fig. 6 is a schematic view of a probe placed on a measuring point according to Fig. 5a-c.

Zur Bestimmung der Wanddicke von Stahl- oder Metall teilen werden überwiegend kleine, handliche, batterie betriebene Ultraschall-Wanddickenmessgeräte mit an steckbaren Ultraschallsensoren verwendet. Sie werden wie folgt eingesetzt: der Ultraschallsensor wird unter Zuführen eines flüssigen Koppelmittels auf das zu vermessende Werkstück aufgesetzt. Er überträgt dann einen Ultraschallimpuls in das Werkstück. Dieser durch läuft das Werkstück, wird an dessen Rückwand reflektiert und nach nochmaligem Durchlaufen des Werkstücks von demselben Sonden-Sensor wieder aufgenommen. Aus der Laufzeit und der zuvor von der Bedienung einzugebenden Schallgeschwindigkeit im Werkstück berechnet das Mess gerät die Wanddicke, die dann von der Bedienungsperson von einem eingebauten optischen Anzeige-Instrument, in der Regel einer LCD-Anzeige, abgelesen werden kann.For determining the wall thickness of steel or metal We mainly share small, handy, batteries operated ultrasonic wall thickness measuring devices plug-in ultrasonic sensors used. you will be used as follows: the ultrasonic sensor is under Supplying a liquid coupling agent to the measuring workpiece placed. Then he transmits an ultrasonic pulse into the workpiece. This through if the workpiece is running, it is reflected on the rear wall and after running through the workpiece again from same probe sensor resumed. From the Runtime and the previously entered by the operator The measurement calculates the speed of sound in the workpiece gets the wall thickness, which is then by the operator from a built-in optical display instrument, usually an LCD display, can be read.

Für diese Art von Messgeräten werden als Ultraschall sensoren überwiegend sogenannte "Sender-Empfänger-Prüf köpfe" verwendet, kurz SE-Prüfköpfe genannt, deren Aufbau in Fig. 1 gezeigt ist. In einem zylindrischen Gehäuse 5 sind zwei halbzylindrische Teile, die soge nannten Schwingerträger 2s und 2e, untergebracht, die aus einem gut schallleitfähigen Material bestehen. Aus schalltechnischen Gründen wird dafür meistens ein Kunststoff, z. B. Plexiglas, verwendet. Die Schwinger träger 2s, 2e sind durch ein Isolationsstück 3 akustisch voneinander getrennt. Auf den innerhalb des Gehäuses 5 liegenden abgeschrägten Enden der Schwingerträger 2s und 2e ist je ein piezoelektrisches Schwingerelement 1s bzw. 1e aufgebracht. Jeweils eines von diesen ist mittels (nicht dargestellter) elektrischer Anschluss leitungen, die an der metallisierten Ober- und Unterseite der Schwinger 1s, 1e angelötet sind, mit einem elek trischen Signalgeber verbunden und wirkt als Ultraschall sender, während das andere Schwingerelement als Empfänger wirkt, von dem mittels an seiner metallisierten Ober- und Unterseite angelöteter Anschlußleitungen die Empfangs spannung abgegriffen wird, die im Messgerät ausgewertet wird für die Wand-Dickenberechnung in Verbindung mit der gemessenen Impulslaufzeit.For this type of measuring devices, so-called "transmitter-receiver test heads", abbreviated to SE test heads, are used as ultrasonic sensors, the structure of which is shown in FIG. 1. In a cylindrical housing 5 , two semi-cylindrical parts, the so-called vibration carriers 2 s and 2 e, are housed, which consist of a good sound-conductive material. For sound engineering reasons, a plastic, e.g. B. plexiglass used. The vibrator carrier 2 s, 2 e are acoustically separated from each other by an insulation piece 3 . A piezoelectric vibrating element 1 s or 1 e is applied to each of the beveled ends of the vibrating carriers 2 s and 2 e located within the housing 5 . One of these is connected by means of (not shown) electrical connection lines, which are soldered to the metallized top and bottom of the transducers 1 s, 1 e, with an electrical signal transmitter and acts as an ultrasound transmitter, while the other transducer element as a receiver acts, from which the receiving voltage is tapped off by means of connection leads soldered to its metallized upper and lower side, which is evaluated in the measuring device for the wall thickness calculation in connection with the measured pulse transit time.

Wanddickenmessgeräte mit SE-Prüfköpfen werden überwiegend eingesetzt, um die Wanddicke von unbeschichteten Stahl- oder Metallteilen zu messen. Ist das Stahl- oder Metall teil mit einer Kunststoffschicht versehen, z. B. einem Lackanstrich, so ergibt sich bei der Auswertung der Messung die Schwierigkeit, dass die messbare Laufzeit des Schallimpulses die Summe der Laufzeiten in der Schicht SCH und in der Werkstückwand W ist, wie in Fig. 1 anhand der eingezeichneten Schallstrahlen ST1 und ST2 verdeutlicht ist.Wall thickness gauges with SE probes are mainly used to measure the wall thickness of uncoated steel or metal parts. Is the steel or metal part provided with a plastic layer, e.g. B. a coat of paint, the evaluation of the measurement results in the difficulty that the measurable transit time of the sound pulse is the sum of the transit times in the layer SCH and in the workpiece wall W, as illustrated in FIG. 1 with the aid of the drawn-in sound beams ST1 and ST2 is.

Der zeitliche Verlauf der Empfangsspannung U des Empfänger Piezoelements ist in Fig. 3 skizziert. Der die Schicht SCH und die Werkstückwand W auf dem kürzesten Wege durchlaufende Schallimpuls wird an der Rückwand 4 re flektiert, durchläuft als Rückwandecho auf dem kürzesten Weg erneut das Werkstück sowie die Schicht und gelangt zum Empfänger-Piezoelement 1e.The time course of the received voltage U of the receiver piezo element is sketched in FIG. 3. The sound pulse passing through the layer SCH and the workpiece wall W on the shortest path is re-reflected on the rear wall 4 , passes through the workpiece and the layer again as the rear wall echo on the shortest path and arrives at the receiver piezo element 1 e.

