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Einrichtung zur Messung des Ankopplungsgrades des Ultraschallsenders
bei der Werkstoff-Prüfung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Werkstoffprüfung
mit Ultraschallsendern und -empfängern eine Vergleichsmöglichkeit zwischen der Fehleranzeige
und der realen räumlichen Abmessung der Fehlerstelle zu schaffen. Sowohl beim Durchstrahlungsverfahren
als auch beim Impuls-Reflexionsverfahren hängt die Intensität der Anzeige außer
von der Größe der Fehlstelle von deren Lage und von der in das Werkstück eingestrahlten
Schalleistung ab.
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Die Schalleistung, welche von dem Ultraschallsender eingestrahlt
wird, kann bei gleicher dem Sender zugeführter elektrischer Leistung sehr verschieden
sein, je nachdem, wie die Ankopplung zwischen Schallsender und Werkstück beschaffen
ist. Solange man jedoch kein Kriterium für die Güte der Ankopplung besitzt, kann
man auch aus der Anzeige der Geräte nicht auf die räumliche Abmessung einer Fehlstelle
schließen.
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Bei der Werkstoffprüfung mit Ultraschallimpulsen und Anzeige der
von den Fehlstellen reflektierten Echoimpulse auf dem Schirm einer Braunschen Röhre
ist es bekannt, bei der Untersuchung von Werkstücken mit ebenen Rückwänden den Rückwandimpuls
zum Vergleich mit dem Echoimpuls von der Fehlstelle heranzuziehen. Ist die in das
Werkstück eingestrahlte Schalleistung gering, so fällt auch der Rückwandimpuls entsprechend
schwächer aus, und man kann durch Vergleich eines Echoimpulses von einer Fehlstelle
mit dem Rückwandimpuls die ungefähre Größe der Fehlstelle abschätzen. Dieser Vergleich
kann jedoch zu falschen Schlüssen führen, wenn der Rückwandimpuls etwa von Rauhigkeiten
oder von Inhomogenitäten der Absorptionseigenschaften des Werkstückes in seiner
Größe beeinflußt wird. Ein Vergleich ist außerdem unmöglich, wenn bei Werkstücken
mit unebenen Rückwänden kein Rückwandimpuls auftritt.
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Es ist außerdem eine Einrichtung zur Messung des Ankopplungsgrades
von Ultraschallsendem bekannt, bei der neben dem der Fehlerortung im Werkstück dienenden
Ultraschallsender ein weiterer Ultraschallsender verwendet wird, der ausschließlich
der Ankopplungskontrolle dient. Der Ultraschallsender für die Fehlerortung ist dabei
derart an einem trapezförmigen Zwischenkörper angesetzt, daß sein Schallstrahl unter
einem flachen Winkel in das Werkstück eintritt. Der ausschließlich der Ankopplungskontrolle
dienende Ultraschallsender dagegen strahlt über den gleichen trapezförmigen Zwischenkörper
seinen Schallstrahl senkrecht in das Werkstück ein, und zwar derart, daß beide Schallstrahlen
durch die gleiche Oberflächenstelle des Werkstückes eintreten. Die bei-
den Wandler
werden mittels elektrisch voneinander getrennter Schaltungen impulsweise beaufschlagt
in der Weise, daß der zur Ermittlung der Ankopplung dienende Wandler nur dann Impulse
erhält, wenn der der Fehlerortung dienende Wandler keine Impulse sendet oder empfängt.
Das Maß für die Ankopplung bildet dabei der an der Werkstückoberfläche reflektierte
Anteil der Schallenergie des Wandlers für die Ankopplungskontrolle. Da der Wandler
nur kurze Impulse aussendet, die kaum eine Rückwirkung auf den Schallwandler haben,
kann hierdurch die Belastung des Wandlers durch das Werkstück nicht bestimmt werden.
Da die Eintrittsrichtung der Schallstrahlen nicht übereinstimmt und die Ankopplung
für den schräg einfallenden Strahl infolge der ausgelösten Schub- und TransversalwelIen
anders ist als für den senkrecht eintretenden Strahl, erlaubt diese Methode keine
sicheren Rückschlüsse auf die vorliegenden Ankopplungsverhältnisse.
