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Verfahren zur kontinuierlichen Wandstärkenmessung gekrümmter Prüflinge,
z. B. Rohre, mit Hilfe des Cltraschall-Echoimpulsmeßverfahrens Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur kontinuierlichen Wandstärkenmessung gekrümmter Prüflinge, z. B.
Rohre, mit Hilfe des Ultraschall-Echoimpulsmeßverfahrens, wobei ein Schallstrahlbündel
eines Prüfkopfes über ein Koppelmedium, z. B. eine Flüssigkeitszwischenstrecke,
auf den Prüfling abgestrahlt wird, der in Richtung seiner Längsachse bewegt wird.
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Beim Ultraschall-Echolot-Verfahren mißt man die Laufzeit eines Ultraschall-Impulses,
wobei mit der bekannten Schallgeschwindigkeit des Werkstoffs aus der Laufzeit der
zurückgelegte Schallweg, also die Stärke des Prüflings, ermittelt werden kann.
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Es ist bereits bekannt, daß das Echo einer glatten Wand aus einer
Anzahl von Schwingungen besteht, die mit kleiner Amplitude beginnen, ein Maximum
erreichen und wieder abfallen. Der Anstieg der ersten Schwingung ist sowohl in der
Hochfrequenz-Darstellung auf dem Bildschirm des Oszillographen wie auch in der üblicherweise
benutzten Zacken- oder Videod. h. (gleichgerichteten) Darstellung unscharf und als
Meßmarke für die Wandstärkenmessung ungeeignet.
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Man benutzt dazu gewöhnlich dieAnstiegsflanke einer der nächsten Schwingungen.
Ein Echo mit steilen Flanken erhält man aber nicht mehr, wenn die Wand so stark
gekrümmt und der Schallstrahl so breit ist, daß im Echo sich größere Wellenanteile
überlagern, die gegenüber dem genau senkrecht auftreffenden Strahl etwas schräg
auftreffen. Sie haben nämlich einen etwas längeren Weg zurückgelegt. Infolge der
Interferenz der Wellenanteile verschiedener Laufzeit wird der Anstieg der Echoflanke
abgeflacht.
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Bei der kontinuierlichen Wandstärkenmessung, z. B. von Rohren in
der Produktion, macht nun aber die genau senkrechte Führung eines Schallstrahles
praktische Schwierigkeiten. Die Halterung des Prüfkopfes muß am Rohr selbst geführt
werden. Sie stellt, auch wegen der erforderlichen Auf- und Absetzbewegung beim Rohrein-
und Auslauf eine Störungsquelle dar, weil solche Führungen starkem Verschleiß unterliegen.
Da die Rohre in mehr oder weniger starkem Maße unrund sind, ist eine solche Führung
auch niemals exakt möglich. Trifft der Schallstrahl aber nicht senkrecht auf, so
wird eine zu große Wandstärke gemessen, soweit man überhaupt noch ein auswertbares
Echo erhält.
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Zwar ist es bereits bekannt, den Verstärker des Ultraschall-Impuls-Gerätes
schmalbandig auszuführen. Hier handelt es sich aber um das Frequenzband für die
zu empfangenden Echoimpulse niedriger Spannung, nicht um ein vom Sender auszustrahlendes
Schallstrahlbündel hoher Amplitude. Die an sich bekannten Nachteile einer solchen
schmalen Bandbreite
stehen in keinem direkten Zusammenhang mit der Art der Rohrwandstärkenmessung.
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Weiterhin ist es bekannt, mit SE-Prüfköpfen und einer Monitorausrüstung
eine Toleranz-Wandstärkenmessung vorzunehmen, auch an Rohren. Es handelt sich um
Messungen mittels elektronischer Blenden, wobei es insbesondere auf die Ankopplungskontrolle
ankommt, da meßtechnisch lediglich der Blendenbereich erfaßt wird. Man kann hierdurch
zwar aus dem Toleranzbereich abweichende Prüflinge zur Anzeige bringen, oder umgekehrt,
jedoch ist auch die bekannte Vorrichtung insofern nachteilig, als sie nicht eine
genau senkrechte Führung des Schallstrahles dann zu gewährleisten vermag, wenn es
sich um Messung bewegter Rohre handelt, die außerdem noch unrund sind und Auf- bzw.
Absetzbewegungen zwangläufig machen müssen.
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Außerdem ist es bekannt, das Auflösungsvermögen des Schallstrahles
durch Verwendung akustischer Linsen zu erhöhen. Solche Prüfköpfe werden auch für
die Messung von Rohrwandstärken verwendet. Der Prüfkopf kann von außen oder innen
angesetzt werden. Die Ankopplungsfläche des Prüfkopfes kann zylindrisch gewölbt
sein. Auf diese Weise kann man Abweichungen des Prüflings von der runden Form messen.
Es ist aber nicht ersichtlich, wie die Halterung bei einer kontinuierlichen Prüfung
ausgeführt ist.
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Mit akustischen Linsen versehene Prüfköpfe werden auch zur Messung
kleiner Wandstärken verwendet. Bei kleinen Wandstärken bringt das Verfahren aber
keine nennenswerte Verbesserung, allerdings
eine schärfere Ausbildung
der Impulsdarstellung der Anstiegsflanke der ersten Schwingung. Zwar wird hier durch
die Fokussierung ein an sich verengtes Schallstrahlbündel verwendet, jedoch der
Prüfkopf nicht bewegt. Bei bewegten Rohren ist hier ein senkrechtes Auftreffen des
Schallstrahles auf den Prüfling nicht gewährleistet, besonders wiederum nicht dann,
wenn das Rohr infolge des Ein- bzw. Auslaufes eine Auf- bzw. Absetzbewegung macht.
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Es ist auch bekannt, durch einen separaten Sender und einen separaten
Empfänger die Dicke eines Prüflings auszumessen, wobei Sender und Empfänger schräg
zur Oberfläche angeordnet sind. Beide Prüfköpfe werden synchron miteinander in Drehung
versetzt. Diese Prüfkopfbewegung dient zur Vereinfachung der Ablesung, wobei die
Drehung bis zu einer maximalen Empfangsanzeige vorgenommen bzw. überschritten wird.
Der Neigungswinkel zwischen Ein- und Ausfallstrahl ist hier umgekehrt proportional
der Wandstärke. Das Verfahren ist aber weniger für gekrümmte Rohre relativ kleiner
Wandstärke vorgesehen, da der hierzu erforderliche große Winkel zwischen Ein- und
Ausfallstrahl nur durch sehr schrägen Ein- und Ausfall möglich ist, was Anlaß zu
Störinterferenzen gibt. Man entfernt sich noch mehr vom senkrechten Einfall. Maßnahmen
für eine Halterung bei bewegten Rohren sind nicht vorgesehen. Die erforderlichen
genauen Winkelbeziehungen würden bei den bewegten, ihre Lage ändernden, teilweise
unrunden Rohren nicht mehr eingehalten.
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Ferner ist es bekannt, ein oder zwei durch mechanische Blenden hindurchgeführte
schmale Schallstrahlbündel bei der Prüfung von Rohren zu verwenden. Allerdings geht
es hier nicht um die Wandstärken-, sondern um die Längsfehlermessungen in der Rohrwandung,
wobei ein tangential eingestrahltes Schallbündel das Rohr- oder auch ein Rundmaterial
an der Peripherie umläuft, wieder austritt und über eine zweite Blende in den Empfänger
gelangt. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, Rohraufnahme und Meßvorrichtung
federnd aufzuhängen, jedoch ist in keinem Falle eine senkrechte Einstrahlung vorgesehen,
da eine Messung der Wandstärke selbst nicht beabsichtigt ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Ultraschall-Echoimpulsmeßverfahren
zu schaffen, das eine kontinuierliche Wandstärkenmessung gekrümmter, beweglicher
Prüflinge mit erhöhter Geschwindigkeit und Genauigkeit sowie relativ kleinem Meßaufwand
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, -daß ein im Vergleich
zum Krümmungsradius des Prüflings schmales Schallstrahlbündel periodisch quer zur
Krümmungsachse des Prüflings so hin und her verschwenkt wird, daß es den Auftreffpunkt
des senkrechten Einfalles bei jeder Schwenkbewegung überstreicht, und daß die Minimalwerte
der Meßanzeige fortlaufend ermittelt werden.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich, daß der Prüfling
bei seiner Längsbewegung aus der Soll-Lage herauswandern kann oder unrund oder exzentrisch
sein kann, da der Schallstrahl während einer seiner z. B. sinusförmigen Querbewegungen
immer noch zweimal in der günstigen senkrechten Einfallsrichtung auftrifft. Der
Meßwert der Wandstärke an diesen Stellen wird durch den Minimalwert des Schallstrahlverlaufs
während der periodischen Schallstrahl-Bewegung angegeben.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels
veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 ein Rohrsegment mit dem an sich bekannten Verlauf
zweier unterschiedlich auftreffender Schallstrahlen eines Prüflçopfes, F i g. 2
ein Rohrstück in Seitenansicht, nebst Prüfkopf, F i g. 3 eine um 900 verschwenkte
Darstellung der Fig. 2, F i g. 4 den Schallstrahlverlauf für Verschiebung des Prüfkopfes
in Draufsicht zu F i g. 3 gesehen, wobei das Rohrstück seitlich verlagert ist.
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Der Prüfkopf 1 strahlt über das Koppelmedium, z. B. eine Wasserstrecke
2, den Schallstrahl 3 in den Prüfling, z. B. ein Rohr4, das in Richtung seiner Längsachse
bewegt wird. Die Verschiebung des Schallstrahles quer zum Rohrachse 0 wird durch
die Sinuskurve5 angedeutet. Sie wird z. B. durch eine Parallelverschiebung des Prüfkopfes
erreicht. Die Kurve 6 stellt den zeitlichen Verlauf der Meßwerte der Wandstärke
dar, wobei eine Veränderung der wirklichen Wandstärke längs des betrachteten Abschnitts
angenommen wurde. Die Minimalwerte, verbunden durch die Kurve 7, stellen den Verlauf
der Rohrstärkenänderung dar. Anstatt den Prüfkopf parallel zu sich selbst zu verschieben,
kann man je nach Einzelfall, ihn auch eine oszillierende Schwenkbewegung in einer
Ebene senkrecht zur Krümmungsachse 0 (Achse des Krümmungsradius R) ausführen lassen.
Im anderen Falle kann man dem Schallstrahl eine geeignete Querverschiebung durch
einen periodisch bewegten Reflektor erteilen. Es ist bei allen Verfahren aber erforderlich,
daß die Verschiebung A des Auftreffpunktes auf dem Prüfling größer ist, als die
Toleranz der Soll-Lage, damit unter allen Umständen der senkrechte Einfall überstrichen
wird.
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Bei einer Analog-Registrierung der Wandstärken-Meßwerte entsprechen
die Minimalwerte der Kurve 6 (Fig. 4) den jeweiligen Rohrstärkenwerten. Bei einer
Digital-Verarbeitung der Meßdaten lassen sich an sich bekannte Schaltungen benutzen,
welche während jeder Schallstrahl-Verschiebungsperiode nur das jeweils erreichte
Minimum des Meßwertes festhalten und digital anzeigen oder registrieren. Periodische
Schwankungen ergeben sich mit zwei Minimalwerten während jeder Periode bei analoger
Registrierung der Meßwerte.