DE1573412A1 - Materialuntersuchungsgeraet - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE Γ

r.'C- H FiNCKE

Beschreibung , _Äpp# $866

stm Patentgesuch
der Pa. AUTOMATIC* IN1WSTHIBS, IHC., EL Segundo, California. USA

betreffend
Materialuntersuchungsgeriit

■·■ + +
PRIORITÄT: 22. HoYember 19^5 - V.St.A..

Die Erfindung betrifft ein Ultraschalluntersuchungsgerät zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, insbesondere Mittel zur Messung der UltraschalldMapfung in eines Material.

Bei einer AusfUhrungefora eines UltrascballuntersuchungegerStes zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung wird Ultraschall in ein Werkstück übertragen, wobei die Art und Weise in welcher der Ultraschall mit den Werkstück reagiert, gemessen wird. Horaalerweise wird der Weg, in welchen der Ultraschall reflektiert oder blockiert wird, gemessen, beispielsweise die Eohoeeit, die Unterbrechung der durchlaufenden Übertragung und dergleichen. Dies ergibt eine Information bezüglich LeerrXuaen, Einschlüssen, der Werkstückdicke und dergleichen. Es ist bereits bekannt, daß verschiedene Kennwerte, beispielsweise die Porosität, Kornstruktur und dergleichen durch Messung des Absorptionsgrades des Ultraschall· bei* Durchlaufen durch das Material bestirnt werden.

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üb die Dämpfung zu oeesen, let es üblich, einen Ultraachalliopuls in das Werkstück zu übertragen, wobei dieser wiederholt zwischen der Vorder- und Eüclcfläche reflektiert wird und eine Folge τοη Echos erzeugt, wobei die Amplitude jedes Echos gegenüber derjenigen des vorangehenden Echos in einem Ausmaß abnimmt, welches der Dämpfung entspricht.

Um die Dämpfung zu messen, wurde bisher eine Aufeinanderfolge τοη Zacken entsprechend den Echos auf eine» Oszillographen abgebildet. Die Amplituden dieser Zacken nehmen progressiv ähnlich den Echos ab. Die Enveloppe für die Zacken nimmt exponentiell als Funktion der Dämpfung ab. Eine Bedienungsperson muß hierbei manuell eine Exponentialkurve mit dieser Enveloppe auswerten. Dies stellt erdchtlich nicht nur einen langsamen und zeitaufwendigen Vorgang dar, sondern ist auch Fehlern seitens des Auswertenden unterworfen. Ferner ist die Messung lediglich intermittierend und kann nicht zur stetigen Bestimmung der Ultraschalldänpfung verwendet werden, wie dies erforderlich ist, wenn ein kontinuierlicher Vorgang überwacht werden soll. Hieraus ergibt 6ich, daß die bisherigen Geräte zur Messung der Dämpfung nicht völlig zufriedenstellend arbeiten.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Überwindung der vorangehenden Schwierigkeiten, insbesondere die Schaffung von Dämpfungsmessmitteln zur Bestimmung des Grades der Ultraschalldämpfung eines Materials ohne von Hand erforderliche Manipulationen oder Berechnungen» Erreicht wird

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di·· im wesentlichen durch Saapfungeaesselernente zur automatischen und kontinuierlichen Me β sung des Grades der Ultrasohalldampfung eines Materials innerhalb eines Werkstückes.

Qeaäß einer AusfUhrungeforn der vorliegenden Erfindung wird ein Ultras challjjqpuls in das Werkstück so übertragen, daß er wiederholt zwischen verschiedenen FlKchen reflektiert wird, beispielsweise an der Yorder- und Rtickfläche eines Werkstückes. Die resultierenden Echos werden an einer der Flächen eapfangen, üb eine Folge von Echosignalen «it Amplituden zu erzeugen, welche als Funktion der UltraechalldMapfung abnehaen. Geeignete Auswerteaittel werten bestimmte Echosignale aus, ue ein Paar stetiger Auswertesignale zu erzeugen. Vergleiohsaittel vergleichen alsdann diese Auswertesignale zwecks Breeugung eines stetigen D&apfungasignals, welches eine Funktion des Verhältnisses «wischen den Auswerteeignalen ist.

