DE1953567A1

DE1953567A1 - Anordnung zur Schallgeschwindigkeitsmessung,insbesondere mit Ultraschall

Info

Publication number: DE1953567A1
Application number: DE19691953567
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr Niklas
Original assignee: J und H KRAUTKRAEMER GES fur
Current assignee: J und H KRAUTKRAEMER GES fur
Priority date: 1969-10-24
Filing date: 1969-10-24
Publication date: 1971-05-06
Also published as: GB1332924A; US3746121A; FR2066170A5

Description

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Dr. J. u. H. Krautkrämer, Gesellschaft für Elektrophysik Köln-Klettenberg, Luxemburger Straße

Anordnung zur Schallgeschwindigkeitsmessung, insbesondere mit Ultraschall.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Schallgeschwindigkeitsmessung, insbesondere mit Ultraschall, von Materialproben durch Vergleich Ihrer Schall-aufzeit mit derjenigen in vorzugsweise einer Flüssigkeit, und ein Verfahren zu ihrer Ausführung.

Nach bekannten physikalischen Gesetzen kann aus der Schallgeschwindigkeit auf Materialeigenschaften wie Elastizitätsmodul, Schubmodul, Poisson—Konstante geschlossen werden. ^für diesen Zweck ist es von Interesse und notwendig, die Schallgeschwindigkeit solcher Materialien zu bestimmen. Es ist bereits bekannt, mit der Impulsechomethode mittels Ultraschall die Schallgeschwindigkeit auszumessen, indem die Laufzeit gemessen wird, so daß sich bei bekannter Dicke des Werkstücks die Schallgeschwindigkeit als Quotient aus Dicke und Laufzeit ergibt. Hierbei ist es allerdings notwendig, zwei verschiedene Meßvorgänge nacheinander auszuführen einmal die mechanische Meßung der Dicke des Werkstückes vorzunehmen und hiervon unabhängig die Schalslaufzeit in dem Material zu messen. Dies bedingt aber einen zusätzlichen meßtecnnischen Aufwand, als auch mehr Zeit· Darüberhinaus können Genauigkeitsabweichungen bei der einen Meßung die Empfindlichkeit der Gesamtmessung mehr als notwendig bednflussen.

£s ist ferner bekannt, zur Erhöhung der Meßgenauigkeit bei der Laufzeiteeßung Quarznoreale oder flüasigkeitsgefüllte Interfeiro-Meter oder andere Laufzeitnormale zu benutzen. '

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu gründe, diese Messung zu vereinfachen, indem statt der mechanischen Dickenmeßung und der zusätzlichen Laufzeitmeflung lediglich Laufzeiten gemessen, werden, so daß die Meßung auch beschleunigt wird. Hierzu wird erfindungsgemäß eine Anordnung vorgeschlagen, die vor dem Leuchtschirm der zugehörigen Kathodenstrahlröhre eine in Schallgeschwindigkeit geeichte und derart angeordnete und/oder ausgebildete Skala vorsieht, daß ihr Ska lent eil mit dem Wert Null mit der Leuchtschirm-Eintrittsechoanzeige der eingelegten Materialprobe, ihr dem Wert der Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit entsprechende Skalenteil aber mit der Rückwandecho-Anzeige der Materialprobe zusammen—

in fallend oder fluchtend angeordnet bzw. diese Lage einstellbar ist.

Ein zugehöriges Verfahren zur erfindungsgemäßen Schallgeschwindigkeitsmeßung sieht hierfür vor, daß auf den Wannenboden eine Probe aufgelegt und diese senkrecht beschallt wird,», dann diese zusammenfallende oder fluchtende Einstellung durch eineMaßstabsdehnung des Impulsechogerätes ausgeführt, die P_robe entfernt und der Echowert des Wannenbodens auf dieser Skala direkt als Schallgeschwindigkeitswert der Probe abgelesen wird.

Hieraus ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Vereinfachung einmal darin besteht, daß zunächst nur die Laufzeit eines Schallimpulses in dem asu untersuchenden Material und die Laufzeit des Schallimpulses in der Flüssigkeit gemessen wird, deren Schallge-' schwindigkeit bekannt ist, wie sie z.B. für Wasser mit großer Genauigkeit bestimmt worden ist. Für die Meßung ist aber bedeutsam, daß der zugehörige Lauf weg, der der Materialdicke entspricht, als eine gleichlange Flüssigkeitsstrecke dadurch erzeugt wird» dafl nach Laufzeitmeßung in der Probe die Probe entfernt wird. Hierdurch wird erreicht, dafl der Lauf weg in der Probe gerade derjenigen Flüssigkeitaatreclce gleich ist, die bei der Messung ausgewertet wird· Si· ergibt »ich für die Laufzeit im Material durch die Zeitdifferenz zwischen de« Zeitpunkt dea Sehalleintritts in das Material und dea Rückwändecho des Material». Auf ά*τ Laaf-

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zeitach.se des LeuchtSchirmbilds der Kathodenstrahlröhre ist hierdurch der Eintrittszeitpunkt als Wert ein für allemal eindeutig festgelegt. Die zugehörige Laufzeit für die gleiche Flüssigkeitsstrecke ergibt sich aus der Differenz einmal dieses gleichen feststehenden Zeitpunktes und dem Bodenecho der ¥anne, also als Meßung für eine gleiche Wegstrecke, deren zugehörige Laufzeit jedoch dann größer ist, wenn ihre Schallgeschwindigkeit kleiner als diejenige des zu untersuchenden Materials ist. Ist c. die

Schallgeschwindigkeit des zu untersuchenden Materials, c diejenige der Flüssigkeit, t die Laufzeit im Material, t_ die Laufzeit der zugehörigen Flüssigkeitsstrecke, so ergibt sich infolge der gleichen Länge der durchlaufenden Strecke

c t c_ t_, hieraus folgt c = '■ c-,

mm=ff ^&m t f

Aus der erfindungsgemäßen Laufzieitmeßung wird der Quotient f gebildet, der - mit der Schallgeschwindigkeit c„ der m Flüssigkeit multipliziert, eben die Schallgeschwindigkeit c des Materials ergibt, wobei das Ablesen der Zeitwerte und das Multiplizieren mit der Schallgeschwindigkeit vorteilhaft entfällt und eine Direktablesung von c möglich wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein künstlicher, gegen den S_endeiiapuls einstellbar verzögerter Stopimpuls als Marke o.dgl. auf den Leuchtschirm eingeblendet, vor der Meßung mit dem Bodenecho der Wanne zur Deckung gebracht und dann die Schallgeschwindigkeit ohne vorherige Entfernung der Materialprobe abgelesen wird. Eine weitere Vereinfachung und Automatisierung des Verfahrens sieht vor, daß das Eintrittsecho selbsttätig auf den Skalenteil Null eingestellt wird, z.B. durch eine an sich bekannte Einrichtung zum automatischen Zeitachsenstart durch das erste Echo. Die Erfindung kann aber auch so ausgeführt werden, daß der Laufzeitwert zwischen Eintrittsecho und Stopmarke gemessen und gespeichert, dann durch den Laufzeitwert zwischen Eintrittsecho und Rückwandecho der Materialprobe divi-

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diert und das Ergebnis mit dem bekannten Wert der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit multipliziert wird, dann das Ergebnis angezeigt oder gedruckt wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht der Flüssigkeitswenne mit Materialprobe und Prüfkopf.

Figur 2 schematisch eine Darstellung der Laufzeitanzeige auf dem LeuchtSchirmbild einer Kathodenstrahlröhre und einer geschwindigkeitsgeeichten Skala.

In einem mit Flüssigkeit wie Wasser gefüllten Behälter wie einer Wanne 1 ist auf den Wannenboden 2 eine Materialprobe k aufgelegt die durch einen Ultraschallprüfkopf 3 senkrecht zum Boden 2 beschallt wird. Der Prüfling kann aus Stahl, Aluminium, einem anderen Metall-, aus Kunststoff-, Glas- oder einer keramischen Masse bestehen. Die Laufstrecke des Schalls im Material beträgt s. Auf dem !bruchstückhaft in Figur 2 dargestellten Leuchtschirm einer Kathodenstrahl-Oszillographenröhre ist auf der Zeitachse zunächst der S"endeimpuls 5 aufgetragen, der hier meßtechnisch nicht interessiert. Der Eintritt des Schalles in das Material k ist durch die Zacke des-Eintrittsechos 6 dargestellt, während das Rückwandecho 7 im Abstand hierzu erscheint. Das Wannenbodenecho 8 erscheint auf der Laufzeitachse nach rechts versetzt, wenn die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit kleiner als im Material der Probe ist und nachdem die Probe entfernt wurde. Insbesondere auf dem Leuchtschirm 9 ist eine Skala 10 vorhanden, mit mindestens einem Maßstab 11, der in Schallgeschwindigkeit geeicht ist. Ist die Probe k eingelegt und der Prüfkopf 3 erregt, wird auf dem Leuchtschirm (außer dem S_endeimpuls 5) beim Auftreffen des Schallstrahls auf die Oberfläche 4a die Zacke des Eintrittsechos 6 abgebildet. Dies ist mit dem Punkt P^ in Figur veranschaulicht. Für das zugehörige Rückwandecho am Materialboden hb soll der Punkt P_2m gegeben sein. Die zugehörige

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Laufzeit beträgt t . Wenn dann die Probe h, nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, entfernt wird, entfällt zwar eine dem Echo 6 analoge Flüssigkeitsanzeige P . Die Lage des Eintrittsechos selbst ist auf der Laufzeitskala durch eine Marke o.dgl. festgelegt, so daß der Punkt P_1f. ebenfalls festliegt. Da der Wannenboden 2 mit dem Boden 4b zusammenfällt, wird in beiden Fällen die gleiche Laufstrecke s, Figur 1, gemessen, wobei jedoch der Punkt Pp_ des Bodenechos der Wanne wegen der größeren Laufzeit t_ in Figur 2 rechts erscheint.

Nun wird der Null-Punkt des Maßstabes 11 mit der zu Eintritts— echos 6 bzw. den Punkten P₁ und P₁„ führenden Linien in Flucht

Im If

bzw. Deckung gebracht. Der Maßstab 11 der Skala 10 ist vorgeeicht und liegt fest. Der Wert der Schallgeschwindigkeit c der Probe k entspricht noch nicht nach Figur 2 einer einfachen Projektion des Rückwandechos 7 auf den Maßstab 11, da der Laufzeitachse

zwar t , t oder t_ - t , aber noch nicht t~:t entnommen werm f f m fm

den kann. Dies erreicht man erst erfindungsgemäß durch eine Maßstabsspreizung (bzw. Dehnung) des Impulsechogerätes, die solange vorgenommen wird, bis das Rückwandecho 7 des Materials mit einem Skalenteil übereinstimmt, der der Schallgeschwindigkeit c„ der Flüssigkeit entspricht. Dieser Skalenteil C₁₁ ist auf einer Maßstabsteilung 11 veranschaulicht. Also entspricht auf dem Maßstab 11 die Schallgeschwindigkeit c_, der Flüssigkeit dem Kantenecho 7. Die Schallgeschwindigkeit C₁₁ des Prüflings entspricht dem Kantenecho 8.

Die Maßtepreizung erfolgt durch bekannte Schaltungsmaßnahmen der Oszillographentechnik, und zwar für horizontale Werte (Laufzeit) des Maßstabes, der als elektronisch vorbestimmter und zu verändernder Zeitmaßstab anzusehen ist. Der feste Maßstab 11 kann in m/sec, bei Verwendung von Wasser in etwa 1500m/sec, angegeben sein»

Sine andere Ausgestaltung und Vereinfachung des Verfahrens benutzt einen künstlichen, gegen den Sendeimpuls um einen feetein-

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stellbaren Betrag verzögerten Stopimpuls, dessen zugehörige Marke (12) in Figur 2 veranschaulicht ist. Der Stopimpuls wird ebenso wie die Schallechos auf dem Leuchtschirm 9 eingeblendet und vor Beginn der Meßung mit dem Bodenechö 8 der Wannet, aber* ohne eingelegte Materialprobe k_t in Deckung gebracht. Nach Einlegen der Materialprobe erscheint außer dem Eintrittsecho 6 und dem Rückwandecho 7 diese Stopmarke 12 auf dem Leuchtschirm» Stellt man das Eintrittsecho 6 wiederum auf den Skalenteil Null des Maßstabes 11 , entweder von Hand oder mit einer automatischen

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Einrichtung, das Rückwande.cho 7 auf* den Wert der Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit, so zeigt die Marke 12 des künstlichen Stopimpulses gleichzeitig die Schallgeschwindigkeit der Materialprobe an.

Bei einer erfindungsgemäßen Vereinfachung wird das Eintrittsecho 6 der Probe h selbsttätig in Übereinstimmung oder in Deckung mit dem Skalenteil Null des Maßstabes 11 gebracht. Hierzu wird eine an sich bekannte Einrichtung verwendet, die die Nullstellung der Laufzeitlinie durch Eintreffen des ersten Echos bestimmt,

Erfindungsgemäß kann das vorstehende Verfahren weiter vereinfacht werden, indem ein (nicht dargestellten) Rechner eingeschaltet wird, der die Laufzeit zwischen dem Eintrittsecho und dem Stopimpuls speichert, durch die Laufzeit zwischen dem Eintrittsund dem Rückwandecho der Probe k dividiert und das Ergebnis mit dem vorher eingegebenen Wert der bekannten Schallgeschwindigkeit c_p der Flüssigkeit multipliziert und das Ergebnis der Rechnung, nämlich die Schallgeschwindigkeit c des Materials anzeigt oder druckt.

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Claims

IG/we Dr. J. u. H. Krautkrämer, Gesellschaft für Elektrophysik

Patentansprüche

\2* Anordnung zur Schallgeschwindigkeitsmeßung, insbesondere mit Ultraschall, von Materialproben durch Vergleich ihrer Schalllaufzeit mit derjenigen in vorzugsweise Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Leuchtschirm ^) der zugehörigen Kathodenstrahlröhre einein Schallgeschwindigkeit^geeichte und derart angeordnete und/oder ausgebildete Skala vorhanden ist, daß ihre Skalenmarke mit dem Wert Null mit der Leuchtschirm-Eintrittsechoanzeige (6) der eingelegten Materialprobe (k) , ihre dem Wert der Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit entsprechende Skalenmarke_: aber mit der- Rückwandechoanzeige (7) der Materialprobe (k) zusammenfallend oder fluchtend angeordnet bzw. in diese Lage einstellbar ist.

2. Verfahren zur Schallgeschwindigkeitsmeßung, in Verbindung mit Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wannenboden, auf den eine Probe eingelegt wird, senkrecht beschallt, dann die zusammenfallende oder fluchtende Einstellung durch eine Maßstabsspreizung bzw.-Dehnung des Impulsechogerätes ausgeführt, die Probe entfernt und der Echowert des Wannenbodens auf der Skalenteilung direkt als Schallgeschwindigkeitswert(c )der Probe abgelesen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 bzw. in Verbindung mit Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein künstlicher, gegen den Sendeimpuls einstellbar verzögerter Stopimpuls als Marke o.dgl. auf dem Leuchtschirm eingeblendet, vor der Messung mit dem Bodenecho der Wanne zu Deckung gebracht und dann die Schallgeschwindigkeit, ohne vorherige Entfernung der Materialprobe, abgelesen wird.

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k. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsecho selbsttätig auf den Skälenteil Null eingestellt wird, z.B. durch eine an sich bekannte Einrichtung zum automatischen Zeitachsenstart durch das erste Echo.

5. Verfahren nach einem der Anspräche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufzeit-wert zwischen Eintrittsecho und Stopmarke gemessen und gespeichert, dann durch die Laufzeit zwischen Eintrittsecho und Rückwandsecho der Materialprobe dividiert, das Ergebnis mit dem bekannten ¥ert der Schallgeschwindigkeit (c^) in der Flüssigkeit multipliziert und das Ergebnis angezeigt oder gedruckt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala (ΐθ) auf seinem Maßstab (11) an denjenigen Skalenstrichen mit verstärkten, vorspringenden o.dgl. Marken, Punkten o.dgl. versehen ist, die.dem Schallgeschwindigkeitswert der jeweiligen Meßflüssigkeit, insbesondere von Wasser, entspricht.

7· Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeit auf der geeichten Skala in Schallgeschwindigkeit des den Prüfling umgebenden Stoffes, insbesondere der Flüssigkeit wie Wasser, angegeben ist.

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