DE1815997A1 - Ultraschallsonde - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde, insbesondere ein Ultraschall-Impuls-Reflexionsgerät, für Ultraschallfehlersuchsysteme, insbesondere zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, beisppielsweise zur Ermittlung von Gußfehlern oder sonstigen Materialfehlern, wie Risse, Blasen, Lunker oder dergleichen, wobei die Ultraschalisonde einen durch elektrische Impulse erregbaren Sender zuin Erzeugen von kurzzeitigen Ultraschallimpulsen, welche in das zu prüfende Material gerichtet werden, aufweist. Irgendein Fehler, beispielsweise ein Riß, eine Blase oder dergleichen in dem zu prüfenden Material bewiri ein Echo des betreffenden Impulses, das zurück zu der Sonde reilektiert wird und durch den Sender empfangen wird, welcher in diese Fall gleichzeitig als Empfänger dient, oder das reflektierte Echo kann auch durch einen gesonderten Empfänger der Ultraschallsonde empfangen werden, welcher benachbart zu dem Sender angeordnet ist.
• Die Messung der Zeitverzögerung zwischen dem Ursprungsimpuls und der Rückkehr des Echos ergibt eine Anzeige der tiefe des Fehlers. Die Stärke des Echos ergibt eine Anzeige der Größe des Fehlers. Unter typischen Arbeitsbedingungen wird der Sender mit einem elekUrischen Impuls e.rregt, derart, daß er Ultraschallimpulse von beispielsweise 1 - 3µsek Dauer aus sendet. Der Sender kann hierbei mit einer bestimmten zeitlichen Impulsanzahl gepulst werden, beispielsweise mit 200 Impulsen/sek.
• Eine Schwierigkeit der bekannten Prüfsysteme dieser Art ist, daß die Meßgenauigkeit der GEstalt, Orientierung, räumlichen Lage und/oder Größe eines Materialfehlers begrenzt ist, indem die Emission der Ultraschallwellen durch den Sender in Form eines divergierenden Strahlenbündels erfolgt, wobei der Öffnungswinkel des Strahlenbündels beispielsweise von dem Durchmesser des Senders und der verwendeten Wellenlänge abhängt.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ultraschallsonde zu schaffen, bei der die erwähnten Nachteile der bekannten Ultrasschallsonden zumindest vermindert sind und die insbesondere eine höhere Prüf- und Meßgenauigkeit uafweist und auch sonstige Vorteile bei einfacher Bauart hat.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Ultraschallsonde, insbesondere Ultraschall-Impuls-Reflexionsgerät, welche einen Sender aufweist, erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Ultraschallsonde eine Verzögerungssäule, in die der Sender ein Ultraschallstrahlenbündel senden kann, und eine gewölbte Grenaflache aufweist, die das Strahlenbündel formt, wenn es in ein Material iiber-tritt in welchem die Schallgeschwindigkeit des Strahlenbündels sich ändert.
• Weitere Merkmale der Erfinung sind in der nachfolgenden Beschreibung, den Unteransprüchen und der Zeichnung beschrieben bzw. dargestellt, wobei es sich versteht, daß die Erfindung in zahlreichen weiteren Ausführungsformen verwirklicht werden kann, In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste erfindung sgemäße Ausführungsform einer Ultraschallsonde, Pig. 2 einen Querschnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Ultraschallsonde, Fig. 3 und 4 je eine Variante der Ultraschallsonde nach Fig. 1, Fig. 5 zeigt eine Variante der Fig. 4, bei der die Sonde zwei Schwingkristalle aufweist, Fig.6 und 7 zeigen Varianten der Ultraschallsonde nach Fig. 4, Fig.8 und 9 zeigen Varianten der Ultraschallsonde nach Fig. 7, Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultraschallsonde in teilgleise längsgeschnittener Darstellung, Fig. ii eine Variante einer Einzelheit der Fig. 10.
• In den Fig. 1 und 2 ist eine Winkelsonde zur Fehlerprüfung von stumpfgeschweißten Röhren dargestellt.
• Diese Sonde weist einen Schwingkristall (Schwingquarz) 1 auf, welcher als Sender und Empfänger dient und In den der elektrische Leiter 2 angeschlossen ist. Der Schwingkristall sit in einem keilförmigen Glied 3 befestigt, des aus einem unter dem Handelsnamen "Perspex" vertriebenen Polymethacrylat besteht. Ein Teil des Gliedes 3 bildet eine Verzögerungssäule für die Ultraschallstrahlung, Das Glied 3 ist mit einem Schuh 4 versehen, der ebenfalls aus dem unter dem Handelsnamen "Perspex" vertriebenen Polymethecrylart besteht und dessen untere Oberfläche eine teilzylindrische Gestalt zur Anpassung an die Außenoberfläche der zu prüfenden Röhre aufweist.
• In de Unterseite des Sohuhes 4 ist eine Einwölbung vorgesehen; durch die zwischen dem Schuh 4 und der Röhre 5 eine Höhlung geschaffen ist, welche mit einem Material 6 gefüllt ist, in welchem die Schallgeschwindigkeit unterschiedlich zu der Schallgeschwindigkeit in dem aus "Perspex" bestehenden Material ist. Auf diese Weise bildet das Material 6 eine Ultraschallinse mit eine? gewölbten Grenzfläche zwischen dem Schuh 4 und dem Material 6, welche in dem Weg des vom Schwingkristall 1 ausgehenden Strahlanweges liegt.
• Das Material 6 ist so auszuwählen, daß die gewünschete Gestalt des Strshlenbündels erreicht wird. Luft ist im allgemeinen ungeeignet infolge der starken Bedämpfung der Ultraschallwellen in Lüft. Wasser ist- an sich geeignet, wenn man von der Schwierigkeit absieht, es in die Höhlung einzubringen. Jedoch haben andere Materialein. beispielsweise Öle, Fette und Gummi oder ICautschuk eine Dichte, Schallgeschwindigkeit und einen Schallwellenwiderstand (akustischer Widerstand) ähnlich Wansser und können deshalb mit Vorteil anstelle von Wasser verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie blasenfrei sind. Diese Materialien haben keine Schubfestigkeit, so daß sich in ihnen keine transversalen Wellen fortpflanzen können und helfen so mit, die Wellenform, welche eventuell zu dem Empfänger der Ultraschallsonde zurückkehrt, zu vereinfachen.
• Selbstverständlich können auch andere geeignete IjLaterialien, beispielsweise Aluminium, Magnesium oder Kunst stoffe oder ein Polaroid (polarisierender Stoff) für das Material 6 vorgesehen sein.
• Wenn Gummi oder Kautschuk 1 für das Material 6 vorgesehen ist, so kann es entweder an Ort und Stelle in die Höhlung des Schuhes 4 eingegossen oder es kann als Einsatz vorgeformt und in die Höhlung eingekittet oder dergleichen werden. Der Kautschuk kann synthetischer Eau-tschuk, beispielsweise Butyl- oder Silikonkautschuk sein.
• Fett kann in Verbindung mit oder anstelle von Sautschule vorgesehen sein. Wenn es allein verwendet ist, muß besondere Sorgfalt@ darauf verwendet werden, Luftblaseneinschlüsse zu vermeiden, wenn Fettverluste im Gebrauch ersetzt werden. Falls notwendig, kann nachzufüllendes Fett unter Druck durch eine nicht dargestellte Bohrung in dem Glied 3 und dem Schuh 4, die in die Höhlung führt, nachgefüllt werden.
• Mit Vorteil kann, wenn die Oberfläche der Röhre 5 gut eingefettet ist, Wasser für das Material 6 verwendet werden, welches durch eine geeignete Bohrung in der Ultraschallsonde unter dem Einfluß der Schwerkraft der Höhlung zugeführt wird. Lufteinschlüsse können hierbei durch teilweises Abheben der Sonde von der Röhre 5 entfernt werden. Wasser kann auch in Verbindung mit Fett verwendet werden, dessen hier infragedommenden physikalischen Eigenschaften denen von Wasser entsprechen.
• Im allgemeinen ist es besonders günstig, als Material 6 einen harten, bearbeiteten (hard faced), synthetischen Kautschuk zu verwenden, in welchem eine Schallgeschwindigkeit von ungefähr 1480 m/sek auftritt und der mit; dem Schuh der Sonde fest verbunden ist und mit einem dünnen Überzug von Fett zur notwendigen Ankopplung an die zu prüfende Röhre versehen ist.
• Obwohl die das Material aufnehniende Höhlung in den Fig. 1 und 2 als teilsphärisch oder teilkugelflächenförmig dargestellt ist, ist es in manchen Fällen ausreichend und zweckmäßig, die Höhlung teilzylindrisch auszubilden. In vielen Fällen können selbstverständlich auch andere Wölbungen mit; Vorteil vorgesehen sein.
• In Fig. 3 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die in dem Glied 3 vorgesehene Linse 8 so#ausgebildet und angeordnet ist, daß sich in dem Strahlengang durch sie zwei Grenzflächen 9 und 10 ergeben. Das Material der Linse 8 und ihre Gestalt kann so getroffen sein, daß durch ihre Brechung in dem Prüfgut 5 ein enger Strahl 11 von æylindrischem oder elliptischem Querschnitt erhalten wird.
• In vielen Fällen kann mit Vorteil diese Linse so ausgebildet sein, daß sie in dem Prüfling ein Strahlenbündel erzeugt, das in einem gewünschten Betrag divergiert oder konvergiert, beispielsweise in einem vorgegebenen Abstand einen Brennpunkt in dem Prüfgut hat.
• Es ist bekannt, daß der Grad der Bedämpfung des Schwingkristalles einen erheblichen Einfluß auf den Divergenzwinkel eines Ultraschallstrahlenbündels hat.
• Aus diesem Grund ist vorgesehen, daß der Schwingkristall geeignet bedämpft ist, beispielsweise mit Hilfe von Wolfram-Kautschuk.
• Die Linse 8 wird durch eine geeignet geformte Höhlung in dem Glied 5 definiert, wobei ihr geeignete Mittel, beispielsweise ein federbelasteter Kugelventilmechanismus, zum Einführen und Herausführen eines Materials, wie beispielsweise Ö1, Wasser oder Glycerin, zugeordnet sind.
• In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist anstelle der durch eine isolierte Höhlung gebildeten Linse 8 der Fig. 3 die Linse durch eine Höhlung 12 bestimmt, die teilweise durch die Oberfläche der Scwingkristalls 1 gebildet wird, wodurch eine reflektierende Oberfläche weniger entsteht und die gewölbte Grensfläche 13 gebildet wird.
• Die Linse bildet in diesem Ausführungsbeispiel eine Verzögerungssäule für die Ultraschallwellen.
• Fig. 5 zeigt die Anwenöung der Ausführungsform nach Fig. 4 auf eine Doppelristallsonde, in welcher gesonderte Schwingkristalle 1 und 1' für den Sender und den Empfänger vorges@hen sind. Die g@wölbte Grenzfläche 1@' des Empfängers kann, wie dargestellt, eine andere Gestalt als die Grenzfläche 13 des Senders aufweisen. Ein Geräuschisolator 14 ist zwischen den zwei Gliedern 3 und 3' angeordnet. Mit 2' sind die Leitungen und mit 12' die Linse des Empfägners bezeichnet.
• In den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen kann ünter Umständen die innere Reflexion der Ultraschallwellen an den gewölbten Grenzflächen unerwünschte Echos erzeugen, welche, die Genauigkeit von mit diesen Sonden erhaltenen Resultaten beeinträchtigen können.
• Falls erforderlich, kann die Wirkung dieser Echos durch geeignete Stromkreise vermindert werden, die den dem Empfänger zugeordneten elektronischen Stromkreisen zugeordnet sind.
• Mit besonderem Vorteil kann die wirkung derartiger Echos jedoch durch die anhand der Fig. 6 erläuterte Maßnahme reduziert oder beseitig werden, bei welcher e ine Linse 15 eine gewölbte Grenzfläche 16 hat, die in die obere Oberfläche des Schuhes 4 eingelassen ist.
• Die Hauptachse 17 der gewölbten Grenzfläche 16 verläuft in bezug auf den Prüfling 5 normal, d. h. senkrecht aum Prüfling, während die Achse des Schwingkristalles in bezug auf die Achse 17 geneigt ist, um sowohl den genauen Brechungswinkel in dem Prüfling 5 zu erzeugen, als auch die inneren Reflexionsechos zu zerstreuen, die von der Grenzfläche 16 herrühren. Diese Echos treffen auf die zylindrisch gewölbte Oberfläche der Linse 15 auf, beispielsweise bei 18, und werden hier fokussiert und dann entweder zur Frontseite oder zur Oberseite des Gliedes 3 konvergiert.
• Wenn angenommen sei, daß Wasser als Material für die Linse 15 benutzt wird und das Glied 3 und der Schuh 4 jeweils aus einem unter dem Handelsnamen "Perspex" vertriebenem Polymethacrylat bestehen, dann werden in die sem Ausführungsbeispiel von der Grenzfläche 16 ca.
• 13,6 % der Energie reflektiert, während die von der zylindrischen Wandung 18 der Linse 15 reflektierte Energie 1,84 % beträgt. Der Gegenstand dieses Ausführungsbeispieles kann noch dadurch verbessert werden, daß das Glied 5 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt wird, dessen akustische Eigenschaften denen von Wasser (oder, falls für die Linse 15 ein anderes Material als Wasser verwendet ist, denen des betreffenden anderen Materials) angepaßt sind.
• Die Achse des Schwingkristalles 1 ist unter einem Winkel von ungefähr 25,5° zur Normalen des Prüflings geneigt, wenn das Strahlenbündel in Wasser fortgeleitet wird, wobei eine doppelte Brechung erst in das Perspex Material unter 52,50 und dann in den Stahl unter 700 stattfindet.
• Die Grenzfläche 16 der Linse 1 5 kann durch eine geeignet geformte Eindrückung in die obere Oberfläche des Schuhs gebildet sein, wie es in Fig. 6 dargestellt ist-, um eine konvergierende Linsenwirkung in dem Prüfling 5 zu erzeugen. In vielen Fällen kann mit Vorteil die obere Oberfläche des Schuhs 4 anstatt mit der konkaven Wölbung mit einer konvexen Auswölbung versehen sein, um eine divergierende Linsenwirkung in dem Prüfling zu erzeugen.
• Die Grenzfläche 16 kann teilkugelflächenförmig oden,, teilzyli,ndrisch ausgebildet sein oder sonst irgendeine geeignete Gestalt aufweisen, oder es können andere-geeignete Verbindungen mit dazwischenliegenden Grenzflächen vorgesehen sein, um das Strahlenbündel entsprechend den gewünschten Charakteristiken zu.beeinflussen und zu steuern.
• Bei einer nicht dargestellten Variante der Ausführungsforin der Fig. 6 ist in der oberen Oberfläche des Schuhs 4 anstelle der Grenzfläche eine gesonderte Linse in dem Glied 3 vorgesehen, oder es kann zusätzlich zu der Grenzfläche 16 eine gesonderte weitere Linse vorgesehen sein. Perner kann, wenn der Schuh auf eine gewölbte Probe aufgesetzt werden soll, mit dem Schuh 4 ein weiterer Schuh verbunden sein oder der Schuh 4 kann eine hierfür geeignete Gestalt aufweisen.
• Fig. 7 zeigt eine Variante der Fig. 6, bei welcher eine Linse 19 mit einer gewölbten Grenzfläohe 20 vorgesehen ist, wobei die gewölbte Grenzfläche 20 durch eine entsprechende Wölbung der Oberfläche des Schwingkristahles 1 geformt ist. Die Grenzfläche 21 zwischen dem Glied 5 und dem Schuh 4 ist eben, wie dargestellt, jedoch kann sie auch gewölbt ausgebilde-t sein, sofern eine zweite gewölbte Grenzfläche erwünscht ist.
• Die Grenzfläche 20, d. h. die Oberfläche des ,Schwingkristalles 1, ist so geformt, daß sie zusammen mit der Versetzung der Achse des Schwingkristalles den korrekten Brechungswinkel in dem Prüling erzeugt und innere, von der Grenzfläche 21 stammende Reflexionsechos zur Oberseite oder zur Frontseite des Gliedes 3 abgelenkt werden.
• Linse 4 wenn die Linse 19 aus einem @esten Material bes @r auch aus Fett besteht, so kann der Schuh 4 weggelassen weraen.-as obere Ende der Linse ist mit der Oberfläche des Schwingkristalles mittels eines Bindemittels verbunden, falls das Linsenmaterial hierfür geeignet ist.
• Fig. 8 zeigt eine Variante, bei welcher der Schuh weggelassen wurde, dem die Linse 22 aus einem festen Material besteht. Ferner ist anstelle eines Schwing kristalles 1' mit einer gewölbten Oberfläche ein Sehwingkristall mit einer ebenen Oberfläche vorgesehen, der mit einer weiteren Linse 23 verbunden ist, wobei die Grenzfläche 24 zwischen den Linsen 22 und 23 gewölbt ist.
• Die Linse 23 kann beispielsweise aus einem unter dem Handelsnamen Araldit vertriebenen Epoxydharz bestehen.
• In Fig. 9 ist eine Variante der Fig. 8 dargestellt, welche eine zusätzliche Linse 33 aufweist, um eine zusätzliche,gewölbte Grenzfläche 34 zu schaffen. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Grenzfläche 24 mit Vorteil teilkugelflächenförmig sein und die Grenzflöche 34 ent-- weder wie dargestellt, transv sal oder lcnitud inal teilzylindrisch ausgebildet sein. Auf diese Weise kann zweckdienlich und leicht ein mehrlinsiges System erhalten werden, Fig. 10 zeigt ein erfindun,gsgemäßes Gerät, in welchem eine übliche, d. h. eine nicht gewinkelte Sonde im ganzen mit 25 bezeichnet ist. Diese Sonde weist einen Schwingkristall 26 und elektrische Leiter 27 auf und ist erfindungsgemüß mit einer vorspringenden Röhre 28 versehen, die beispielsweise aus einem Kanststoffinaterial besteht und an ihrem oberen Ende ein Innengewinde zum Einschrauben der Sonde 25 und an ihrem unteren Ende ein Innengewinde zum Einschrauben einer Linse 29 aufweist. Die Linse 29 kann ausreichend dick gemacht werden, um, falls gewünscht,für gewölbte Prüflinge abgerundet zu werden. Die Röhre 28 ist auch mit einem Außengewinde versehen, um gegebenenfalls eine Linse 30 tragen zu können, wie es in Fig. 11 dargestellt ist, und zwar für das Aufsetzen auf ebene Prüflinge. Diese Anordnung erlaubt es, die Linse 30 so dünn als möglich zu machen, was Vorteile hat.
• Die Linsen 29 und 30 können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, beispielsweise aus Kunststoff oder Metall. Im Gebrauch wird die Röhre 28 mit einem geeigneten Material 31 gefüllt, vorzugsweise mit Wasser, welches eine Verzögerungssäule bildet.
• Eine Anzahl von Röhren 28 unterschiedlicher Länge können vorgesehen sein, so daß Echos von der gewölbten Grenzfläche 32 zwischen dem Material 31 und der Linse 29 und zwischen der Linse 29 und dem Prüfling zweckdienlich positioneiert sind, wenn die Darstellung auf dem Schirm @inel l @th@denstr@hlröhre, die mit @em Empfänger ver-1@@nd@@ is', @@@@l@@@.

Claims (18)

Patentansprüche

1. Ultraschallsonde, insbesondere Ultraschall-Impuls-Reflexionsgerät, welche einen Sender aufweist, dadurch gekennzeichent, daß die Ultraschallsonde eine Verzögerungssäule, in die der Sender (1, 26) ein Ultraschallstrahlenbündel senden kann, und eine gewölbte Grenzfläche (7; 9; 10; 13; 16; 20; 24; 34 32) aufweist, die das Strahlenbündel formt, wenn es in, ein Material übertritt, in welchem die Schallgeschwindig--keit des Strahlenbündels sich ändert.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß hinter der Verzögerungssäule ein Schuh (4) angeordnet ist.

3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichent, daß die gewölbte Grenzfläche (7) durch eine Einprägung in der unteren Oberfläche des Schuhs gebildet und in der hierdurch geschaffenen Ausnehmung eine Linse (6) angeordnet ist.

4-. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da'ß die gewölbte Grenzfläche (16) als eine Wölbung, vorzugsweise' Einwölbung, der oberen, Oberfläche des Schuhs (4): ausgebildet und in deD Wölbung eine Linse vorgesehen ist.

5. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichent, daß die gewölbte Grenzfläche durch eine; Linse gebil-' det ist, die in der Verzögerungssäule angeordnet ist oder die Verzögerungssäule bildet.

6. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichent, daß eine Oberfläche der Linse an der Oberfläche des @enders (1) anliegt und die andere Oberfläche der Linse die gewölbte Grenzfläche (24) bildet.

7. Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche der Linse (19) gewölbt ist und an der entsprechend gewölbten Oberfläche des Senders (1) anliegt, wobei die gemeinsameVerbindungsfläche die Grenzfläche (20) bildet.

8. Sonde nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gewölbte Grenzfläche teilkugelflächenförmig ist.

9. Sonde nach Anspruch 6,7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Linse (33) zur Bildung einer zweiten gewölbten Grenzfläche (34) vorgesehen ist.

10. Sonde nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite gewölbte Grenzfläche teilkugelflächenförmig ist.

11. Sonde nach einem dr vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungssäule (15) zylindrisch und ihre Achse in bezug auf die Normale der an die Sonde angrenzenden Oberflache des Prüflings unter einem Winkel geneigt ist, wobei die Hauptachse (17) der gewölbten Grenzfläche (16) senkrecht auf der genannten Oberfläche des Prüflings steht, so daß an der gewölten Grenzfläche stattfindende Reflexionen nicht auf den Sender zurück gerichtet sind.

12. Sonde nach Ansp"ruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzög'erungssäule. (31) durch ein im Inneren eines röhrenförmigen Gliedes (28) angeordnetes Material gebildet ist, dessen Achse mit der Achse des Senders zusammenfällt.

13. Sonde nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gewölbte Grenzfläche durch ein Glied (29; 30) gebildet wird, welches an dem van dem Sender abgewendeten Ende des röhrenförmigen Gliedes angeordnet ist.

14. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzö/gerungssäule (3) aus Polymethacrylat besteht.

15. Sonde nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse oder Verzögerungssäule aus Wasser besteht.

16. Sonde nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse oder Verzögerungssäule aus Kunststoff besteht.

17. Sonde nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse oder Verzögerungssäule säule aus synthetischem Kautschuk besteht.

18. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche innerhalb der Sonde angeordnet ist.