In der in Fig. 3 über der Zeitachse aufgetragenen Em pfangsspannung U ist der Schallimpuls mit der kürzesten Laufzeit und der höchsten Amplitude das erste Rückwand echo RE1 des Werkstücks. Eine genaue Bestimmung der Dicke des Werkstücks aus der Impuls-Laufzeit T1 ist bei beschichteten Werkstücken auch bei bekannten Schallgeschwin digkeiten in den unterschiedlichen Werkstoffen wegen der unbekannten Aufteilung der gemessenen Gesamt-Laufzeit T1 auf die Schicht SCH und die Wand W nicht möglich.In the receiving voltage U plotted over the time axis in FIG. 3, the sound pulse with the shortest transit time and the highest amplitude is the first rear wall echo RE1 of the workpiece. An exact determination of the thickness of the workpiece from the pulse transit time T1 is not possible with coated workpieces even with known Schallgeschwin speeds in the different materials because of the unknown distribution of the measured total transit time T1 on the layer SCH and the wall W.

Unmittelbar hinter dem ersten Rückwandecho RE1 treten in der Empfangsspannung U noch weitere Echos RE1', RE1" kleinerer Amplitude auf. Diese sind Reflexionen des Schallimpulses an der Rück- und Vorderseite der Schicht SCH. Da sie eine zu kleine Amplitude haben, untereinander interferieren und vom Rückwandecho RE1 aufgrund der viel grösseren Amplitude und längerer Nachschwingungen über deckt werden, kann ihr zeitlicher Abstand - und damit die Aufteilung der Gesamtlaufzeit auf die Laufzeiten in Schicht und Wand bei den interessierenden Beschich tungsdicken von 0,05 mm bis 2 mm gar nicht oder nur mit völlig unzureichender Genauigkeit bestimmt werden. Eine Ermittlung der Schichtdicke aufgrund der zeitlichen Ab stände der Impulse E1, E1', E1" unter Einbeziehung der bekannten Schalllaufzeiten ist damit ausgeschlossen.Step directly behind the first rear wall echo RE1 further echoes RE1 ', RE1 "in the receiving voltage U" smaller amplitude. These are reflections of the Sound pulse on the back and front of the layer SCH. Because they are too small in amplitude, among themselves interfere and from the back wall echo RE1 due to the much greater amplitude and longer reverberations can be covered, their time interval - and thus the distribution of the total term to the terms in layers and walls for the interested coating thicknesses of 0.05 mm to 2 mm not at all or only with completely inadequate accuracy can be determined. A Determination of the layer thickness based on the time Ab states of the pulses E1, E1 ', E1 "including the Known sound propagation times are excluded.

Ausser dem ersten Rückwandecho RE1 tritt jedoch im Emp fangssignal U noch ein zweites Rückwandecho RE2 auf, wie derum begleitet von mehreren kleineren Echo's RE2', RE2". RE2 ist der Anteil des ersten Rückwandecho's RE1, der nicht sofort zum Empfängerschwinger 1e gelangt, sondern zunächst an der Oberseite 6 der Werkstückswand, dann er neut an der Rückseite 4 reflektiert und erst dann vom Empfängerschwinger 1e detektiert wird. RE2' und RE2" sind wiederum Reflexionen in der Schicht SCH.In addition to the first backwall echo RE1, however, a second backwall echo RE2 occurs in the received signal U, as is accompanied by several smaller echoes RE2 ', RE2 ". RE2 is the portion of the first backwall echo RE1 that does not immediately reach the receiver oscillator 1 e, but first on the upper side 6 of the workpiece wall, then it is again reflected on the rear side 4 and only then is it detected by the receiver oscillator 1 e. RE2 'and RE2 "are again reflections in the layer SCH.

Grundsätzlich kann man aus dem zeitlichen Abstand von RE1 und RE2 auf die gesuchte Werkstücks-Wanddickce schlies sen. Es ist jedoch zu beachten, dass zwischen RE1 und RE2 immer ein sogenanntes "Zwischenecho" ZE auftritt. Dieses ist eine Transversalwelle, die bei der ersten Reflexion der Schallwelle an der Rückwand 4 des Werkstücks W aus der ursprünglichen Transversalwelle abge spalten wird. Aufgrund der geringeren Schallgeschwin digkeit liegt das Zwischenecho ungefähr in der Mitte zwischen den Rückwandecho's RE1 und RE2. Da die Ampli tude des Zwischenechos E2 je nach Beschaffenheit der Rückwand bis zu 50% der Amplitude des zweiten Rückwand echo's RE2 betragen kann, ist eine automatische Ermitt lung der Schall-Laufzeit zwischen dem Eintreffen der Echos RE1 und RE2 in einem Wanddickenmessgerät nur unter Inkaufnahme des Risikos möglich, dass das Zwi schenecho ZE fälschlicherweise als zweites Rückwandecho RE2 interpretiert wird. Als Folge davon würde die zu kleine Echolaufzeit zwischen RE1 und ZE zur Berechnung der Wanddicke des Werkstücks herangezogen und eine zu kleine Wanddicke ausgewiesen werden.Basically, one can deduce the desired workpiece wall thickness from the time interval between RE1 and RE2. However, it should be noted that a so-called "intermediate echo" ZE always occurs between RE1 and RE2. This is a transverse wave that is split off from the original transverse wave at the first reflection of the sound wave on the rear wall 4 of the workpiece W. Due to the lower sound speed, the intermediate echo lies approximately in the middle between the rear wall echoes RE1 and RE2. Since the amplitude of the intermediate echo E2 can be up to 50% of the amplitude of the second rear wall echo RE2, depending on the nature of the rear wall, an automatic determination of the sound propagation time between the arrival of the echoes RE1 and RE2 in a wall thickness measuring device is only possible when the There is a risk that the intermediate echo ZE will be misinterpreted as the second backwall echo RE2. As a result, the echo delay time between RE1 and ZE, which is too small, would be used to calculate the wall thickness of the workpiece and a wall thickness that was too small would be shown.