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Bei der Einrichtung zur Messung des Ankopplungsgrades des Ultraschallsenders
für die Werkstoffprüfung mit Ultraschall unter Verwendung eines Ultraschallsenders
ausschließlich für die Ankopplungskontrolle (Kontrollschwinger) neben dem der Fehlerortung
im Werkstück dienenden Ultraschallsender (Hauptschwinger) ist gemäß der Erfindung
eine elektrische Meßschaltung zur Bestimmung des Strahlungswiderstandes des das
Werkstück kontinuierlich mit einer von der Erregung des Hauptschwingers abweichenden
Frequenz beschallenden Kontrollschwingers vorgesehen, und die schallabstrahlenden
Flächen
von Hauptschwinger und Kontrollschwinger liegen derart in einer Ebene, daß die Flächen
einander umschließen.
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Unter »Ankopplungsgrad« kann man näherungsweise das Verhältnis des
Strahlungswiderstandes R0 eines elektroakustischen Wandlers bei idealer Ankopplung,
d. h. optimaler schalleitender Berührung mit dem Werkstück zu seinem Strahlungswiderstand
R bei der tatsächlich vorhandenen Ankopplung definieren, also Ro/R. Hierbei ist
vorausgesetzt, daß die Strahlungswiderstände bei annähernd gleicher Schallfrequenz
und gleichen Materialkonstanten des beschallten Werkstückes ermittelt worden sind.
Der in dieser Weise bestimmte Ankopplungsgrad gibt bei festliegender Spannung am
elektroakustischen Wandler bzw. festliegendem Strom durch den elektroakustischen
Wandler in guter Näherung auch das Verhältnis der tatsächlich in das Werkstück eingestrahlten
Schalleistung L zu der optimal in das Werkstück einstrahlbaren Schalleistung L0,
also den Wert L/Lo an. Der Strahlungswiderstand eines elektroakustischen Wandlers
ist aus der jeweils am Wandler anliegenden Spannung und dem jeweils ihn durchfließenden
Strom zu bestimmen. Um nicht sowohl diese Spannungen als auch diese Ströme ermitteln
zu müssen, ist es zweckmäßig und bekannt, Mittel vorzusehen, die bewirken, daß die
Spannung am elektroakustischen Wandler oder der Strom durch ihn unabhängig von seinem
Ankopplungsgrad konstant gehalten wird und außerdem Mittel zur Ermittlung des Stromes
oder der Spannung am elektroakustischen Wandler. Bei derartigen Einrichtungen wird
also der Ankopplungsgrad eines elektroakustischen Wandlers durch Ermittlung eines
Strom- oder Spannungswertes bestimmt.
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Auf Grund der Trennung von Hauptschwinger und Kontrollschwinger und
damit der Unabhängigkeit des Strahlungswiderstandes des Kontrollschwingers von den
die Arbeitsweise des Hauptschwingers bestimmenden, in der Regel veränderbaren Parametern
werden in weiterer Ausbildung der Erfindung die elektrischen Eigenschaften des Kontrollschwingers
durch eine elektrische Ersatzschaltung nachgebildet und mittels einer Meßanordnung
der Vergleich des Wirkwiderstandes der Nachbildung mit dem Wirkwiderstand des Kontrollschwingers
- etwa in einer Brückenschaltung - durchgeführt. Eine derartige Meßanordnung zeigt
- ausgedrückt in einem Spannungs- oder Stromwert - unmittelbar eine Anderung des
Strahlungswiderstandes des Kontrollschwingers, bezogen auf seinen Strahlungswiderstand
im Abgleich mit der Nachbildung, an; sie ist also - da der Abgleich von den Materialkonstanten
des beschallten Objektes abhängt - für jedes Material zu beschallender Objekte in
Ankopplungsgraden geeicht.
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Um aus der Größe der Fehleranzeige auf die räumlichen Abmessungen
des Fehlers schließen zu können, liest man die Anzeige der Meßeinrichtung für den
Strahlungswiderstand ab und schätzt hiernach die Größe der Fehlerstelle.
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Um diese Abschätzung zu erleichtern, ist gemäß einer weiteren Ausbildung
der Erfindung eine elektrische Schaltung vorgesehen, welche die dem Hauptschwinger
zugeführte und von diesem in Schalleistung umgesetzte elektrische Leistung steuert,
und zwar entsprechend dem von der Meßschaltung für den Strahlungswiderstand des
Kontrollschwingers ermittelten Ankopplungsgrad. Hierdurch wird selbsttätig
die in
das Werkstück eingestrahlte Schallenergie konstant gehalten, so daß bei schlechter
Ankopplung eine größere Schalleistung und bei guter Ankopplung eine geringere Schalleistung
in das Werkstück eintritt.
