DE2016024C3 - Zerstörungsfrei arbeitendes Prüfsystem zur Ultraschall-Untersuchung eines Werkstücks - Google Patents

Description

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mit Rücksicht auf ihre Dämpfungsfunktion optimie- der Multivibrator 60 eingeschaltet ist, wird ein •ren lassen. Flip-Flop 62 in seinen hier mit L bezeichneten Zu-

Dk Erfindung wird in der nachstehenden Be- stand umgeschaltet, das dann einem UND-Gatter 64 Schreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ein in Kurve E der F i g. 2 dargestelltes Ausgangssigan Hand der Zeichnungen näher erläutert; in den 5 nal zuführt. Der Ausgang des UND-Gatters 64 ist di-Zeichnungen zeigen rekl mit einem weiteren monostabüen Multivibrator

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Werk- 66 mit variabler Verzögerung verbunden, während Stückprüfsystems, der zweite Eingang des UND-Gatters 64 an den Aus-

Fig.2 ein Impulsdiagramm von Signalen, wie sie gang der Unterdrückungsstufe 54 angeschlossen ist an verschiedenen Punkten der Schaltung nach F i g. 1 io Steht am Ausgang der Stufe 54 ein Ausgangssignal , auftreten, und und befindet sich das Flip-Flop 62 in seinem L-Zu-

Fig.3 und4 detaillierte Schaltbilder verschiede- stand, so ist das UND-Gatter 64 offen, was wiener Schaltkreise in dem System nach Fig. 1. derum den monostabilen Multivibrator 66 einschal-

.In Fig. 1 ist ein LTltraschall-Prüfinstrument ge- tet Das Ausgangssignal des UND-Gatters 64 ist in zeigt, bei dem ein Impulsgenerator oder Sender 10 15 KurveB der Fig.2 dargestellt, während das Ausvon einem Taktgenerator 12 gesteuert wird und Ul- gangssignal des Multivibrators 66 in Kurve F gezeigt traschall-Impulse erzeugt, die einem Prüfgerät 13 zu- ist. Das Ausgangssignal des Multivibrators 66 in geführt werden. Das Prüfgerät 13 umfaßt einen pie- Kurve F gezeigt ist. Das Ausgangssignal des Multivizoelektrischen Wandler 14, der bei Beaufschlagung brators 66 schaltet einen weiteren Multivibrator 68 mit elektrischen Signalen Dickenschwingungen aus- *> ein, dessen Ausgangssignal in KurveH der Fig.2 führt Der Wandler 14 setzt die elektrischen Impulse dargestellt ist; die Kurve H gibt den Unterdriickungsin akustische Impulse um, die durch ein geeignetes bereich an, mit dem, wie im folgenden beschrieben, Kopplungsmittel 17, etwa Wasser, in das Werkstück die Unterdrückungsstufe 54 gesteuert wird.
16 eindringen. Die akustischen Impulse breiten sich Das am Ausgang des Multivibrators 66 erschei-

durch das Werkstück 16 hindurch aus, bis sie auf as nende Signal schaltet sofort das Flip-Flop 62 in seieine reflektierende Grenze, etwa einen Fehler oder nen hier mit 0 bezeichneten Zustand zurück, das eine Unstetigkeit 18, treffen. Dort werden sie auf den seinerseits das UND-Gatter 64 sperrt Das Ausgangs-Wandler 14 reflektiert, der wiederum eine elektrische signal des Multivibrators 66 wird ferner in einem InSpannung erzeugt Sowohl der ursprüngliche elektri- verier 70 invertiert und über einen Steuerkreis 72, sehe Impuls als auch der reflektierte Impuls werden 30 der den Abfall der Dämpfung des Oberflächen-Reeinem geeigneten Verstärker zugeführt, und die ver- flexionssignals steuert, einen weiteren Steuerkreis 76, stärkte Spannung wird an die Vertikal-Ablenkplatten der die Amplitude des Oberflächen-Reflexionssignals 22 und 24 einer Kathodenstrahlröhre 26 angelegt. steuert, sowie einen Verstärker 80 dem Därnpfungs-Eine horizontale Zeitbasis für die Kathodenstrahl- kreis 50 zugeführt. Während der Zeitspanne, in der röhre 26 wird von einem Horizontal-Kippgenerator 35 am Eingang des Dämpfungskreises 50 ein Signal auf-28 über einen Horizontal-Verstärker 34 erzeugt, der tritt, wird das über das Prüfgerät 13 empfangene nach Erzeugung des ursprünglichen Impulses von Eingangssignal, das in Kurve C der F i g. 2 dargestellt dem Taktgenerator 12 beaufschlagt wird. Das Kipp- ist, für eine bestimmte Zeit gedämpft,
signal wird den Horizontal-Ablenkplatten 30 und 32 Beim Betrieb des Systems wird ein Echosignal bei

der Kathodenstrahlröhre 26 zugeführt. Die in F i g. 1 40 seinem ersten Auftreten über den Dämpfungskreis 50 dargestellte Röhre zeigt drei vertikale Ablenkspitzen. und den Empfänger 52 dem UND-Gatter 64 zuge-Die erste Spitze 38 beruht auf dem ursprünglichen führt, das während dieser speziellen Impulszeit durch Impuls. Die zweite Spitze 40 entspricht der Reflexion den Taktgenerator 12, den Multivibrator 60 und das von der Unstetigkeit 18, und die letzte Spitze 42 Flip-Flop 62 geöffnet ist. Das UND-Gatter 64 schalrührt von der hinteren Oberfläche 19 des Werkstücks 45 tet dann den Multivibrator 66 ein, der ein Signal den 16 her. In der Darstellung der F i g. 1 ist die vertikale Dämpfungskreis 50 zuführt, der kurz nach dem Auf-Spitze 40 von der ursprünglichen Impulsspitze 38 gut treten des Obcrflächen-Reflexionssignals für eine be- getrennt. Befindet sich jedoch eine Unstetigkeit 18 stimmte Zeit dämpft. Die Oberflächen-Reflexionen j sehr nahe der Oberfläche das Werkstück 16, so wird werden also in einem in dem Empfänger 52 vorgese- j es schwierig, die beiden Auslenkungen auseinander- 50 henen hoch-ohmigen Verstärker festgestellt und j zuhalten. durch Einstellung des Dämpfungskreises 50 aufge-Zwischen das Prüfgerät 13 und einem Empfänger löst.

52 ist ein Dämpfungskreis 50 eingeschaltet. Das Aus- Vorgesehen ist ferner ein Steuerkreis 69, der die

gangssignal des Empfängers 52 wird einem Verti- Amplitude des Oberflächen-Reflexionssignals folkal-Verstärker 20 über eine gesteuerte Unterdrük- 55 gendermaßen steuert. Es gibt eine optimale Einstelkungsstufe 54 zugeführt. Die Stufe 54 wird im einzel- lung für den Verstärkungsfaktor, die in dem betrefnen an Hand von F i g. 4 beschrieben. fenden übersteuerbaren Verstärker den besten Rausch-

Der Taktgenerator 12 gibt ein Signal ab, wie es in abstand ergibt. Zweck des Steuerkreises 69 ist es, Kurve A der F i g. 2 gezeigt ist. Dieses Signal, das dieses Optimum aufzufinden und die beste Betriebsaußerdem einem monostibilen Multivibrator 60 mit 60 weise einzustellen. Der Steuerkreis 72 regelt die Zeitvariabler Verzögerung zugeführt wird, vermittelt ein spanne, die der Dämpfungskreis 50 benötigt, um von Ausgangssignal mit bestimmter Zeitdauer. Normaler- voller Dämpfung auf Null-Dämpfung zu gelangen, weise entspricht die Zeitdauer, während der der MuI- Erfolgt dieser Übergang zu rasch, so erzeugt der tivibrator 60 eingeschaltet ist, der einfachen Signal- Empfänger 52 Störsignale, die die Bedienungsperson Laufzeit zwischen der Oberfläche des Prüfgeräts 13 65 leicht verwirren. Erfolgt der Übergang zu langsam, und dem Werkstück 16. so sind ebenfalls unerwünschte Wirkungen festzustel-

Dieses Ausgangssignal ist in KurveD der Fig. 2 len; es gibt also eine optimale Einstellung für den in dareestellt. Nach Ablauf der Zeitdauer, während der Kurve G der F i g. 2 gezeigten Abfall.

Die Unterdrückungsstufe 54 trägt dazu bei, die brator mit variabler Verzögerung dargestellt, der i

nahe der Oberfläche vorhandenen Fehler in ge- Funktionsverstärker 120 und 122 umfaßt Der ge- |

wünschter Weise zu erfassen, indem sie diese von zeigte spezielle Multivibrator erzeugt ein Signal zur i

gleichzeitig eintreffenden schwächeren Rauschsigna- Unterdrückung des Oberflächen-Reflenonssignals j

len unterscheidet. Durch Steuerung einer Gegenspan- 5 gemäß dem Multivibrator 68 der Fig. 1"und führt 'j

nung an de:" Stufe 54, die der Steuerung 69 zugeführt dieses Signal der Unterdrückungsstufe 54 zu. Das j

wird, wird ermöglicht, daß die schwächeren Signale KF-Signal aus dem Empfänger 52 wird dem Kollek- j

nicht erfaßt werden. Dies beruht darauf, daß jede er- tor eines Transistors 124 an dessen Klemme 126 )

faßbare Signalamplitude gleich dem Unterdrückungs- zugeführt. Das Signal vom Ausgang des Funk- ;

pegel plus einem gewissen Dioden-Spannungsabfall io tionsverstärkers 122 gelangt über einen Inverter i

sein muß, um den Detektor 54 zu passieren. 127 an ein Potentiometer 128, daß die Steuerung [

In Fig.3 ist ein Ausführungsbeispiel für den 69 in Fig. 1 verkörpert. Der Kollektor des Tran- I

Dämpfungskreis 50 mit einem Feldeffekt-Transistor sistors 124 ist ferner mit dem Vertikal-Verstärker 20 j

100 und einem NPN-Transistor 102 dargestellt Der verbunden. j

Transistor 102 bildet einen Teil des Verstärkers 80 15 Die Unterdrückungsstufe 54 arbeitet also in Ver- i

und erhält seine Basisspannung von den Steuerkrei- bindung mit dem Dämpfungskreis 50 und gewährlei- !

sen 72, 76 an einer Klemme 104. Eine Klemme 106 stet, daß Teile des Signals während der Dämpfungs- j

erhält die Signale von dem Prüfgerät 13 und ist über periode unterdrückt werden. Auf diese Weise trägt j

Dioden 108 und 110 geklammert. Die Dämpfung für die zusätzlich durch die Stufe 54 bewirkte geringe I die Tor?'~ktrode des Feldeffekt-Transistors 100 ao Unterdrückung des Empfängersignals zu einer weitestammt aus dem Emitter des Transistors 102, der mit ren Verbesserung der Auflösung des empfangenen

Dioden 112 und 114 zusammen arbeitet. Diese Dio- Signals bei. Die Unterdrückung ist jedoch generell so j

den 112 und 114 bilden einen Signalteiler zwischen eingestellt, daß sie nur während der ersten S mm der \

ihren dynamischen Durchlaßimpedanzen und einem Schallausbreitung im Werkstück andauert \

Widerstand 150. Dies wiederum bestimmt die Größe as Die vorstehend offenbarte Schaltung bewirkt also j der Dämpfung, die" am Ausgang des Feldeffekt-Tran- eine Pegelangleichung zwischen dem Oberflächen-

sistors 100 erzeugt wird. Die Ausgangsklemme 116 Reflexionssignal und Fehlersignalen, so daß mit i

des Dämpfungskreises ist an den Empfänger 52 an- einer einzigen festen Einstellung der Empfänger-Ver- j

geschlossen. Es ist zwar nur ein einziger analoger Stärkung während des Prüfvorgangs gearbeitet wer- ·_;

Dämpfungskreis gezeigt worden; selbstverständlich 30 den kann. Dadurch werden Oberflächenfehler auf |

lassen sich jedoch auch viele Modifikationen und Grund der Tatsache klar unterschieden und aufge- i

verschiedene andere Arten von Dämpfungskreisen in löst daß das abklingende Signal während einer be- '

der eiiindungsgemäßen Schaltung verwenden, ohne stimmten Periode vor Erreichen des Empfängers 52 ί

den Bereich der Erfindung zu verlassen; die vorlie- gedämpft wird. Daher kann der Empfänger 52 zur <

gende Schaltung ist nur als Ausführungsbeispiel ge- 35 Auflösung kleiner Fehlersignale auf hohe Verstär- \ zeigt kung eingestellt werden und ist doch während der

In Fig. 4 ist ein typischer monostabiler Multivi- kritischen Perioden gedämpft :

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

l 2 ausgesendete Impuls und seine verschiedenen Echos Patentansprüche: werden verstärkt und beispielsweise einem visuellen Anzeigegerät zugeführt.

1. Zerstörungsfrei arbeitendes Prüfsystem zur Eine grundsätzliche Schwierigkeit bei derartigen Ultraschall-Untersuchung eines Werkstücks, mit 5 Ultraschall-Prüfgeräten besteht darin, Fehler festzueinem Impulsgenerator zur Erzeugung von Im- stellen, die nahe der vorderen Werkstück-Oberfläche pulsen gleicher Dauer, einem an dem Impuls- vorhanden sind. Diese Schwierigkeit beruht darauf, generator angeschlossenen Sender, einem Emp- daß der zwischen dem Wandler und dem Anzeigegefänger/Verstärker, einem Ultraschall-Prüfgerät rät eingeschaltete EmpfängerA'erstärker so empfindzur akustischen Kopplung mit dem Werkstück, io lieh eingestellt wird, daß auch kleine Fehler noch einem in dem Prüfgerät untergebrachten Wandler beobachtet werden können; bei einer solchen Einzur Aufnahme elektrischer Energb von dem Sen- stellung führt notwendigerweise das erste Reflexionsder and Abstrahlung entsprechender Ultra- signal von der vorderen Oberfläche des Werkstücks schall-Energie in das Werkstück sowie zum Emp- zu einer Übersteuerung des Verstärkers, so daß kurz fang des Ultraschall-Echosignals von dem Werk- 15 darauf folgende Reflexionssignale von nahe der Vorstück und Abgabe eines entsprechenden elektri- derfläche gelegenen Materialfehlern in die Erhoschen Signals an den Empfänger, sowie mit lungszeit des Verstärkers fallen und nicht als sepaeinem Dämpfungskreis, der auf das Echosignal rate Impulse wahrgenommen werden können, von dem Empfänger sowie auf Impulse von dem Aus dsn französischen Patentschriften 1308 800,

Impulsgenerator anspricht und Teile des Echosi- ao 1329733 und 1546786 sind Ultraschau-Prüfeingnals dämpft, dadurch gekepnzeichnet, richtungen zur zerstörungsfreien Werkstückprüfung daß der Dämpfungskreis (50) dem Empfänger/ mit den im Oberbegriff des Hauptansprucbs genann-Verstärker (52) vorgeschaltet ist und eine Schalt- ten Merkmalen bekannt Bei diesen Einrichtungen ist stufe (102) des Dämpfungskreises (50) an eine jeweils dem Empfänger/Verstärker eine Stufe nacheinstellbare Verzögerangsstufe (66) angeschlos- 35 geschaltet, die den Verstärkungsfaktor gemäß einer sen ist, die mit dem Ausgang eines UND-Gatters sägezahnartigen Kennlinie steuert, wobei die Kennli-(64) verbunden ist, dessen Eingänge mit dem nie jeweils von null ausgeht und vorzugsweise expo-Empfanger/Verstärker (52) sowie über eine wei- nentiell ansteigt. Dadurch soll die mit der Eindringtere Verzögerangsstufe (60) und eine mit dem tiefe in das Werkstück etwa exponentiell ansteigende Ausgang der erstgenannten Verzögerangsstufe 30 Absorption der Ultraschall-Energie kompensiert wer-(66) verbundene bistabile Schaltstufe (62) mit den, so daß die Amplitude der einzelnen Meßsignale dem Impulsgenerator (10,12) in Verbindung ste- möglichst linear der Größe der jeweils gemessenen hen. Unstetigkeit entspricht Bei den bekannten Einrich-

2. System nach Ansprach 1, dadurch gekenn- tungen werden also Impulse von der vorderen Oberzeichnet, daß die erstgenannte und/oder die ge- 35 fläche mit dem Verstärkungsfaktor nuli verstärkt, nannte weitere Verzögerangsstufe (60, 66) einen d.h. vollständig gedämpft Eine Übersteuerung des monostabilen Multivibrator umfaßt. Empfängerverstärkers wird dadurch zwar vermieden;

3. System nach Anspracht oder2, gekenn- eine Lösung des oben aufgezeigten Problems wird zeichnet durch eine an das UND-Gatter (64) dennoch nicht erreicht, weil auch Reflexionssignale angeschlossene und von dem Impulsgenerator 40 von nahe der vorderen Oberfläche gelegenen Fehlern (10, 12) gesteuerte Schaltstufe (68), die das praktisch vollkommen gedämpft werden. Ausgangssignal des Empfängers (52) während Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einer vorbestimmten Zeitspanne unterdrückt. tute Ultraschall-Werkstückprüfeinrichtung zu schaf-

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, fen, bei der auch Materialfehler, die nahe der Werkdadurch gekennzeichnet, daß die genannte wei- 45 Stückoberfläche liegen, erfaßt werden.

tere Verzögerangsstufe (60) derart ausgebildet Die USA.-Patentschrift 3 274 821 befaßt sich zwar ist, daß ihre Verzögerungszeit gleich der Signal- mit der gleichen Aufgabe, die auch der Erfindung zuLaufzeit zwischen dem Wandler (14) und dem gründe liegt, geht jedoch einen anderen Weg. Bei der Werkstück (16) ist. aus dieser Druckschrift bekannten Einrichtung wird

5. System nach einem der vorhergehenden An- 50 das verstärkte Signal einem Schwellenwertdetektor spräche, gekennzeichnet durch eine mit dem zugeführt, der bei überschreiten eines gewissen Ausgang des Empfängers (52) verbundene opti- Schwellenwerts den Verstärkungsfaktor reduziert, sehe Anzeigeeinrichtung (26). Dabei werden auch Nutzsignale, die etwa in dem Sättigungsbereich der Verstärker-Kennlinie gelangen

55 gedämpft, so daß es nicht mehr möglich ist, mil

einem hohen Verstärkungsfaktor im dynamischer Bereich des Verstärkers zu arbeiten, und außerderr

Bei der zerstörungsfreien Materialprüfung mittels eine Verzerrung des Reflexions-Signalzugs erfolgt. Ultraschall wird von einem Untersuchungsgerät ein Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabf

kurzer Ultraschall-Impuls abgegeben, der beispiels- 60 durch ein Prüfsystem nach dem Ansprach 1 gelöst weise durch eine Flüssigkeit auf das zu prüfende Dabei werden der Verstärkungsfaktor, die Ansprech Werkstück gekoppelt wird. Der Impuls durchsetzt zeit und die sonstigen Parameter des Verstärker das Werkstück und wird von dessen Oberflächen so- selbst konstant gehalten, so daß sich eine hob v,ie von möglicherweise in dem Werkstück vorhande- Gleichmäßigkeit im Verlauf des Echosignals ergibt nen Rissen, Fehlern oder sonstigen Unstetigkeiten re- 65 Die Erfindung ermöglicht es ferner, den dem Emp flektiert. Beim Auftreffen des Echosignals auf das fänger vorgeschalteten Dämpfungskreis mit Eigen Untersuchungsgerät wird ve*i einem darin enthalte- schäften zu versehen, die unabhängig von den Be nen Wandler ein elektrisches Echosignal erzeugt. Der schränkungen des Empfängers sind und sich alleii