Um die Wanddicke eines beschichteten Werkstücks mit einem üblichen bekannten Ultraschall-Wanddickenmessgerät sicher ermitteln zu können, muss aus den vorstehend dargelegten Gründen zunächst die Schichtdicke mit einem anderen, zuverlässigen Messverfahren bzw. -gerät er mittelt werden. Dazu bieten sich kleine, handliche und ebenfalls batteriebetriebene, bekannte Schichtdicken messgeräte mit ansteckbaren Schichtdickensonden an. Beim Messen mit diesen Geräten wird ebenfalls zunächst die Sonde auf das beschichtete Werkstück aufgesetzt und an der Anzeige des Gerätes die Schichtdicke abgelesen. Die Dicke nichtmagnetischer Schichten auf ferromagne tischen Werkstoffen wird mit sogenannten "magnetinduk tiven Sonden" gemessen (DIN 50981). Diese arbeiten meist im Frequenzbereich von etwa 50 Hertz bis 1000 Hertz. Die Dicke nichtleitender Schichten auf elektrisch leitfähigem Grundmaterial wird mit sogenannten "Wirbelstromsonden" gemessen (DIN 50984). Sie arbeiten mit Frequenzen zwi schen mehreren Kilohertz und einigen Megahertz.To the wall thickness of a coated workpiece with a commonly known ultrasonic wall thickness measuring device To be able to determine reliably, must be from the above reasons set out first the layer thickness with a other, reliable measuring method or device be averaged. Small, handy and also battery-operated, known layer thicknesses measuring devices with attachable layer thickness probes. At the Measuring with these devices is also the first Place the probe on the coated workpiece and read the layer thickness on the display of the device. The thickness of non-magnetic layers on ferromagne table materials with so-called "magnetinduk active probes "(DIN 50981). These usually work in the frequency range from about 50 Hertz to 1000 Hertz. The Thick non-conductive layers on electrically conductive Base material is so-called "eddy current probes" measured (DIN 50984). You work with frequencies between several kilohertz and a few megahertz.

Eine bekannte magnetinduktive Sonde eines bekannten Schichtdickenmessgerätes zur Messung der Dicke einer nichtmagnetischen Schicht SCH auf einem ferromagnetischen Werkstück W ist beispielsweise in Fig. 4 gezeigt. Eine zylindrische Hülse 5 ist mit einem Deckel 5d und einem Mittelstift 5s sowie einer daran angebrachten Aufsetzkugel 5k materialschlüssig verbunden. Die Teile 5, 5d, 5s und 5k sind aus einem magnetisch leitfähigen, d. h. hochperme ablen Material, z. B. Mumetall, gefertigt. Im Innenraum 5i der Hülse 5 befindet sich eine Spule 10, deren Win dungen axialsymmetrisch um den Mittelstift 5s herum gewickelt sind. Ist die Sonde auf das beschichtete Werk stück aufgesetzt, wie in Fig. 4 gezeigt, und die Spule 10 von einem Wechselstrom durchflossen, so erzeugt diese ein axialsymmetrisches und auf das Werkstück gerichtetes Magnetfeld, welches den Mittelstift 5s, die Aufsetzkugel 5k, den Deckel 5d und die äussere Hülse 5 durchläuft und über den Luftspalt 8 und das feromagnetische Werkstück W geschlossen wird. Die Höhe des magnetischen Flusses hängt vom Abstand der Aufsetz kugel 5k und der äusseren Hülse 5 vom ferromagnetischen Werkstoff W ab und somit direkt von der Dicke der Schicht SCH. Die Änderung des magnetischen Flusses mit der Schichtdicke kann durch messtechnische Erfassung der damit verbundenen Änderung einer Sekundärgrösse, etwa der Spuleninduktivität, als auszuwertender Messwert dem angeschlossenen Schichtdickenmessgerät zugeführt werden für die Berechnung der Schichtdicke, die angezeigt wird.A known magnet-inductive probe of a known layer thickness measuring device for measuring the thickness of a non-magnetic layer SCH on a ferromagnetic workpiece W is shown in FIG. 4, for example. A cylindrical sleeve 5 is materially connected to a cover 5 d and a center pin 5 s and an attached ball 5 k. The parts 5 , 5 d, 5 s and 5 k are made of a magnetically conductive, ie highly permeable material such. B. Mumetal. In the interior 5 i of the sleeve 5 there is a coil 10 , the windings are wound axially symmetrically around the central pin 5 s. If the probe is placed left in the coated work, as shown in Fig. 4, and flows through the coil 10 by an alternating current so generated this an axially symmetric and directed onto the workpiece magnetic field that s, k is the Aufsetzkugel 5 the central pin 5, the Cover 5 d and the outer sleeve 5 passes and is closed via the air gap 8 and the feromagnetic workpiece W. The amount of magnetic flux depends on the distance between the ball 5 k and the outer sleeve 5 from the ferromagnetic material W and thus directly from the thickness of the layer SCH. The change in the magnetic flux with the layer thickness can be fed to the connected layer thickness measuring device for the calculation of the layer thickness, which is displayed, by measuring the associated change in a secondary variable, for example the coil inductance, as a measured value to be evaluated.