Die Erfindung ist nachstehend an Band der Zeichnung näher erläutert. Es seigt:

flg. 1 ein AusfUhrungabeispiel einer erfindungsgeaäBen

Anordnung sur Dsjspfungeaessung in Blockschaltbilddarstellung,

Fig. 2 eine Reihe von Nadelinpulnen, welche an einem Teil der Anordnung nach Fig. 1 erscheinen.

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Das in der Zeichnung Teranschaulicbte Meesysten 1o ist besondere zwecknäßig zur Meoeung des Däapfungegradeo von Ultraschall beim Durchlaufen eines Werkstückes 1c.

Za Yorliegenden Fall unfaßt die Anordnung 1o eine Sonde 1*t mit einer Fläche, welche in innige Berührung Bit einer der Flächen 16 des Werkstückes 12 gebracht werden kann, Normalerweise ist diese Fläche 16 verhältnismäßig eben und von einer zweiten verhältnismäßig ebenen Fläch* 18 getrennt, welche im wesentlichen parallel hierzu verläuft. Ein Ultraschallwandler 2o ist innerhalb der Sonde 1'+ angebracht, um Ultraschall in Abhängigkeit von elektrischen Signalen abzugeben.

Normalerweise wird ein kurzer elektrischer Iapuls dem Wandler 2o zugeführt, wobei dieser einen sehr kurzen Ultraschallimpuls oder üitraschalletoß abgibt. Der ültraech&ll läuft durch die Vorderflache "6 und in das Material des Werkstückes 12. Der Ultraschall wird alsdann wiederholt zwischen der Vorder- und Ruckfläche 16 bzw. 18 reflektiert, wobei eine Reihe von Echos an der Vorderfläche 16 neben der Sonde 1Ί auftritt. Jedesmal bei« Auftreten eines dieser Echos nieat die Amplitude gegenüber der Aeplitide des vorangehenden Echos ua einen der Abschwächung entsprechenden Wert ab, welcher beim Fortlaufen des Ultraschalls von der Vorder- zu der Rückfläche und Ruckkehr zu der Vorrierflache auftritt. Ein Toil dee DItras chaID β jedos dieser Echoe wird in die Sonde 1*t eingekcppelt. Der Wandler Ho spricht auf die nitraachallechos an unc'i erzeugt

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elne Folge von elektrischen Echosignalen. Die Amplituden dieser Signale nehmen selbstverständlich in gleicher Weise wie die Dltraschallechos ab.

Eine geeignete Pulsgeber/Empf&ngerkombination Zk ist alt den Wandler Zo in der Sonde 14 sowie mit einem Synchroniaierpulsgenerator ZZ verbunden. Der Pulegenerator 22 kann selbstsehwingend sein und eine Reihe von Triggerimpulsen ereeugen. Diese Impulse bestimmen die Wiederholungsgeschwindigkeit, bei welcher die Anordnung "ίο arbeitet« und synchronisiert den Betrieb der verschiedenen Teile des Systems 1o.

Jedesmal wenn der Pulsgenerator 22 einen Impuls an den Pulsgeber 2k ^abSibt > führt der Pulsgeber 2k einen elektrischen Impuls su dem Wandler 2o, wobei ein uTtraschallimpuls in das Werkstück 12 übertragen und wiederholt zwischen der Vorder- und HückflSche 16 bsw. reflektiert wird. Die Reflexionen setsen sich über einen ausgedehnten Zeitraum fort oder solange, bis der Ultraschall beim Fortlaufen durch das fferksttick völlig abgedampft ist. Jedesmal wenn ein Echo an dar Vorderfläche des Werkstückes 12 auftritt, erzeugt der Wandler 2o «in entsprechendes elektrisches Echoagnal, welch·· in den Empfänger 2k ein^okoppelt und verstärkt wird. Diese Signale sind normalerweise ähnlich denjenigen nach Fig, 2.

Insbesondere ist jedes der Signale nach dom vorangehenden Signal um ein Interval gleich der Laufzeit getrennt, welche erforderlich i*t.

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ORIGINAL

dealt der Ultraschall yon der Vorderfläch» 16 bu dor Kückfläcbe i8 Und zurück verläuft« Zusätzlich wird die Amplitude jοdee der Signale gegenüber der Amplitude des Vorangeheaden Signalee um einen Wert gedämpft, welcher der Dämpfung entspricht, die während dee Rundlaufes durch das Werkstück 12 auftritt· Folglieh weisen die Spitzen dieser Signale eiae Erxveloppe auf, welche exponentiell abfällt.

Um den Grad der Dämpfung zu messen, war ea bisher notwendig, fliese Signale an der Fläche einer Kathodenstrahlröhre abzubilden und dann von Band eine Enveloppe an die Kurvenepiteen ansupaaeen. Durch Analyse der Enveloppe war es dann oöglich, die Abschwächung des Materials bu berechnen.

Im vorliegenden Fall wird die AbechwMchuag automatisch bestimmt. Dies wird durch geeignet· Auewerteiiittel, beispielsweise Getter 26,28, erreicht. Jedes dieser Gatter £6,28, anfaßt einen Steuereingang 3o bzw« 32 und einen Signaleingeng $k bzv.3&· Die Signaleingänge 3k, M> sind mit de« Stopfanger Sh gekoppelt, wobei alle Echosignale nach Fig. beiden Gattern 26,23 zugeführt werden» Venn kein Signal an des Steuereingang 3o oder J52 vorliegt, sind die Gatter 26,?8 geschlossen, und die Echoeignale an den Signalcingang 3** brar. 3^ können nicht durchlaufen. Wenn jndoch ein Signal au einem Steneieingang 3c oder 32 li^^t, öffnet das entsprechende Gatter 26, 28, und das Signal an dem Eingang 3o, ^2 läuft durch dae Gatter zu dem Eingang.

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8tei»ereingMage Jo₁ 52 fttr die beiden (latter 26, 28 ttiad «it dea Synchrongenerator 22 gekoppelt, wobei dl« 'Saft*!' 26, 28 eynohron β« de· Beet der Anordnung 1o ge 8 ff α et und geachloaaen werden. Insbesondere iat der Steuereingang 5« für da* erste Satter ■dt d«a Sfachrongeiaerator 22 durch geeignet« Se beispielsweise eine Startschaltung >8 and eine Ufcagtnechaltung gekoppelt. Si· Startaehaltung 38 kann eine Übliche ZeitTerBc*g«rungsachaltung aein, beiapielaveiae ein eor,oetabil*r Multivibrator oder univibrator. Jedeeaal venn der Synchrongenerator ZZ einen Xriggeriapula cn de· Pulageber/Itepfiüiger Zh führt, vobei der Wandler 2o betätigt wird, erfolgt die lnftthrting einee entnpxecheadea lopulaea an die Startschaltung 3β. Dia Startachaltang 98 ändert ihren Znatand Über eine beatlawte teit und kehrt dann in ihren stabilen Euataad Burück. Da« Ausgaagaaignal iat hierbei ein Beohteekiapul« beetiaater Sauer.

Die H i-LKncenachaltung ko ist alt der Startschaltung 38 ec gekoppelt, daft ein Anaprechea auf die hintere Kante dea Seohteokiapolaea erfolgt. Öle Iüngenaohatang ho kann aach ein aoaoatabiler Multivibrator oder Univibrator sein, «elcher einen BaoateckiwpalM beetiaaitar Dauer eraeugt. Dieser Rechteckiapula. wird von des SvnchroniaationaiapulB tw die Dauer des Rechteckiatpuleee von der Startschaltung 38 verzögert und hKlt Über ein bestimmtes Zcitinterval an.

Die Langenaoaaltung ko ist adt dea 8teuereingang 3o des M 1-Oattera so gekoppelt, daft hieran der versb'gerungeiapsla angelegt «ird. Polglieh

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BAD ORiGIN

öffnat das (Setter 26 wXhre&d dieser verzögerten Perlode und IKBt jegliche Signale durch« welche an de« Signaleingang Jk liegen. Während aller anderen Perioden bleibt das Gatter geschlossen und blockiert den Durchlauf aller Signale.

Daβ // 2-Oatter 28 ist alt de» Synchrongenerator 22 durch geeignete Mittel gekoppelt. Obgleich hi*r eine direkte Verbindung vorgesehen sein kann, erfolgt la vorliegenden Fall eine indirekte Verbindung durch den Ausgang des M- 1-Gatters 26. Dies stellt eicher, daß das M 2-Oatter 28 lediglich nach Öffnung des ff/ 1-Oatters 26 öffnet. Das M 2-Oatter 28 kann durch geeignete Zeitvereägerungseleaente gesteuert «erden, jedoch sind diese la vorliegenden Fall ähnlich denjenigen für das // 1-Qs.tter 26. Insbesondere sind eine ewelte Startechaltung und «ine zweite Längenachaltung Mf mit dem Ausgang des // 1-Qottere 26 gekoppelt. Diese sind la wesentlichen identisch mit den // 1-Start>und 4/ 1-LängeAsehaltungen 3J8 bsw. ho. Die /^/ 2-Startschaltung kZ erseugt «Inen Sechteckiapuls, welcher in Koinsidens ■it dea durch das 4έ 1-Oatter 26 laufenden Signal beginnt und eine bestlaate Zeit später endet. Die 'M 2-Lämgensehaltttng erseugt einen Rechteckiapuls, welcher dea // 2-Oatter 28 eugefUhrt wird, wobei das // 2-Qatter 28 für ein bestisites Zeitinterval geSffnet wird.

Sonit werten die // 1- und ^/ 2-Oatter 26, 28 das Signal des Sapfängers 2h in zwei getrennten Intervallen aus, welche ua unterschiedliche Zeiten gegenüber der anfänglichen Übertragung dee Ultraschalls verzögert sind. Folglich ergeben die Auegänge der Gatter 26, 28 zwei

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getrennte Auswertesignale.

Die Amplitudenabnahme des zweiten Auswertesignale ist eine Funktion der Abschwächung des Ultraschalle als Folge von dessen Durchlaufen des Werkstückes 12. Somit ist das Verhältnis zwischen diesen Auswerteeignalen eine Funktion der Abechvächung. Geeignete Signalvergleicher- und Anseigeelemente k? können vorgesehen sein, üb dieses Verhältnis abzufühlen und die Abschwächung stetig anzuzeigen. Ia vorliegenden Fall umfaßt die Schaltung ein Instrument kB, welches auf eine stetige Anzeige der Abschwächung geeicht ist.

Ub die vorliegende Anordnung 1c zur Messung der Abschwächung in eines Werkstück 12 zu verwenden, ist der Wandler 2o alt der Vorderfläche 16 akustisch gekoppelt, und der Synchrongenerator 22 ist in Betrieb. Der Wandler 2o gibt dann intermittierend Ultraschallimpulse in das Werkstück 12 ab, welche zwischen der Vorder- und Backfläche 16 bzw. i8 τοflektiort werden. Der Wandler 2o und der Ksspfanger 2k erzeugen dam* eine Reihe von verstärkten Echosignalen« welch· ähnlich Fig. 2 exponentiell abfallen.

Gleichzeitig mit der Übertragung des Ultraschallimpulses wird

die /}' 1-Startechnltung 38 in Betrieb gesetzt vuo ein aeitverzögerndes

Signal· zu erzeugen, weicheo die // 1-Längonschaltung 4o triggert. Di ι lüngenechaltung ko erzeugt dann einen Rechteckimpuls, welcher

dae //' 1-Gatter 26 für ein bestimmtes Auswerte- oder Gatfcerinterval 5o öffnet.

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BAD OBiGlNAL

Die y/ 1-Startschaltung 3d und die // 1-Langenschaltung ko sind βο justiert, daß nit Sicherheit das M 1-Gatter 26 während eines ersten Gatterintervalle 5c öffnet, das ein besonderes Echosignal aus der Gruppe aller Echosignale umfaßt. Vorzugsweise weist das ausgewertete Echosignal eine große Amplitude auf, d.h., daß eines der ersten auftretenden Echosignale ausgewertet wird. Da das Echosignal eine sehr kurze Zeitdauer hat, endigt es vor einem nachfolgenden Echosignal. Sin ^i- 1-Dehner 56 kann mit dem Gatter 26 gekoppelt sein, um die Dauer des Signals zu steigern. Beispielsweise kann der Dehner 56 eine bestimmte Form eines Speichers, beispielsweise einen Kondensator!Umfassen.

Venn das Signal durch das // 1-Gatter 26 gekoppelt wird, werden die M 2-Startschaltung k2 und die M 2-Längenschaltung Mf in Betrieb gesetzt, wobei diese das ^/ 2-Gatter 28 während eines zweiten Gatterintervalle 52 öffnen. Die ££ 2-Start- und Längenschaltungen h2, kk alnd so justiert, daß dieses Gatterinterval 52 ein zweites besonderes Echosignal einschließt. Dieses Signal ist vorzugsweise ein frühes Echosignal mit einer großen Amplitude. Das Signal muß indessen nicht notwendig das nächste folgende Echosignal sein. Ein zweiter Signaldehner 54 kann mit dem £{ 2-Gatter 2& gekoppelt sein, um die Zeitdauer de3 zweiten Signals zu steigern, so daß eine Überlappung des von dem // 1-Deliiier 56 ausgehenden ersten Auswertesignals erfolgt.

Der Signalvergleicher k-7 vergleicht dann die Amplitude der beiden Signale und erzeugt eine Anzeige bezüglich des Verhältnisses der beiden

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Slgnale. Dieses Verhältnis entepricht dec in dee Werks click vorliegenden Dämpfungsgrad.

Soll die Aussige dea Da'apfungsgrades pro Dickeneinheit (d.h. Dezibel pro ca) erfolgen, so können ein Teiler 60 und eine Diokensteuerung 62 vorgesehen oeis. Die Dickenateuerung 62 let eo eingestellt, daß ale dea Abstand zwischen den reflektierenden Flächen entepricht, «eiche die besonderen auszuwertenden Echos erzeugen. Die Dickonsteu*rung 52 kann von Band oder autoe*tisch eingestellt »erden, indem das Eeitinter7«1 ewischen dem Paar ausgewerteter Signale und damit die Dicke dea Werketüokes 12 abgefUhlt wird. Der Teiler 60 teilt dann eines der Signale, beispielsweise das Signal von dem jf/ 2-Dehner 5^1 wobei eine stetige Aussige der Abschwächung pro Dickeneinheit erhalten wird. Bs erwies sich als günstig, eine automatische Verstärkungsregelung alt dea // 1-Dehner sowie dea Qepfanger 24 zu koppeln. Diese Steuerung verändert die Verstärkung derart, daß die Amplitude der ausgewerteten und gedehnten Signale im wesentlichen konstant gehalten wird.

Anstatt der beschriebenen AusfUhrungefora der Erfindung können die verschiedenen Echosignale auch durch andere Bauelemente als durch die gezeigten Gatter ausgewertet werden. Auch die Dickensteuerung kann geändert werden.

Wenn die automatische Verstärkungsregelung die Amplitude eines Signale genügend konstant halten kann, let es möglich, die Amplitude dee anderen Signals unmittelbar abduleeen und damit die Notwendigkeit zum Vergleich der Amplitude beider Signale xu vermeiden.

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BAD ORiGINAL

Claims (2)

Patentansprüche

1. Gerät zur Bestimmung der Dämpfung von als Impulse in einen Festkörper, vorzugsweise Werkstück, eingestrahlten sowie an dessen Vorder- und EUckflÜche reflektierten Ultraschallwellen mit einem an den Festkörper anzulegenden Ultraachallwandler zur Abgabe und Aufnahme von Ultraschallwellen, gekennzeichnet durch zwei dem Ultraschallwandler (i*f,2o) nachgeschaltete Gatter (26,28), welche jeweils auf Durchlauf eines bestimmten Echosignale eingestellt sind, eine zumindest einem der Gatter (26) zugeordnete automatische Verstärkungsregelung (66) zur Konstanthaltung eines der beiden Echosignale und eine Auewerteeinheit (**7) zur Bildung des Amplituüenverhältniseee beider Echosignale.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit der Auswerteeinheit gekoppelte Dickenkontrolleinrichtung (62) zur Division dee Verhältniseignala als Funktion der Differenz zwischen den von beiden Echos durchlaufenden Entfernungen·

3* Gerät nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aneeigeihstrument (48) zur unmittelbaren Dickenablesung vorgesehen iet.

k. Gerät nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßzeitpunkte der beiden Gatter entsprechend dsn seitens zweier verschiedener Echoe durchlaufenen Entfernungen eingestellt aind.

Für Fa. AUTOMTXOH INDUSTRIES, INC.:

PATENT ANWÄl IE DR-INQ H HNCKt 3IPL ING H BOHB

009816/0759 ^DIW-^IN*- ·■«***»