DE1573424B2

DE1573424B2 - Ultraschallpruefvorrichtung zur zerstoerungsfreien werk stoffpruefung nach dem impulsechoverfahren

Info

Publication number: DE1573424B2
Application number: DE19661573424
Authority: DE
Inventors: Kilian H. Dipl.-Ing. Norwalk Conn. Brech (V.St.A.)
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 1965-10-05
Filing date: 1966-06-28
Publication date: 1971-09-30
Also published as: CH459605A; AT281466B; US3485087A; GB1124898A; NL6613874A; DE1573424A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallprüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach dem Impulsechoverfahren mit einem Impulsgenerator zur Anregung eines an ein zu prüfendes Werkstück angekoppelten elektroakustischen Wandlers, der gleichzeitig als Sender und als Empfänger für Ultraschallimpulse dient, und mit einer Zeitmeßvorrichtung, die durch ein von der Ultraschallprüfvorrichtung ausgelöstes Startsignal in Gang gesetzt und durch das Signal eines erstmals von einer Impedanzänderungsstelle im Werkstück bzw. von der Rückseite des Werkstücks reflektierten Echoimpulses wieder angehalten wird.

Eine derartige Prüfvorrichtung ist aus der Patentschrift 29 214 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin bekannt. Diese Ultraschallprüfvorrichtung hat jedoch den entscheidenden Nachteil, daß dünne Prüfkörper nicht untersucht werden können. Bei dünnen Prüfkörpern folgt der an der Rückseite erzeugte Echoimpuls dicht auf den Impuls, der den Zähler ausgelöst hat. Da die in der bekannten' Vorrichtung verwendeten elektronischen Bausteine, wie Empfänger, Impulsverzögerer, Impulsformer und Impulstor notwendigerweise Totzeiten, also ein begrenztes Auflösungsvermögen für dicht aufeinanderfolgende Impulse besitzen, können zwei solche Impulse nicht mehr voneinander getrennt werden, sobald der Prüfkörper eine gewisse Dicke unterschreitet. Auch der Wandler selbst hat eine gewisse Totzeit nach dem Aussenden eines Ultraschallimpulses, während der er kein Echosignal empfangen kann. So werden insbesondere schwache, rasch auf das Auslösesignal folgende Ultraschallimpulse verschluckt, wie sie durch Reflexion an korrodierten oder mit Kalkablagerungen besetzten Flächen entstehen. Das Totzeitproblem kann zwar mit einem nur als Sender wirkenden Wandler und einem gesonderten Empfänger an der Prüfkörperrückseite beseitigt werden, jedoch eignet sich diese Vorrichtung ausschließlich zur Messung der Schallaufzeit und nicht zur Messung der Prüfkörperdicke mit Hilfe von Reflexionssignalen. Daneben kann der zweite Empfänger auch nur dann angebracht werden, wenn die Rückseite des Prüfkörpers zugänglich ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, eine Ultraschallprüfvorrichtung zu schaffen, bei der mit Hilfe von Reflexionssignalen die Messung der Prüfkörperdicke auch von dünnen Prüfkörpern bei oxydierten und verschmutzten heißen Oberflächen möglich ist, selbst wenn die Rückseite des Prüfkörpers nicht zugänglich ist.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß der elektroakustische Wandler das Signal eines erstmals an der Grenzfläche zwischen einer Koppelvorrichtung und dem Werkstück reflektierten Echoimpulses über einen ersten Kanal als das oben genannte Startsignal an die Zeitmeßvorrichtung leitet und daß ein zweiter elektroakustischer Wandler das Signal des erstgenannten Echoimpulses über einen zweiten Kanal an die Zeitmeßvorrichtung leitet.

Durch die Erfindung ist in vorteilhafter Weise eine Ultraschallprüfvorrichtung geschaffen, die sich vorzüglich zur Untersuchung auch von dünnen Prüfkörpern eignet. Dabei braucht die Rückseite der Prüfkörper nicht zugänglich zu sein, und sie kann darüber hinaus auch korrodiert oder mit Kalkablagerungen bedeckt sein. Durch die Anbringung des zweiten Wandlers, der die im Inneren oder die an der Rückr seite des Werkstückes reflektierten Echoimpulse empfängt, und durch die zwei getrennten Kanäle zur Führung dieser an der Werkstückoberfläche und an tiefer liegenden Unstetigkeitsstellen reflektierten Impulse werden die Schwierigkeiten, die sich aus dem Vorhandensein von Totzeiten sowohl in den Wandlern selbst als auch in der elektronischen Schaltung ergeben, vollständig beseitigt.

Zur weiteren Verbesserung der Lösung der Erftndungsauf gäbe hat es sich als zweckmäßig erwiesen, daß in den ersten Kanal ein Verstärker eingeschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Auslöseeingang der Zeitmeßvorrichtung verbunden ist, und daß in dem zweiten Kanal ebenfalls ein Verstärker eingeschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Stillsetzeingang der Zeitmeßvorrichtung verbunden ist.

Darüber hinaus hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß die Zeitmeßvorrichtung derart mit dem Impulsgenerator verbunden ist, daß sie bei Aussendung eines Impulses durch den Impulsgenerator gesperrt ist. Eine weitere Verbesserung der Lösung der Erfindungsaufgabe ergibt sich dadurch, daß die Koppelvorrichtung zwischen den Wandlern und dem Werkstück aus zwei getrennten, nebeneinander angebrachten Stäben besteht und daß die Austrittsfläche des mit dem ersten Wandler verbundenen Stabes mit einem reflexionsverstärkenden Glied versehen ist.

Die Erfindung ist in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 ein schematisches Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform,

F i g. 2 eine andere Ankopplungseinrichtung,

F i g. 3 eine schematische Darstellung der Signale in Abhängigkeit von der Zeit,

F i g. 4 ein schematisches, elektrisches Schaltbild, F i g. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht eines bevorzugten Wandleraufbaues und

F i g. 6 eine Unteransicht des Wandlers von F i g. 5 längs der Linie 6-6.

Nach F i g. 1 sind zwei elektroakustische Wandler 12 und 14 über eine Ankopplungseinrichtung 16 mit der Vorderfläche 18 eines Objekts 20 verbunden, das mit Ultraschallenergie untersucht werden soll. Die aus piezoelektrischem Material hergestellten Wandler liegen Seite an Seite und können von einem einzigen Wandlergehäuse umgeben sein. Die Wandler können auch fokussiert sein, d. h., daß sie so relativ zueinander angeordnet sind, daß sich ihre jeweiligen Schallenergiestrahlen an einem Punkt überschneiden, der • hinter der Vorderfläche 18 des Objekts liegt. Diese Fokussierungseigenschaft ist besonders vorteilhaft, wenn Impulse zu stark korrodierten oder blättrigen Objekten gesendet oder von solchen empfangen werden. Die Ankopplungseinrichtung 16 kann in einem typischen Fall aus einem Kunststoffmaterial wie etwa Polystyrol oder Methylmethacrylat, das sowohl als thermischer Isolator als auch als akustische Verzögerungsvorrichtung wirkt, bestehen. Zwischen die Wandler 12 und 14 und die Ankopplungseinrichtung 16 und zwischen die Ankopplungseinrichtung 16 und die Vorderfläche 18 des Objekts kann ein geeignetes Kopplungsmittel (Wasser, Öl oder Glyzerin) eingeschoben werden.

Es muß besonders darauf geachtet werden, daß die zwischen jedem Wandler und dem Objekt verlaufenden Signale von der Ankopplungseinrichtung um gleiche Zeitbeträge verzögert werden. Aus diesem

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Grund kann die Ankopplungseinrichtung aus einem geschlossene Zeit-Spannungs-Umsetzerschaltung 30 einzigen Materialstück oder aus zwei Teilen gleicher wandelt den Zeitabschnitt, in dem der Multivibrator Länge bestehen. Wenn die Wandler nicht fokussiert in Betrieb ist, in eine Spitzenspannung um, die vom sind, sind zwei getrennte Ankopplungseinrichtungen Instrument 32, beispielsweise einem Digitalvoltmeter, bevorzugt oder sogar notwendig, damit eine Ver- 5 angezeigt wird. Das Voltmeter zeigt daher einen kopplung der Signale vermieden wird. Dies kann Wert an, der ein Maß für die Entfernung ist, die dadurch erreicht werden, daß in der Ankopplungs- der Ultraschallimpuls im Objekt 20 von der Vordereinrichtung 16 ein Längsschlitz angebracht wird, wo- fläche 18 bis zu einer Änderung der akustischen bei ein Abschnitt dann mit dem Wandler 12 und der Impedanz, wie etwa zu einer Fehlerstelle oder zur andere Abschnitt mit dem Wandler 14 in Verbindung io hinteren Fläche des Objekts zurückgelegt hat. Der steht. Die Ankopplungseinrichtung und die Wandler parallel zur Zeit-Spannungs-Umsetzerschaltung 30 12 und 14 können aneinander befestigt sein, damit liegende einstellbare Kondensator 31 eicht die Aneine einheitliche bauliche Anordnung entsteht. zeigeschaltung auf verschiedene Materialien, da sich

Ein Impulsgenerator 22, der eine Folge von hoch- die Ultraschallenergie in verschiedenen Stoffen mit

frequenten, elektrischen Impulsen erzeugt, ist mit 15 unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet. Die

dem Wandler 12 verbunden, damit dieser bewirkt, Anzeigeschaltung kann so ausgeführt sein, daß man

daß sich durch die Ankopplungseinrichtung 16 Ultra- direkt die Dicke des Materials ablesen kann. Es ist

schallimpulse in das Objekt 20 ausbreiten. Die Schal- offensichtlich, daß auch andere Zeitmeßeinrichtun-

tung enthält darüber hinaus einen an den Wandler 12 gen, wie etwa ein Oszillator und ein Frequenzzähler,

angeschlossenen Impulsverstärker 24 und einen' 20 zur Bestimmung des Zeitabschnitts zwischen beiden

gleichartigen, an den Wandler 14 angeschlossenen Reflexionssignalen verwendet werden können, ohne

Impulsverstärker 26. Ein mit den Impulsverstärkern daß vom Grundprinzip der obigen Anordnung ab-

24 und 26 verbundener Multivibrator 28 bildet eine gewichen wird.

typische Zeitmeßschaltung, mit der der Zeitabschnitt In Fig. 2 ist das zu untersuchende Objekt20 in zwischen dem Empfang von zwei aufeinanderfolgen- 25 einem Behälter 34 angebracht, der mit einer Flüssigden Reflexionssignalen gemessen wird. Der Zeit- keit 36, wie etwa Wasser, gefüllt ist. Die zwischen abschnitt wird mit einer elektrischen Anzeigeschal- den Wandlern 12 und 14 und dem Objekt angetung erkennbar gemacht, die mit einer Zeit-Span- brachte Flüssigkeit dient als Ankopplungsmedium. nungs-Umsetzerschaltung 30, einem Materialeichkon- In gleicher Weise kann ein Wasserblasenerzeuger densator zur Einstellung des Unterschieds der Schall- 30 zur Herstellung der Kopplung zwischen den Wandgeschwindigkeit in verschiedenen Materialien und lern und dem Arbeitsstück verwendet werden,
einem Instrument 32, wie etwa einem Digitalvolt- Die zeitliche Beziehung der verschiedenen Ereigmeter, versehen ist. Andererseits kann aber auch eine nisse zueinander ist in F i g. 3 schematisch dargestellt. Kathodenstrahlröhre verwendet werden. Der Impuls 40 stellt den ursprünglichen, zum Zeit-

Die beschriebene Schaltung arbeitet in folgender ₃₅ punkt T₀ vom Wandler 12 ausgehenden Impuls dar.

Weise: Dieser Impuls durchläuft die Ankopplungseinrich-

Der Impulsgenerator 22 liefert periodisch Hoch- tunglö bis zur Grenzfläche zwischen dem Objekt 20 frequenzimpulse (in einem typischen Beispiel mit und der Ankopplungseinrichtung 16. Diese Grenzeiner Frequenz von 2,2 MHz und einer Impulsfolge- fläche verursacht ein Reflexionssignal 42, das nicht frequenz von 20 kHz) an den Wandler 12. Der 40 sofort vom Wandler 12 abgetastet wird, sondern das Wandler bewirkt eine Umwandlung der elektrischen durch die Ankopplungseinrichtung 16 zurücklaufen Energie in mechanische Energie und verursacht, daß muß, damit zum Zeitpunkt T₄ ein Signal 44 am sich ein Energieimpuls im Ultraschallbereich in Wandler 12 geschaffen wird. Die Laufzeit I₁ des Form einer Druckwelle zum Objekt hin ausbreitet. Signals vom Wandler 12 zur Vorderfläche 18 des Gleichzeitig mit der Impulsabgabe an den Wandler 45 Objekts ist gleich der Laufzeit t.„ in der das Re-12 überträgt der Impulsgenerator 22 über die Lei- flexionssignal 42 von der Vorderfläche 18 des Objekts tung 23 ein Sperrsignal auf den Multivibrator 28, durch die Ankopplungseinrichtung 16 zurückläuft,
damit der Betrieb der Zeitmeßschaltung zu diesem Zum Zeitpunkt T₁ dringt der ursprüngliche Impuls Zeitpunkt verhindert wird. Wenn der Ultraschall- 40 in das Objekt 20 ein, wobei er die hintere Fläche impuls des Wandlers 12 die Ankopplungseinrichtung 50 des Objekts 20 zum Zeitpunkt T., erreicht. Das sich 16 durchdringt, trifft er auf die Grenzfläche zwischen daraus ergebende Reflexionssignal erreicht die der Ankopplungseinrichtung 16 und der Vorder- Vorderfläche 18 des Objekts 20 zum Zeitpunkt T_v fläche 18 des Objekts. Der an dieser Grenzfläche Das Reflexionssignal breitet sich nun durch die auftretende Wechsel der spezifischen akustischen Ankopplungseinrichtung 16 zum Wandler 14 aus und Impedanz erzeugt ein Reflexionssignal, das vom 55 erreicht ihn, durch den Impuls 46 dargestellt, zum Wandler 12 abgetastet wird. Zeitpunkt T₅. Der zwischen den Zeitpunkten T₄

Das vom Wandler 12 empfangene Reflexionssignal und T. liegende Zeitabschnitt i₃ stellt die Zeit dar, wird im Verstärker 24 verstärkt und löst den Betrieb die zwischen der Ankunft des von der Vorderfläche des Multivibrators 28 aus. Wenn sich der Ursprung- 18 des Objekts verursachten Reflexionssignals, das liehe Ultraschallimpuls im Objekt 20 ausbreitet, trifft 60 vom Wandler 12 abgetastet wird, und dem daraufer auf einen Wechsel der akustischen Impedanz wie folgenden Reflexionssignal verstrichen ist, das von etwa auf eine Fehlerstelle oder auf die hintere Fläche dem Ultraschallimpuls verursacht wird, der auf eine des Objekts. Diese Impedanzänderung verursacht Änderung der akustischen Impedanz trifft, wenn er ein zweites Reflexionssignal, das die Ankopplungs- die hintere Fläche des Objekts 20 erreicht. Der Zeiteinrichtung 16 durchläuft, von dem zweiten Wandler 65 abschnitt i₃ ist der zweifachen Dicke des Objekts 20 14 abgetastet, durch den Verstärker 26 verstärkt und proportional. Es ist offensichtlich, daß durch die zur Unterbrechung des Betriebs des Multivibrators Schaltung die Länge der Ankopplungseinrichtung 16 28 benutzt wird. Die an den Multivibrator 28 an- aufgehoben wird.

Es kann bemerkt werden, daß eine von einem Wechsel der Temperatur der in Verbindung mit dem Objekt stehenden Fläche oder von einer allmählichen Erhitzung des Ankopplungskörpers selbst verursachte Veränderung der akustischen Eigenschaften der Ankopplugseinrichtung 16 die Messung nicht beeinflußt.

Die zwischen den Zeitpunkten T₄ und T₅ verstrichene Zeit entspricht stets vollständig der Dicke des Materials, ohne daß irgendeine Verschiebung auftritt oder daß eine Notwendigkeit für eine Nacheichung der Schaltung besteht, wie es bei bisher bekannten Vorrichtungen der Fall war. In gleicher Weise wird auch die Meßgenauigkeit von einer mechanischen Abnutzung und einer Verkürzung der physikalischen Länge der Ankopplungseinrichtung 16 nicht beeinflußt.

In Fig. 4 ist ein ausführlicheres elektrisches Schaltbild der Blockschaltung von F i g. 1 dargestellt. Der Multivibrator 28 besitzt hauptsächlich ,zwei Transistoren 28,4 und 28 B. Der Transistor 28 A wird von einem Transistor 50 in der Zeit, in der der Kondensator 52 geladen ist, unwirksam gehalten. Der in Serie zu einer Diode 54 liegende Kondensator 52 erhält seine Ladung gleichzeitig mit dem ursprünglichen Impulssignal, das an den Wandler 12 gelegt wird. Diese Ladung des Kondensators 52 stellt das Sperrsignal dar und verhindert den Betrieb des Multivibrators während der Anfangszeitperiode. Der Basiswiderstand des Transistors 50 bildet die Entladeschaltung, wobei der Kondensator und dieser Widerstand so ausgewählt sind, daß die Ladung des Kondensators 52 zu dem Zeitpunkt abgeführt ist, bei dem das erste Reflexionssignal 44 (F i g. 3) vom Wandler 12 empfangen wird, das den Betrieb des Multivibrators auslöst.

Die Zeit-Spannungs-Umsetzerschaltung besitzt zwei Transistoren 30^4 und 305, einen Ladekondensator 56 und einen Spitzenwertdetektor, der aus einem Gleichrichter 58 und einem Kondensator 60 besteht. Der Kondensator 60 lädt sich auf die Spitzenspannung der von dem Umsetzer erzeugten Zeitmeßsägezahnschwingung auf. Der als Emitterfolger geschaltete Transistor 62 trennt das Instrument 32 elektrisch ab.

Ein Ausführungsbeispiel der Wandlerkonstruktion ist in F i g. 5 und F i g. 6 dargestellt. Zwei piezoelektrische Wandler 70 und 72 setzen elektrische Energie in akustische Energie um und umgekehrt. In einem typischen Fall besteht das Wandlermaterial aus Lithiumsulfat. Jeder Wandler ist an der hinteren Fläche einer entsprechenden Stange 74 bzw. 76 aus thermoplastischem Material befestigt, die die Ankoppiungseinrichtung und die akustische Verzögerungsvorrichtung bildet. Beide Stangen sind gegeneinander geneigt, damit ein oben beschriebener fokussierier Wandler entsteht. Die Wandler sind zusammen mit ihren akustischen Ankopplungseinrichtungen von einem Metallgehäuse 78 umgeben. Die Hohlräume sind von einem Kunststoffüllmaterial 80 ausgefüllt. Ein akustischer Isolierstoff 81, wie etwa Kork, verhindert eine Verkopplung der akustischen Signale. Durch die Anschlüsse 82 und 84 wird eine Verbindung der elektrischen Schaltung mit den Wandlern hergestellt.

An der Vorderfläche der Ankopplungseinrichtung 74 ist ein Kunstgriff, wie etwa ein sehr kleines Metallstück 86, angebracht, damit ein bestimmtes und genau definiertes Bezugsreflexionssignal verursacht wird, wenn der vom Wandler 70 ausgehende ursprüngliche Impuls die Ankopplungseinrichtung 74 verläßt und in die Vorderfläche 18 des Objekts eindringt. Dieses vom Ankopplungsgrad zwischen der Ankopplungseinrichtung 74 und dem Objekt unabhängige Bezugssignal stellt eine Betätigung der Zeitmeßschaltung sicher.

