-
Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit Cb in einem Basismaterial
unter Verwendung eines Ultraschallprüfkopfes, der einen Sendeschwinger,
einen Empfangsschwinger und einen Vorlaufkörper aufweist, wobei der Vorlaufkörper a)
eine Koppelfläche
hat, mit der der Prüfkopf
an das Basismaterial ankoppelbar ist, b) den Empfangsschwinger sowie
den Sendeschwinger aufnimmt und c) eine Schallgeschwindigkeit Cv
hat, der Sendeschwinger und der Empfangsschwinger jeweils schräg zueinander
und schräg
zur Koppelfläche
ausgerichtet sind, sodass eine Hauptsenderichtung des Sendeschwingers
und eine Hauptempfangsrichtung des Empfangsschwingers sich unterhalb
der Koppelfläche schneiden,
Sendeschwinger und Empfangsschwinger einen Mittenabstand K voneinander
haben, der Sendeschwinger einen Mittenabstand Ds von der Koppelfläche und
der Empfangsschwinger einen Abstand De von der Koppelfläche hat,
bei welchem Verfahren ein Ultraschallimpuls vom Sendeschwinger erzeugt
wird, durch den Vorlaufkörper
in das Basismaterial läuft,
dort eine Kriechwelle hervorruft und von dieser ein Teil über den Vorlaufkörper den
Empfangsschwinger erreicht sowie auf eine entsprechende Vorrichtung.
-
Die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
Cb ist Voraussetzung dafür,
die Wanddicke des Basismaterials bestimmen zu können. Zwar ist es bekannt,
die Wanddicke eines Basismaterials durch Mehrfachreflexion eines
Impulses an einer Eintrittsfläche
und einer Rückfläche des
Basismaterials zu bestimmen, dieses Verfahren setzt aber ausreichend
spiegelnde und damit glatte Flächen,
insbesondere eine ausreichend glatte Rückfläche voraus, damit es zu mehrfachen
Hin- und Herläufen
im Basismaterial kommt. Bei rauhen Rückflächen lässt sich dieses Verfahren nicht
anwenden, vielmehr ist man auf einen einmaligen Hin- und Herlauf
angewiesen. Über
die Schallgeschwindigkeit Cb kann dann die Wandstärke ermittelt
werden.
-
Aus
US
6,035,717 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
der Dicke eines beschichteten Basismaterials bekannt. Bei diesem
Verfahren wird für
die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit Cb des Basismaterials zunächst das
unbeschichtete Basismaterial gemessen, es wird ein Impuls von einem
Sendeschwinger durch den Vorlaufkörper in das Basismaterial eingeschallt,
wo eine Kriechwelle erzeugt wird, von der wieder ein Anteil auskoppelt
und vom Empfangsschwinger empfangen wird. Insoweit besteht Übereinstimmung
mit der Erfindung.
-
Der Weg dieses Impulses wird gemäß
US 6,035,717 nun aber als
fest vorgegeben angenommen. Dem Erfinder dieser US-Patentschrift
war, so hat es den Anschein, wohl bewusst, dass diese Annahme eines
geometrisch festen Weges entlang der Hauptstrahlen gewisse Ungenauigkeiten
in der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit Cb bringt. Er schlägt daher
in praktischen Anweisungen vor, die Abstände der beiden Schwinger von
der Koppelfläche
möglichst
gering zu halten. Dadurch wird in der Tat die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
im Basismaterial genauer, anders ausgedrückt wird die Ungenauigkeit
verringert. Nun hat aber ein Prüfkopf
mit kurzer Schalllaufstrecke des Vorlaufkörpers den Nachteil, dass nur
wenig Material des Vorlaufkörpers für die bei
jeder praktischen Prüfung
stattfindende Abnut zung des Vorlaufkörpers zur Verfügung steht,
der Prüfkopf
also früher
erneuert werden muss, als ein Prüfkopf
mit größerer Vorlaufstrecke.