Besteht die Schicht SCH aus einem nichtleitenden Material und das Werkstück aus einem elektrisch leitfähigen Mate rial, stellt sich eine messtechnisch auswertbare elek trische Rückwirkung des beschichteten Werkstücks auf die Spule 10 erst bei Frequenzen zwischen mehreren Kilo hertz und einigen Megahertz ein. Dann nämlich werden im Werkstück Wirbelströme erzeugt, deren Grösse wiederum vom Abstand des Aufsetzpoles 5k bzw. der Hülse 5 vom Werkstück und damit von der Dicke der Schicht SCH ab hängig ist. Deren Rückwirkung auf die Spule 10 kann auch vom angeschlossenen Schichtdickenmessgerät ausge wertet und zur Ermittlung der gesuchten Schichtdicke verwendet werden. In diesem Fall muss beachtet werden, dass das die Spule 10 umgebende Material elektrisch nichtleitend sein und geringe Ummagnetisierungsverluste aufweisen sollte. Der Werkstoff Ferrit erfüllt diese Anfordernung.If the layer SCH consists of a non-conductive material and the workpiece is made of an electrically conductive material, a metrologically evaluable electrical reaction of the coated workpiece to the coil 10 only occurs at frequencies between several kilohertz and a few megahertz. Then eddy currents are then generated in the workpiece, the size of which in turn depends on the distance of the mounting pole 5 k or the sleeve 5 from the workpiece and thus on the thickness of the layer SCH. Their reaction to the coil 10 can also be evaluated by the connected layer thickness measuring device and used to determine the desired layer thickness. In this case, it must be noted that the material surrounding the coil 10 should be electrically non-conductive and should have low magnetic loss. The material ferrite fulfills this requirement.

Es ist bereits ein Gerät bekannt geworden, mit dem die vorstehend geschilderten, mit den herkömmlichen Geräten nacheinander durchgeführten Messungen mittels einer Kombinationssonde gleichzeitig durchführbar sind und mit dem die dabei erhaltenen Messwerte, nämlich Gesamtlaufzeit eines Ultraschallimpulses im beschichteten Werkstoff und Schichtdicke, mittels eines mit der Sande verbundenen Messgerätes, ausgewertet werden für die Be rechnung und Anzeige der Wanddicke.A device has already become known with which the above, with the conventional Devices carried out measurements one after the other by means of a combination probe can be carried out simultaneously and with which the measured values obtained, namely Total duration of an ultrasonic pulse in the coated Material and layer thickness, using one with the sand connected measuring device, are evaluated for the loading calculation and display of the wall thickness.

In der kombinierten Sonde dieses Geräts, wie sie in den Fig. 5a-5c und 6 schematisch veranschaulicht ist, sind ein Wanddickenprüfkopf WP, wie er z. B. in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, und eine Schichtdickensonde SD an sich bekannter Bauform in einem gemeinsamen Gehäuse G nebeneinander angeordnet. Wenn dieser Sensor nur einmal auf das Werkstück aufgesetzt wird, werden die beiden Messvorgänge der Ultraschall-Wanddickenmessung und der magnetinduktiven oder Wirbelstrom-Schichtdickenmessung unter Durchführung der entsprechenden Auswertevorgänge im Messgerät praktisch gleichzeitig ausgeführt.In the combined probe of this device, as is illustrated schematically in FIGS. 5a-5c and 6, there is a wall thickness test head WP, as it is e.g. B. is shown in FIGS. 1 and 2, and a layer thickness probe SD of known design in a common housing G arranged side by side. If this sensor is placed only once on the workpiece, the two measuring processes of the ultrasonic wall thickness measurement and the magneto-inductive or eddy current layer thickness measurement are carried out practically simultaneously by carrying out the corresponding evaluation processes in the measuring device.

Dieses bekannte Gerät hat jedoch den erheblichen Nachteil, dass die beiden Messungen, welche die Grundlage der Be rechnungen bilden, nicht von derselben Messstelle an der Werkstückoberfläche stammen. Wenn die Schicht- oder Wanddicke im Bereich der Messstellen starke lokale Schwan kungen aufweist, wird die primär interessierende Wand dicke beim Arbeiten mit den bekannten Kombinationssonden nicht richtig ermittelt und angezeigt.However, this known device has the considerable disadvantage that that the two measurements that form the basis of Be form invoices, not from the same measuring point at the Workpiece surface. If the layer or wall thickness strong local swan in the area of the measuring points the primary wall of interest thick when working with the known combination probes not correctly determined and displayed.

Besondere Schwierigkeiten treten auch bei der Ankopplung des in den Fig. 5a-c und 6 skizzierten Sensors an der Oberfläche eines gekrümmten Werkstücks auf, wie Fig. 6 erkennen lässt. Wegen der starren Verbindung der beiden Sensoren kann weder der Ultraschall-Prüfkopf WP noch der Schichtdickensensor SD in hinreichenden Kontakt mit der Werkstückoberflächenbeschichtung gebracht werden. Es verbleibt immer ein Spalt 9, dessen Dicke S durch die Krümmung des Werkstücks und durch den Abstand L der beiden Sensoren WP und SD bestimmt ist. Dieser von der Bauteilgeometrie abhängige Spalt 9 führt zu zusätzlichen Messungenauigkeiten. Er kann aber auch zur Folge haben, dass überhaupt keine Messung zustande kommt, weil die in das Werkstück übertragbare Ultraschallintensität mit der Dicke des Spaltes 9 drastisch abnimmt.Particular difficulties also arise when the sensor sketched in FIGS. 5a-c and 6 is coupled to the surface of a curved workpiece, as can be seen in FIG. 6. Due to the rigid connection of the two sensors, neither the ultrasonic test head WP nor the layer thickness sensor SD can be brought into sufficient contact with the workpiece surface coating. There is always a gap 9 , the thickness S of which is determined by the curvature of the workpiece and by the distance L between the two sensors WP and SD. This gap 9 , which is dependent on the component geometry, leads to additional measurement inaccuracies. However, it can also have the consequence that no measurement takes place at all, because the ultrasound intensity that can be transmitted into the workpiece drastically decreases with the thickness of the gap 9 .

Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, ein Ver fahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, welche bei ge ringem technischem Aufwand und leichter Durchführbarkeit bzw. Herstellbarkeit die genaue kombinierte Schicht- und Wanddickenmessung bei beschichteten Werkstücken in einem Arbeitsgang ermöglichen, auch bei gekrümmten Ober flächen.The invention has for its object a Ver drive and show a device, which at ge low technical effort and easy feasibility or manufacturability the exact combined layer and wall thickness measurement for coated workpieces in enable one operation, even with a curved upper areas.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Ansprüche 1 und 4. Weitere Ausgestaltungen der Erfin dung sind Gegenstand der Unteransprüche.The achievement of this object is the subject of claims 1 and 4. Further refinements of the invention are subject of the subclaims.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer beispielsweise Ausführungsform näher erläutert, die in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist. Diese zeigen: The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment which is illustrated in FIGS. 7 and 8. These show:

Fig. 7: eine auf eine Messstelle aufgesetzte Sonde im Schnitt nach Linie VII-VII der Fig. 8 und Fig. 7: one attached to a measuring point probe in section according to line VII-VII of Figure 8, and.

Fig. 8: eine Draufsicht auf den Innenausbau einer Sonde gemäß Fig. 7. FIG. 8 is a plan view of the interior of a probe of FIG. 7.

Die Messvorrichtung besteht aus einer kombinierten Sonde für Ultraschall und elektromagnetische Wellen, die über Kabel mit einer nicht gezeigten Auswerte- und Anzeigeeinheit, z. B. einem Mikroprozesor, verbunden bzw. verbindbar ist. Die Fig. 7 und 8 zeigen eine bei spielsweise Ausführung einer solchen Sonde. Sie weist einen innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 5 aus einem hochpermeablen Material, z. B. Ferrit, zentral angeordneten Ultraschallprüfkopf auf mit einem piezo elektrischen Schwinger 1s, der über nicht dargestellte elektrische Leitungen, die an seiner metallisierten Ober- und Unterseite angelötet sind, mit mit einem nicht gezeigten elektrischen Signalgeber (Auswerteein heit) verbunden bzw. verbindbar ist und in dieser Ver bindung als Ultraschallsender wirkt, der bei auf die Messstelle aufgesetzter Sonde Ultraschallimpulse in Richtung auf die Werkstückwand aussendet.The measuring device consists of a combined probe for ultrasound and electromagnetic waves, which is connected via cable to an evaluation and display unit, not shown, e.g. B. a microprocessor, is connected or connectable. FIGS. 7 and 8 show an example when game execution of such a probe. It has a inside a cylindrical housing 5 made of a highly permeable material, e.g. B. ferrite, centrally located ultrasonic probe on with a piezoelectric vibrator 1 s, which is connected or connectable to a not shown electrical signal transmitter (evaluation unit) via electrical lines, not shown, which are soldered to its metallized top and bottom and in this connection acts as an ultrasonic transmitter which, when the probe is placed on the measuring point, emits ultrasonic pulses in the direction of the workpiece wall.

Ein weiterer piezoelektrischer Schwinger 1e ist über (nicht dargestellte, an seine metallisierten Ober- und Unterseite angelötete) elektrische Leitungen mit der Auswerteeinheit verbunden bzw. verbindbar. Der Schwinger 1e ist als Empfänger im Weg der ersten Impuls rückwandecho's angeordnet.Another piezoelectric oscillator 1 e is connected or connectable to the evaluation unit via electrical lines (not shown, soldered to its metallized upper and lower side). The oscillator 1 e is arranged as a receiver in the path of the first impulse back wall echo.

Da beim Durchgang eines Ultraschallimpulses durch eine Beschichtung immer ein Teil der Energie durch Mehrfach reflexionen in der Schicht verloren geht, sollte die Em pfindlichkeit des Ultraschall-Sensors möglichst hoch sein. Daher empfiehlt sich die Verwendung von Piezokompositen als piezoelektrische Schwinger, da diese gegenüber her kömmlichen Piezokeramiken einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Since when an ultrasound pulse passes through a Coating always a part of the energy through multiple reflections are lost in the layer, the Em sensitivity of the ultrasonic sensor should be as high as possible. Therefore, the use of piezo composites is recommended as a piezoelectric vibrator, because these are opposite conventional piezoceramics have a higher efficiency exhibit.

Die Schwinger 1s, 1e sind auf dem abgeschrägten Ende je eines halbzylindrischen Schwingerträgers 2s, 2e aus einem gut schallleitfähigen Material befestigt. Die beiden Schwingerträger 2s, 2e sind durch eine Isolationswandung 3 akustisch voneinander getrennt.The oscillators 1 s, 1 e are attached to the bevelled end of a semi-cylindrical oscillator carrier 2 s, 2 e made of a sound-conductive material. The two oscillator supports 2 s, 2 e are acoustically separated from one another by an insulation wall 3 .

