DE1773013B1

DE1773013B1 - Vorrichtung zum messen der tiefe einer abschreckschicht an werkstuecken mittels ultraschall echoimpulsen

Info

Publication number: DE1773013B1
Application number: DE19681773013
Authority: DE
Inventors: Soji Sasaki
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1967-03-20
Filing date: 1968-03-20
Publication date: 1971-12-30
Also published as: US3570305A; FR1557351A; GB1211306A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nach-

Messen der Tiefe einer Abschreckschicht an Werk- stehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfühstücken mittels Ultraschall-Echoimpulsen mit einer rungsbeispiels an Hand der Zeichnungen. Darin Sonde, die in bestimmtem Abstand von der Werk- zeigt

stücks-Oberfläche eine Ultraschall-Sendeeinrichtung 5 F i g. 1 eine zum Teil im Längsschnitt dargestellte und daneben in fester Beziehung zur Sendeeinrich- Ultraschall-Sender-Empfänger-Sonde zum Messen tung eine Ultraschall-Empfangseinrichtung enthält, der Tiefe einer Abschreckschicht an Werkstücken, welche die Echosignale von der Werkstücks-Ober- Fig. 2a und 2b Wellenformen von Signalen, die

fläche und der Grenze der Abschreckschicht emp- mit einer Ultraschallsonde gemäß F i g. 1 erhalten fängt und welche von der Ultraschall-Sendeeinrich- io worden sind,

tung durch eine akustisch isolierende, einen Schlitz Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vor-

zum Durchtritt der Oberflächen-Echosignale bildende richtung zum Messen der Abschrecktiefe auf einer Abschirmung getrennt ist, sowie mit einem flüssigen Gußeisenwalze,

Kopplungsmedium zwischen dem Werkstück und den Fig. 4 a und 4 b ein Beispiel eines einzelnen

Ultraschall-Sende-und Empfangseinrichtungen. i₅ Signals bzw. eines Echobildes auf einer Oszillator-

Bei einer derartigen, aus der deutschen Auslege- röhre, das die Verteilung der Abschrecktiefe zeigt, schrift 1210 210 bekannten Vorrichtung ist der und

Schlitz zum Durchtritt der Echosignale zwischen Fig. 5a und 5b Beispiele von Oszillatorbildern,

einer die Abschirmung bildenden Platte und der mit denen der Einfluß der Ultraschallfrequenz auf Werkstücks-Oberfläche selbst gebildet. Die Tiefe der 20 die Echobilder erläutert wird.

Abschreckschicht wird durch Messung der Zeit- Gemäß Fig. 1 sind ein Übertrager 11 zum Ausdifferenz zwischen den Ankunftszeiten zweier gleich- senden eines Strahles von pulsierender Ultraschallzeitig ausgesandter Impulse gemessen, von denen der energie auf die Walze 5 sowie ein Empfänger 12 zum eine an der Abschreckschicht und der andere an der Aufnehmen von Echosignalen (S und B) der reflek-Werkstücks-Oberfläche reflektiert wird. Bei der be- 25 tierenden, pulsierenden Ultraschallenergie vorgekannten Vorrichtung gelangt jedoch außer dem an sehen. Ein flüssiges Medium 6, etwa Wasser, Öl oder der Werkstücks-Oberfläche einfach reflektierten eine andere Flüssigkeit, welche die Ultraschallenergie Impuls noch ein zweiter Impuls an den Empfänger, wirksam fortpflanzen kann, ist zwischen der Walze 5 der einmal an der Werkstücks-Oberfläche, ein zweites und dem Empfänger 12 sowie dem Übertrager 11 Mal an der Unterkante der Abschirmplatte und ein 30 angeordnet.