-
Hier setzt nun die Erfindung ein.
Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, das Verfahren nach der
US 6,035,717 A dahingehend
weiterzuentwickeln, dass die Schallgeschwindigkeit Cb im Basismaterial
genauer bestimmt wird, dass damit auch präziser die Dicke einer Schicht
auf diesem Basismaterial bestimmbar ist, und dass ein Prüfkopf verwendet
werden kann, der eine für
die Praxis ausreichend dicke Vorlaufstrecke aufweisen kann.
-
Gelöst wird diese Aufgabe ausgehend
von den eingangs genannten Merkmalen und diese einschließend dadurch,
dass die kürzeste
Schalllaufzeit Ttot gemessen wird und die Schallgeschwindigkeit
Cb im Basismaterial bestimmt wird über denjenigen Weg, der zwischen
Sendeschwinger und Empfangsschwinger in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit
die kürzeste
Gesamtlaufzeit Ttot liefert.
-
Bei diesem Verfahren wird der Umstand
berücksichtigt,
dass der Weg, den der Impuls durch den Vorlaufkörper, entlang der Oberfläche des
Basismaterials (als Oberflächenwelle)
und zurück
durch den Vorlaufkörper
nimmt, neben den vorbekannten Größen K, Dv
und Cv beeinflusst wird (K = Mittelpunktsabstand der Kontaktflächen der
Schwinger, Dv = Mittelpunktsabstand der Kontaktfläche eines
Schwingers von der Koppelfläche)
durch die Schallgeschwindigkeit Cb. Ist diese im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit
Cv im Vorlaufkörper
relativ groß,
so wird auch der Anteil der Laufstrecke Sb entlang der Oberfläche des
Basismaterials relativ groß.
Ist dagegen die Schallgeschwindigkeit Cb im Basismaterial relativ
klein, so wird die Laufstrecke Sb der Oberflächenwelle im Basismaterial
relativ kurz, die Laufstrecken Sv innerhalb des Vorlaufkörpers werden
dagegen länger. Ähnliche
Verhältnisse
liegen auch bei der Lichtbrechung zwischen unterschiedlichen optischen Medien,
beispielsweise Wasser und Luft, vor. Auch in diesem Fall ist der
geometrisch kürzeste
Weg nicht der zeitlich kürzeste
Weg für
einen Lichtimpuls.
-
Die Leistung der Erfindung besteht
nun darin, erkannt zu haben, dass das Erfassen der kürzesten Laufzeit
Ttot des Ultraschallimpulses und ein Optimieren aller möglichen
Schalllaufwege zu demjenigen Schalllaufweg hin, der die kürzeste Gesamtlaufzeit
als Funktion von Cb liefert, eine präzise Aussage über die Schallgeschwindigkeit
Cb im Basismaterial liefert. Der Erfindung liegen somit die tatsächlichen
Wege zugrunde, die ein Schallimpuls zurücklegt. Sie macht keine Annahmen über den
Weg, wie dies in der
US
6,035,717 A der Fall ist. Die Fehler dieses vorbekannten
Messverfahrens und der entsprechenden Vorrichtung werden daher erfindungsgemäß vermieden.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der
Erfindung ergeben sich aus den übrigen
Ansprüchen
sowie der nun folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu
verstehender Ausführungsbeispiele
der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung im folgenden
näher erläutert werden,
dabei wird auch das erfindungsgemäße Verfahren erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
-
1 eine
prinzipielle Darstellung in Seitenansicht eines Prüfkopfes
mit zwei Schwingern, der an ein Basismaterial angekoppelt ist, die
einzelnen Teilstrecken des Gesamtweges sind dargestellt,
-
2 die
Darstellung gemäß 1 mit eingezeichneten Laufstrecken,
Schallgeschwindigkeiten usw.,
-
3 eine
Darstellung wie 1, jedoch
hat nun zusätzlich
das Basismaterial eine dünne
Schicht (ein Coating), beispielsweise eine Farbe, einen Metallüberzug oder
eine Kunststoffbeschichtung, und
-
4 eine
Darstellung ähnlich 1, jedoch nun mit zwei zusätzlichen Schwingern
für eine
Wanddickenmessung.
-
Der in 1 gezeigte
Prüfkopf
hat einen speziell geformten, im wesentlichen prismatischen Vorlaufkörper 20.
Dieser hat eine ebene Koppelfläche 22,
auch aktive Fläche
genannt und dieser gegenüberliegend Abschrägungen,
an denen ein Sendeschwinger 24 bzw. ein Empfangsschwinger 26 gehalten
sind, insbesondere aufgekittet sind. Beide Schwinger 24, 26 sind
baugleich. Sie sind schräg
zueinander und auch schräg
zur Koppelfläche 22 angeordnet.
Auf diese Anordnung wird im folgenden näher eingegangen.
-
Eine Mittelsenkrechte, also eine
rechtwinklig zur Kontaktfläche
des Schwingers mit dem Vorlaufkörper 20 und
durch den Mittelpunkt dieser Kontaktfläche des Schwingers verlaufende
Linie verläuft
in einem bestimmten Winkel zur Koppelfläche 22, dieser Winkel
beträgt
(90°-αv)
und ist für
beide Schwinger 24, 26 gleich. Weiterhin liegen
die jeweiligen Mittelsenkrechten in derselben Ebene, nämlich in
der Ebene der 1.
-
Dies kann auch anders ausgedrückt werden:
Die beiden Schwinger 24, 26 sind klappsymmetrisch
zu einer Symmetrieebene 32 angeordnet. Sie sind so schräg zur Koppelfläche 22 gestellt,
dass in einem Basismaterial 34, an das der Vorlaufkörper 20 über geeignete,
an sich bekannte Mittel angekoppelt ist, eine Oberflächenwelle 35 erzeugt
wird, worauf noch im einzelnen eingegangen wird.
-
Eine im wesentlichen entlang der
Symmetrieebene 32 vorgesehene Trennschicht 36 sorgt
dafür,
dass ein direktes Übersprechen
(cross talk) zwischen Sendeschwinger 24 und Empfangsschwinger 26 unterbunden wird.
-
Die angegebenen Mittelsenkrechten
fallen üblicherweise
mit einem Hauptstrahl, also einem Hauptsendestrahl 38 und
einem Hauptempfangsstrahl 40 zusammen.
-
Die Schallgeschwindigkeit Cv im Vorlaufkörper 20 ist
bekannt. Bekannt ist auch der Abstand K zwischen den Flächenmittelpunkten
der beiden Schwinger 24, 26. Schließlich sind
der Abstand des Flächenmittelpunktes
des Sendeschwingers 24 von der Koppelfläche 22 und der Abstand
des Mittelpunktes des Empfangsschwingers 26 von der Koppelfläche 22 bestimmbar
und somit bekannt. Aufgrund der Symmetrie haben beide den Wert Dv.
Mit Hilfe nur dieser Vorgaben ist es nun möglich, die Schallgeschwindigkeit
Cb im Basismaterial 34 zu bestimmen. In einem weiteren
Schritt kann man dann die Dicke, also die Wanddicke Db des Basismaterials 34 bestimmen.
-
Wenn die Schallgeschwindigkeit Cb
im Basismaterial 34 etwa so groß ist wie die Schallgeschwindigkeit
von Stahl, ist der kürzeste
Weg eines Schallimpulses vom Sendeschwinger 24 zum Empfangsschwinger 26 der
folgende: Der Impuls läuft
entlang des Hauptsendestrahls, dann als Oberflächenwelle 35 im Basismaterial 34 und
schließlich
wieder entlang des Hauptempfangstrahls 40 in den Empfangsschwinger 26.
Dieser Weg ist in 1 gestrichelt
eingezeichnet, er verläuft
entlang dem Hauptsendestrahl 38 und dem Hauptempfangsstrahl 40.
-
Ist nun aber die Schallgeschwindigkeit
Cb im Basismaterial 34 kleiner als diejenige von Stahl,
so wird der Schallweg möglichst
viel Strecke innerhalb des Vorlaufkörpers 20 nutzen, die
Länge der
Strecke Sb, die durch die Oberflächenwelle 38 im
Basismaterial 34 realisiert ist, wird kurz. Dieser Fall
ist in 1 durch einen gepunktet
dargestellten Schalllaufweg 42 dargestellt.
-
Ist andersherum die Schallgeschwindigkeit
Cb im Basismaterial größer als
diejenige Stahl, wird die Schallstrecke Sv innerhalb des Vorlaufkörpers 20 kurz
zugunsten einer längeren
Laufstrecke Sb als Oberflächenwelle 35.
Dieser Fall ist in 1 durch
den strichpunktierten Schalllaufweg 44 dargestellt.
-
Zur Vereinfachung der Darstellung
ist in 1 lediglich der
komplette Schalllaufweg gestrichelt dargestellt, der entlang der
Hauptstrahlen 38, 40 verläuft. Man erkennt, dass die
Laufstrecke Sb der Oberflächenwelle 35 eine
Funktion der Schallgeschwindigkeit Cb im Basismaterial 34 ist
und zudem von den konstanten Größen K, Cv
und Dv abhängt.
Erfindungsgemäß wird die
Schallgeschwindigkeit Cb im Basismaterial 34 über die
Optimierung des zugehörigen
Schalllaufweges erhalten. Es wird also der Schalllaufweg zugrunde
gelegt, der die kürzeste
Gesamtlaufzeit Ttot als Funktion der zu ermittelnden Schallgeschwindigkeit
Cb liefert.
-
Nun nimmt zwar die Amplitude des
Schalldrucks ab, je größer der
Winkel zum Hauptstrahl ist. Misst man jedoch lediglich das Signal
mit kürzester
Gesamtlaufzeit Ttot, so ist man innerhalb gewisser Grenzen von der
Amplitude des Empfangssignals unabhängig. Ideal wäre es, wenn
die Schwinger 24, 26 Kugelstrahler wären, dies
ist jedoch nicht der Fall. Innerhalb der in der Praxis vorkommenden
Schallgeschwindigkeiten macht sich der Einfluss der nicht kugelförmigen Abstrahlung
der Schwinger 24, 26 nicht so stark bemerkbar,
dass man dies berücksichtigen
und speziell auswerten müsste.
Die Ausrichtung der Schwinger 24, 26 geschieht
Idealerweise für
einen mittleren Wert der Schallgeschwindigkeit Cb (z.B. für Stahl
Cb etwa 6000 m/s).
-
Der jeweilige Weg, den der Schallimpuls
mit der kürzesten
Gesamtlaufzeit Ttot nimmt, ist somit eine Funktion der Schallgeschwindigkeit
Cb und weiterhin abhängig
von den bekannten Werten K, Dv und Cv. Bei nicht klappsymmetrischem
Aufbau müssen
die unterschiedlichen Mittelpunktsentfernungen des Sendeschwingers 24 und
des Empfangsschwingers 26 von der Koppelfläche 22 berücksichtigt
werden.
-
Gemäß 1 breitet sich der Ultraschall vom Sendeschwinger 24 über ein
erstes Wegstück
Sv bis hin zum Basismaterial 34 aus, wofür er die
Zeit Tv benötigt.
Dort wird eine Kriechwelle 35 erzeugt. Sie hat die in 2 angegebene Länge Sb.
Diese Länge
wird in der Zeit Tb durchlaufen. Von der Kriechwelle erreicht ein Anteil
den Empfangsschwinger 26 über einen Weg, der aufgrund
der Symmetrie die Länge
Sv hat und für
den die Zeit Tv benötigt
wird.
