DE1147779B - Verfahren und Anordnung zur Ultraschall-Werkstoffpruefung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich, auf die Werkstoffprüfung mit Ultraschall nach der Impuls-Echo-Methode unter Verwendung getrennter Sende- und Empfangswandler oder eines gemeinsamen Sende- und Empfangswandlers.

Derartige Ultraschall-Werkstoffprüfungen werden insbesondere zur Fertigungskontrolle angewendet. Die Materialprüfung während der Fertigung kann nach verschiedenen Verfahren vorgenommen werden. Beispielsweise können die Werkstücke durch einen festen Prüfstand hindurchgeleitet werden, oder die Materialien können fest gelagert und ein Prüfkopf über die Werkstücke hinwegbewegt werden. In beiden Fällen werden die Werkstücke durch eine mechanische Relativbewegung abgetastet. Es ist aber auch möglich, die einzelnen Werkstücke dem Prüfgerät nacheinander zuzuführen, wobei zwar keine Relativbewegungen erforderlich sind, während sich das Prüfgerät in Berührung mit dem Werkstück befindet, jedoch zu Beginn und am Ende der Prüfung jedesmal die Prüf sonden an das Werkstück herangebracht und von diesem wieder entfernt werden müssen. Die Prüfung kann bei allen diesen Ausführungen kontinuierlich und selbsttätig vorgenommen werden, wobei die Anwendung von erheblich größeren Abtastgeschwindigkeiten möglich ist, als sie bei der gewöhnlichen Einzelprüfung fester Werkstücke benutzt werden.

Bei der Werkstoffprüfung der vorliegenden Art ergibt sich der grundlegende Nachteil, daß durch Kopplungsänderungen zwischen den Wandlern und dem Werkstück Amplitudenschwankungen verursacht werden, die die Prüfung empfindlich beeinträchtigen können. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur Ultraschall-Werkstoffprüfung zu schaffen, bei dem die Gesamtempfindlichkeit während der Prüfung weitgehend konstant gehalten wird und Schwankungen auch bei Relativbewegungen zwischen Werkstück und Wandlern sowie bei sonstigen Lageänderungen der Wandler vermieden werden.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß durch Änderung in der Ankopplung der Wandler an den Prüfling hervorgerufene Amplitudenschwankungen der vom Empfänger aufgenommenen Ultraschallsignale dadurch vermindert werden, daß das vom Empfänger aufgenommene und anschließend verstärkte Rückwandecho mit Hilfe einer an sich bekannten, aus einem Verzögerungsglied und einer Torschaltung bestehenden Ausblendeeinrichtung aussiebt und mit einer einstellbaren Spannung verglichen wird, und daß die sich hierbei als Verfahren und Anordnung
zur Ultraschall-Werkstoffprüfung

Anmelder:

Kelvin & Hughes Limited,
Glasgow (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Liebau, Patentanwalt,
Göggingen über Augsburg, Von-Eichendorff-Str. 10

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 21. Februar 1955 (Nr. 5176)

Thomas Graham Brown,

Alexander Bryce Calder Rankin

und Roy William George Haslett, Barkingside,

Essex (Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

Differenz ergebende Spannung zum Regeln des Verstärkungsgrades der empfangenen Signale oder der Amplitude der Sendeimpulse benutzt wird.

Eine bevorzugte Möglichkeit zur Schaffung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß die aus Verzögerungsglied und Torschaltung bestehende Ausblende-r einrichtung mit dem an den Empfangswandler angeschlossenen Empfangskreis in Verbindung gebracht wird und die im Empfangskreis aus den aufgenommenen Ultraschallsignalen ausgesiebten Rückwandechosignale einer Regelspannungserzeugerschaltung zugeführt werden, in der aus den Rückwandecho-Signalen eine Spannung erzeugt und mit einer gegebenenfalls einstellbaren Bezugsspannung verglichen wird, deren Differenzspannung einem zwischen Empfangswandler und Anzeigeeinrichtung eingeschalteten Regelverstärker als Regelspannung zugeführt wird.

Dabei kann es zweckmäßig sein, daß der Torschaltung für die Ausblendung der Rückwandechosignale Öffnungsimpulse zugeführt werden, für deren Erzeugung ein Impulsgenerator vorgesehen ist, der über das Verzögerungsglied vom Impulssender durch die Sendeimpulse gesteuert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung zu seiner Durchführung sind besonders geeignet

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für laufende Prüfungen, wobei die Anordnungen auch so getroffen werden können, daß bei Ausfall des Prüfgerätes eine sichtbare oder hörbare Warnung gegeben wird und auf Wunsch das Gerät automatisch abgeschaltet wird.