drittes Mal erneut an der Werkstücks-Oberfläche Ein Schallschirm 13 dient zum Unterbrechen der

reflektiert wird. Die Laufzeit des Echoimpulses auf Ultraschallenergie; er enthält einen starren Schalldiesem Weg ist etwas länger als die des einfach schirm 131 sowie einen beweglichen Schallschirm reflektierten Oberflächen-Echoimpulses. Ist die zu 132, der mit Hilfe eines Schraubenmechanismus 134 messende Abschreckschicht nur dünn und liegt sie ₃₅ auf und ab bewegt werden kann, so daß die Breite insbesondere etwa in der Größenordnung des Ab- eines Spaltes oder Schlitzes 133 zwischen den Schallstandes zwischen der Abschirmplatte und der Werk- schirmen 131 und 132 eingestellt werden kann. Ein stücks-Oberfläche, so ist der mehrfach reflektierte Gehäuse 14 dient zur Aufnahme von Übertrager 11 Ultraschallimpuls, der ein Störsignal darstellt, von und Empfänger 12 und um diese Teile immer in dem eigentlich gewünschten Nutzsignal, das von dem 40 konstanter Beziehung zu der Walzenoberfläche 5 zu an der Grenzschicht reflektierten Ultraschallimpuls halten. Das Gehäuse 14 dient ferner zur Aufnahme gebildet wird, nicht zu trennen. des flüssigen Mediums 6 und weist einen Einlaß 151

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die sowie einen Auslaß 152 für das Medium 6 auf. Eine beschriebene bekannte Vorrichtung dahingehend zu Dichtungspackung bzw. ein Dichtungsring 17 sorgt verbessern, daß Störimpulse durch Mehrfach- 45 für dichte Berührung zwischen dem Gehäuse 14 und reflexionen, die bei der Messung dünner Abschreck- der Walze 5 und verhindert das Ausfließen von schichten keine genügende Auflösung zwischen Nutz- " Medium 6.

und Störsignalen gestatten, vermieden werden. c Dj_e Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Sonde

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer $.'"■ wird an Hand der Fig. 2a und 2b erläutert. Erfin-Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art dadurch "50' dungsgemäß kann die Tiefe einer Abschreckschicht gelöst, daß die Abschirmung aus zwei Abschnitten auf einer Gußeisenwalze 5 durch die Zeitdifferenz besteht, von denen sich der eine ortsfest dicht an der zwischen den Grenz-Echosignalen B und den Ober-Werkstücks-Oberfläche befindet. Bei einer solchen flächen-Echosignalen S bestimmt bzw. gemessen Ausbildung ist eine Mehrfachbrechung des Ultra- werden, die nach dem Durchgang durch den Schlitz schallimpulses zwischen der Werkstücks-Oberfläche 55 133 in dem Schallschirm 13 von dem Empfänger 12 und der Unterkante der Abschirmung nicht möglich, empfangen oder abgetastet werden. Verläuft die weil eben der feste Abschnitt der Abschirmung an Grenze dicht an der Oberfläche der Walze, d. h., ist die Werkstücks-Oberfläche anschließt. die Abschreckschicht verhältnismäßig dünn, so sind

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der die Oberflächen-Echosignale S sehr stark, und die Schlitz in seiner Breite durch Bewegen des anderen 60 Wellenform der empfangenen Signale hat ein Bild, Abschnitts relativ zu dem ortsfesten Abschnitt ver- wie es in Fig. 2a dargestellt ist; daher werden die stellbar. Dadurch läßt sich die Intensität der emp- Grenz-Echosignale B von den Oberflächen-Echofangenen Oberflächensignale variieren, was gelegent- Signalen S verdeckt, und es ist außerordentlich lieh zur Verbesserung der Auflösung von Vor- schwierig, sie zu unterscheiden. In einem solchen teil ist. 65 Fall wird der Schlitz 133 durch Einstellen des beweg-

Vorzugsweise liegt die Frequenz der verwendeten liehen Schallschirms 132 enger gemacht, so daß die Ultraschallimpulse beim Messen der Abschreck- Stärke der empfangenen Oberflächen-Echosignale schicht von Gußeisen-Werkstücken unter 3 MHz. verringert ist und die Wellenform der aufgenom-

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menen Oberflächen-Echosignale scharf wird, wie es Graphitflocken gestreuten Echosignale der Ultrain Fig. 2b dargestellt ist. Auf diese Weise lassen schallenergie die Grenz-Echosignale. Diese Schwiesich die Grenz-Echosignale leicht unterscheiden, und rigkeit wird durch Verwendung eines Frequenzinfoleedessen wird das Auswerten oder Messen der bereichs der Ultraschallenergie vermieden, der zwar Zeitdifferenz t zwischen den Signalen S und B ent- 5 ein sehr geringes Reflexionsvermögen an Graphitsprechend der Tiefe der Abschreckschicht leicht und flocken in der Abschreckschicht, dagegen ein viel genau. größeres Reflexionsvermögen an der Grenzfläche auf-