Den Ultraschallsensor umgibt ein koaxial zu dessen Mittelachse angeordneter, elektromagnetische Schwin gungen aussendender Sensor für die magnetinduktive bzw. Wirbelstrom-Schichtdickenmessung. Dieser besteht aus mehreren, von der zylindrischen Hülse 5 getragenen Drahtwicklungen, die eine Spule 10 bilden, die mit einer (nicht gezeigten) Wechselstromquelle verbunden bzw. verbindbar ist, welche mittels der Spule 10 ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, dessen magne tische Feldlinien bei aufgesetzter Sende axialsymme trisch zur Mittelachse der eingestrahlten bzw. reflek tierten Ultraschallimpulse die Beschichtung SCH durch dringen und sich auf der dem Werkstück zugewandten Seite über das Werkstück schliessen und auf der dem Werkstück abgewandten Seite über Luft. Die den Ultra schall-Prüfkopf bildenden Teile 1 bis 3 sind für die Funktion des Schichtdickensensors ohne Bedeutung, da sie aus Materialien wie Kunststoff und piezoelektrischer Keramik bestehen, deren relative Permeabilität äusserst gering ist und die daher - ähnlich wie Luft - keinerlei magnetischen Einfluss ausüben.The ultrasonic sensor is surrounded by a sensor which is arranged coaxially with its central axis and which emits electromagnetic vibrations for the magnetic induction or eddy current layer thickness measurement. This consists of several, supported by the cylindrical sleeve 5 wire windings, which form a coil 10 , which is connected or can be connected to an (not shown) AC power source, which generates an electromagnetic alternating field by means of the coil 10 , the magnetic field lines of which when the transmission is attached axially symmetrical to the central axis of the radiated or reflected ultrasonic pulses penetrate the coating SCH and close on the side facing the workpiece via the workpiece and on the side facing away from the workpiece via air. The parts 1 to 3 forming the ultrasound probe are of no importance for the function of the layer thickness sensor, since they consist of materials such as plastic and piezoelectric ceramic, the relative permeability of which is extremely low and which, like air, therefore has no magnetic influence whatsoever.

Zum mechanischen Schutz der Anordnung ist diese in einer weiteren Hülse oder einem unten offenen Topf 11 untergebracht, die bzw. der im Falle einer magnet induktiven Schichtdickenmessung aus einem nicht-magne tischen Material, z. B. Edelstahl, bestehen muss, im Falle einer Wirbelstrom-Schichtdickenmessung aus einem elektrisch nichtleitenden und nichtmagnetischen Ma terial, z. B. Kunststoff. For mechanical protection of the arrangement, this is accommodated in a further sleeve or a pot 11 which is open at the bottom and which, in the case of a magnetically inductive layer thickness measurement, is made of a non-magnetic material, e.g. B. stainless steel, must exist, in the case of an eddy current layer thickness measurement from an electrically non-conductive and non-magnetic Ma material, for. B. plastic.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung arbeitet nach fol gendem Messverfahren:
Der vom Piezoelement 1s erzeugte Ulraschallimpuls breitet sich bei auf die Messstelle aufgesetzter Sonde über die Schallwege ST1 und ST2 aus und gelangt zum Empfänger 1e. Aus dessen Ausgangsspannung U wird in der Auswertung die Gesamt-Ultraschalllaufzeit im beschichteten Werkstück ermittelt.The device according to the invention works according to the following measurement method:
The ultrasonic pulse generated by the piezo element 1 s propagates through the sound paths ST1 and ST2 when the probe is placed on the measuring point and reaches the receiver 1 e. From the output voltage U, the total ultrasonic transit time in the coated workpiece is determined in the evaluation.

Das mittels der Spule 5 im Werkstück erzeugte Magnetfeld übt eine Rückwirkung auf die Spulenwicklungen aus, die eine Funktion des Abstandes der Spule vom Werkstück, d. h. der Dicke der Werkstückbeschichtung, ist. Diese Rückwirkung wird messtechnisch erfasst und in der Aus wertung zur Ermittlung der Schichtdicke verwertet. Aus dieser wird unter Verwertung des in die Auswerte einheit einzugebenden Wertes der Ultraschallgeschwin digkeit im Schichtmaterial die Schalllaufzeit in der Schicht berechnet. Diese wird von der ermittelten Ge samt-Schalllaufzeit abgezogen. Aus dem erhaltenen Diffe renzwert - der Schalllaufzeit in der Wandung - wird mit Hilfe des in die Auswerteeinheit einzugebenden Wertes der Schallgeschwindigkeit im Wandungsmaterial die Wanddicke berechnet. Die erhaltenen Dickenwerte werden der Anzeigeeinheit zur Anzeige zugeführt.The magnetic field generated by means of the coil 5 in the workpiece exerts a reaction on the coil windings, which is a function of the distance of the coil from the workpiece, ie the thickness of the workpiece coating. This reaction is recorded by measurement and used in the evaluation to determine the layer thickness. From this, the sound propagation time in the layer is calculated using the value of the ultrasonic speed in the layer material to be entered in the evaluation unit. This is deducted from the total sound propagation time determined. The wall thickness is calculated from the difference value obtained - the sound propagation time in the wall - using the value of the speed of sound in the wall material to be entered in the evaluation unit. The thickness values obtained are fed to the display unit for display.

Im Falle einer unmagnetischen Beschichtung auf einem ferromagnetischen Werkstoff wird ein niederfrequenter Wechselstrom, vorzugsweise zwischen 50 Hertz und 1000 Hertz, zur Spulenanregung verwendet, im Falle einer elektrisch nichtleitenden Schicht auf einem elektrisch leitfähigen Werkstück ein hochfrequenter Wechselstrom, vorzugsweise zwischen wenigen Kilohertz und einigen Megahertz, damit im Werkstück Wirbelströme erzeugt wer den, deren Amplitude hinsichtlich einer messtechnisch aus wertbaren Rückwirkung auf die Spule hinreichend hoch ist. In the case of a non-magnetic coating on one ferromagnetic material becomes a low frequency AC, preferably between 50 Hertz and 1000 Hertz, used for coil excitation, in the case of a electrically non-conductive layer on an electrically conductive workpiece a high-frequency alternating current, preferably between a few kilohertz and a few Megahertz, so that eddy currents are generated in the workpiece the whose amplitude with respect to a measurement technology valuable feedback on the coil is sufficiently high.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und be schriebene Ausführungsform beschränkt. Vor allem können die Sensoren andere als die beispielsweise angegebenen Ausführungen haben.The invention is not shown and be limited embodiment. Above all, can the sensors other than those specified, for example Have designs.