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Um zu gewährleisten, daß der Ankopplungsgrad des Hauptschwingers
gleich dem Ankopplungsgrad des Kontrollschwingers ist, kann man einen Kontrollschwinger
mit einer ringförmigen abstrahlenden Fläche verwenden, welche die kreisförmige abstrahlende
Fläche des Hauptschwingers umgibt, oder auch einen Kontrollschwinger mit einer kreisförmigen
abstrahlenden Fläche, welche von der ringförmigen abstrahlenden Fläche des Hauptschwingers
umgeben ist.
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Eine noch günstigere Angleichung der Ankopplungsgrade von Hauptschwinger
und Kontrollschwinger wird dadurch erzielt, daß man die ab strahlende Fläche des
Kontrollschwingers kreuzförmig ausbildet und sie in die ab strahlende Fläche des
Hauptschwingers einlagert. Aus energetischen Gründen wird hierbei die abstrahlende
Fläche des Hauptschwingers größer gehalten als die ab strahlende Fläche des Kontrollschwingers.
Die Ausbildung stehender Wellen vor der abstrahlenden Fläche des Kontrollschwingers
im beschallten Objekt, welche infolge ihrer Rückwirkung das Ergebnis der Ermittlung
des Ankopplungsgrades des Kontrollschwingers verfälschen kann, wird dadurch vermieden,
daß der Kontrollschwinger auf der zum beschallenden Objekt hinweisenden Seite akustisch
fest einem keilförmigen Zwischenkörper anliegt und die dem Kontrollschwinger abgewandte
Seite des keilförmigen Zwischenkörpers in einer Ebene mit der abstrahlenden Fläche
des Hauptschwingers liegt, so daß die Fortpflanzungsrichtung der vom Kontrollschwinger
in das Objekt ausgesandten Ultraschallwellen nicht senkrecht zur Oberfläche des
Objektes steht.
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An Hand der Zeichnung soll die Erfindung durch Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
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Fig. 1 gibt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Kontrollschwingers
in seiner konstruktiven Vereinigung mit einem Hauptschwinger wieder; Fig. 2, 3 und
4 stellen die abstrahlenden Flächen erfindungsgemäßer Schwinger in Aufsicht dar;
Fig. 5 zeigt eine Brückenschaltung zur Ermittlung des Ankopplungsgrades des Kontrollschwingers;
Fig. 6 gibt eine Schaltung für die Steuerung der Leistung des Hauptschwingers durch
den Kontrollschwinger wieder.
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In Fig. 1 ist ein im Schnitt gezeichneter kreisförmiger Kontrollschwinger
10 von einem ringförmigen Hauptschwinger 11 umgeben. Der Kontrollschwinger 10 besteht
aus Barium-Titanat oder Lithium-Sulfat, da die elektrischen Daten dieser Stoffe,
insbesondere ihre Wirkwiderstände, gut an einen Hochfrequenzgenerator angepaßt werden
können. Der Kontrollschwinger ist mit einer Schicht 12 von der Dicke einer Wellenlänge
(i-Schicht) aus Messing oder Stahl verkittet, die ihn vor Beschädigungen schützt
und die gleichzeitig die Erdelektrode darstellt. Rückwärtig ist der Kontrollschwinger
10 mit einem Rohr 13 verbunden, das ihn mechanisch trägt und gegenüber den spannungsführenden
Leitungen 14 zum Hauptschwinger 11 abschirmt. Die der i-Schichtl2 zugewandte Seite
des Kontrollschwingers 10 ist in üblicher Weise metallisiert, jedoch derart, daß
die Metallisierung sich durchgehend noch bis zum Rand der anderen Seite erstreckt.
Die Metallisierung der zum Rohr 13 gewandten
Seite des Kontrollschwingers
10 erfolgt kreisförmig unter Wahrung eines Abstandes von der auf Erdpotential liegenden
Metallisierung des Randes. Sie ist mit einer Kabelseele 15 verbunden, die zu der
noch zu beschreibenden elektronischen Meßeinrichtung führt. Bei der beschriebenen
Halterung des Kontrollschwingers ist es wesentlich, daß er einseitig an Luft grenzt
und daher eine gute Resonanzschärfe aufweist.
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Der Hauptschwinger 11 umgibt den Kontrollschwinger 10 und die Platte
12 konzentrisch und ist in üblicher Weise rückwärtig an einen Absorptionskörper
16 gekittet. Seine Rückelektrode 17 ist mit einer abgeschirmten Leitung 14 in einem
Kabel 18 verbunden. Das Kabel 18 führt in üblicher Weise zum Sende-Empfangs-Teil
eines Ultraschallimpuls-Sende-Empfangs-Gerätes. Um dem Aufbau des konstruktiv vereinigten
Kontroll- und Hauptschwingers eine abgeschlossene und handliche Gestalt zu geben,
liegt auf der Abschrägung des Absorptionskörpers 16 ein Aluminiumkörper 19, der
so geformt ist, daß er die Gesamteinrichtung zu einem Vollzylinder ergänzt.