-
Gesucht wird nach der Entfernung
Sb zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt der Kriechwelle bzw.
Oberflächenwelle 35 für longitudinale
Wellen:
Im folgenden werden allgemeine Formeln aufgestellt
für die
Schallausbreitung. Dabei wird lediglich die kürzeste Gesamtlaufzeit Ttot
beachtet. Um diese zu ermitteln, ist es notwendig, die gesamte Laufstrecke
vom Sendeschwinger 24 zum Empfangsschwinger 26 zu
berücksichtigen.
Als zeitlich konstant jedenfalls für die kurze Dauer der Messung,
und auch als vorbekannt werden angenommen K = Mittelpunktsentfernung
der Prüfköpfe 24, 26;
Dv = Mittelpunktsentfernung der Schwinger 24, 26 von
der Koppelfläche 22 und
Cv = Schallgeschwindigkeit im Vorlaufkörper.
-
Ein vom Sendeschwinger 24 ausgesandter
Ultraschallimpuls bewirkt im Basismaterial 34 nicht nur eine
Oberflächenwelle 35,
sondern auch noch weitere Wellen, die longitudinale Oberflächenwelle 35 hat
die kürzeste
Laufstrecke und auch die kürzeste
Gesamtlaufzeit Ttot.
-
-
Unterschiedliche Schalllaufwege unterscheiden
sich im Eintrittswinkel α
v. Dieser wird erhalten unter der Annahme
einer kürzest
möglichen
Gesamt laufzeit Ttot:
-
Gesucht wird ein Minimum der linearen
Funktion Ttot(αv).
Dies kann beispielsweise über
die erste Ableitung nach dem Winkel αv ermittelt werden, die erste
Ableitung muss für
einen gewissen Winkel αv
null sein, die zweite Ableitung muss positiv sein:
-
Berücksichtigt man nun (3), erkennt
man, dass die Schalllaufstrecke Sb abhängig ist von den beiden Schallgeschwindigkeiten
Cv und Cb:
-
Da man K, Dv und Cv als konstant
annehmen kann, bedeutet dies: Sb = f (Cb). Die nachfolgende Gleichung
(15) beschreibt nun die Abhängigkeit
zwischen der gemessenen Gesamtlaufzweit Ttot und der zu ermittelnden Schallgeschwindigkeit
Cb:
-
-
Damit ist ein eindeutiger Zusammenhang
zwischen der Gesamtlaufzeit Ttot und der zu ermittelnden Schallgeschwindigkeit
Cb erreicht. Alle anderen Größen in der
Gleichung (15) sind bekannt und konstant.
-
Somit ist über die Gesamtlaufzeit Ttot
eindeutig die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit Cb im Basismaterial
möglich.
Mit dieser Erkenntnis kann nun die Wanddicke Db des Basismaterials
bestimmt werden.
-
3 zeigt
die Anordnung aus den voran gegangenen Figuren, jedoch befindet
sich nun zusätzlich eine
Schicht 46, ein sogenanntes Coating auf dem Basismaterial 34.
Diese Schicht hat eine Dicke Ds. Sie soll über die Schallgeschwindigkeit
Cs der Schicht ermittelt werden. Da auch diese unbekannt ist, wird
wieder wie zuvor zunächst
die Schallgeschwindigkeit ermittelt.
-
3 zeigt
wiederum lediglich die Schalllaufstrecke mit der kürzesten
Gesamtlaufzeit Ttot. Es finden zwar noch andere Ausbreitungen statt,
beispielsweise wird auch an der der Koppelfläche 22 zu gewandten
Fläche
des Coatings 46 eine Oberflächenwelle erzeugt, diese soll
aber zeitlich nach der Oberflächewelle 35 im Basismaterial 34 eintreffen.
Dies bedeutet, dass die Schallgeschwindigkeit Cb im Basismaterial 34 ausreichend
größer als
die Schallgeschwindigkeit Cs in der Schicht 46 sein muss.
In der Praxis ist dies zumeist erfüllt. Das Basismaterial ist
typischerweise ein Metall, die Schallgeschwindigkeiten liegen bei
4500 bis 7000 m/s. Die Schicht 46 ist typischerweise ein
Kunststoff, eine Farbe und dergleichen, die Schallgeschwindigkeiten
liegen typischerweise bei 2000 bis 3000 ms. Für den Fall, dass die Schallgeschwindigkeit
Cs in der Schicht 46 relativ groß ist, beispielsweise die Schicht
ein Metallüberzug
auf einem Basismaterial aus Kunststoff ist, die Schicht aus einem
Metall höherer
Schallgeschwindigkeit als das Basismaterial besteht, z. B. Coating
in Ag, Basismaterial in Au, muss entsprechend den voraus gegangenen Überlegungen
gearbeitet werden, indem einfach als Basismaterial die Schicht 46 eingesetzt
wird.
-
Im Folgenden wird der in 3 gezeigte Schalllaufweg
als kürzester
Laufweg betrachtet. Der Eintrittwinkel αv wird in der Schicht 46 geändert zu αs. Die Laufstrecken
im Volumen der Schicht 46 ergeben sich aus 3, sie betragen Ss. Die zugehörige Schalllaufzeit
beträgt
Ts.
-
Für
die kürzeste
Gesamtlaufzeit gilt dann:
-
In der Schicht
46 sind die
Verhältnisse
entsprechend, für
die Schicht
46 gilt:
-
Es liegen nun alle Elemente für Ttot vor:
-
Die Gesamtlaufzeit Ttot ist nun also
nicht nur (wie in (15)) eine Funktion des Eintrittswinkels αv, sondern
auch eine Funktion des Eintrittswinkels αs und lässt sich wie folgt darstellen:
-
Wenn die Funktion Ttot (αv, αs) ein Minimum
hat, kann dies ebenso wieder über
die erste Ableitung nach den beiden Winkeln festgestellt werden.
Die ersten Ableitungen müssen
0 sein:
-
Die Ergebnisse (34) und (36) werden
nun in die Gleichung (29) eingesetzt, dies ergibt:
-
Über
ein geeignetes Messinstrument, beispielsweise das Gerät DMS 2
der Anmelderin kann die kürzeste
Gesamtlaufzeit Ttot gemessen werden. Über sie kann die Dicke Ds der
Schicht 46 und/oder kann die Dicke Db des Basismaterials 34 nun
bestimmt werden, wenn die Schallgeschwindigkeiten Cs und Cb bekannt sind.
So kann man Cb an einer unbeschichteten Stelle des Prüfkörpers mit
Hilfe von (27) bestimmen. Über
ein zusätzliches
Schwingerpaar für
Dickenmessung mit den Schwingern 48, die baugleich sind,
wird steil eingeschallt, siehe 4.
Es wird ein Rückwandecho
erzeugt, dessen Laufzeit um die Laufzeit von Ds reduziert wird.
Hieraus errechnet man bei bekannter Schallgeschwindigkeit Cb die
Dicke Db des Basismaterials.
-
Ein zweites, zeitlich nachfolgendes
Echo erhält
man von einer Rückwand 50 des
Basismaterials 34. Aus der Zeitdifferenz zwischen den beiden
Echos und der zuvor gemessenen Schallgeschwindigkeit Cb im Basismaterial 34 kann
dessen Dicke Db bestimmt werden. Die Dicke Db kann aber auch als
Diffe renz dieses Echos der Rückwand 50 zum
Eintrittsecho unter Berücksichtigung
der Schallgeschwindigkeiten, abzüglich
der Dicke Ds der Schicht 46 erhalten werden.
-
Aus der Gleichung (37) werden noch
folgende Zusammenhänge
erkennbar bzw. deutlich:
