DE2030954C3 - Ultraschall-Prüfgerät zur zerstörungsfreien Untersuchung von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eiii Ultraschall-Prüfgerät zur lerstörungsfreien Untersuchung von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der deutschen Patentschrift 857 695 ist ein Verfahren zur Werkstückprüfung mittels Ultraschall bekannt, bei dem die Laufzeit des Ultraschall-Signals vom Sender durch das Werkstück hindurch zum Empfänger an Hand des Phasenunterschieds zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Signal ermittelt wird. Die Messung der Phasenlage erfolgt dabei durch Beobachtung der Null-Durchgänge des empfangenen Signals auf einer Braunschen Röhre oder durch Umwandlung des gesendeten und des empfangenen Signals in Rcchtcckschwingungen, die über eine Misch

stufe addiert oder subtrahiert werden.

Aus der USA.-Patentschrift 2 612 772 ist ferner eir Ultraschall-Prüfgerät bekannt, bei dem das zu untersu chende Werkstück mit einem Normstück dadurch ver s glichen wird, daß die durch die beiden Stücke hindurch geleiteten Ultraschall-Signale als solche hinsichtlich Amplitude und Phasenlage ermittelt werden.

Ferner ist aus der USA.-Patentschrift 2 839 705 eil Ultraschall-Gerät zur Messung der Dicke und/oder Be

ίο Stimmung von Fehlern in einem Werkstück bekannt wobei ein Ultraschallimpuls nach Durchlaufen de; Werkstücks beim Eintreffen am Empfänger dazu be nutzt wird, in einem auf der anderen Seite des Werk Stücks angeordneten Sender einen weiteren Impul:

auszulösen. Die sich daraus ergebende Impulsfolgefre quenz wird als Maß für die Laufzeit des Ultraschall gnals durch das Werkstück verwendet.

Die erwähnten bekannten Ultraschall-Prüfgeräte ar beiten mit einem Ultraschallsignal, das als Energie »Knall« in Form eines eine größere Anzahl einzelnei Impulsweilen umfassenden Signalzugs auftritt. Dei Empfänger spricht dabei auf die Hüllkurve dieses Im pulswellenzuges an. Das Auflösungsvermögen eine; solchen Systems ist durch die Zeitdauer der Hüllkurvc begrenzt. Um ein hohes Auflösungsvermögen zu erzie len. wird mit verhältnismäßig hohen Frequenzen gear beitet. Andererseits sind bei der Verwendung hohei Frequenzen auch die Ultraschall-Energieverluste ent sprechend hoch.

Bei den Geräten nach dem Stand der Technik wire zwischen dem Problem der Energieverluste und derr Auflösungsvermögen ein Kompromiß geschlossen. lsi hohes Auflösungsvermögen gefordert, so muß entweder mit einer guten und entsprechend aufwendiger Kopplung (beispielsweise unter Verwendung eines flüssigen Kopplungsmediums oder unter Beachtung eine« guten Kopplungskontaktes) oder mit hohen Frequenzen bei entsprechend hohen Verlusten gearbeitet werden. Werden die genannten Schwierigkeiten nicht ir Kauf genommen, so ergibt sich ein schlechteres Auflösungsvermögen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Prüfgerät zu schaffen, das zwar mit relativ niedrigen Frequenzen arbeitet, die sich ohne größere Verluste auch über Luft koppeln lassen, und das trotzdem eir hohes Auflösungsvermögen vermittelt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Lehre des Anspruch; I gelöst. Erfindungsgemäß wird dabei das zeitliche Auf treten einzelner Impulsabschnitte innerhalb des Impulswellenzuges ausgewertet und nicht der Verlauf dei Hüllkurve dieses Impulswellenzugs.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 gekennzeichnet. Durch da; Vorhandensein zweier Meßkanäle wird die praktisch« Nutzbarkeit des Prüfgeräts insofern erhöht, als es möglich wird. Fehler in ihrer Größenordnung voneinandei zu unterscheiden, die Änderungen in der Signallaufzeil bis zu einer ganzen Impulsperiode bewirken. Währenc in der Ausgestaltung gemäß dem Anspruch 2 zwei irr wesentlichen gleiche Meßkanäle vorhanden sind, die das Signal hinsichtlich der Amplitude tasten, ergibt die im Anspruch 5 gekennzeichnete Weiterbildung der Erfindung im wesentlichen die gleiche Verbesserung dadurch, daß ein zweiter Mcßkanal verwendet wird, ir dem das Signal bezüglich seiner Phasenlage getastei wird. Bei dem in der Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 5 verwendeten Sehnittpunkt-Detektot handelt es sich um eine Schaltung, die dann ein Aus-

gangssignal erzeugt, wenn das am Eingang liegende Signal einen Bezugswert, insbesondere den Wert Null, durchläuft.