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Die Frequenz, mit der der Kontrollschwinger arbeitet, liegt beispielsweise
in der Nachbarschaft der Trägerfrequenz des Ultraschallimpuls-Sendegerätes; bei
einer Trägerfrequenz von 2,5 MHz und einer relativen Bandbreite von etwa 0,8 MHz
hat sich eine Frequenz des Kontrollschwingers von 1,12 MHz als brauchbar erwiesen.
Der Abstand zwischen der Trägerfrequenz des Ultraschallimpuls-Sendegerätes und der
Frequenz des Kontrollschwingers darf nicht allzu groß gewählt werden, da der zu
messende Ankopplungsgrad frequenzabhängig ist. Es darf aber auch nicht die Differenz
zwischen diesen Frequenzen zu klein gehalten werden, damit nicht die Frequenz, mit
der der Kontrollschwinger arbeitet, in den Übertragungsbereich des Ultraschallimpuls-Empfangsgerätes
fällt.
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Fig. 3 zeigt den mit dem Hauptschwinger konstruktiv vereinigten Kontrollschwinger
nach Fig. 1 in Aufsicht. Die rückwärtig an dem Kontrollschwinger 10 grenzende Natte
12 weist eine kreisförmige abstrahlende Fläche 30 auf, die von der ringförmigen
abstrahlenden Fläche 31 des Hauptschwingers umgeben ist.
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Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 entsprechende konstraktive Vereinigung
von Hauptschwinger und Kontrollschwinger, nur ist in diesem Fall eine kreisförmige
ab strahlende Fläche des Hauptschwingers 20 vorgesehen, die von der ringförmigen
ab strahlenden Fläche des Kontrollschwingers 21 umgeben ist.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung der konstruktiven Vereinigung
von Kontrollschwinger und Hauptschwinger. Die ab strahlende Fläche des Kontrollschwingers
40 ist kreuzförmig ausgebildet und liegt innerhalb der kreisförmig ab strahlenden
Fläche 41 des Hauptschwingers. Bei dieser Anordnung nach Fig. 4 ist mit größerer
Sicherheit als bei den Anordnungen nach Fig. 2 und 3 gewährleistet, daß der Ankopplungsgrad
des Kontrollschwingers gleich dem Ankopplungsgrad des Hauptschwingers ist. In jedem
der angeführten Beispiele für die konstruktive Vereinigung eines Kontrollschwingers
mit einem Hauptschwinger ist die ab strahlende Fläche des Kontrollschwingers klein
gegenüber der ab strahlenden Fläche des Hauptschwingers gehalten, da vornehmlich
der Hauptschwinger Leistung in das zu untersuchende Werkstück zu übertragen hat.
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Fig. 5 stellt eine Hochfrequenz-Brückenschaltung zur Ermittlung des
Ankopplungsgrades des Kontrollschwingers dar. Ein - an sich bekannter - selbsterregter
Hochfrequenzgenerator 50 ist induktiv mit dem Kontrollschwinger 52 und mit der elektrischen
Nachbildung54 des Kontrollschwingers 52 magnetisch gekoppelt (Induktivitäten 51,
53, 55). Die Ankopplung erfolgt schwach, damit die am Kontrollschwinger 52 und seiner
Nachbildung 54 induzierten Spannungen unabhängig von den Belastungswiderständen
konstant sind. Die Nachbildung besteht aus einem der Induktivität 55 parallel liegenden
regelbaren Widerstand 56 und einem weiterhin parallel liegenden regelbaren Kondensator
57. Die Induktivitäten 53 und 55 sind über die kleinen Widerstände 58 und 59 geerdet.
Die Spannung an diesen Widerständen ist somit dem dort fließenden Strom proportional.
Zwischen der Induktivität 55 und dem Widerstand 59 bzw. der Induktivität 53 und
dem Widerstand 58 befinden sich Abgriffe, die über Kopplungskapazitäten 60 bzw.