Eine Ausführungsform eines Signalanzeigesystems, weist.

das sich verwenden läßt, um die Grenz-Echosignale Aus vielen Versuchen, die an verschiedenen informativ und unterscheidbar von anderen willkür- io ungenau abgeschreckten Walzen vorgenommen worlichen Signalen zu machen, wird im folgenden näher den sind, hat sich gezeigt, daß die bevorzugte Frebeschrieben. F i g. 3 zeigt hierzu ein schematisches quenz der Ultraschallenergie im Bereich von weniger Schaltbild einschließlich einer Kathodenstrahlröhre als 3 MHz liegt. Diese Tatsache läßt sich auch oder eines Oszilloskops 4', wobei die Helligkeit der theoretisch erklären, wenn man davon ausgeht, daß Abtastünien durch die Eingangssignale 301 moduliert 15 die Größe der Hindernisse in einem akustischen Feld werden kann. Die Vorrichtung enthält ferner einen ungefähr Vs oder Ve einer Wellenlänge der darauf Antriebsmechanismus 7 zum Drehen einer zu gerichteten Ultraschallenergie ist, was bedeutet, daß messenden Walze S, einen Generator 8 für ein Dreh- das Reflexionsvermögen an den Hindernissen rasch winkelsignal, der als ein kontinuierliches Potentio- abfällt. Obwohl der Frequenzbereich der Ultraschallmeter ausgebildet ist, sowie eine Spannungsquelle, die ao energie notwendigerweise unter 3 MHz liegen sollte, ein elektrisches Signal 801 proportional dem Dreh- um ein geringes Reflexionsvermögen an Graphitwinkel der Waize 5 erzeugt. Wird das Signal 801 an flocken in der abgeschreckten Schicht zu erzielen, die Eingangsklemme V für die senkrechte Achse des sollte die am meisten zu bevorzugende Frequenz in Kathodenstrahl-Oszilloskops 4' gelegt, so bewegt sich diesem Bereich in Abhängigkeit von den Eigendie Bildabtastungslinie des Oszilloskops 4' entspre- as schäften des Materials der jeweils zu messenden chend mit der Walzendrehung von oben nach unten. Walze ermittelt werden.

Wenn die Walze eine vollständige Umdrehung zu- F i g. 5 a und 5 b zeigen Beispiele der zu beobach-

rückgelegt und die Sonde 1 den ganzen Umfang der tenden Verteilung einer Abschreckschicht, wenn die

Walze abgetastet hat, springt die Abtastlinie von dem gleiche ungenau abgeschreckte Walze an dem glei-

unteren Ende auf das obere Ende zurück. 3° chen Abschnitt mit einer Ultraschallenergie von

Fig. 4b zeigt ein Beispiel eines Echosignalbildes, 2,25 MHz bzw. mit einer Ultraschallenergie von das durch senkrechtes Bestreichen der Abtastlinie 1,5 MHz gemessen wird. In Fig. 5a erkennt man, gebildet worden ist, die in ihrer Intensität durch daß in erheblichem Umfang ein in der Abschreck-Echosignale 301 synchron mit dem Abtasten der schicht gebildetes Störpegel-Echo N dann auftritt, Sonde moduliert worden ist. Fig. 4a zeigt den Zeit- 35 wenn man 2,25 MHz anwendet, während bei verlauf der Intensität eines einzelnen Echosignals. 1,5 MHz das Störpegel-Echo N bei Fig. 5b auf Das Signal S repräsentiert Oberflächen-Echosignale, einen vernachlässigbaren Wert herabgedrückt worden die von der Oberfläche der Walze stammen, und gibt ist und das Grenzecho B deutlich unterschieden die Oberflächenstellung der Walze an; das Signal B werden kann. Da bei der hier besprochenen Anwenzeigt Grenz-Echosignale, und das Signal N zeigt 40 dung eine Frequenz von weniger als 1,5 MHz eine Störpegel-Echosignale, die im Bereich der Ab- verringerte Auflösung besitzt, führt die Verwendung schreckschicht erzeugt worden sind. In Fig. 4b ent- einer unnötig niedrigen Frequenz zu Meßfehlern, spricht die vertikale Achse der Umfangsrichtung der Man erkennt also, daß Ultraschallenergie bei Walze, und der horizontale Abstand zwischen S 1,5 MHz besonders geeignet ist.
und B zeigt die Tiefe der Abschreckschicht an der 45 Selbst wenn die Frequenz in einem Bereich von entsprechenden Stelle des Walzenumfangs an. Dem- weniger als 3 MHz ausgewählt wird, um die Tiefe nach zeigt das Echosignalbild der Fig. 4b die Ver- der Abschreckschicht zu messen, ist doch bei Verteilung der Tiefe der Abschreckschicht in dem wendung einer Sonde mit einem Mechanismus, wie Bereich an, der von der Sonde abgetastet worden ist. er in F i g. 1 dargestellt ist, die Trennung der Grenz-