Der Ultraschallprüfkopf kann als Einschwingerprüfkopf (Senkrecht-Prüfkopf oder Delay-Line-Prüfkopf) bekannter oder fachmännisch abgewandelter Bauform ausgebildet sein.The ultrasonic test head can be used as a single-swing test head (Vertical test head or delay line test head) or a professionally modified design.

Das Spulensystem der Sonde für die Schichtdickenmessung kann mit nur einer Spule ausgerüstet sein, die quasi zugleich Erreger- und Empfängerspule ist. Es können auch zwei solcher Spulen mit unterschiedlichem Durch messer in koaxialer Anordnung vorhanden sein. Die Sonde kann auch zwei konzentrisch gewickelte Spulen aufweisen, von denen die eine als Erregerspule wirkt, die andere als Empfängerspule. Eine weitere mögliche Variante ist die Anordnung mit einer Erregerspule und einer zweigeteilten Empfängerspule, deren beide Spulenteile entgegengesetzt gewickelt und in Serie geschaltet sind, sodass nur die Differenz der Induktionsschaltungen zur Auswertung kommt.The coil system of the probe for layer thickness measurement can be equipped with only one coil, the quasi is both excitation and receiver coil. It can also two such coils with different diameters knives in a coaxial arrangement. The probe can also have two concentrically wound coils, one of which acts as an excitation coil, the other as a receiver coil. Another possible variant is the arrangement with one excitation coil and one two-part receiver coil, both of which are coil parts are wound in opposite directions and are connected in series, so that only the difference between the induction circuits Evaluation is coming.

Die Spulenwindungen 10 können statt aussen an der Hülse 5 an deren Innenseite angebracht sein. In diesem Fall könnte die Hülse 5 die Funktion eines gemeinsamen Sonden gehäuses übernehmen, sodass ein zusätzliches Aussen gehäuse 11 entfallen könnte. Auch können Hülse 5 und Spule 10 eine andere geeignete als die zylindrische Form haben.The coil turns 10 can be attached to the inside of the sleeve 5 instead of outside. In this case, the sleeve 5 could take over the function of a common probe housing, so that an additional outer housing 11 could be omitted. The sleeve 5 and the coil 10 can also have a suitable shape other than the cylindrical shape.

Der weichmagnetische Topf der Kombinationssonde kann sowohl mit einem Deckel als auch mit einem Mittelpol versehen sein. Der Mittelpol kann als Stift oder als dünne Folie ausgestaltet sein, der bzw. die in die Trennwand 3 eingebaut ist. The soft magnetic pot of the combination probe can be provided with a lid as well as with a central pole. The center pole can be designed as a pin or as a thin film which is built into the partition 3 .

Entscheidend ist, dass in der Sonde ein Ultraschallsensor für die Messung der Gesamt-Impulslaufzeit in Wand und Beschichtung und ein Sensor für die Messung der Schicht dicke, der nach dem magnetinduktiven Verfahren oder dem Wirbelstromverfahren betreibbar ist, derart unter gebracht sind, dass die Mittelachsen beider Sensoren übereinstimmen und die mit der Vorrichtung messende Person sowohl die Ultraschallmessung als auch die Schicht dickenmessung konstruktionsbedingt zwangsläufig im gleichen Messvorgang an ein und derselben Messstelle des Werkstücks vornimmt. Das bedeutet nicht, dass auch die beiden Sensoren bei einer Messung gleichzeitig in Funktion treten müssen. Sie können auch bei jeder einzelnen Messung mit kurzem zeitlichen Versatz in Betrieb treten oder in schneller alternierender Folge, ohne dass dies für die Bedienungsperson ohne weiteres erkennbar ist oder den Messvorgang merkbar in die Länge zieht.It is crucial that an ultrasonic sensor is in the probe for measuring the total pulse duration in wall and Coating and a sensor for measuring the layer thickness, which according to the magnetic induction method or the eddy current process is operable, such as are brought up that the central axes of both sensors agree and the measuring with the device Person both the ultrasound measurement and the shift thickness measurement inevitably due to the construction same measuring process at one and the same measuring point of the workpiece. That doesn't mean that too the two sensors during a measurement at the same time must function. You can also at everyone single measurement with a short time offset in Start operating or in rapid alternating sequence, without this being easy for the operator is recognizable or the measuring process is noticeable in length draws.

Claims

1. Method for combined wall and layer thickness measurement in coated workpieces by means of a combined probe for ultrasound and electromagnetic waves, which is to be connected or connected to an evaluation and display unit (microprocessor) via cable .
in which an ultrasonic pulse is introduced into the workpiece by means of the attached probe, the first echo pulse reflected by the workpiece back wall is collected by a probe ultrasonic sensor ( 1 e), the output voltage of which is fed to the evaluation unit,
and in which, by means of the attached probe, an alternating electromagnetic field is brought into effect at the same measuring point, the magnetic field lines of which penetrate the coating axially symmetrically to the central axis of the ultrasonic sensor and close over the workpiece and whose effect on the layer thickness, which is dependent on the layer thickness, in a manner known per se the magnetic induction method or the eddy current method is measured and fed to the evaluation unit as an evaluable measured value,
After which the total pulse duration in the coated workpiece is determined in the evaluation unit from the measurement data transmitted by the ultrasound sensor and the layer thickness from the measurement data received from the electromagnetic field generator, and the pulse duration in the layer is determined from this, including the speed of sound in the layer material the total pulse duration is subtracted so that the difference is the pulse duration in the wall, from which the wall thickness is calculated, including the layer thickness, using the speed of sound in the wall material.