Wie oben angedeutet, bringt die Erfindung den Vorteil mit sich, daß mit niedrigeren Frequenzen als bei 5 den Geräten nach dem Stand der Technik gearbeitet werden kann, dadurch die Energieverluste geringer und die Kopplungsprobleme weniger kritisch werden, daß aber gleichzeitig ein hohes Auflösungsvermögen erzielt wird.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 ein stärker detailliertes Blockschaltbild der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform,

F i g. 3 ein Diagramm zur Darstelli-Tig der Wellenformen, wie sie an verschiedenen Punkierj der Schaltung nach F i g. 2 auftreten,

Fig.4 eine Darstellung einer iJntersuchungseinheit, die mit einer Technik arbeitet, bei der durch das Werkstück hindurchgesendet wird, und

F i g. 5 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Ein Taktgeber 10 erzeugt in regelmäßigen Intervallen (Tr) wiederkehrende Taktimpulse. Dieses Signal wird als »A«-Impuls bezeichnet, dessen zeitliche Lage in dem Diagramm der F i g. 3 gezeigt ist. Dienes Signal wird einem Sender 12 zugeführt, der seinerseits einer Untersuchungseinheit 14 elektrische Impulse bestimmter Frequenz zuführt. Das von dem Sender 12 abgegebene Signal ist in der Kurve D in F i g. 3 dargestellt; seine Spannung mag beispielsweise minus 250 V betragen. Die Untersuchungseinheit 14 führt einem Paar von Empfängern, die generell als K-Empfänger 16 und X-Empfänger 18 bezeichnet sind, die empfangene Energie »E« (Fig. 3) zu. Der V-Empfänger 16 tastet das von dem Wandler 14 rückgeführte Signal in einer bestimmten Periode und führt dieses Tastsignal einem Sichtgerät zu. Der X-Empfänger 18 tastet das von der Untersuchungseinheit 14 rückkehrende Signal zu einer unterschiedlichen und verzögerten Zeit und führt dieses Signal ebenfalls dem Sichtgerät zu.

Der Sender 12 ist in stärkerer Detaillierung in F i g. 2 dargestellt. Er umfaßt einen astabilen Multivibrator 20, der gemäß der Kurve B in Fig. 3 ein Signal mit bestimmter Impulsbreite erzeugt. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden astabile Multivibratoren im folgenden als »Monoflops« bezeichnet. Die Vorderflanke des Signals »ß« schaltet einen frei schwingenden Multivibrator 22 ein, der eine Anzahl von Impulsen »C« abgibt. Die Anzahl der von dem Multivibrator 22 erzeugten Impulse hängt von der Länge des Impulses »ß« ab. Das Monoflop 20 bestimmt die Zahl der zu sendenden Impulse, und der frei schwingende Multivibrator 22 ändert den Abstand der Mittenfrequenz-Einstellung des Sendeimpulses. Die Signale werden einem impulsverstärker 24 zugeführt, dort verstärkt und dann an die weiter unten in Verbindung mit Fig.4 beschriebene Untersuchungseinheit geleilet.

Sowohl das Monoflop 20 als auch der frei schwingende Multivibrator 22 sind einstellbar, wie es durch die verstellbaren Potentiometer 28 bzw. 29 veranschaulicht ist. Das Potentiometer 28 ändert die Impulsbreite »ß«, die bewirkt, daß der frei schwingende Multivibrator 22 über eine längere Periode eingeschaltet ist. Das dem frei schwingenden Multivibrator 22 zugeordnete Potentiometer 29 scrgt für eine Änderung des Abstandes zwischen den Impulsen, d. h. für eine Änderung der Impulsfrequenz.

Der Taktgeber 10 führ» ferner dem K-Empfangskanal 16 und dem X-Empfangskanal 18 ein Arbeitssignal zu. Der von dem Taktgeber 10 erzeugte Taktimpuls »Λ« wird zunächst einem Verzögerungs-Monoflop 30 zugeführt, das den Taktimpuls für die Empfangskanäle 16 und 18 um einen zeitlichen Abstand verzögert, der dem Abstand zwischen dem Sende- und dem Empfangswandler enispricht, wie dies in Verbindung mit F i g. 4 erläutert werden soll.

