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Einrichtung zur automatischen ultraschallkontrolle des gegenseitigen
Anhaftens kreisförmiger Materialschichten, insbesondere bei Brennstoffstäben Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur automatischen Ultraschallkontrolle des gegenseitigen
Anhaftens kreisförmiger materialschichten, insbesondere bei Brennstoffstäben mit
glatter oder gerippter Oberfläche.
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Rir verschiedene zwecke werden Stäbchen bzw. Stäbe mit einem Sern
hergestellt, um welchen eine oder mehrere gleichachsige Materialschichten angeordnet
sind.
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Die Oberfläche der Aussenschicht ist in der Regel glatt oder gerippt
ausgeführt. An den Grenzsohichten zwischen dem Kern und der anliegenden Schicht
sowie £wischen den einzelnen Schichten soll eine Diffusionsverbindung vorliegen.
Mithilfe bekannter Einrichtungen
wird die Vollkommenheit der einzelnen
materialschichten mittels Ultraschall derart kontr@lliert, daß der Stab zwischen
einem Prüfköpfepaar kindurchgezogen ;;ird, voll denen der eire als Sender und der
zweite als Empfänger der Ultraschallwellen dient, deren Intensität sich je nach
der @@@lit@t der Verbindung an den einzelnen Grenzschic@ten @ndert. @ei gerippten
Stäben ist es notwendig, die Ultraschallwellen nur in die Nuten zwischen die Rippen
zu sendne und den in vrschiedene @inkelstellungen verdrehten Stab mehrmals zwischen
einem Prüfköpfepaar hindurchzuziehen. Eine gröbere Anzahl von Prüfköpfepaaren, die
gleichzeitig als Sender und Empfänger der Ultraschallwellen dienen, kann am Umfang
nicht angeordnet werden, da sie einander gegenseitig beeinflussen würden. Soiern
die Paare an den Stäben hintereinander angeordnet werden, ware es vielleicht möglich,
den ganzen Stab bei einem einzigen Durchziehen zu prüfen, jedoch mit ziemlichen
Konstruktionsschwierigkeiten, da die Prüfköpfe eine bedeutende Stablänge einnehmen
würden. Ähnlich wäre es möglich, alle Empfängerköpfe parallel zu verbinden, da bei
einem gemeinsamen Verstärker in diesem Interferenzsignale auftreten würden und auf
der anderen Seite, wenn jeder Prüfkopf einen selbständigen Verstärker zur Verfügung
haben sollte, wäre die ganze Einrichtung zu aufwendig und für die Lokalisiertng
fehlerhafter Stellen zu schwerfällig.
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Eine einfache und wirksame Art der Kontrolle des Anhaftens wird durch
die Erfindung ermöglicht.
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Das lesen der Erfindung besteht darin, daß sie mindestens aus zwei
Prüfköpfesystemen besteht, von denen jedes zumindest drei symmetrisch verteilte
Prüfköpfepaare enthalt, die jeweils durch einen fokusierten Sendekopf und einen
zweiten, gegenüberliegenden gleichachsig angeordneten Empfängerkopf gebildet werden.
Die einander entsprechenden, zu Systemen angeordneten Sendeköpfe sind gegenseitig
tull einen solchen Teilkreiswinkel verdreht, welcher der Anzahl der Systemköpfe
entspricht. Die Achsen zweier benachbarter Prüfköpfe in jedem System verlaufen somit
zueinander unter gleichen Winkelabständen. Die Empfängerköpfe in jedem 5ystem sind
elektrisch parallel verbunden und sind iiber einen elektronischen Zweikanal- oder
Mehrkanal-Umschalter an einen Verstärker angeschlossen, hinter den die auswerteeinrichtung,
dargestellt durchden Siebkreis, Impulsformer, byeicher und den an die Indikationseinrichtung
angeschlssenen Begrenzer, geschaltet ist.
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iWit ilfe dieser Einrichtung kann sowohl das hnhaften des Stabkernes
am Umhüllungsrohr als auch das gegenseitige Anhaften einzelner schichten bei otäben
mit Mehrschichtüberdeckung festgestellt werden.
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leistet tritt jedoch der erste Fall ein, daß der kern mit einem einzigen
Schutzrohr, dessen Oberfläche Glatt oaei gerippt ausgeführt ist, versehen ist. Die
Aussendurchmesser des Stäbe bewegen sich in den Ab@essungen einiger weniger @illimeter
bis 20 mm bei @ehreren @etern Länge. Die Wandstärke des Schutz-@@@@es braucht zur
einige Zehutel millimeter zu betragen. Deshalb ist eine geeignete Ultraschallmethode
die
Durchschallungsmethode. Eine derartige Kontrolle wird an der StaboberflPche, und
zwar gleichzeitig in mehreren der Länge nach bzw. schraubenförmig gewundenen Streifen
durchgeführt. Das zweite Verfahren wird bei Stäben mit gerippter Hülle angewandt.
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Zu diesem Zwecke werden in einer oder mehreren normal zur Stabachse
stehenden Ebenen einige Prüfköpfe verteilt, die jeweils aus einem oft fokusierten
Sendekopf und aus einem Empfängerkopf, der mit einer geeigneten Blende versehen
ist, bestehen. Zwischen diesen gleichachsigen Paaren gehen nacheinander die Ultraschallimpulse
hindurch, nach deren Intensität die Qualität des Anhaftens bzw. die innere Homogenität
in einer Dahn ausgewertet werden können, welche die Impulse zunickgelegt haben.
Die Auswertung der Qualität des gesamten kontrollierten Stabes wird in Äuswertungskreisen
durchgeführt, in denen die hindurchgelatdenen Impulse verarbeitet werden und das
Ergebnis wird graphisch bzw. numerisch registriert.
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Das Anhaften im ganzen Querschnitt des Stabes wird bei einem Durchgang
durch die Einrichtung geprüft.
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Die Durchgangsgeschwindigkeit des Stabes kann verhältnismäßig hoch
sein, da sich der Stab nur axial ohne Drehung beweg. Falls der Stab gerippt ist
und die Rippen in einer Schraubenlinie gewunden sind, dreht sich zwar der Stab um
seine Achse in Ubereinstimmung mit der Schraubenlinien£teigung, jedoch ist diese
Steigung ziemlich groß, zum Beispiel 2 bis 3 m.
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Erfindungsgemäß ist bei der Höchstzahl der bltraschall-Prüfungsstrecken,
die eine Erprobung des gesamten Querschnittes gewährleisten, die Anzahl der elektronischen
Schaltkreise minimal.
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Das Wesen der Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten
praktischen Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeiten: Fig. 1 einen gerippten
Stab, welcher durch zwei Prüfköpfesysteme hindurchgeht, in denen die einander entsprechenden
Prüfköpfe um 30° versetzt angeordnet sind.
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Fig. 2 ein Gruppenschema der mit zwei Prüfkopfsystemen arbeitenden
Einrichtung.
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Fig. 3 die wichtigsten Spannungsverläufe in den Kreisen der elektronischen
Binrichtung der Fig. 2.
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Bei der Kontrolle der Qualität des Anhaftens einer Schicht läuft der
Stab zumindest durch zwei Systeme der in Fig. 2 dargestellten Ultraschallköpfe hindurch.
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Jedes System enthält mindestens drei Paare Ultraschallköpfe, von denen
Jeder aus einem fokusierten Sende-und einem zu diesem gleichachaig angeordneten
Smpfängerkopf besteht, zwischen denen der kontrollierte Stab hindurchgeht. Vor den
Empfängerköpfen sind Blenden angeordnet. Damit keine Verwirrungen und Interferenzen
bei den durch die einzelnen Sendeköpfe 1,2 3 in einem System gesendeten Ultraschallimpulsen
eintreten, senden die Prüfköpfe nacheinander in verschiedenen perioden des ArbeitskreislauSes.
Die Empfängerköpfe 2,4,6 sind parallel angeschlossen.
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ihnlich ist es im zweiten und in eventuell vorhandenen weiteren Systemen.
Aus Gründen der Einfachheit ist es wünschenswert, daß die Anzat.lL der Impulssender,
an
welche die Sendeköpfe angeschlossen sind, möglichst klein wird. Aus diesem Grunde
senden die einander entsprechenden Prüfköpfe in beiden Systemen gleichzeitig und
sind an den einen Impulssender angeschlossen. Die einander entsprechenden Prüfköpfe
sind jene, die bei zwei Systemen gegenseitig um den halben Winkel verdreht sind,
den zwei benachbarte Prüfköpfe in einem System einschließen. Bei mehreren Systemen
sind sie dann nur einen solchen eil dieses Winkels verdreht, welcher der Anzahl
verwendeter Systeme gleich ist, z.B. bei drei Systemen um ein Drittel dieses Winkels
usw. In dem in Fig. 2 dargestellten beispiel sind diese, einander entsprechenden
Prüfköpfe mit denselben Bezugssiffern bezeichnet. Wenn in einem System drei Prüfköpfepaare
erscheinen, is der Drehwinkel der einander entsprechenden Prüfkopfe 300. Die Anzahl
der an die Prüfköpfe angeschlossenen Sender bleibt stets gleich, ob man zwei oder
mehrere Systeme anwendet. Falls zwei Systeme verwendet werden, werden an den Impuls
sender zwei Prüfköpfe angeschlossen, bei drei Systemen werden bei einem Impulssender
drei Sendeköpfe parallel angeschlossen u.ä. Die Empfängerköpfe in einem System bilden
eine parallel geschlossene gruppe. signale der einen Gruppe der EXpfängerköpfe lauten
zum einen Kanal des elektronischen Umsohaltere 7. Bei zwei Systemen ist der elektronische
Umschalter 7 als Zweikanalschalter ausgeführt, bei drei als Dreikanalschalter usw.
und wird derart getastet, daß in der ersten Hälfte bzw. dem ersten Drittel des Arbeitskreislaufes
durch den elektronischen Umschalter 7 die Signale aus zwei @ zysten frystem, in
der zweiten Hälfte oder dem @@@@@@@ der Arbeitsperiode
die Signale
des zweiten Systems, im dritten Drittel vom dritten System u.ä. hindurchlaufen.
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Der Arbeitszyklus besteht aW soviel gleichen, aufeinanderfolgenden
Teilperioden als Prüfköpfe verwendet werden. Jede Teilperiode dauert von der zeit
t0 bis t0,. Deshalb vergrößert sich auch die Anzahl der Teilperioden mit der Zahl
der Prüfköpfe und dadurch die Dauer des Arbeitsprozesses. In den meisten Fällen,
in denen zwei Prüfköpfe verwendet werden, was als Beispiel angeführt wird, ist die
Impulsfolgefrequenz der Arbeitszyklen halb so groß WIF Gie Folbefrequenz der einzelnen
Phasen des Mehrphasen-Multivibrators 17. Die erste Periode des Arbeitszyklus ist
in Fig. 3 dargestellt und dauert von Augenblick t cis t0,; die zweite, dargestellt
in Fig. 3f, dauert von t0, bis t0. Bei drei Systemen wäre noch eine weitere Teilperiode
nötig, d.h. also der elektronische Umschalter würde drei Phasen in drei kanälen
umgeschaltet werden.
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Allgemein kann gesagt werden, daß bei n-Systemen der Arbeitszyklus
n aufeinanderfolgende Teilperioden aufweist, von denen jede an der eigenen Phase
erscheint, die an den zugehörigen n-ten Kanal des elektronischen Umschalters angeschlossen
ist. Die Dauer jeder Teilperiode beim Arbeitszyklus ist derart gewählt, daß sämtliche
Perioden des Mehrphasen-Multivibrators bzw. eines anderen Synchronisators umfaßt
werden. Der elektronische Umschalter 7 hat nur einen Ausgang, an den der Eingang
des Verstärkers
8 angeschlossen ist, hinter dem sich der uswertekreis
9 befindet, in den das Meßsignal entsteht, wenn wihrend des ganzen Arbeitsprozesses
am Yerstärkeraustritt 8 eine kleinere Impuls zahl vorherrscht, die ein bestimmtes
Spannungsniveau erreichen, als die Gesamtzahl der Prüfköpfe in allen Systemen. Der
Auswertekreis 9 besteht aus dem Siebkreis 10, der Siebimpulsquelle 11, dem Impulsformer
12, dem Speicherkreis 13, dem Entladekreis 14, dem Begrenzer des unteren Schwellwertes
15, hinter dem die Indikationseinrichtung 16 folgt.
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Den Grundkreis bildet der Mehrphasen-Multivibrator 17 mit einer Phasenanzahl,
die um eins höher liegt als die Anzahl der Prüfköpfe in einem System. Zum Beispiel
wurde in der Ausführung mit drei Paaren in einem System ein Vierphasen-Multivibrator
verwendet, an dessen vier Ausgängen die Impulsverläufe a,b,c,d (Fig'.3) vorliegen.
Die erste Phase 22, bezeichnet als Nullphase, dient nur als Arbeits-Haltezeit, die
zum Auswerten der Ergebnisse bestimmt ist.
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Deshalb wird an den Ausgang dieser Phase kein Impulssender mit Prüfkopf
angeschlossen. Diese werden an alle übrigen Phasen angeschlossen, deren Ausgang
23,24 und 25 die Impulse in den Perioden t1-t2, t2-t3 u.ä. erscheinen. Im beschriebenen
Beispiel mit drei Prüfköpfen ist die letzte Periode t3-t0.
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In den Stab werden Ultraschallimpulse in den Zeiten tl, t2, t3 gesendet,
also am Anfang jeder Periode außer der nullten. An die Nullphase 22 des Kehrphasen-Multivibrators
17 werden die Kippkreise 21 angeschlossen, die in der Zeit t und t0, umgekippt
werden.
Bei beiden Prüfköpfesystemen liegt nur ein Kippkreis vor und an dessen Zweiphasenausgangspunkten
26 und 27 erfolgt der Verlauf gemäß e,f.
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Die Folgefrequens der Rechteckimpulse am Ausgang ist dann bei beiden
Prüfköpfesystemen halb so groß wie beim Mehrphasen-Multivibrator 17. Bei drei Systemen
beträgt sie ein Drittel usw. Eine Schwingungsperiode dieses Kippkreises (Verlauf
e,f) wird als Arbeitszyklus bezeichnet, welcher die gleiche Anzahl sowohl der Teilperioden
als auch der Prü£köpfesysteme enthält. In jeder Teilperiode wechseln alle Perioden
des Grund-Mehrphasen-Eultivibrators 17, welcher den Synchronisator bildet.
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In der Zeit tl entsteht im Sender 18, der an die erste Phase 23 des
kehrphasen-Eultivibrators 17 angeschlossen ist, ein Impuls und die an diesen angeschlossenen
Prüfköpfe 1 senden zum kontrollierten Stab einen Ultraschallimpuls. Xhnlich ist
dies in der Zeit t2 mit den Prüfköpfe 3, die an den Sender 19 angeschlossen sind,
und in der Zeit t3 mittels der Prüfköpfe 5, die an den Sender 20 angeschlos sen
sind. Die Ultraschallimpulse durchlaufen den kontrollierten Stab und fallen in die
gegenüberlie genden Empfängerköpfe 2,4,6 ein. Die Sendeköpfe sind fokusiert, damit
auch bei kleinen Stabdurchmessern die nötige Empfindlichkeit erzielt wird und bei
gerippten Stäben die Ultraschallwellen in dem Stab nur in den Spalten zwischen den
Rippen hindurchgehen. Bei optimal gewählter Fokusierung kann in dem Stab unter den
Rippen infolge Brechung
der Ultraschallwellen eine bestimmte Streuung
des Ultraschallbündels erreicht werden, die es erlaubt, das Anhaften der Materialschichten
auch unter den Rippen zu erproben. Die Empfängerköpfe werden nach Erreichung der
größten Empfindlichkeit derart mit Blenden versehen, daß in diese nur ein enges
Bündel der Ultraschallwellen einfallt. ei gerippten Stäben wird nur die Energie
aufgenommen, die durch-den Spalt zwischen den Rippen hindurchgeht, damit keine unerwünschten
Interferenzen eintreten, z.3. infolge verändeilicher Rippeniorm.
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Jede Gruppe der Empfängerköpie wird an einen Eingangskanal des elektronischen
Umschalters 7 geführt, welcher nur einen an den Verstärkereingang 8 angeschlossenen
Ausgang aufweist. Der elektronische Umschalter 7 wird mittels rechteckiger Impulse
an den Ausaungen 26 und 27 (dargestellt) in id. 3) nit dem Verlauf e und f, die
im Kippkreis 21 entstehen, umgeschaltet. Auf diese Art wird bei zwei Systemen gewährleistet,
daß in der ersten Ealtperiode des Arbeitszyklus I die Signale aus den Empfängerprüfköpfen
aus dem ersten System und in der Ealbperiode II wiederum aus dem zweiten System
empfangen werden.
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Bei drei oder mehr Systemen wäre eine entsprechende Anzahl von Kippkreisen
zu verwenden, in denen IaEtimpulse für den elektronischen Umschalter 7 entstehen,
der mit der gleichen Anzahl Kanälen ausgerüstet ist, wie es dem irüSköpfesystem
entspricht. Obwohl die einander entsprechenden Sender gleichzeitig arbeiten, kommt
es nicht zu Interfejrenzen ier Signale im Verstärker 8, in welchen der elektrorische
Umschalter 7
die signale aus dem Prüfköpfesystem allmählich hintereinander
durchlässt. Diese Wirkung geht aus Fig. 3, Verlauf , hervor, wo die Ausgangssignaie
aus dem Verstärker 8 im Falle eines vollkommenen Anhaftens aller Stabscnichten veranschaulicht
sind.
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Aus dem Verstärkerausgang 8 laufen die Signale in die Auswertungskreise
9. Das Signal kommt zunächst in den Siebkreis 10, welcher im Prinzip eine Dorschaltung
darstellt. Das Torsignal entsteht in der Quelle der Siebimpulse 11, die von den
Arbeitsphasen 23,24 und 25 angelassen wird und von welchen die Anlaßimpulse in den
Zeiten tl, t2 und t3, dargestellt in Fig. 3k, abgeleitet werden. Die Siebkreisimpulse
sind zeitlich derart verschoben, daß sie während ihrer Dauer durch den Stab hindurchlaufen.
Die Siebreisimpulse sind in Fift. 3 durch den Verlauf e und die mit ihrer Hilfe
durchgesiebten Signale durch den Verlauf m dargestellt. Der Siebk reis 10 arbeitet
auch als Amplituden-Diskriminator und die Impulse aus dem Verstärker 8 laufen bei
der Koinzidenz mit den Torimpulsen hindurch, jedoch nur dann, wenn deren Höhle eine
vorher bestimmte Spannungshöhe übersteigt, was die Anzeige eines guten Anhaftens
ist. Wenn diese Bedingung erfüllt wurde, so laufen diese signale um Eingang des
Impulsformers 12, an dessen Ausgang bei jedem Impuls ein Rechteckimpuls konstanter
Länge und nöhe erscheint (Fig.3, Verlauf n), der in den speicher 13 eintritt. Bei
gutem Anhaften zwischen allen Prüfköpfepaaren entsteht im Speicherkreis 13 ein stufenartiger
Verlauf, in unserem Falle, da zwei
Systeme mit drei Prüfköpfepaaren
verwendet wurden, entstehen sechs Stufen. Allgemein ist die tiöchstzahl der Stufen
durch das Produkt aus Systemzahl und Prüfköpfepaaren gegeben. Bei gutem Anhaften
aller Schichten übersteigt die letzte Stufe einen bestimmten, in Fig. 3 als Verlauf
p dargestellten Schwellwert. Die Entladung des im Speicherkreis 13 gesammelten Signals
wird mittels des Entladekreises 14 in der Nullperiode durchgeführt, somit in der
Zeit t bis tl, mittels des Verlaufes 0, der von der lüullphase aus den Austritt
22 des Mehrphasen-Multivibrators 17 angelegt wird.
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hinter dem Speicherkreis 13 folgt Qer Begrenzer 15, durch welchen
nur der Rechteckimpuls hindurchgeht, welcher den Schwellwert u0 überstieg. Dies
ist jeweils nur die letzte Stufe, deren Zahl mit der Gesatrtzahl verwendeter Systeme
und Prüfköpfepaare Der einstimmt. Im angeführten halle handelt es sich um die sechste
Stufe (Verlauf r). Dieser Impuls läuft zum eingang der Anzeigeeinrichtung 16. Auf
diese Art wird ein einziger Impuls in dem Falle erreicht, daß das Anhaften unter
allen Prüfköpfen vollkommen ist. Es gellübt, daß das Anhaften nur an irgendeiner
Stelle fehlerhaft ist, dann läuft über den Limiter 15 kein Impuls und die Anzeigeeinrichtung
16 wird nicht zur Wirkung gebracht. Auf diese Art wird der gesamte Stabiuerschnitt
überprüft, ohne daß der Stab rotiert und die Qualität des Anhaftens unter allen
Prüfköpfen gibt die Anwesenheit eines einzigen Impulses an. Obwohl eine beliebige
Anzahl der Prüfköpfepaare verwendet werden kann, was von der verlangten Montrollquealität
abhängt, genügt zur Auswertung ein einziger elektr. Manal.