Es wird festgestellt, daß die in der Beschreibung dargestellte Untersuchung des Prüflings in einzelnen ■Schichten mit Hilfe der Auswertungseinrichtung 30 oder deren in Fig. 3 dargestellten Variante nicht zum

Erfindung dient.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen. Hierin zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform,

Fig. 2 Wandler, die in dem Schaltbild nach Fig. 1 verwendet werden können,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Abänderung eines Teils der Fig. 1.

In Fig. 1 sind die Hauptbestandteile eines an sich bekannten Fehlstellen-Aufsuchungsgeräts in dem gestrichelten Rechteck 10 dargestellt. Das mit dem nicht dargestellten Netz verbundene Hauptkippgerät

in Zeitpunkten öffnen, welche den Bodenechos entsprechen.

Die am Ausgang des Verstärkers 27 auftretenden Impulse werden bei diesem Ausführungsbeispiel als 5 Leitimpulse verwendet. Sie werden einem Generator 28 für die automatische Verstärkungsregelung zugeführt, der eine Spannung erzeugt, deren Amplitude vom Unterschied zwischen einer Bezugsspannung, die mittels eines Potentiometers einstellbar sein kann,

Gegenstand der Erfindung gehört, sondern lediglich io und der Amplitude der Leitimpulse abhängt. Die zur Erläuterung einer Anwendungsmöglichkeit der Spannung vom Generator 28 ändert sich also mit

Änderungen in dem Wirkungsgrad der Durchstrahlung des zu prüfenden Körpers, z. B. mit Schwankungen im Kopplungsgrad zwischen den Schallköpf en 15 16 und 17 und dem Werkstück. Die Spannung von 28 wird als Verstärkungsregelung dem Signalverstärker 18 derart zugeführt, daß Amplitudenänderangen der Leitimpulse und daher auch der anderen Echosignale stark vermindert oder praktisch ausgeschaltet ao werden.

Die Spannung von 28 wird ferner einem Überwachungsgerät 29 zugeführt, das so angeordnet ist, daß es eine sichtbare oder hörbare Warnung gibt, wenn die ihm zugeführte Spannung unter einen bell steuert eine Zeitbasis 12, die einen Sägezahn er- 25 stimmten Wert abfällt, wodurch ein Fehler im Prüfzeugt, der den Horizontalablenkplatten 13 einer gerät angezeigt wird. Das Anzeigegerät 29 kann auch Kathodenstrahlröhre 14 zugeführt wird. Die Zeitbasis so ausgelegt sein, daß es in diesem Falle das ganze 12 steuert ferner einen Sender 15, der Impulse von Gerät abschaltet.

elektrischen Schwingungen mit UltraschaUfrequenz Im vorliegenden Beispiel ist angenommen, daß der

erzeugen kann, welche einem Sendekopf 16 zugeführt 30 zu prüfende Körper in drei Schichten aufgeteilt werwerden. Der Sendekopf 16 kann auf dem zu prüfen- den soll, deren jede für sich nach Fehlstellen unterden Werkstück angeordnet sein, und die Wellen wer- sucht werden kann. Natürlich kann die Anzahl der den von dem Werkstück nach Durchgang oder Re- Schichten und demgemäß die Anzahl der einzelnen flexion von Diskontinuitäten, wie Fehlstellen und Zeitverzögerungen, die durch die Anordnung 21 erGrenzflächen, in einem Empfangskopf 17 empfangen. 35 zeugt werden, je nach Bedürfnis gewählt werden. Die von dem Empfangskopf 17 erzeugten elektri- Die von den Klemmen 22, 23 und 24 herrühren-

schen Signale werden einem Signalverstärker 18 zu- den Impulse werden je einer besonderen Auswergeführt und gelangen von dort auf die senkrechte tungsanordnung zugeführt. Da alle diese gleich auf-Ablenkplatte 19 der Röhre 14. gebaut werden können, ist nur eine Anordnung in

