DE1904837B2

DE1904837B2 - Ultrasonic measuring device for material testing by measuring the time of flight of longitudinal waves

Info

Publication number: DE1904837B2
Application number: DE19691904837
Authority: DE
Inventors: Fokke Jan Delft Reiding (Niederlande)
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 1968-02-02
Filing date: 1969-01-31
Publication date: 1975-02-20
Also published as: FR2001213A1; DE1904837A1; NL6801508A; NL149007B; DE1904837C3; GB1262343A

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Meßvorrichtung zur Werkstoffprüfung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an ultrasonic measuring device for testing materials according to the preamble of Claim 1.

Derartige Ultraschall-Meßvorrichtungen, bei denen die Schallausbreitungsgeschwindigkeit von Longitudinalwellen in dem zu untersuchenden Gegenstand gemessen wird, sind aus »]. und H. Krautkrämer: Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 2. Auflage, Berlin-Heidelberg-New York 1966, S. 442 bis 444« sowie aus »Elektro-Technik, Nr. 16/17-23, April 1955, S. 129 bis 132«, insbesondere für die Güteprüfung von Beton bekannt. Die Messung wird als reine Laufzeitmessung einzelner Ultraschallimpulse zwischen dem Sender-Prüfkopf und dem Empfänger-Prüfkopf durchgeführt. Im Hinblick auf einen guten Wirkungsgrad arbeiten die Prüfköpfe bzw. ihre Wandler nicht punktförmig oder linien halt, sondern haben Strahlflächen, an denen sie die Longitudinalwellen abgeben bzw. empfangen. Mit diesen Strahlflächen werden sie an den zu untersuchenden Prüfling angelegt Dabei ist es bei vernünftigem Aufwand unvermeidbar, daß die Strahlflächen an ihren verschiedenen Stellen unterschiedlich gut mit dem Prüfling in Kontakt stehen und sich dadurch der »Schwerpunkt« der Ab- und Zustrahlung der Ultraschallenergie bei jedem Meßvorgang an einer anderen Stelle der Strahlflächen befindetSuch ultrasonic measuring devices, in which the speed of sound propagation of longitudinal waves is measured in the object to be examined are off »]. and H. Krautkrämer: Ultrasonic materials testing, 2nd edition, Berlin-Heidelberg-New York 1966, pp. 442 to 444 "and from" Elektro-Technik, No. 16 / 17-23, April 1955, pp. 129 bis 132 «, especially known for quality testing of concrete. The measurement is carried out as a pure transit time measurement of individual ultrasonic pulses between the transmitter probe and the receiver probe. With a view to good efficiency, the Probe heads or their transducers are not punctiform or linear, but have beam surfaces on which they are emit or receive the longitudinal waves. With these beam surfaces they are attached to the one to be examined Test specimen created It is unavoidable, with reasonable effort, that the beam surfaces on their different points are in contact with the test object to different degrees and thereby the "Focus" of the radiation and radiation of the ultrasonic energy in each measurement process on a different one Location of the radiating surfaces

Solange nach dem sogenannten Durchschallungsverfahren gearbeitet wird, bei welchem die beiden Prüfköpfe an einander gegenüberliegenden Flächen des Prüflings anliegen, ergeben sich aus obiger Tatsache keine besonderen Schwierigkeiten. Häufig ist es jedoch erforderlich, z, B. bei der Prüfung von Straßendecken, die beiden Prüfköpfe an der gleichen Fläche des Prüflings anzulegen, so daß ihre Strahlflächen in der gleichen Ebene liegen oder nur wenig gegeneinander geneigt sind.As long as the so-called sound transmission method is used, in which the two probes are in contact with opposing surfaces of the test object, result from the above fact no particular difficulties. However, it is often necessary, e.g. when testing road surfaces, to place the two test heads on the same surface of the test object so that their beam surfaces are in the same Lie flat or are only slightly inclined to one another.

Dann bedeuten die jeweils unterschiedlich gelegenen Schwerpunkte der Ab- und Zustrahlung bei der bekannten Anordnung, daß die tatsächliche Laufstrecke für die Ultraschallimpulse zwischen den beiden Prüfköpfen, d.h. der wirksame Abstand zwischen diesen, trotz gleichbleibenden geometrischen Abstandes der Prüfköpfe von Meßvorgang zu Meßvorgang unterschiedlich ist und daher die ermittelte Laufzeit mit einem der Ungewißheit über den wirksamen Abstand entsprechenden Fehler behaftet istThen mean the differently located focal points of the radiation and radiation in the known Arrangement that the actual travel distance for the ultrasonic pulses between the two probes, i.e. the effective distance between them, Despite the constant geometric distance between the probes, it differs from measurement to measurement is and therefore the determined transit time with one of the uncertainty about the effective distance is afflicted with a corresponding error

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Ultraschall-Meßvorrichtung für Messungen an der gleichen Fläche des Prüflings mit einfachen Mitteln so auszugestalten, daß trotz eines von Fall Fall unterschiedlichen Kontaktes zwischen den Prüfköpfen und der Fläche stets eine genau definierte Länge der Laufstrecke zwischen den beiden Prüfköpfen erhalten wird. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Ultraschall-Meßvorrichtur.g gelöstThe invention is based on the object of providing the known ultrasonic measuring device for measurements to design the same area of the test specimen with simple means so that despite a different case Contact between the probes and the surface always has a precisely defined length of the running distance is obtained between the two probes. This object is according to the invention with that in the claim 1 marked ultrasound measuring device.g solved

Durch Anordnung der Strahlflächen der Wandler in einem bestimmten, im Anspruch definierten Winkel zur Auflagefläche des jeweiligen Prüfkopfes wird bei der erfindungsgemäßen Ultraschall-Meßvorrichtung erreicht daß die gesamte abgestrahlte bzw. empfangene Ultraschallenergie zeitlich und örtlich jeweils auf einer imaginären Linie konzentriert ist die auf der Fläche der Prüflinge parallel zur gedachten Schnittlinie der Strahlfläche des Wandlers des jeweiligen Prüfkopfes mit der Fläche des Prüflings verläuft und in ihrer Lage von den Zufälligkeiten des Kontaktes zwischen Prüfling und Prüfkopf unabhängig ist Die beiden Prüfköpfe arbeiten also trotz der vorteilhaften Beibehaltung von Strahlflächen als ein linienhafter Strahler bzw. Empfänger. In Verbindung mit der gekennzeichneten gegenseitigen Anordnung der beiden Prüfköpfe, durch welche die beiden imaginären Linien parallel zueinander verlaufen, wird dadurch bei der Erfindung insgesamt erreicht daß die Laufstrecke für die Ultraschallimpulse zwischen den beiden Prüfköpfen bei Vorgabe eines bestimmten geometrischen Abstandes unter allen Umständen stets genau definiert ist so daß aus der ermittelten Laufzeit genaue Schlüsse auf die Werkstoffeigenschaften des jeweiligen Prüflings gezogen werden können.By arranging the beam surfaces of the transducers at a certain angle defined in the claim The contact surface of the respective test head is achieved with the ultrasonic measuring device according to the invention that the entire emitted or received ultrasonic energy temporally and spatially in each case on one The imaginary line is concentrated on the surface of the test specimen parallel to the imaginary line of intersection of the Beam surface of the transducer of the respective test head runs with the surface of the test object and in its position The two probes are independent of the randomness of the contact between the test object and the test head thus work as a linear emitter or receiver despite the advantageous retention of beam surfaces. In connection with the marked mutual arrangement of the two probes through which the two imaginary lines run parallel to one another is thereby achieved in the invention as a whole that the distance for the ultrasonic pulses between the two probes if a certain one is specified geometric distance is always precisely defined under all circumstances so that determined from the Running time, precise conclusions can be drawn about the material properties of the respective test object can.

Aus der »Zeitschrift für Metallkunde, Bd. 56 (1965), Heft 8, S. 569 und 570«, ist es zwar im Rahmen der Werkstoffprüfung schon bekannt einen Schall-Prüfkopf gegenüber einem Prüfling so anzuordnen, daß eine Strahlfläche des Prüfkopfes mit einer Fläche des Prüflings einen Winkel einschließt, dessen Sinus dem Verhältnis der Schallausbreitungsgeschwindigkeiten im Medium des Keils zwischen Prüfkopf und Prüfling und im Werkstoff des Prüflings entspricht. Jedoch soll mit dieser bekannten Anordnung keine linienhafte Arbeitsweise des Prüfkopfes erreicht werden. Vielmehr dient die bekannte Anordnung zur Erzeugung von Plattenweüen in zu prüfenden Blechen. Derartige Plattenwellen sind von den bei der Erfindung verwendeten Longitudinalwellen grundsätzlich verschieden; sie haben insbesondere unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindig-From the "Zeitschrift für Metallkunde, Vol. 56 (1965), Issue 8, pp. 569 and 570", it is in the context of the Materials testing is already known to arrange a sound probe in relation to a test object in such a way that a beam surface of the test head with a surface of the test object encloses an angle, the sine of which the Ratio of the sound propagation speeds in the medium of the wedge between the test head and the test object and corresponds in the material of the test object. However, this known arrangement is not intended to work in a linear manner of the probe can be achieved. Rather, the known arrangement is used to generate Plattenweüen in sheets to be tested. Such plate waves are of the longitudinal waves used in the invention fundamentally different; in particular, they have different propagation velocities

keiten. Mit Hilfe der Plattenwellen werden bei der bekannten Anordnung Reflexionsuntersuchungen durchgeführt bei denen im Gegensatz zur Erfindung die ausgesandten Ultraschallwellen nicht .zu einem zweiten Empfänger-Prüfkopf gelangen, sondern nach einer eventuellen Reflexion an Oberflächenfehlern wieder vom einzigen Schall-Prüfkopf registriert werden. Bei einer derartigen Arbeitsweise kommt es natürlich auf einen bestimmten, wohldefinierten wirksamen Abstand zwischen zwei Prüfköpfen überhaupt nicht an.opportunities. With the help of the plate waves are known Arrangement reflection studies carried out in which, in contrast to the invention, the emitted Ultrasonic waves do not. Reach a second receiver probe, but after a any reflection on surface defects can be registered again by the single sonic probe. at Such a way of working naturally depends on a certain, well-defined effective distance not at all between two probes.

Eine für die Erfindung bevorzugte bauliche Ausgestaltung der beiden Prüfköpfe ist im Anspruch 2 gekennzeichnet In Verbindung mit dem dort angegebenen Kunstharz beträgt der Winkel zwischen Strahlfläche und Auflagefläche für die mit der neuen Ultra- «5 schall-Meßvui richtung besonders gut durchführbare Untersuchung von Beton-Prüflingen gemäß Anspruch 3 etwa 42£°.A structural configuration of the two test heads preferred for the invention is characterized in claim 2 In connection with the synthetic resin specified there, the angle between the jet surface is and support surface for the particularly well feasible with the new ultrasonic measuring device Examination of concrete specimens according to claim 3 about 42 £ °.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigtThe invention is explained in more detail below using a schematically illustrated embodiment It shows

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung des Sender- und des Empfänger-Prüfkopfes einer Ultraschall-Meßvorrichtung an einem Beton-Prüfling, F i g. 2 eine Seitenansicht des Sender-Prüfkopfes, F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie IH-IlI in F i g. 2, F i g. 4 ein Schaltbild des Sender-Prüfkopfes, F i g. 5 eine Seitenansicht des Empfänger-Prüfkopfes, F i g. 6 einen Schnitt nach der linie VI-VI ir. F i g. 5. Die in F i g. 1 dargestellte Ultraschall-Meßvorrichtung umfaßt einen Sender-Prüfkopf A und einen Empfänger-Prüfkopf B, die beide mit einer Zeitmeßschaltung M verbunden sind. Der Sender-Prüfkopf A besitzt einen elektromechanischen Wandler 1 zur Erzeugung von Ultraschallwellen, während der Empfänger-Prüfkopf B einen mechanisch-elektrischen Wandler 3 besitzt der im Ultraschalibereich anspricht Beide Prüfköpfe stehen jeweils an einer Auflagefläche 2 bzw. 4 mit einer gleichen Fläche eines Beton-Prüflings C in Berührung. Dabei sind die beiden Prüfköpfe in einem bestimmten, geometrischen Abstand voneinander angeordnet der durch eine zwischen den beiden Prüfköpfen gespannte Schnur 20 definiert istF i g. 1 shows a schematic representation of the arrangement of the transmitter and receiver test heads of an ultrasonic measuring device on a concrete test object, FIG. 2 is a side view of the transmitter probe, FIG. 3 shows a section along the line IH-III in FIG. 2, fig. 4 is a circuit diagram of the transmitter probe, FIG. 5 is a side view of the receiver test head, FIG. 6 a section along the line VI-VI ir. F i g. 5. The in F i g. 1 illustrated ultrasonic measuring device comprises a transmitter test head A and a receiver test head B, both of which are connected to a timing circuit M. The transmitter probe A has an electromechanical transducer 1 for generating ultrasonic waves, while the receiver probe B has a mechanical-electrical transducer 3 that responds in the ultrasonic range. Test object C in contact. The two test heads are arranged at a specific, geometric distance from one another, which is defined by a cord 20 stretched between the two test heads

Die beiden Wandler 1 bzw. 3 der beiden Prüfköpfe A bzw. B haben jeweils eine Strahlfläche 12 bzw. 20, die auf Grund einer geneigten Lage der Wandler in den Prüfköpfen jeweils einen bestimmten Winkel mit der Auflagefläche 2 bzw. 4 des jeweiligen Prüfkopfes einschließt Vergleiche auch F i g. 3 und 6. Durch eine entsprechende gegenseitige Ausrichtung der beiden Prüfköpfe ist dafür gesorgt daß die gedachten Schnittlinien der Strahlflächen 12 bzw. 20 mit der Fläche des Prüflings C parallel zueinander verlaufen. Der Sinus des Winkels zwischen Strahlfläche und Auflagefläche ist bei jedem Prüfkopf gleich dem Verhältnis der Schallausbreitungsgeschwindigkeiten in dem Medium zwischen Strahlfläche und Auflagefläche des Prüfkopfes und Werkstoff des Prüflings. Das Medium ist bei beiden Prüfköpfen des Ausführungsbeispiels Kunstharz, woraus sich in Verbindung mit dem Werkstoff Beton desThe two transducers 1 and 3 of the two test heads A and B each have a beam surface 12 and 20 which, due to the inclined position of the transducers in the test heads, form a certain angle with the support surface 2 and 4 of the respective test head also F i g. 3 and 6. Corresponding mutual alignment of the two test heads ensures that the imaginary lines of intersection of the beam surfaces 12 and 20 with the surface of the test object C run parallel to one another. For each test head, the sine of the angle between the beam surface and the contact surface is equal to the ratio of the sound propagation speeds in the medium between the beam surface and the contact surface of the test head and the material of the test object. The medium is synthetic resin in both probes of the exemplary embodiment, which in connection with the concrete material of the

Test object results in an angle of 424 °

Beim Betrieb der Vorrichtung gibt der Sender-Prüfkopf A mittels seines Wandlers 1 einen Ultraschallimpuls ab, welcher sich im Prüfling CaIs Longitudinalwel-Ie ausbreitet die am Empfänger-Prüfkopf B mittels des Wandlers 3 empfangen und deren Laufzeit zwischen den beiden Prüfköpfen mittels der Zeitmeßschaltung M bestimmt wird. Auf Grund des Winkels zwischen Strahlfläche und Auflagefläche ist die am Sender-Prüfkopf A abgestrahlte Ultraschallenergie an der Fläche des Prüflings Czeitlich und örtlich auf einer imaginären Linie konzentriert, die durch einen bestimmten Punkt der Auflagefläche 2 senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 1 verläuft Das gleiche gilt sinngemäß für die am Empfänger-Prüfkopf B empfangene Ultraschalleriergie. Dadurch ist eine Laufstrecke L für den UltraschaUimpuls definiert deren Länge stets gleich ist und von einem schlechten Kontakt z. B. auf Grund von Rauheit oder Inhomogenität des Betons zwischen den Prüfköpfen und dem Prüfling nicht beeinflußt wird. Aus der mittels der Zehmeßschaltung M ermittelten Laufzeit des Ultraschallimpulses läßt sich deshalb dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit im Prüfling, die Rückschlüsse auf die Werkstoffeigenschaften wie den Elastizitätsmodul oder die Festigkeit zuläßt sehr genau bestimmen.During the operation of the device, the transmitter probe A emits an ultrasonic pulse by means of its transducer 1, which propagates in the test object CaIs Longitudinalwel-Ie which is received by the receiver probe B by means of the transducer 3 and its transit time between the two probes by means of the timing circuit M is determined will. Due to the angle between the beam surface and the support surface, the ultrasonic energy emitted by the transmitter probe A is concentrated temporally and locally on an imaginary line that passes through a certain point on the support surface 2 perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1 runs The same applies analogously to the ultrasound energy received at the receiver test head B. This defines a distance L for the ultrasonic pulse whose length is always the same. B. due to roughness or inhomogeneity of the concrete between the probes and the test object is not affected. From the transit time of the ultrasonic pulse determined by means of the Zehmess circuit M, its speed of propagation in the test object, which allows conclusions to be drawn about the material properties such as the modulus of elasticity or the strength, can therefore be determined very precisely.

Beide Prüfköpfe sind jeweils als eine Einheit unter Verwendung von Kunstharz hergestellt mit welchem sämtliche Bauteile zur Bildung eines Kunstharzblockes umgössen sind. Im einzelnen ist beim Sender-Prüfkopf A, vgl. F i g. 2 und 3, ein geneigt angeordneter, magnetostriktiver Kern 5 vorgesehen, der Teil des Wandlers 1 ist und mit seiner einen Stirnfläche die Strahlfläche 12 des Wandlers definiert weiche mit der Auflagefläche 2 den genannten Winkel von 42,5° einschließt Zum Wandler 1 gehören ferner ein Kondensator 6, ein Thyristor 7, ein Starttransformator 8, eine Diode 9 und zwei Wicklungen 10 und 11 auf dem Kern 5. Die Auflagefläche 2 ist mittels eines Glasfasergewebes 13 verstärkt Der elektrische Anschluß erfolgt mittels eines Steckers 14 an der Stirnseite 18.Both probes are each manufactured as a unit using synthetic resin, with which all components are encapsulated to form a synthetic resin block. In detail, the transmitter probe A, see FIG. 2 and 3, an inclined, magnetostrictive core 5 is provided, which is part of the transducer 1 and with its one end face the beam surface 12 of the transducer defines which includes the aforementioned angle of 42.5 ° with the support surface 2 Capacitor 6, a thyristor 7, a starting transformer 8, a diode 9 and two windings 10 and 11 on the core 5. The support surface 2 is reinforced by means of a glass fiber fabric 13.

Die elektrische Schaltung des Wandlers 1 im Sender-Prüfkopf A ist in F i g. 4 gezeigt Der Wandler arbeitet wie folgt: Zunächst wird der Kondensator 6 an einer Klemme 5 über einen hochohmigen Widenttnd mit einer Spannung von etwa 150 V aufgeladen. Ein Startimpufa tn einer Klemme R induziert über den Starttrensformator 8 in einer Wicklung 15 desselben ein Signal, welches den Thyristor 7 zünden und sich den Kondensator 6 über die Wicklung 10 entladen läßt. Dadurch wird in der Wicklung 11 ein synchroner Impuls induziert der über eine Klemme X der Zeitmeßschaltung M zugeführt wird. Die Diode 9 dient zur Unterdrückung von Resonanzerscheinungen.The electrical circuit of the transducer 1 in the transmitter test head A is shown in FIG. The converter works as follows: First, the capacitor 6 is charged to a terminal 5 via a high-resistance resistor with a voltage of about 150 V. A start pulse tn a terminal R induces a signal via the start isolating transformer 8 in a winding 15 thereof, which signal ignites the thyristor 7 and allows the capacitor 6 to discharge via the winding 10. As a result, a synchronous pulse is induced in the winding 11, which is fed to the timing circuit M via a terminal X. The diode 9 serves to suppress resonance phenomena.

Einzelheiten des Empfänger-Prüf kopfes B sind in den F i g. 5 und 6 gezeigt. Sein mechanisch-elektrischer Wandler 3 ist an der Strahlfläche 20 empfindlich, welche mit der mit einem Glasfasergewebe 16 verstärkten Auflagefläche 4 den genannten Winkel von 42,5° einschließt. Der elektrische Anschluß erfolgt über einen Stecker 17 an der Stirnseite 19.Details of the receiver probe B are in F i g. 5 and 6 shown. His mechanical-electrical converter 3 is sensitive to the beam surface 20, which with the support surface 4 reinforced with a glass fiber fabric 16 encloses the aforementioned angle of 42.5 °. The electrical connection is made via a plug 17 on the end face 19.

For this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1.Air ultrasonic measuring device material testing by measuring the time of flight of longitudinal waves by means of a time measuring circuit, in which a transmitter probe provided with an electromechanical transducer radiates to a receiver probe provided with a mechanical-electrical transducer, which is located on the same surface of the test object as the transmitter Test head and is arranged at a certain distance therefrom, characterized in that the beam surfaces (12; 20) of the transducers (1; 3) in the transmitter and receiver test heads (A; B) are at an angle to the support surface (2; 4 ), with which the probes come into contact with the surface of the test object (Q, so that the sine of this angle is equal to the ratio of the sound propagation velocities in the medium between the beam surface of the transducer and the contact surface of the test head and in the material of the test object , and that the transmitter and receiver probes are arranged so that the intersection lines their beam surfaces parallel to the surface of the test object! run towards each other.

2. Ultrasonic measuring device according to claim 1, characterized in that the test heads (A; B) are made as a unit from a synthetic resin block in which the transducer (1; 3) is embedded at the specified angle

3. Ultrasonic measuring device according to claim 2, characterized in that the angle for the Examination of concrete test objects is about 42.5 °.