DE1904837C3

DE1904837C3 - Ultrasonic measuring device for material testing by measuring the time of flight of longitudinal waves

Info

Publication number: DE1904837C3
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: 1975-09-25
Also published as: DE1904837A1; DE1904837B2; FR2001213A1; NL6801508A; GB1262343A; NL149007B

Description

^tUnrifrclf^SAnordnung der Strahlflächen der Wandler in einen!bestimmten, im Anspruch def.merten Winkel zur „ AuSefläche des jeweiligen Prüfkopfes w.rd be. der iSngsgemäßen Ultraschall-Meßvornchtung er- ^tUn ^{rifrclf S} Arrangement of the beam surfaces of the transducers at a certain angle, as defined in the claim, to the "outer surface of the respective test head". according to the ultrasonic measuring device

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Meßvorrichtung zur Werkstoffprüfung gemäß dem Oberbegriff desThe invention relates to an ultrasonic measuring device for material testing according to the generic term of

Claim 1.

Derartige Ultraschall-Meßvorrichtungen, bei denen die Schallausbreitungsgeschwindigkeit von Longitudinalwellen in dem zu untersuchenden Gegenstand gemessen wird, sind aus »J. und H. Krautkrämer: Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 2. Auflage, Berlin-Heidelberg-NewYork 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 Ρι-Cköpfe bzw. ihre Wandler nicht punktförmig oder linienhaft, sondern haben Strahlflächen, an denen sie die Longitudinaiwellen 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 6c 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 befindet.Such ultrasonic measuring devices, in which the speed of sound propagation of longitudinal waves is measured in the object to be examined, are from »J. and H. Krautkrämer: Ultrasonic materials testing, 2nd edition, Berlin-Heidelberg-NewYork 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 used as a pure runtime measurement individual ultrasonic pulses carried out between the transmitter probe and the receiver probe. With regard to a good efficiency, the Ρι-Cköpfe or their transducers do not work punctiform or linear, but have beam surfaces where they emit or receive the longitudinal waves. With These beam surfaces are applied to the test specimen to be examined. It is reasonable Effort unavoidable that the beam surfaces at their 6c different points with the Are in contact with the test object and thereby become the "focus" of the radiation of the ultrasonic energy is located at a different point on the beam surfaces for each measurement process.

Solange nach dem sogenannten Durchschallungsverfahren gearbeitet wird, bei welchem die beiden Prüfköpfe an einander gegenüberliegenden Flächen des ^n Anfälligkeiten des Kontaktes zwischen ung und PÄ Gängig ist. Die beiden Prüfköpfe arbeiten also trotz der vorteilhaften Beibehaltung von StraSchen als ein laienhafter Strahler bzw. EmpfängerIn Verbindung mit der gekennze.chneten gegensei-Sen Anordnung der beiden Prüfköpfe, durch welche dfe oeVden imaginären Linien parallel zueinander verlaufen wird dadurch bei der Erfindung insgesamt erreS'daß die Laufstrecke für die UltraschaUimpulse /wSen den beiden Prüfköpfen bei Vorgabe eines bestTmmten geometrischen Abstandes unter allen Ums Sn stets genau definiert ist. so daß aus der erratelten Laufzeit genaue Schlüsse auf die Werkstoffeigeschahen des jeweiligen Prüflings gezogen werdenAs long as the so-called sound transmission method is used, in which the two probes on opposite surfaces of the ^ n susceptibility of contact between and PÄ is common. The two probes so work despite the advantageous retention of StraSchen as an amateur radiator or receiver Connection with the gekennze.chneten opposing arrangement of the two probes through which dfe oeV the imaginary lines run parallel to each other is thereby achieved in the invention overall, the path for the ultrasonic pulses / wSen the two probes when specifying a certain geometric distance is always precisely defined under all Ums Sn. so that from the guessed Duration exact conclusions on the material occurrences of the respective test item

Murder »Zeitschrift für Metallkunde, Bd 56 (1965), Heft8, S. 569 und 570«. ist es zwar im Rahmen der Werkstoffprüfung schon bekannt, einen Schall-Prufkopf gegenüber einem Prüfling so anzuordnen, daß eine Strahlfläche des Prüfkopfes mit einer Flache des Prüflings einen Winkel einschließt, dessen Sinus dem Verhältnis der Schallausbreitungsgeschwmdigkeiten im Medium des Keils zwischen Prüfkopf und Prüfling: und im Werkstoff des Prüflings entspricht. Jedoch soH m t dieser bekannten Anordnung keine l.nienhafte Arbeitsweise des Prüfkopfes erreicht werden. V.elmehr dient die bekannte Anordnung zur Erzeugung von Plattenwellen in zu prüfenden Blechen. Derartige Plattenwelr_en sind von den bei der Erfindung verwendeten Longitudinalwellen grundsätzlich verschieden; sie haben insbesondere unterschiedliche Ausbreitungsgeschwmd.g-Murder "Zeitschrift für Metallkunde, Vol 56 (1965), Heft8, P. 569 und 570". In the context of materials testing, it is already known to arrange a sound probe opposite a test piece in such a way that a beam surface of the test head forms an angle with a surface of the test piece, the sine of which is the ratio of the sound propagation speeds in the medium of the wedge between the test head and the test piece: and in the material of the test object. However, this known arrangement does not achieve a linear mode of operation of the test head. Rather, the known arrangement is used to generate plate waves in sheets to be tested. Such Plattenwelr _e n are fundamentally different from the longitudinal waves used in the invention; 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 nich*. zu einem zweiten Empfänger-Prüfkopf gelangen, sondern nach einer s 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 transmitted Ultrasonic waves not *. get to a second receiver probe, but after a s 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 Ultraschall-Meßvorrichtung besonders gut durchführbare Untersuchung von Beton-Prüflingen gemäß Ansprach 3 etwa 42.5°.A structural configuration preferred for the invention of the two probes is characterized in claim 2 in connection with that specified there Synthetic resin is the angle between the beam surface and the contact surface for the new ultrasonic measuring device Particularly well feasible investigation of concrete test objects according to the address 3 about 42.5 °.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtIn the following the invention is shown schematically on the basis of one illustrated embodiment explained in more detail. It shows