Die Signale vom Verstärker 18 werden ferner 40 Fig. 1 dargestellt. Sie befindet sich in dem gestricheleinem Breitbandverstärker 20 zugeführt, während ten Rechteck 30, das mit der Klemme 24 der Ver-Auslöseimpulse vom Sender 15 auf eine Anordnung zögerungsanordnung 21 verbunden ist. 21 mit einstellbarer Verzögerung gegeben werden, Die Auswertungsanordnung 30 enthält einen Im-

die an ihren Klemmen 22, 23, 24 und 25 Impulse pulsgenerator 31, der aus den ihm von 21 her zügeerzeugt, die zeitlich um zunehmende Beträge gegen 45 führten verzögerten Impulsen Öffnungsimpulse erjeden ausgesandten Impuls verzögert sind, wobei alle zeugt, welche einem gesteuerten Verstärker 32 zugediese Verzögerungen vorzugsweise einstellbar sind. führt werden. Die Öffnungsimpulse öffnen diesen

Der Einfachheit halber wird angenommen, daß Verstärker für Signale vom Breitbandverstärker 20 die beiden Schallköpfe 16 und 17 beide an der Ober- für die Dauer jedes Öffnungsimpulses. Die vom Verflache einer flachen zu prüfenden Platte angeordnet 50 stärker 32 durchgelassenen Signale entsprechen einer sind und daß also die dem Verstärker 20 zugeführten Schicht des zu prüfenden Körpers. Diese Signale Signale als Ergebnisse dieses ausgesandten Impulses werden einem Scheitelvoltmeter 33 zugeführt. Die aus Echoimpulsen von etwaigen Fehlstellen in ver- Spannung vom Scheitelvoltmeter wird bei 34 verstärkt schiedenen Entfernungen vom Schallkopf 16 im Be- und einer Aufzeichnungsanordnung 35 zugeführt, die reich der Einstrahlung bestehen, die von dem Grenz- 55 in bekannter Weise als Tintenschreiber ausgebildet flächenecho von der Unterseite der Platte gefolgt sein kann, wobei die Zeitbasis der Registrieranordwerden. Die Platte kann als in Schichten aufgeteilt nung von der Zeitbasis 12 betätigt sein kann, angesehen werden, und offenbar erscheinen Echos Der Ausgang des Verstärkers 34 führt ferner auf

von etwaigen Fehlstellen in einer Schicht nahe der einen Fehlstellenanzeiger 36, der ein sichtbares oder Oberfläche im Verstärker 20 als Impulse, bevor 60 hörbares Warnungssignal abgibt, wenn das ihm zuEchos von Fehlstellen in einer tieferen Schicht auf- geführte Signal eine bestimmte Amplitude übertreten, schreitet. Es wird also eine Warnung gegeben, wenn Die zeitliche Verzögerung der Impulse an der eine Fehlstelle von mehr als vorbestimmter Größe in Klemme 25 ist so gewählt, daß sie der Laufzeit des der der Auswertungseinrichtung 30 entsprechenden Bodenechos entspricht. Diese Impulse lösen denLeit- 65 Schicht vorhanden ist. Andere Auswerteinrichtungen, impulsgenerator 26 aus, der Öffnungsimpulse erzeugt, die ebenso wie 30 aufgebaut sind, sind mit denKlemdie einem gesteuerten Verstärker 27 zugeführt wer- men 22 und 23 und mit den Ausgängen 37 und 38 den und diesen für die Signale vom Verstärker 20 des Verstärkers 20 verbunden.

Die Signale vom Leitimpulsgenerator und allen Fehlstcllenimpulsgeneratoren 31 werden einem Mischgerät 48 zugeführt und gelangen von dort auf das Steuergitter der Kathodenstrahlröhre 14, wo sie dazu dienen, den Kathodenstrahl nur für die Dauer der Öfrhungsimpulse erscheinen zu lassen.

Offenbar kann in Fig. 1 ein einziges Registriergerät 35 für alle Schichten verwendet werden. Im Falle eines Tintenschreibers kann z. B. für jede Schicht eine eigene Feder vorgesehen sein, und jeder Feder kann eine bestimmte Spur auf der Registriertrommel zugewiesen sein.

Die Wandler 16 und 17 in Fig. 1 können gemäß Fig. 2 montiert sein. Jeder Wandler, der z. B. aus einem Quarzkristall oder aus Bariumtitanat bestehen kann, ist auf der flachen Oberfläche eines Prüfkopfes 39 aus geeignetem, Schwingungen übertragendem Material angebracht, wobei die beiden Köpfe 39 durch eine Schallisolierung 40 getrennt sind. Der Wandler 16 ist mit seinem Kopf so angeordnet, daß er Transversalschwingungen in den zu prüfenden Körper einstrahlt. Die Anordnung ist in einem Wagen 41 untergebracht, der mit Rollen 42 versehen ist. Ein geeignetes Kopplungsmedium, z. B. Öl, ist im Raum 43 zwischen der Unterseite der Schallköpfe 39 und der Oberseite des zu prüfenden Körpers 44 vorgesehen. Dieser Zwischenraum 43 hat gewöhnlich eine geringe Tiefe in Richtung der Wellenausbreitung.

Der gezeigte Schallkopf ist zur laufenden Abtastung geeignet, wobei der Wagen 41 festgehalten wird und das Material 44 darunter vorbeiläuft. Es kann auch das Material 44 festgehalten und der Wagen 41 darüber hinwegbewegt werden.

Die Anordnung des Schallkopfes soll vorzugsweise so getroffen sein, daß das Leitsignal und die erwarteten Fehlstellensignale dieselbe Größenordnung der Amplitude aufweisen. Die Amplitude des von einer großen Fehlstelle empfangenen Signals sollte also etwa ein- bis dreimal so groß wie diejenige des Leitsignals sein.

Die Erfindung ist auch anwendbar, wenn ein gemeinsamer Wandler zur Sendung und zum Empfang Verwendung findet.

Fig. 3 zeigt eine Abänderung eines Teils der Auswerteinrichtung der Fig. 1. Die Spannung vom Scheitelvoltmeter 33 wird einem Multivibrator 45 zugeführt, dessen Schwingfrequenz von der Größe der auf ihn gelangenden Spannung abhängt. Diese Schwingung betätigt ein Relais 46, das seinerseits ein Blinklicht 47 in Tätigkeit setzt. Je größer also die Spannung von 33, d.h. die Größe einer Fehlstelle ist, desto rascher blinkt die Lichtquelle 47.

Auf Wunsch kann die Spannung vom Scheitelvoltmeter 33 weitere Aufgaben erfüllen, z.B. die Kennzeichnung fehlerhaften Materials oder die Auslenkung fehlerhaften Materials aus dem Fließband oder die Auslösung einer Steuerung, um mit Hilfe eines geeigneten Servosystems einen Fabrikationsfehler zu korrigieren.

Obwohl vorzugsweise das Grenzflächenecho als Leitsignal verwendet wird, ist dies nicht erforderlich.

Es kann ein getrenntes Signal durch den zu prüfenden Körper übertragen werden, welches das Leitsignal darstellt. Zur Prüfung und Überwachung kann der gleiche Schallkopf oder ein verschiedener Schallkopf Verwendung finden, bei Verwendung getrennter Schallköpfe sollten jedoch die beiden Schallköpfe so eng wie möglich beieinanderstehen, um zu erreichen, daß die Betriebsbedingungen möglichst übereinstimmen.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Ultraschall-Werkstoffprüfung nach der Impuls-Echo-Methode unter Verwendung getrennter Sende- und Empfangswandler oder eines gemeinsamen Sende- und Empfangswandlers, dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderungen in der Ankopplung der Wandler an den Prüfling hervorgerufene Amplitudenschwankungen der vom Empfänger aufgenommenen Ultraschallsignale dadurch vermindert werden, daß das vom Empfänger aufgenommene und anschließend verstärkte Rückwandecho mit Hilfe einer an sich bekannten, aus einem Verzögerungsglied und einer Torschaltung bestehenden Ausblendeeinrichtung ausgesiebt und mit einer einstellbaren Spannung verglichen wird und daß die sich hierbei als Differenz ergebende Spannung zum Regeln des Verstärkungsgrades der empfangenen Signale oder der Amplitude der Sendeimpulse benutzt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Verzögerungsglied (21) und Torschaltung (27) bestehende Ausblendeeinrichtung mit dem an den Empfangswandler angeschlossenen Empfangskreis in Verbindung steht und die im Empfangskreis aus den aufgenommenen Ultraschallsignalen ausgesiebten Rückwandechosignale einer Regelspannungserzeugerschaltung (28) zuführt, in der aus den Rückwandechosignalen eine Spannung erzeugt und mit einer gegebenenfalls einstellbaren Bezugsspannung verglichen wird, deren Differenzspannung einem zwischen Empfangswandler und Anzeigeeinrichtung eingeschalteten Regelverstärker (18) als Regelspannung zugeführt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Torschaltung (27) für die Ausblendung der Rückwandechosignale Öffnungsimpuise zugeführt werden, für deren Erzeugung ein Impulsgenerator (26) vorgesehen ist, der über das Verzögerungsglied (21) vom Impulssender (15) durch die Sendeimpulse gesteuert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 489 860, 2 507 854,
603 966;
britische Patentschrift Nr. 664 360.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 974 900.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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