DE1573611A1

DE1573611A1 - Schwingeranordnung fuer die Werkstoffpruefung und Wanddickenmessung nach dem Ultraschallechoverfahren

Info

Publication number: DE1573611A1
Application number: DE19651573611
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Hans Stoll
Original assignee: J und H KRAUTKRAEMER GES F ELE
Current assignee: J und H KRAUTKRAEMER GES F ELE
Priority date: 1965-09-11
Filing date: 1965-09-11
Publication date: 1970-04-16
Also published as: GB1121767A

Description

Itf/Soh

"bchwingeranordnung für die Werkstoffprüfung und Wanddickenmessung nach dem Ultraschallechoverfahren."

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwingeranordnung für die Werkstoffprüfung und Wanddickenmessung nach dem Ultrasohallechoverfahren mit getrennten Schwingern als Sender und Empfänger, die durch eine Isolierschicht akustisch und elektrisch gegeneinander abgeschirmt und über Vorlaufstrecken aus einem festen oder flüssigen Stoff an die Oberfläche eines Prüflings angekoppelt sind.

Es sind bereits Prüfköpfe bekannt, welche getrennte Schwinger (Wandler) als Sender und Empfänger benutzen, die in einem Gehäuse vereint, aber elektrisch und akustisch voneinander isoliert sind. Koppelt man die piezoelektrischen·. Schwinger nicht direkt, sondern über Vorlaufstrecken an das Werkstück an, so hat man gegenüber einem Prüfkopf mit einem gleichzeitig als Sender und Empfänger arbeitenden Schwinger den Vorteil, daß der elektrisohe Sendeimpuls vom Verstärker ferngehalten wird und daß ferner die Echos aus der Vorlaufstrecke ebenfalls nicht mehr in den Empfänger gelangen.

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Die bekannte Anordnung wird anhand nachfolgender Zeichnungen erläutert. Bb zeigen:

Fig. 1 auf einen Prüfling aufgesetzte Prüfküpfe.

Fig. 2 das den Prüfköpfen der Fig. 1 zugehörige Leuchtschirmbild des Impulsechogerätes.

Der Sender 1a des Prüfkopfes 1 ist über eine akustische und elektrische Isolierschicht 3 vom Empfänger 2a des Prüfkopfes 2 getrennt. Unter Sender bzw. Empfänger versteht man nachfolgend nur ihre zugehörigen Schwinger. Diese sind über Vorlaufs trecken, die aus irgend einem festen V/erkstoff bestehen können, auf die Oberfläche des Prüflings 6 aufgesetzt, sodaß zwischen ihnen eine Kontaktfläche 6a gebildet wird. Als" dem Dachwinkel 5 bezeichnet man den IJeigungswinkel zwischen dem Schwinger und der Kontaktfläche. Im Prüfling ist ein Fehler 7 vorhanden. Dementsprechend zeigt Fig. 2 die Anzeige 8 des elektrischen Sendeimpulses, dem die Anzeige 9 des sogenannten Überkoppelechos, welches dem Schalleintritt in den Prüfling entspricht, folgt während die Anzeige 10 von einem dicht unter der Oberfläche vorhandenen Fehler 7 und die Anzeige 11 vom Rückwandecho des Prüflings herrührt. In dem gezeichneten Beispiel sei der Prüfkopf mit etwas Flüssigkeit in sehr dünner Schicht als Ankopplungsmittel auf die Oberfläche gesetzt. Das überkopuelecno 9 entsteht durch eine Schallwelle, welche aus der einen Vorlaufstrecke durch die Flüssigkeitsschicht unter der Isolierschicht hindurch in die Andere und zum Empfänger gelangt. Es ist bei guter Bauart sehr klein, wenn die Flüssigkeitsschicht dünn ist. Solche seit längerein bekannten Prüf köpfe geben also, praktisch ungestört von einem Eintrittsecho, Anzeigen von Fehlern dicht unter der Oberfläche. Bei dünnen, plattenförmigen Prüflingen geben sie Echos von der Rückwand, die vorteilhaft zur Wanddickenmessung ausgenutzt worden sind, besonders wenn infolge Korrosion der Rückwand keine kehrfachechos zu erhalten waren, für welche man andere

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Dickenmelsverfahren mit Ultraschall benutzen konnte.

Für die Abstandsmessung z.B. eines Fehlers oder der Rückwand (Wanddickenmessung) hat dieser bekannte Prüfkopf den Nachteil, daß auf dem Bildschirm kein deutlicher Impuls angegeigt wird, der als Bezugspunkt für die Messung dienen könnte. Das iiberkoppelecho 9 ist gewöhnlich zu klein. Wenn man ea aber künstlich vergrößert, ist es dennoch wegen seiner natürlichen Breite für die Messung schlecht geeignet was bei dünnen Prüflingen eine Messung unmöglich macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die vorliegenden Nachteile zu beseitigen und ein Bezutfseoho auf dem Bildschirm zu erzeugen, das genügend weit vor dem Überkoppeleoho liegt, um al β gutdefinierte Marke für Abstandsmessungen für Boho8 zu dienen, insbesondere für Echos, die aus kleinen Abständen von der Oberfläche des Prüflings herrühren wie es besonders bei dünnen Prüflingen der Fall iet.

Hierfür wird erfindungsgemäß ein elektrisch mit dem Sender bzw. Empfänger gekoppelter Hilfssender auf der Seite dee BmpfängerB bzw. ein Hilfsempfänger auf der Seite des Sendere verwendet, wobei der Abstand des Hilfssohwingers, also des Hilfseenders bzw. des Hilfsempfän^ers, zur Kontaktfläohe zwischen Prüfling und Vorlaufstrecke hinreichend kleiner als der Abstand des Empfängers bzw. des Senders zu dieser Fläche ist, derart, daß die Bezugsechoanzei^e des Hilfsschwingers vor der Überkopplungsanzeige liegt. Hierbei ist der Hilfsschwinger auch auf die Kontaktfläche hin gerichtet, liegt aber näher an dieser als Sender bzw. Empfänger, sodafi ein Kontrollimpulö küreerer Laufzeit als das ü'berkoppelecho entsteht und dieser Impuls, auf dem Bildschirm sichtbar gemacht, als besonders geeigneter Bezugspunkt für Abstandsmessun en wie WanddickenmessuntTen dienen kann.

Der Erfindunt'ö^t^enstand wird anhand der nachfolgenden

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Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 3 ein Blockschaltbild mit Anordnung eines Hilfsschwingere als Sender auf der Empfängerseite.

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung der Anzeigen auf dem Leuchtschirm.

Das Blockschaltbild nach Fig. 3 zeigt zugleich den prinzipiellen Aufbau des zugehörigen Impulsechogerätes. Der Generator 12 für die Ablenkspannung erzeugt die Zeitlinie auf der Bildröhre 13 und stößt synchron damit den Generator 14 für die Hochfrequenzimpulse an. Diese gelangen zum Sender 1, zugleich aber auch über einen Abschwächer 15_#zu dem Hilfssender 16. Die Ultraschallimpulse des Senders 1 gelangen in den Prüfling 6, werden an dessen Rückseite 17 reflektiert und gelangen weiter zum Empfänger 2. Von Verstärker 18 werden sie elektrisch verstärkt und auf der Bildröhre 13 in bekannter Weise sichtbar gemacht als Zakken auf der Zeitlinie.

Der Hilfssender 16 erhält die Sendeimpulse über den Abschwächer und strahlt die Ultraschallimpulse in Richtung auf die Kontaktfläche 6a ab, von wo sie zum Empfänger 2 reflektiert werden. Entsprechend der Durchlässigkeit der Kontaktfläche wird zwar auch ein Teil dieser Impulse in den Prüfling eindringen und u.U. auch Echos von dessen Rückseite erzeugen, die ebenfalls zum Empfänger 2 gelangen können. Diese sind aber sehr schwach, weil das Reflexionsvermögen der Grenzfläche zwischen Vorlaufstrecke 4 und Prüfling 6 viel größer ist als das Durchlässigkeitsverinögen infolge der großen Schallhärte- Unterschiede und v/eil man die Fläche des Hilfsschwin^ars sehr klein im Vergleich zum Sender und Empfänger wählt. Kittels des Abschwächers 15 kann ferner ggfs. die Senderspannung für den Hilfssender so weit verringert werden, daa das erzeugte neue Bezugsecho zwar

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deutlich, aber nioht zu groß wird, um nachfolgende Störecho a aus dem Prüfling mit Sicherheit zu vermeiden. Die ganze Prüfkopfanordnung kann in einem Gehäuse 19 untergebrachter den, insbesondere, wenn die Vorlauf strecken 4 aus einem festen Werkstoff bestehen, s.B. einem Kunstharz. Dann ist der Hilfsäender 16 auf einem ausgesparten Absatz o.dgl. 20 dieses Körpers aufgekittet. Die ganze Anordnung bildet dann ein geschlossenes Ganzes, einen Prüfkopf für sich. Anstatt eines festen Werkstoffes kann für die Vorlauf strecken 4 aber auch eine Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, 'dienen, die dann zugleich die Koppelflüssigkeit zum Prüfling ist. In diesem Fall müssen die drei Schwinger und die Isolierschicht durch zusätzliche Mittel gehaltert werden. Sie brauchen sich dann nicht in einem geschlossenen, die Anordnung eng umschließenden Gehäuse zu befinden, sondern können in einem größeren Wasserbad angeordnet sein.

