DE1648392C - Ultraschallprüfvorrichtung zum Untersuchen von Werkstücken - Google Patents

Description

rung automatischer Messungen äußerst nachteilig.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ultraschallprüfvorrichtung zum Untersuchen von heißen Werkstücken zu schaffen, bei der die Nachteile des bc-

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallprüfvorrich- 65 kannten Gerätes vermieden sind, d. h. die für eine lung zum Untersuchen von Werkstücken mit Hilfe schnellere Folge der Einzeluntersuchungen an heißen von Ultraschall mit einer elektrischen Schaltungsan- Werkstücken bzw. über eine längere Prüfzeit ununordininj!, die eine Schaltung zum Anlegen von Impul- terbrochen eingesetzt werden kann und dabei keiner

Nachstellung der Verstärkung im Anzeigegerät durch äußere Eingriffe bedarf.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, daß in an sich bekannter Weise zwischen dem Wandler und dem Werkstück eine wärmeisolierende Koppelvorrichtung angebracht ist und daß das Temperatnrfühlglied aus einem elektrischen Widerstand besteht, nahe der Grenzfläche zwischen Werkstück und Koppelvorrichtung angeordnet ist und derart in die elektrische Schaltungsanordnung eingefügt ist, daß.eine infolge von Temperaturerhöhungen der Koppelvorrichtung auftretende Dämpiung der Schallsignale kontinuierlich und automatisch kompensiert wird.

Durch die erfindungsgemäße Einfügung des Temperaturfühlgliedes wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß das auszuwertende Reflexionssignal über einen großen Temperaturbereich stets mit der gleichen Amplitude angezeigt wird. Damit kann die erfindungsgemäße Ultraschallprüfvorrichtung auch von ungeübtem Personal bedient wenden. Lurch die Erfindung ist auch die Gefahr einer Beschädigung des Anzeigegerätes infolge einer Übersteuerung auf Grund einer unsachgemäßen Veränderung der Verstärkung beseitigt. Die gleichgehaltene Amplitude des auszuwertenden Reflexionssignals, unabhängig von Temperaturbeeinflussungen durch das zu untersuchende heiße Werkstück, ermöglicht auch eine Automatisierung der Untersuchung und/oder die Anwendung einer automatischen Auswertung der Untersuch ungsergebnisse.

Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles,

F i g. 2 bis 6 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele und

F i g. 7 ein Diagramm, das die Abhängigkeit zwischen der Temperatur und dem Widerstand der temperaturabhängigen Kompensationsschaltung zeigt.

In Fig. 1 ist eine Ultraschallprüfvorrichtung zur Durchführung von Ultraschall-Impulsecho-Untersuchungen dargestellt, die eine Senderschaltung 10 enthält, die periodisch eine Foige von Impulsen mit Ultraschallfrequenz an eine elektroakustische Wandlersonde 12 liefert, die ihrerseits an ein Werkstück 14, beispielsweise an eine heiße Stahlplatte, angekoppelt ist. Jede Änderung der akustischen Impedanz, beispielsweise ein Lunker 16, führt zu einer Reflexion des Schallsignals, das als Echoimpuls von der Wandlersonde 12 empfangen, einer Empfängerschaltung 18 zugeleitet und durch eine Anzeigevorrichtung, beispielsweise eine Meßvorrichtung oder eine Kathodenstrahlröhre, wiedergegeben wird. In automatisierten Systemen sprechen Steuerschaltungen auf das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Echosignals an.

Die elektroakustische Wandlersonde 12 hat einen piezoelektrischen Wandler 20, beispielsweise aus Lithiumsulfat, der an eine Koppelvorrichtung 22 angekoppelt ist. Die Koppelvorrichtung 22 besteht aus einem festen polymeren thermoplastischen Material (Methyl-Methaciylat, Polystyrol, Polyimid usw.), um eine Wärmeisolation zwischen dem heißen Werkstück 14 und dem piezoelektrischen Wandler 20 zu schaffen. Zur Erzeugung einer guten akustischen Ankopplung zwischen der W:odlersonde und der Oberfläche des Werkstückes 14 liegt eine dünne Koppelschicht 24, vorzugsweise aus Glyzerin oder aus Silikonfett, zwischen der Koppelvorrichtung 22 und der Oberfläche des Werkstückes 14.

Während die Wandlersonde 12 mit der Oberfläche des heißen Werkstückes 14, dessen Temperatur mehrere 100° beträgt, in Berührung kommt, wirkt die Wärme des Werkstückes auf die Koppelschicht 24 und auf die Koppelvorrichtung 22 ein, erwärmt und erweicht diese, was eine Dämpfung des Schallsignals

ίο bewirkt. Um das Signal auf seinem anfänglich an der Empfängerschaltung 18 ankommenden und auf der Anzeigevorrichtung ablesbaren Wert zu halten, ist eine ständige Nachstellung der Verstärkungssteuerung der Empfängerschaltung 18 erforderlich. Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist im Inneren der Koppelvorrichtung 22 im Bereich ihrer Berührungsfläche mit dem Werkstück 14 bzw. mit der Koppelschicht 24 ein temperaturabhängiges elektrisches TempeTaturfühlglied 30 angeordnet. ^;eses Temperaturfühlglied 30 ist in den Ausführungsbe'spielen ein Thermistor, d. h. eine Vorrichtung, deren elektrischer Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, so daß der Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt. Der Thermistor 30 ist mit dem piezoelektrischen Wandler 20 und mit deren Verbindung mit der Senderschaltung 10 und der Empfängerschaltung 18 in Reihe geschaltet. Daher nimmt auch der Widerstand der mit dem Wandler 20 in Reihe liegenden elektrischen Schaltung ab, wenn die Temperatur der Koppelvorrichtung 22 durch d<e einwirkende Wärme des Werkstückes 14 ansteigt. Hierdurch wird eine automatische Kompensation der zunehmenden DkTipfung der Schallsignale auf ihrem Weg zwischen dem piezoelektrischen Wandler 20 und dem Werkstück 14 geschaffen.

Um den elektrischen Widerstand des Thermistors 30 bei Zimmertemperatur und bei Temperaturen, die unterhalb der normalen Umgebungstemperatur liegen, zu begrenzen, ist ein handelsüblicher Widerstand 32 mit einem positiven Temperaturkoeffizienten parallel geschaltet. In dem Ausführungsbeispiel ist ein Thermistor mit einem Widerstand von etwa 2000 Ohm bei Zimmertemperatur gewählt, während der parallelgeschaltete Widerstand 32 einen Wert von etwa 3000 Ohm hat. Hierdurch ist der Widerstandsanstieg des Stromkreises mit abnehmender Temperatur durch den parallelgeschalteten Widerstand 32 begrenzt.

Gemäß F i g. 1 ist der Thermistor 30 in die Koppelvorrichtung 22 eingebettet, und zwar ist er seitlich ?-ißerhalb des Weges der Schallsignale angeordnet. Die Verbindungen zu dem Thermistor 30 und dem dazu parallelliegendcn Widerstand 32 sind in dem in F i g. 1 gestrichelt dargestellten Gehäuse 26 der Wandlersonde angeordnet. Auf diese Weise ist eine einstückige Wandlervorrichtung geschaffen.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ultraschallprüfvorrichtung dargestellt, bei dem das temperaturabhängige Tenipcraturfühlglied, d. h. der Thermistor 30, nicht unmittelbar zu der Wandlervorrichtung gehört, sondern er berührt getrennt von dieser Vorrichtung direkt dos Werkstück 14.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführiingsbeispiel berührt das temperaturabhängige Tcniperaturfühlglied 30 das Werkstück 14 und seine elektrischen Verbindungen sind diiekt an die Empfängerschaltung J8 angeschlossen, um eine der üblichen Versliir-

kungsstufcn der Empfängerschaltung' zu modifizieren.

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Signal der Senderschaltung 10 direkt an den piezoelektrischen Wandler 20 gelangt. Der Thermistor 30 liegt hier ausschließlich im Empfangskreis für das Echosignal.

F i g. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ultraschallprüfvorrichtung für die Durchführung von Impuls-Echoversuchen mit zwei Wandlersonden. Der erste piezoelektrische Wandler 20/1 und die Koppelvorrichtung 22 A bilden den Impulssender, und der zweite piezoelektrische Wandler 20 B und die Koppelvorrichtung 22 B stellen den Echoempfänger dar.

Hier ist in jeder Wandlersonde ein temperaturabhängiges Tcrhperaturfühlglied 30 angeordnet, um die Dämpfung des Impulssignals bzw. des Echosignals nach Maßgabe der auf die Wandlersonde einwirkenden Temperatur des Werkstückes zu kompensieren.

F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Ultraschallprüfvorrichtung zur Dickenmessung eines heißen Werkstückes 14. Die Senderschaltung 10 liefert ein elektrisches Signal an den Wandler 20 A, der wiederum ein Schallsignal durch die Koppelvorrichtung 22/1 in das Werkstück 14 sendet. Eine Zeitmeßeinrichtung in der Empfängerschaltung 19 wird eingeschaltet, sobald ein von der Grenzfläche zwischen der Koppelvorrichtung 22 A und der vorderen Oberfläche des Werkstückes 14 ausgesendetes Signal von dem piezoelektrischen Wandler 20/1 empfangen wird. Ein nachfolgendes Reflexionssignal aus dem Inneren des Werkstückes 14 schaltet, sobald es von dem zweiten piezoelektrischen Wandler 20 B emnfangen wird, die Zcitmeßeinrichturig wieder ab. Ein temperaturabhängiges Temperaturi'ühlglied 30, das auch in diesem Fall ein Thermistor ist, liegt in dem Empfangsteil der Wandlersonde, um das reflektierte Signal so zu modifizieren, daß eine Amplitude trotz einer zunehmenden Dämpfung des Schallsignals infolge der steigenden Temperatur der Koppel vorrichtung einen gewünschten Wert behält.

F i g. 7 zeigt ein Diagramm, in dem einmal der Widerstand des Stromkreises über der Temperatur

ao bei ausschließlicher Verwendung eines Thermistors 30 aufgetragen ist und in dem zum anderen die verbesserte Arbeitskcnnlinie dargestellt ist, bei der der Widerstand des Stromkreises bei einem tieferen Temperaturbereich begrenzt ist, wie dies der Fall ist, wenn zu dem Thermistor ein Widerstand 32 parallel geschaltet is*.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

I 648 392 ,J sen an eine mit einem elektroakustischen Wandler versehene Wandlersonde und eine Prüfschaltung zum Empfang der von dem Werkstück zum Wandler reflektierten Schallenergie enthält, und mit einem Tem-

1. Ultraschallprüfvorrichtung zum Untersuchen 5 peraturfühlglied mit negativem Temperaturkoeffivon Werkstücken mit Hilfe von Ultraschall mit zienten in der Nähe des das Untersuchungsergebnis einer elektrischen Schaltungsanordnung, die eine auf Grund von Temperaturschwankungen beeinflus-Schaltung zum Anlegen von Impulsen an eine mit senden Mediums.

einem elektroakustischen Wandler versehene Eine derartige Ultraschallprüfvorrichtung ist aus

WandlBrsonde und eine Prüfschaltung zum Emp- io der USA.-Patentschrift 3 006184 bekannt, mit dem fang der von dem Werkstück zum Wandler re- die Dicke eines Werkstückes durch Messen der Laufflektierten Schallenergie enthält, und mit einem zeit, die ein Schallstrahl von dem elektroakustischen Temperaturfühlglied mit negativem Temperatur- Wandler zur Werkstückrückseite und von dort wieder koef fizienten in der Nähe des das Untersuchungs- zurück zu dem Wandler benötigt, bestimmt werden ergebnis auf Grund von Temperaturschwankun- 15 kann. Das in der Schaltungsanordnung dieser begen beeinflussenden Mediums, dadurch ge- kannten Ultraschallprüfvorrichtung vorgesehene kennzeichnet, daß in an sich bekannter Temperaturfühlglied hat die Aufgabe, Laufzeitände-Wehe zwischen dem Wandler (20, 20/4, 20B) rungen zu kompensieren, die infolge einer Tempera- und dem Werk'ück (14) eine wärmeisolierende turändcrung des Werkstückes auftreten. Dieses be Koppel vorrichtung (22, 22 A, 22 B) angebracht 20 kannte Temperaturfühlglied ist so ausgebildet, daß es ist und daß das Temperaturfühlglied (30) aus auch auf Änderungen anderer Umgebungsparameter, einem elektrischen Widerstand besteht, nahe der beispielsweise auf den Luftdruck und die relati\c Grenzfläche zwischen Werkstück (14) und Kop- Feuchtigkeit, reagieren kann. Eine Durchführung von pelvorrichtung (22, 22 A, 22 B) angeordnet ist Messungen an sehr heißen Werkstücken ist jedoch und derart in die elektrische Schaltungsanord- 25 mit dem bekannten Meßgerät nicht möglich, da sein nung (10. 18) eingefügt ist, daß eine infolge von Schallwandler direkt auf das Werkstück aufgesetzt Temperaturerhöhungen der Koppelvorrichtung wird und dabei infolge der hohen Temperatur zer auftretende Dämpfung der Schallsignale kontinu- stört würde,
ierlich und automatisch kompensiert wird. Aus der USA.-Patentschrift 3 242 723 ist es bereits

2. Ultraschall, rüfvorrichtung nach Anspruch 30 bekannt, zwischen den Wandler und da«= Werkstück 1. dadurch gekennzeichnet, daß Hem Temperatur- eine wärmeisolierende Koppelvorrichtung einzufüfühlglied (30) ein den Wert des gesamten, in die gen, jedoch ist das aus der erstgenannten USA.-Pa-Schaltungsanordnung eingefügten Widerstandes tentschrift bekannte Dickenmeßgerät selbst nach bei niedrigen Temperaturen begrenzender Wider- einer Einfügung einer solchen Koppelvorrichtung stand (32) parallel geschaltet ist. 35 nicht zur Durchführung automatischer Meßvorgänge

3. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 1 ohne ein ständiges Nachregeln durch die Bedienungsoder 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Tempe- person geeignet. Die Ursache dafür liegt in der Tatraturfühlglied (30) dicht bei der zum Aufsetzen sache, daß die durch die Koppelvo-richtung laufenauf das zu untersuchende Werkstück (14) ausge- den Ultraschallsignale mit steigender Temperatur der bildeten Fläche in die Koppelvorrichtung (22, 40 Koppelvorrichtung immer stärker gedämpft werden. 22 A, 22 ß) eingebettet ist. Die Amplitude der auszuwertenden Reflexionssignaie

4. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 1 ist demnach zu Beginn der Messung bei einer relativ oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Tempe- niedrigen Temperatur der Koppelvorrichtung groß, raturfühlglied (30) an das Werkstück (14) ange- während sie bei einer Temperaturzunahme immer koppelt ist. 45 kleiner wird und schließlich von der Amplitude der

5. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der Rauschsignale nicht mehr zu unterscheiden ist. Wird vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- das bekannte Dickenmeßgerät also beispielsweise so zeichnet, daß das Temperaturfühlglied (30) bei eingestellt, daß die Reflexionssignale zu Beginn der der Verwendung einer Wandlersonde (12) mit Messung, d. h. bei relativ kühler Koppelvorrichtung zwei Wandlern (20/4, 20 B), von denen einer als 50 im mittleren Anzeigenbereich angezeigt werden, dann Impulssender und einer als Impulsempfänger können die nach Erhöhung der Temperatur der Kopdient, an die Empfängerschaltung (19) ange- pelvorrichtung auftretenden Reflexionssignale überschlossen ist. haupt nicht mehr angezeigt werden. Wird das Meßge-

6. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch rät aber andererseits so eingestellt, daß die stark ge-5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Tem- 55 dämpften Reflexionssignale im mittleren Anzeigenbeperaturfühlglied (30) vorgesehen ist, das an die reich erscheinen, dann wird das Gerät bei kühler Senderschaltung (10) angeschlossen ist. Koppel\orrichtung stark übersteuert. Wenn also ständig neue Werkstücke untersucht werden sollen, dann muß die Einstellung des Meßgerätes ständig verän-

60 dert werden. Dies ist insbesondere für die Durchfüh-