Die Empfangssignale »£« nach F i g. 3 aus der Untersuchungseinheit 14 werden einem Resonanzverstärker 32 zugeführt, der auf die Frequenz des frei schwingenden Multivibrators 22 abgestimmt ist, daher nur Signale innerhalb dieses Bereiches annimmt und alle unerwünschten Frequenzen herausfiltert. Die Signale »f« von dem Resonanzversfärker 32 werden einer Tastspeicherschaltung 34 in dem Empfangskanal 16 und ebenso einer Tastspeicherschaltung 36 in dem Empfangskanal 18 zugeführt. Da Tastspeicherschaltungen in der Elektronik und insbesondere in der Nachrichten- und Radartechnik beka int sind, wird von der Beschreibung eines typischen Schaltkreises und dessen Arbeitsweise abgesehen. Grundsätzlich tasten die Schaltungen 34 und 36 die Amplitude zu bestimmten Gatter-Öffnungszeiten und erzeugen ein kontinuierliches Ausgangssignal, dessen Spannungsamplitude dieser augenblicklichen Gatter-Öffnungszeit entspricht.

Die Tastspeicherschaltung 34 tastet die Amplitude der von der Untersuchungseinheit 14 zugeführten Signale zu bestimmten Zeiten und legt deren Spannungspegel an die V-Ablenkplatten 38 und 40 einer Kathodenstrahlröhre 42. Da die Platte 40 in ihrer Wirkungsweise der Platte 38 entgegengesetzt ist, wird das Signal aus der Tastspeicherschaltung 34 vor dem Anlegen an die Platte 40 über einen Inverter 44 geleitet. Die andere Tastspeicherstufe 36 tastet das Signal aus dem Resonanzverstärker 32 zu unterschiedlichen Zeiten und führt es einer X-Ablenkplatte 48 sowie über einen Inverter 52 der anderen X-Ablenkplatte 50 der Kathodenstrahlröhre 42 zu. Der Verlauf des Ausgangssignals von der Tastspeicherstufe 34 ist in Kurve /und der des Ausgangssignals von der Tastspeicherstufe 36 in Kurve K in F i g. 3 dargestellt.

Die Tastperioden, während der die Tastspeicherschaltungen 34 und 36 getriggert sind, sollen in den meisten Fällen fest bleiben. Diese Perioden sind in der Kurve E der F i g. 3 als Punkte X und Y gezeigt. Zur Erzeugung dieser festen Tastperioden wird das Ausgangssignal des Multivibrators 30 einem Monoflop 60 zugeführt, das die in Kurve H der F i g. 3 dargestellte feste V-Tastzeit vermittelt. Der Impuls aus dem Monoflop 60 tritt unmittelbar nach der kückflanke des phasenverzögerten Ausgangssignals von dem Verzögerungsmonoflop 30 auf. Der Ausgangsimpuls des Monoflops 30 wird ferner einem weiteren Verzögerungs-Monoflop 62 zugeführt. Der Ausgangsimpuls dieses Multivibrators 62 ist in Kurve G der F i g. 3 gezeigt. Dieser Impuls »G« vermittelt die Trennung der X- und V-Tastzeiten, wobei beispielsweise die durch das Verzögerungs-Monoflop 62 erzeugte Verzögerung gleich ist einer Viertelperiode der von dem frei schwingenden Multivibrator 22 abgegebenen, in Kurve C gezeigten Impulse. Dies bewirkt letzten Endes eine Gesaml-Phasenverschiebung von 90° zwischen dem y-Tastimpuls »H« und dem X-Tastimpuls »/« nach F i g. 3.

In Fig. 4 ist eine Untersuchungseinheit gezeigt, die mit einem Hindurchsenden durch das Werkstück arbeitet und ein Paar von Wandlern 54 und 55 umfaßt. Die Wandler 54 und 55 können jeweils aus einem piezoelektrischen Kristall bestehen, der bei Anregung mil 5 elektrischer Energie schwingt. Sie sind einander gegenüber angeordnet und mit festem Abstand beispielsweise an einem C-förmigen Bügel 56 befestigt. Zwischen den Wandlern 54 und 55 wird das Werkstück 15 angeordnet. Bei diesen Wandlern kann es sich um den luftgekoppelten Typ handeln.