Nach der oben beschriebenen Anzeigemethode 5° Echosignale von den anderen Grundpegel-Signalen erscheinen die Störpegel-Echosignale N auf der An- viel besser und leichter, und die Verteilung der Abzeigeeinrichtung in Zufallsverteilung, während im schreckschicht kann leichter bestimmt werden.
Gegensatz hierzu die Grenz-Echosignale B einen Man erkennt ferner, daß der obige Frequenzkontinuierlichen Streifen auf dem Bild zeigen, dessen bereich wirksam angewendet werden kann für die linke Kante der Verteilung der Tiefe der Abschreck- 55 Echosignal-Anzeigevorrichtung der F i g. 3, bei der schicht entspricht. Die Grenz-Echosignale können die Anzeige der Echo-Signale synchron mit dem also leicht von den Störpegel-Echosignalen unter- Abtasten der Sonde über den Umfang der Walze schieden werden, und die Messung läßt sich gleich- erfolgt, so daß die Grenz-Echosignale informativer zeitig in außerordentlich wirksamer Weise durch- und gegenüber den Grundpegel-Signalen besonders führen. 60 deutlich werden.

Ein anderer Gesichtspunkt für die vorteilhafte Aus obiger Beschreibung geht hervor, daß mit der

Weiterbildung der Erfindung ist die Auswahl oder erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen der

Bestimmung eines speziellen Frequenzbereichs für Abschrecktiefe an Gußeisenwalzen ohne deren Zer-

die zum Messen der Abschreckschicht einer ungenau störung die Tiefe der abgeschreckten Schicht an

abgeschreckten Walze zu verwendende Ultraschall- 6₅ abgeschreckten Walzen wirksam und genau vor-

energie. Da sogar in der äußeren abgeschreckten genommen werden kann, so daß die erfindungs-

Schicht von ungenau abgeschreckten Walzen Graphit- gemäße Vorrichtung von erheblichem Vorteil für die

flocken verstreut vorhanden sind, stören die an diesen Qualitätsüberwachung von Gußeisenwalzen ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen der Tiefe einer Abschreckschicht an Werkstücken mittels Ultraschall-Echoimpulsen mit einer Sonde, die in bestimmtem Abstand von der Werkstücks-Oberfläche eine Ultraschall-Sendeeinrichtung und daneben in fester Beziehung zur Sendeeinrichtung eine Ultraschall-Empfangseinrichtung enthält, welche die Echosignale von der Werkstücks-Oberfläche und der Grenze der Abschreckschicht empfängt und welche von der Ultraschall-Sendeeinrichtung durch eine akustisch isolierende, einen Schlitz zum Durchtritt der Oberflächen-Echosignale bildende Abschirmung getrennt ist, sowie mit einem flüssigen Kopplungsmedium zwischen dem Werkstück und den Ultraschall-Sende- und Empfangseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (13) aus zwei Abschnitten (131, 132) besteht, von denen sich der eine (131) ortsfest dicht an der Werkstücks-Oberfläche befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (133) in seiner Breite durch Bewegen des anderen Abschnitts (132) relativ zu dem ortsfesten Abschnitt (131) verstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zum Messen der Tiefe der Abschreckschicht von Gußeisen-Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der verwendeten Ultraschallimpulse unter 3 MHz liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen