DE1815223A1

DE1815223A1 - Einrichtung zur Werkstoffpruefung mit Ultraschall

Info

Publication number: DE1815223A1
Application number: DE19681815223
Authority: DE
Inventors: Brech Kilian H
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 1968-03-22
Filing date: 1968-12-17
Publication date: 1969-12-11
Also published as: GB1260712A; CA850820A; US3554015A; DE1815223B2

Description

Einrichtung zur Werkstoffprüfung mit Ultraschall

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ultraschall-Werkstoffprüfung, insbesondere zum Prüfen auf Fehlstellen, Materialfehler, Einschlüsse und dergleichen.

Einrichtungen zur Werkstoffprüfung mit Ultraschall sind aus folgenden Veröffentlichungen bekannt:

USA Patentschrift Nr. 2.280.226

"Ultrasonic Engineering¹¹ .von J.R.Frederick, John Wiley & Sons,

New York, I965, Kapitel 7.

"Sonics" von. T.P. Hueter und R.H.Bolt, John Wiley & Sons, 1955, Seiten 385 bis 386.

"Werkstoffprüfung mit Ultraschall" von J. Krautkrämer, Springer-Verlag, 1966.

909 850/0.87$:

BAD ORIGINAL

" Ί815223

Die grundlegende Technik der Werkstoffprüfung mit Echoimpulsen' besteht in der Verwendung einer Einrichtung, die einen Iiroulsgene-" rator, einen Videoverstärker, einen Ultraschallschwinrer und eine Kathodenstrahlrohre mit zugehöriger Ablenkschaltung aufweist. Der Impulsgenerator gibt periodisch einen Ultraschallimpuls an den Schwinger ab, der eine Seite des Prüflings berührt. Der Schwinger wandelt das an ihn abgegebene elektrische Signal in ein akustisches Signal um, das in den Prüfling übertragen wird und πich darin fortpflanzt. Bei einer akustischen Un.^teSi^keit tritt eine Reflexion und ein Fehlerecho auf, das von dei.: Schwinger abgetastet und in ein elektrisches Signa] umgewandelt wird. Es wird dann von dem Videoverstärker verstärkt und an der Kathodenstrahlröhre über einer Zeitbasis abgebildet. Die an der Kathodenstrahlröhre angezeigte Verzögerung des Fehlerechos nach nussendang des Signa !impuls es ergibt einen Meßwert' fir die Lage der Fehlstelle bezüglich der Eintrittsfläche in den Prüfling- Die Amplitude des " Fehlerechos zeigt die Größe oder Form der Fehlstelle an. Diese ^J Darstellung des Echos ist als A-Abtastung bekannt.

Bei der gewöhnlichen Prüfung der Werkstoffe auf Fehlstellen stellt der Bedienungsmann mit Hilfe von Steuereinrichtungen den Verstärkungsfaktor an der Einrichtung so ein, daB eine bestimmte Amplitude des Fehlerechos auftritt, wenn der Schwinger auf eine Eichprobe aufgesetzt ist, die eine ausgewählte Bezugsfehlsteile aufweist. Wenn die gewünschte Amplitudenanzeige erreicht ist, beispielsweise eine "Ablenkung Von 2,5 cm, erhöht der Bedienungsmann den Verstärkungsfaktor des Gerätes dadurch, da? er _.evr.^:hnlich in dem Erpfängerschaltkreis des Gerätes angeordnete Dämpfungs

9Ü9S50/Q67S.

BAD

glieder ml" verschiedenen Werten ausschaltet. Wenn z.B. ein Dämpfungsglied mit l4 dö ausgeschaltet itfird und keine weiteren Einstellungen vorgenommen werden, so zeigt das Iwpulsechogerat nunmehr eine Echosignalamplitude an, die bei derseloen Fehlstelle auf die das Instrument urs^rün lieh eingestellt w> i-den ist, um 14 db größer ist. Dies bedeutet, da", das Gerät hinreichend empfindlich ist, uiü Fehlstellen aufzufinden, die wesentlich kleiner als die Eichfehlstelle sind. Dadurch v/erden auch kleinere Fehlste: len nicht übersehen, wenn ein PrUf Hn^ getestet wird.

-Wenn der Bedienende eine Fehlstelle in dem Prüfling entdeckt, vermindert er den Verstärkungsgrad um 14 db durch Einschalten des vorher ausgeschalteten DMmpfungsgliedes. Dann vergleicht er die Amplitude.dee unbekannten Fehlers mit der Amplitude, für die das Gerät ursprünglich geeicht wurde. Um solch einen Vergleich durchzuführen, muß die Prüfung an dem Prüfling unterbrochen wenden, sq- !ald die Fehlstelle entdeckt wird, worauf in den Schaltkreis das rieht!.-e Dämpfungsglied eingeschaltet und der Vergleich der Fehlstellen durchgeführt wird. Wenn währenddessen der Schwinger unaΙοί entlieh bewegt wurde, muß der Prüfνorgane noch einmal durchgeführt werden. Möglicherweise muß auf eine Eichprobe oder mehrere Eiehprcben zurückgegriffen werden, um die Größe der Fehlstelle abzuschätzen. Die oben beschriebene Prüfung ist ur.ständlich.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zur Werkstoffprüfung mit Ultraschall so auszubilden, daß der Meßvorgang dadurch vereinfacht wird, daß der Amplitudenvergleich mittels der fEiohfehlrtellen entfällt und selbsttätig vorgenommen wird. Der Meßvorgang soll also ohne Unterbrechung ablaufen.

909850/067*

gAD

Bei der"erfindungsgemäßen Einrichtung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, da 3 die Amplitude des angezeigten Echosignals durch einen Rüekkopplungszweig konstant gehalten wird und in einer Anzeigeeinrichtung die Amplitude des Rückkopplungssignales angezeigt . wird, die ein Maß für die relative Größe der Fehlstelle ist.Die Anzeige erfolgt kontinuierlich, so daß die oben beschriebenen Schaltvorgänge mit den D^mpfungsgliedern entfallen. Durch diese Einrichtung wird der Prüfvorgang stark vereinfacht und die Möglichkeit einer falschen Abschätzung der Größe einer Fehlstelle beachtlich vermindert. Die erfindungsgemäße Einrichtung hat einen wesentlichen größeren Arbeitsbereich, se daß Fehlstellen, deren Größe in einem großen Bereich variieren, ohne neuerliche Einstellung des Verstärkungsgrades des Verstärkers abgetastet werden können.

V/eitere Vorteile liegen darin, daß die Amplitude des Echosignales konstant gehalten wird und die Abweichung von einer Eichfehlstelle selbsttätig angezeigt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

Fig. 2

ein Bloekdi agrarnm der erfindungsgemäßen Einrichtung, und

eine schernatisehe Darstellung einer durch eine Fehlstelle erzeugten. Bildkurve auf einer Kathodenstrahlröhre .

909850/0676

■■<■-:'i-:.ii<ri; · „-,.-..

BAD ORIGINAL

In Pig. 1 1st ein zur Synchronisierung dienender Taktgeber 10 gezeigt, der an einen Impulsgenerator 12 angeschaltet ist und den Impulsgenerator zur periodischen Abgabe eines Impulszuges im Ulrtraschallfrequenzbereich erregt. Der Impulszug wird auf einen piezoelektrischen Schwinger 14 gegeben,, der mit der Oberfläche eines Werkstückes gekoppelt ist, das durch die Ultraschallenergie geprüft werden soll. Beim Portpflanzen der Ultraschallenergie im Werkstück tritt an einer akustischen Unstetigkeit eine Reflexion und ein Pehlerecho auf, das von dem Schwinger 14 abgetastet und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das aus dem Fehlerecho abgeleitete elektrische Signal wird dann über ein einstellbares Dämpfungsglied 16, beispielsweise ein Potentiometer an einen entfernt liegenden Videoverstärker 13 gegeben, dessen Verstärkung sgrad geregelt wird. Der Verstärker 18 verstärkt das echoabhängige Signal und gibt ein Signal an die vertikalen Ablenkplatten einer Kathodenstrahlröhre 20 ab, wo das echoabhängige Signal als vertikaler Eacken erscheint, wie es beispielsweise bei. $5 in Pig·. 2 gezeigt ist.

Die Schaltung der erfindunasgemäßen Einrichtung ist so ausgelegt, daß die Amplitude des sichtbar wiedergegebenen Eehosignales 56 im wesentlichen konstant ist. Um dies zu erreichen, gelangt das Ausgangssignal des Verstärkers 13 als erstes Eingangssignal an dn Gatter 22, das am zweiten Eingang ein Signal empfängt* weihes in einer zeitabhängigen Torstufe 34 erzeugt wird* Die Torture 34 besteht im wesentlichen aus zwei Univibratoren J>6 und 38, die jeweils eine Einstellung 3? und 39 zum öffnen (S^a^t) und zum chlieäen (Stop) der Torstufe aufweisen* So werden die in dem aus-

geblendeten Zeitintervall auftretenden Echosignale weitergegeben, während alle anderen Signale nicht übertragen werden. Auf diese Weise wird die Prüfzone in dem Werkstück ausgewählt. Das Gatter gibt nur dann ein Ausgangssignal ab," wenn das Echosignal 56 (Fig. 2) in das Zeitintervall "ällt, in dem die Torstufe 34 geöffnet ist. Der Einschaltzeitpunkt 52 der Torstufe wird durch die Einstellung 37 des Univibrators 36 und der Abschaltzeitpunkt 54 der Torstufe durch die Einstellung 3;) des Univibrators 38 gesteuert.

Der Ausgang des Gatters 22 ist an einen Vergleicher 24 angeschaltet, der von einer Stromquelle 26 ein Bezu^ssignal erhält, welches

der
zur Einstellung/minimalen Amplitude des Echosignales dient. Durch diese Maßnahme werden nur solche Echcsignale übertragen, die das eingestellte Niveau überschreiten. '.Venn die Amplitude des vcn dem Verstärker l8 kommenden Signeles die Aru-litude des Bezugssignales übersteigt, gibt der Vergleicher 24 einen Äusgangsimpuls ab, der in dem Impulsgenerator 2o einen Ausgangsirr-uls erzeugt, der einem üblichen Integrator, beispielsweise einem RC-Krris, z.i_c,eführt wird, um das Zeitintegral des echcabhl'ngigen Signales zu bilden. Die Ladung des Kondensators wird als Rückkopplung signal dem Verstärker 18 zugeführt, um den Verstärkungsgrad des Verstärkern zu steuern. Dieser Rückkopplungszweig an dein Verstärker 1·'; dier.t dazu, die Amplitude des angezeigten Echcsignales konstant zu halten. Eine Anzeigeeinrichtung, beispielsweise das Meßgerät 32 ist mit dem Integrator 30 verbunden und zeigt die Amplitude des Rückkopplungssignales an. Vorzugsweise wird das Meßgerät in Einheiten vcn Dezibel geeicht, so daß die Größe der Fehlstellen angezeigt wird, die das Fehlerecho verursachen. Ein Sägezahngenerator 40 li^g't zwischen dem Taktgeber 10 und den horizontalen Ablenkplatten der

90985C/067Ö

Kathodenstrahlröhre 20 and sor^t auf bekannte Weise für die Zeitablenkung. Der Abstand zwischen dem ursprünglichen Signalimpuls 50 und dem Echosignal 56 ist ein Maß für die Lage der Fehlstelle bezüglich der Oberfläche des Werkstückes, an der der Schwinger 14 sitzt.

Bei einer bevorzugten Betriebsweise wird der Selwinrei _X4 auf einen Standardtestbl^r-k aufgesetzt, der eine oder iiiehrere Fehlstellen bekannter Ausdehnung hat. Das He.3gerät J-2 hat eine in der Mitte angeordnete Nullstellung und ist bezüglich der Mittellage in positivem und nejrativoi Dezibel-EinheI⁴ZGn geeicht. Mit der beirannten Fehlrtelli wird ci'e Einstellung der Empfindlichkeit des Echosignalen ü-rch f-ane Cte-iereinri rhtun; vor{ren«'irji-cnj die Bestandteil der BeZU^-Stromquelle 26' ist. Das D^:iiajfun. soiled 1' wir so eingestellt, daß der Zeiger des Me.^erätes ;2 ii seiner Mittella_L'e steht. VJc-nn ein PrUflii r _o-ruft vnrd, und Fehlstellen entdeckt werden, L^::-'^:-t das I·!--» i./v-rat ~>2 en^wedei· ;<osi'sive oder negative Dezibel-Einheiten an, so da.- d'.c relative Ί.·".αβ und jsbwej'hunt; der Unstet! tke; u v>.n -der '{jueioht^n ^Insti:! l;n^ an^ci^i, i^t; .v/ird. Fehlstellen, die kleiner als eine ijcsti::,r:.te Gi-'ilBe sind, werden von der Messung dui-i-'i di·-: Einstell-i^ des Si^nalnlveauF dai-ch die

2o a .'«s^esuhl ssen.

Offenbar nüssen keine weiteren. Einstellungen voi-genoiflcien werden, ind die Ablesun_ an dem M^.j^erät J>2 kann kontinuierlich voiv.enemnen werder., w:ihri.-nci das Echosignal f·' an der Kathrdenstrahl röhi'e

^oze^t v/.'rd. De. dit A-r'^lituda des Echosignals 5·" !constant bleibt, -"esteht r.^!U' eine i-jerin^e Wahrscheinlichkeit dafür, da?

909850/0676

I ΐ' i ' V?

BAO ORIGINAL

der Bedienungsrnann eine Fehlstelle übersieht, so daQ die Zuverlässigkeit des Meßvorganges stark verbessert wird. Da die Einrichtungen für die Dämpfung entfallen, die bei bekannten Verfahren während des Meßvorganges betätigt werden müssen, wird eine große Vereinfachung und daher eine einfachere Bedienung erzielt.

Die oben beschriebene Rückkopplung führt zu einer beachtlichen Vergrößerung des Arbeitsbereiches. Bei bekannten Schaltungen wird der volle dynamische Meßbereich wesentlich durch die SUttigungsbedingung des Verstärkers IB eingeschränkt, und der übliche mittlere MeBbereich umfaßt ungefähr 35 db. Mit der erfindungsgenäß 3n Einrichtung kann der Meßbereich auf Go bis 100 db ausgedehnt werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Meßeinrichtung vorgesehen, die die Tiefe der Fehlstelle unter der Werkstoffoberfr^;che anzeigt. Zu diesem Zweck ist ein bistabile!· Multivibrator ^O an den Ausgang des Taktgebers 10 und an den Aasgan/: des Gatters HZ angeschaltet und erh'ilt auf diese Weise ein Soart- bzw. Stopsignal. Der Multivibrator 60 wird daher während einer Zeitintervalls 'r.r^ätj gt^ das gleich dem Intervall zwischen der Aostrahlung des Signal impulses und dem Empfang des echoabhänrigen AusgangssignaIcs ν-.η dem Verstärker Io ist. Das Meßgerät 62 wandelt dieses Zeitintervall in eine Me'üanzeige um. Das Meßgerät weist einei. Schaltkreis zur Aufladung eines Kondensators, einen Sritzendetektcr und ein Gerät zur Ablösung des Spitzenwertes auf, das die elektrische Ladung des Kondensators anzeigt.

9098 50/067 6

BAD ORIGINAL

Bieses Meßgerät bildet eine zusätzliche Vorteilhafte" Maßnahme da der sBeituhtersahied zwisdhen den öigtiölen 50 und 56,- die auf der Kathodenstrahlröhre erscheinen.« direkt als Zahlenwert ablesbar ist»

Claims

Einriöhfcung aur Werkstoffprüfung wit; ÜltraseMll, bei dir ein Impulsgenerator periodisch Ultraschaliiinpulssignale äii einön Schwinger abgibt^ der ein Ültraachalisignal in den Prüfliflg abstrahlt und ein Fehlerecho empfängt, welehes Veränderungen der von derri Ultraschallsignäl angetroffenen akustischen Impedanz anzeigt, wobei das von dem Fehlerechö abgeleitete Signal einem Verstärker zugeführt M^d* der ein Aüsgangssignal an eine Einrichtung zui· bildiiehen Öarstellung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (18) über einen Rückkopplungs zweig (24,28,30) ein Mckkopplungssignal., zugeführt Wirdj dutch das die Amplitude des Aüsgangssignales des Verstärkers (l8) konstant gehalten wird, und daß ein der Amplitude dös Rückkopplüngssignales proportionaler Wert in einer Anzeigeeinrichtung (32) angezeigt wird»

- 1 ■■»

BAD

815223
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (32) ein Zeigermeßgerät ist.
5· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeigermeßgerät (32) in Einheiten von Dezibel geeicht ist.
4. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungszweig folgende Baugruppen aufweist: einen Vergleicher (24), dem ein Ausgangssignal des Verstärkers (l8) und ein Bezugssignal zugeführt wird und der ein Ausgangssignal nur dann erzeugt, wenn die Amplitude des von dem Ausgangssignal des Verstärkers (l8) abhängigen Signales die Amplitude des Bezugssignales übersteigt; einen Impulsgenerator (28), dem das Ausgangssignal des Vergleichers (24) zugeführt wird und der bei Empfang dieses Signales ein Impulssignal abgibt;. .

und einen Integrator (50), der mit dem Impulsgenerator (28) gekoppelt ist, das Zeitintegral des Impulssignales bildet und das Rückkopplungssignal an den Verstärker (l8) zur Steuerung des Verstärkungsgrades abgibt.
5. Einrichtung nach-Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß .das Bezugssignal einstellbar ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine zeitabhängige Torstufe (54), die auf die Erzeugung des Ultraschallimpulssignales anspricht und zur Einstellung des Zeitintervalles dient, während dem das Auftreten eines Echosignales von der Einrichtung (20,4o) angezeigt wird.

9 09 85 0VO67 6^

BAD ORIGINAL
7· Einrichtung nach Anspruch β, gekennzeichnet durch Mittel (37, 39) zur Längeneinstellung des Zeitintervalles.
8. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeigermeßgerät (32) je einen an eine mittlere Nullstellung anschließenden Meßbereich aufweist.
9. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Rückkopplungszweig ein Gatter (22) vorgesehen ist, das ein Torsignal und ein von dem Ausgangssignal des Verstärkers (18) abhängiges Signal empfängt und ein Ausgangssignal abgibt, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers (l8) während eines Zeitintervalles auftritt, das durch das Torsignal bestimmt ist, und daß der Vergleicher (24) das Ausgangssignal des Gatters (22) und ein einstellbares Bezugssignal empfängt und ein Ausgangssignal abgibt, wenn die Amplitude des von dem Gatter (22) abgegebenen Ausgangssignales die Amplitude des Bezugssignales übersteigt.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dämpfungsglied (l6) zur Einstellung der Amplitude des echoabhängigen, von dem Schwinger (14) Übertragenen Signales vorgesehen ist, und das Zeigermeßgerät (32) einen von der Amplitude des Rückkopplungssignales abhängigen Wert anzeigt, wobei es sowohl positive als auch negative Abweichungen von einer geeichten Signalamplitude angibt.

909850/0 6.7

_6AD

te

T815223
11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß einer Anzeigeschaltung (60., 62) ein erstes Signal zugeführt wird, wenn der Schwinger (14) ein ültraschallsignal in den

' Prüfling abstrahlt, und ein zweites, vom Ausgangssignal der Vorstufe (22) abhängendes Signal zugeführt wird, und daß die Anzeigeschaltung (6ö, 62) an einem weiteren Meßgerät (62) eine: Wert anzeigt^ der von dem Zeitintervall zwischen dem ersten und dem zweiten Signal abhängig ist.

909850/067«

Lee rs e ι ie