Der Metallteil oder irgendein anderer Teil, der im

ίο wesentlichen an der Grenzfläche zwischen der Verzögerungsvorrichtung und der Vorderfläche des Objekts 20 eine merkliche Änderung der akustischen Impedanz erzeugt, beeinflußt die Meßgenauigkeit nicht meßbar, wenn er am äußersten Ende der Ankopplungseinrichtung angebracht ist und wenn er im Vergleich zur Länge der Ankopplungseinrichtung 74 verhältnismäßig dünn ist. In einem typischen Beispiel besteht das Metallstück 86 aus einem 0,25 mm dicken Stäbchen, das von einer 25,4 mm langen Ankopplungseinrichtung gehalten wird. In gleicher Weise ist auch der Ablesefehler unbedeutend, der wegen einer Temperaturänderung des Metalls auftritt. Das Metallstück 86 ist einerseits von solcher Kleinheit und andererseits leicht seitlich der Hauptachse des Schallenergiestrahls angebracht, daß es die Übertragung von Schallenergie auf das Objekt nicht stört.

Es ist offensichtlich, daß sich die oben beschriebene Anordnung sehr gut für eine genaue Bestimmung der Wandstärke von Rohren, Platten u. dg!, eignet und daß die Schaltung von Veränderungen in der Ankopplungseinrichtung nicht beeinflußt wird. Darüber hinaus ist die Schaltung bei der Messung nicht von guten Mehrfachreflexionen mit den damit verbundenen Schwierigkeiten abhängig, wenn Streureflexionen auftreten. Der Multivibrator wird nur von der Reflexion an der ersten Grenzfläche in Betrieb gesetzt, und er wird vom nächstfolgenden Reflexionssignal außer Betrieb gesetzt, wodurch eine Mehrdeutigkeit der Messung vermieden wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallprüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach dem Impulsechoverfahren mit einem Impulsgenerator zur Anregung eines an ein zu prüfendes Werkstück angekoppelten elektroakustischen Wandlers, der gleichzeitig als Sender und als Empfänger für Ultraschallimpulse dient, und mit einer Zeilmeßvorrichtung, die durch ein von der Ultraschallprüfvorrichtung ausgelöstes Startsignal in Gang gesetzt und durch das Signal eines erstmals von einer Impedanzänderungsstelle im Werkstück bzw. von der Rückseite des Werk-Stücks reflektierten Echoimpulses wieder angehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler (12) das Signal eines erstmals an der Grenzfläche (18) zwischen einer Koppelvorrichtung (16) und dem Werkstück (20) reflektierten Echoimpulses über einen ersten Kanal als das oben genannte Startsignal an die Zeitmeßvorrichtung (28) leitet und daß ein zweiter elektroakustischer Wandler (14) das Signal des erstgenannten Echoimpulses über einen zweiten Kanal an die Zeitmeßvorrichtuns (28) leitet.

2. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß in den ersten Kanal

ein Verstärker (24) eingeschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Auslöseeingang der Zeitmeßvorrichtung (28) verbunden ist, und daß in dem zweiten Kanal ebenfalls ein Verstärker (26) eingeschaltet ist, dessen Ausgang mit einem Stillsetzeingang der Zeitmeßvorrichtung (28) verbunden ist.

3. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmeßvorrichtung (28) derart mit dem Impulsgenerator (22) verbunden ist, daß sie bei Aus-

sendung eines Impulses durch den Impulsgenerator (22) gesperrt ist.

4. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelvorrichtung (16) zwischen den Wandlern (12, 14) und dem Werkstück (20) aus zwei getrennten, nebeneinander angebrachten Stäben (74, 76) besteht und daß die Austrittsfläche des mit dem ersten Wandler (12) verbundenen Stabes (74) mit einem reflektionsverstärkenden Glied (86) versehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 540/174