61 an die Gitter der Elektronenröhren 62 und 63 in einer Meßbrücke 70 führen. Die
Zweigwiderstände dieser Meßbrücke 70 sind die Innenwiderstände der Elektronenröhren
62 und 63 und ihre Anodenwiderstände 64 und 65. Die Anodenwiderstände 64 und 65
führen zu einer gemeinsamen Anodenspannungsquelle 66, die Kathoden der Elektronenröhren
62 und 63 sind gemeinsam geerdet. Der Nullzweig der Meßbrücke führt von der Anode
der Elektronenröhre 62 über ein Meßgerät 69 zur Anode der Elektronenröhre 63. Über
die Widerstände 67 und 68 sind die Gitter der Elektronenröhren 62 und 63 in üblicher
Weise negativ vorgespannt. Der Anodenwiderstand65 ist regelbar und wird so eingestellt,
daß bei abgeschaltetem Hochfrequenzgenerator 50 der Strom durch das Meßinstrument
69 verschwindet. Nach Einschalten des Hochfrequenzgenerators 50 wird der Kontrollschwinger
52 ideal angekoppelt und werden der veränderbare Widerstand 56 und der veränderbare
Kondensator 57 so eingeregelt, daß der Strom durch das Meßgerät 69 verschwindet.
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Bei nicht angekoppeltem Kontrollschwinger 52 steigt der Strom durch
das Meßgerät 69 dann auf einen Maximalwert. Dieser Maximalwert entspricht dem Ankopplungsgrad
Null; ein verschwindender Strom durch das Meßgerät 69 entspricht dem Ankopplungsgrad
1000/o. Der Zwischenbereich zwischen Maximalstrom und verschwindendem Strom durch
das Meßinstrument 69 kann in gröbster Näherung linear geeicht werden. Für jede Art
zu untersuchenden Materials ist die Einstellung des Widerstandes 56 und der Kapazität
57 gesondert vorzunehmen, da diese Größen von der Art des zu beschallenden Materials
abhängen. Eine exaktere Eichung des Meßgerätes 69 in Ankopplungsgraden kann dadurch
erfolgen, daß man bei verschiedenen Ankopplungsgraden den Widerstand 56 so verändert,
daß der Strom durch das Meßgerät 69 verschwindet. Das hierzu erforderliche Maß der
Veränderung, das gleich der Veränderung des Strahlungswiderstandes gegenüber dem
der idealen Ankopplung ist, wird festgestellt; hierauf wird das eingangs erwähnte
Verhältnis R0/R errechnet und auf der Skala des Instrumetes 69 an der Stelle eingetragen,
an der sein Anzeiger vor der Veränderung des Widerstandes 56 gestanden hat.
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Fig. 6 gibt eine Schaltung für die Steuerung der Leistung des Hauptschwingers
durch den Kontrollschwinger
wieder. Es entspricht der fremderregte
Hochfrequenzgenerator 80 für den Kontrollschwinger dem fremderregten Hochfrequenzgenerator
50 nach Fig. 5, die Nachbildung81 des Kontrollschwingers der Nachbildung 54 nach
Fig. 5 und die Hochfrequenzmeßbrücke 82 der Hochfrequenzmeßbrücke 70 nach Fig. 5.
Die Induktivitäten 83 und 84 im Hochfrequenzgenerator 80, die Induktivität 85 in
der Zuführung zum Kontrollschwinger 93 und die Induktivität 86 in der Nachbildung
81 sind magnetisch miteinander gekoppelt. In dem Nulizweig der Meßbrücke 82 liegen
zwei Widerstände 87 und 88, zwischen denen eine Steuerspannung abgegriffen und über
einen Widerstand 89 dem Gitter einer Verstärkerröhre 90 im Ausgang des Hochfrequenzimpulsgenerators
91 zugeführt wird. Im Anodenkreis der Verstärkerröhre 90 liegt parallel zu einem
Schwingkreis 94 der Hauptschwinger 92. Die elektrischen Werte der Nachbildung 81
werden wie bei der Einrichtung nach Fig. 5 so eingestellt, daß bei idealer Ankopplung
die Spannung zwischen den Widerständen 87 und 88 verschwindet. Nimmt der Ankopplungsgrad
ab, so fließt ein Strom durch den Nullzweig der Brücke in Richtung vom Widerstand
88 auf den Widerstand 87, das Potential zwischen diesen Widerständen wächst damit
an und damit auch der Strom durch die Verstärkerröhre90, so daß also auch die Hochfrequenzspannung
am Hauptschwinger 92 zunimmt. Innerhalb gewisser Grenzen bleibt damit die von dem
Hauptschwinger in den zu untersuchenden Körper übertragene Ultraschalleistung unabhängig
vom Ankopplungsgrad konstant.