Fig. 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 111-111 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 Vl-Vl in F i g. 5.
Die in F i g. 1 dargestellte Ultraschall- M eßvorrichtung umfaßt einen Sender-Prüf kopf A und einen Empfänger-Prüfkopf B, die beide mit einer Zeitmeßschaltung M verbunden sind. Der Sender-Prüf kopf Λ besitzt einen elektro-mechanischen Wandler 1 zur Erzeugung von Ultraschallwellen, während der Empfänger-Prüfkopf B einen mechanisch-elektrischen Wandler 3 besitzt, der im Ultraschallbereich 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 ist.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,
F i g. 2 is a side view of the transmitter probe, FIG. 3 shows a section along line 111-111 in FIG. 2,
F i g. 4 a circuit diagram of the transmitter probe,
F i g. 5 is a side view of the receiver test head, FIG. 6 shows a section along the line VI-VI in FIG. 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 head Λ has an electro-mechanical converter 1 for generating ultrasonic waves, while the receiver probe B has a mechanical-electrical converter 3 that responds in the ultrasonic range. Both test heads are in contact with the same surface of a concrete test specimen C on a support surface 2 or 4, respectively. 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 t 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 gefachten 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 des Prüflings ein Winkel von 424° ergibtThe two transducers t 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. Compare also FIG. 3 and 6. Corresponding mutual alignment of the two test heads ensures that the folded 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 in both probes of the exemplary embodiment is synthetic resin, which results in an angle of 424 ° in connection with the concrete material of the test object

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 Enipfänger-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 C zeitlich 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 Ultraschallenergie. Dadurch ist eine Laufstrecke L für den Ultraschallimpuls 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 Zeitmeßschaltung M ermittelten Laufzeit des Ultraschallimpulses läßt sich deshalb dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit im Prüfling, die Rückschlüsse auf die Werksioffeigenschaften wie den Eiastizitätsmod'il oder die Festigkeit zulaßt, sehr genau bestimmen.When operating 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 are received at the receiver probe B by means of the transducer 3 and their transit time between the two probes by means of the timing circuit M. is determined. Due to the angle between the beam surface and the support surface, the ultrasonic energy emitted by the transmitter probe A is concentrated in time and place on the surface of the test object C on an imaginary line that passes through a certain point on the support surface 2 perpendicular to the plane of the drawing in FIG. The same applies analogously to the ultrasonic energy received at the receiver test head B. This defines a route L for the ultrasonic pulse, the length of which is always the same and of poor contact, e.g. 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 time measuring circuit M, its speed of propagation in the test object, which allows conclusions to be drawn about the material properties such as the elasticity modulus 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-Prüf kopf Λ 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, welche mit der Auflagefläche 2 den genannten Winkel von 42,5° einschließt. Zum Wandler 1 gehören ferner ein Kondensator 6, ein Thyristor 7, ein SlarUransfwrmator 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 made as a unit using synthetic resin, with which all components are cast around to form a synthetic resin block. In detail is the transmitter probe Λ see F i g. 2 and 3, one 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 is defined, which includes the mentioned angle of 42.5 ° with the support surface 2. To the Converter 1 also includes a capacitor 6, a thyristor 7, a SlarUransfwrmator 8. a diode 9 and two windings 10 and 11 on the core 5. The bearing surface 2 is reinforced by means of a glass fiber fabric 13. The electrical connection is made by means of a Connector 14 on the face 18.

Die elektrische Schaltung des Wandlers 1 im Sender· Piüfkopf A ist in F i g. 4 gezeigt. Der Wandler arbeitet wie folgt: Zunächst wird der Kondensator 6 an einer Klemme S über einen hochohmigen Widerstand mit einer Spannung von etwa 150 V aufgeladen. Ein Startimpuls »n einer Klemme R induziert über den Starttransformator 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 converter 1 in the transmitter · Piüfkopf A is shown in FIG. 4 shown. The converter works as follows: First, the capacitor 6 is charged to a terminal S via a high-value resistor with a voltage of about 150 V. A start pulse »n of a terminal R induces a signal via the start 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-Prüfkopfes ßsind 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 ß are in the 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.

Hierau 2 Blatt ZeichnungenHere are 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

t. Ultrasonic measuring device for material testing by pulse travel time measurement of longitudinal waves by means of a time measuring circuit, in which a transmitter probe provided with an electro-mechanical converter one with a mechanical-electrical one Transducer equipped receiver probe radiates on the same surface of the test object as the transmitter probe and is arranged at a certain distance from it, thereby characterized in that the beam surfaces (12; 20) of the transducers (1: 3) in the transmitter and the receiver probe (A; ß) are arranged at an angle to the support surface (2; 4), r.üt of the Probes come into contact with the surface of the test object (C) that the sine of this angle in each case equal to the ratio of the sound propagation velocities in that between the beam area 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 run parallel to each other with the surface of the test object.

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 °.

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-Measuring device for measurements on e of the test object with simple means that despite one of the case between the probes and