2. The method according to claim 1, characterized in that that with non-magnetic coating on ferromag the electromagnetic alternating field for the layer thickness determination using a low frequency alternating current one between 50 Hertz and 1000 Hertz lying frequency is generated.

3. The method according to claim 1, characterized in that with an electrically non-conductive coating the electro on an electrically conductive material alternating magnetic field for layer thickness measurement by means of a high-frequency alternating current preferably between a few kilohertz and a few mega hertz lying frequency is generated in the material Eddy currents generated whose amplitude is sufficiently high is for a retroactive measurement that can be evaluated on the generator coil.

4. Device for combined wall and layer thickness measurement in coated workpieces with a probe for ultrasound and electromagnetic waves to be placed on a coated workpiece surface, which is connected or can be connected via cable to an evaluation and display unit, characterized in that
that an ultrasound probe equipped with at least one piezoelectric oscillator ( 1 s, 1 e) for emitting ultrasound pulses when the probe is placed on the measuring point in the direction of the workpiece back wall and for receiving the first pulse back wall echo is arranged centrally in the probe sensor area, the oscillator ( 1 s) connected or to be connected in the transmitter function to an electrical signal transmitter and the oscillator ( 1 e) in the receiver function with its voltage output is connected or to be connected to the evaluation unit,
and that the probe has at least one coil arrangement ( 10 ) coaxial with the central axis of the ultrasound test head, connected or connectable to an alternating current source, with at least one coil with which an alternating electromagnetic field is provided in a predetermined time relation to the operation of the ultrasound test head (preferably overlapping with it in time ) is generated, the magnetic field lines with the probe attached axially symmetrical to the central axis of the radiated and reflected ultrasonic impulses penetrate the coating and close over the workpiece, and its layer-thickness-dependent electromagnetic reaction to the coil arrangement ( 10 ) is measured and measured as an initial value for the layer thickness determination is fed or can be fed to the evaluation unit,
and that the evaluation unit has the following circuits:
a circuit downstream of the ultrasonic sensor of the probe for determining the total pulse duration by means of the received oscillator output voltage,
a circuit downstream of the layer thickness measurement circuit of the probe for calculating the layer thickness from the coil reaction values and for calculating the ultrasound pulse transit time in the layer from the layer thickness and the ultrasound speed which can be entered in the layer material,
and a circuit connected downstream of these two circuit units for subtracting the calculated pulse transit time in the coating from the total pulse transit time and for calculating the wall thickness from the calculated pulse transit time in the wall and the ultrasound speed that can be entered in the wall material,
wherein the calculation circuits are associated with display units for displaying the calculated thickness values.

5. The device according to claim 4, characterized in that in the case of non-magnetic coating on ferromagnetic material, the coil ( 10 ) is switched on or can be switched on to a low-frequency alternating current source, the frequency of which is between 50 Hertz and 1000 Hertz.

6. The device according to claim 4, characterized in that in the case of electrically non-conductive coating on electrically conductive material, the coil ( 10 ) is switched on or can be switched on to a high-frequency alternating current source, the frequency of which is preferably between a few kilohertz and a few megahertz and the eddy currents in the material generated, the amplitude of which is sufficiently high for a metrologically evaluable reaction to the generator coil ( 10 ).

7. The device according to at least one of claims 4 to 6, characterized in that the ultrasonic test head of the probe has separate piezoelectric transmitter and receiver transducers ( 1 s, 1 e), each in a cylindri's housing ( 5 ) on the beveled end a semi-cylindrical transducer carrier ( 2 s, 2 e) made of material with good sound-conducting properties and acoustically separated from one another by an insulation piece ( 3 ) and from which the transmitter ( 1 s) with an electrical transmission signal generator and the receiver ( 1 e) for tapping the output voltage is connected to the runtime calculation circuit of the evaluation unit.

8. The device according to at least one of claims 4 to 6, characterized in that the ultrasonic probe as a single-head probe (vertical probe or delay Line probe) is designed in which the same piezoelectric trical vibrating element generates and receives ultrasound.

9. The device according to at least one of claims 4 to 8, characterized by piezo composites as piezoelectric vibrators ( 1 s, 1 e).

10. The device according to at least one of claims 4 to 9, characterized in that the layer thickness probe ( 10 ) is switched on each time the ultrasonic transmitter is switched off ( 1 s) and is switched off again when the ultrasonic transmitter ( 1 s) is switched on.

11. The device according to at least one of the claims 4 to 9, characterized in that the layer thicknesses probe and the ultrasound probe alternate rapidly Measurement sequence can be switched on or off.

12. The device according to at least one of claims 4 to 11, characterized in that the layer thickness probe through a preferably cylindrical sleeve ( 5 ) made of a highly permeable material and an inner half or outside of this sleeve ( 5 ) arranged coaxially to this and corresponding to the sleeve ( 5 ) shaped coil ( 10 ) is formed.

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that with the coil ( 10 ) arranged inside the sleeve ( 5 ), the sleeve ( 5 ) is designed as a common probe housing.

14. The apparatus according to claim 12, characterized in that at the outside of the sleeve ( 5 ) arranged coil ( 10 ) a further sleeve or a pot open at the bottom ( 11 ) forms the probe housing, which in the case of a magnet-inductive layer thickness measurement made of a non-magnetic material , e.g. As stainless steel, there is, in the case of a Belstromdickenmessung from an electrically non-conductive and non-magnetic material, for. B. plastic.

15. The device according to at least one of claims 4 to 14, characterized by a center pole arranged in the region of the acoustic separating layer ( 3 ) of the ultrasonic test head at the bottom of the layer thickness probe, which consists of soft magnetic film, a soft magnetic pin or ferrite.