In Fig. 4 sind die aus Fig. 2 bereits bekannten Impulsanaeigen, nämlich die Sendeimpulsanzeige 8, die Anzeige 9 für das überkoppelecho und Anzeige 10 für das Echo dargestellt, welches ein Fehlerecho oder auch das Rückwandecho des Prüflings sein kann, dessen !Diefenlage gemessen werden soll. Außerdem zeigt nun das Schirmbild die Anzeige 21 für das Bezugs- oder Kontrollecho. Sie liegt vor der Überkoppelechoanzeige, wie sich aus folgendem leicht verstehen läßt. Die Lage des Überkoppelechos ist bestimmt durch die Laufzeit des Impulses auf dem Weg Sender- Kontaktfläche- Empfänger unter der Isolierschicht 4 hindurch. Der Weg des Bezugsechos ist aber kürzer, nämlich Hilfsaenderkontaktflache-Empfänger. Das Bezugsecho liegt also annähernd um soviel vor dem Überkoppelecho, wie der Laufzeit dea „Jchalls in der Differenz der Vorlaufstrecken des Senders und des Hilfssenders entspricht. V/eil die Schallwege etwas verschiedene Neigung haben und zudem der Weg des Überkoppelüchoii unter der Isolierschicht hindurch hinzukommt, gilt dau eben Gesagte nur annähernd. Für den Zweck

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des Bezu^sechos ist die genaue Lage aber gleichgültig. Der Abstand Bezugsecho 21 - Hückwandecho 10 läßt sich nämlich nun genau auf dem Bildschirm ablesen, weil beide Echos klar definiert sind. Liest man den Abstand mit Hilfe z.B. einer in Längeneinheiten geeichten Skala vor dem Bildschirm ab, so enthält der Meßwert außer der Prüflingsdicke eine additive Konstante. Dieee ist für alle Messungen gleich, läßt sich also für eine gegebene Prüfkopfanordnung einmal für immer ermitteln, etwa indem man die Dicken bekannter Prüflinge mißt. Yfeil der Schallweg im Prüfling wie in i¹ig. 3 gezeichnet, schräg zur Oberfläche verläuft, ist der 7/eg im Prüfling nicht genau die (doppelte) Dicke. Der Unterschied ist aber ohne Belang, da er erstens bei der Eichung der Einrichtung zur Wanddickenines sung leicht berücksichtigt werden kann und zweitens in der Praxis wesentlich geringer ist, als nach der Zeichnung zu erwarten, weil diese der Deutlichkeit halber die Anordnung der Schwinger sehr in die Breite gezogen darstellt.

Es ist leicht zu erkennen, daß eine Anordnung mit einem Hilfsempfänger auf der Seite des Senders ueri gleichen Zweck erfüllt, ein Bezugsecho vor dem Überkoppelecho zu erzeugen. In diesem JPaIl wird der Hilfsempfänger über einen Abschwächer mit dem Eingang des Verstärkers 16 verbunden.

Literatur:

1 ..; H.Stoll "Fortschritte Dei der ultrascn&ilprüfung durch Benutzung eines PrüfKopfes mit getrenntem Sender und Empfänger", zeitschrift "Materialprüfung' ^d. 3 (1961. Ur. 12, ü. 448 454-

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Claims

«Sohwingeranordnung für die Werkstoffprüfung und Wanddioktnmeaeung nach dem Ultraschallechoverfahren.1' Dr.J.u.H. Krautkrämer, Gesellschaft für Elektrophyeik, Köln-Klettenberg, Luxemburger Str. Patentansprüche.

1. Sohwingeranordnung für die Werkstoffprüfung und Wanddiokenmseeung nach dem Ultrasohalleohoverfahren mit getrennten Schwingern als Sender und Empfänger, die duroh eine Isolierschicht akustisch und elektrisch gegeneinander abgeschirmt und über Vorlaufstrecken aus einem festen oder flüssigen Stoff an die Oberfläche eines Prüflinge angekoppelt sind« gekennzeichnet durch einen elektrisch mit dem Sender (1a) bzw. Empfänger (2a) gekoppelten Hilfssenders (16) auf der Seite des Empfängers (2a) bzw. einen Hilfeempfänger auf der Seite des Senders (1a) sowie dadurch, daß der Abstand des Hilfssohwingers zur Kontaktfläohe zwischen Prüfling (6) und Vorlaufstrecke (4) hinreichend kleiner als der Abstand des Empfängers bzw. Senders zu dieser Fläche ist, derart, daß die Bezugseohoanzeige (21) des Hilfe-Bohwingers vor der'Überkoppelanaeige (9) liegt.

2. Vorrichtung für eine Anordnung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß der Hilfesender (16) mit dem Ausgang des Senders bzw. der Hilfeempfänger mit dem Eingang des Verstärkers (18) über einen elektrischen Abschwächer (15) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-

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net, daß die Scliwingerf lache des Hilfssenders (16) oder des Ililfsempfängers relativ zum Sender oder Empfänger wesentlich kleiner ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfssender auf einem vertieften Absatz o. dgl. (20) der Vorlauf strecke (4) des l^Jrüfkopfes angeordnet wie auf einer aus Kunstharz bestehenden Vorlaufstrecke aufgekittet iat.

¹J. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen regelbaren Abschwächer.

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