Wie in F i g. 2 und 4 angegeben, ist der Wandler 54 an den Sender 12 angeschlossen, während der Empfangswandler 55 mit den Empfängern 16 und 18 verbunden ist. Durch den Wandler 54 wird Ultraschallenergie durch das Werkstück 15 hindurch zu dem Empfangswandler 55 gesendet. Wenn auch ein Teil der Ultraschallenergie durch di-. Luft gedämpft und ein weiterer Teil an den Werkstück-Oberflächen reflektiert wird, so erreicht doch ein Teil dieser Energie den Empfangswandler 55. Diese empfangene Energie wird dann in den Emplängern 16 und 18 verarbeitet. Dabei muß beachtet werden, daß dann, wenn das Werkstück 15 frei von Fehlstellen, Fehlern oder sonstigen Unstetigkeiten ist, die Zeit, die die Ultraschallenergie von dem Sendewandler 54 bis zu dem Empfangswandler 55 braucht, stets ein festes Intervall darstellt.

In F i g. 3 ist die von dem V-Empfangskanal 16 erzeugte Tastzeit »W« in der Kurve EaIs ein Punkt Vund die von dem X-Empfänger 18 erzeugte Tastzeil »/« als Punkt X dargestellt. Die Amplitude des Signais »7« ist gleich der Amplitude der Lage des Punktes Y in der Kurve E während die Amplitude des Signals »K« gleich der Amplitude der Lage des Punktes X in der Kurve E ist. Befindet sich in dem Werkstück 15 ein Fehler oder eine sonstige Störstelle, so benötigt das Ultraschallsignal zwischen den Wandlern 54 und 55 eine erhöhte Übertragungszeit. Dies hat zur Folge, daß das in der Kurve £ gezeigte Signal nach rechts zeitverschoben wird. Das verschobene Signal ist in der Kurve E der F i g. 3 als gestrichelte Linie mit den Punkten X uiid Y dargestellt. Die Tastzeiten »W« und »/« bleiben gleich, ebenso bleiben die Punkte Vund X in der Kurve Ekonstant. Als Folge davon nehmen die herausgetasteten Werte der Signale »/« und »K« zu oder ab, da die Amplitude der Tastsignale durch die Tastspeicherschaltungen 34 und 36 zu unterschiedlichen Zeiten bezüglich des Sinuswellen-Signals »£« ermittelt werden.

Am Ende eines Taktzyklus ( Tr) wird dem System ein weiteres »/4«-Signal zugeführt. Dieses Signal erzeugt Löschsignale für die Tastspeicherschallungen 34 und 36 und führt die darin bestehenden Amplituden auf Null zurück. Die Schaltung ist dann bereit, das nächste von dem Sender 12 ausgesandte Signal aufzunehmen und zu lasten.

In F i g. 5 ist ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die ein System zur Ermittlung sowohl der Amplitude als auch der Phase des Signals umfaßt. Der Taktgeber 10 führt in ähnlicher Weise, wie es im Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben wurde, dem Sender 12 und dem Verzögerungs-Monoflop 30 Initialimpulse zu, wobei der Sender die in Kurve D der F i g. 3 gezeigten Impulse erzeugt. Der Verstärker 32 empfängt die in Kurve E der F i g. 3 dargestellten Signale.

Das Monoflop 30 erzeugt das Signal »f«, das ein dem Monoflop 60 zugeführter Verzögerungsimpuls ist. Bei der vorliegenden speziellen Ausführungsform erzeugt der Multivibrator 60 einen Impuls, dessen Impulsbreite größer ist als bei der Ausführungsform nach F 1 g. 2. Die Breite des von dem Monoflop 60 erzeugten Impulses ist also größer als die des V-Tastsignals gemäß Kurve H der F i g. 3, so daß eine größere Breite des empfangenen Signals in der Tastspeicherschaitung 34 erfaßt wird. Die Amplitude dieses Signals wird dann über einen Schalter 78 und einen Verstärker 76 einem Meßinstrument 74 zugeführt.

Zur Bestimmung der Phasenlage des Signals ermittelt bei der vorliegenden speziellen Ausführungsform ein Schnittpunkt-Detektor 80 die genauen Stellen, an denen die von der Untersuchungseinheit 14 rückgeleiteten Signale jeweils Null oder einen sonstigen Bezugswert durchlaufen. Ein Flip-Flop 82 ist mit seinem Setzeingang an das Verzögerungs-Monoflop 30 und mit seinem Löscheingang an den Ausgang des Schnittpunkt-Detektors 80 angeschlossen. Das Flip-Flop 82 wird also mit der Rückflanke des Verzögerungssignals gesetzt und mit dem ersten Schnittpunkt-Signal gelöscht. Das Ausgangssignal des Flip-Flops 82 wird einem Anstiegsflanken-Generator 84 zugeführt, wobei mit dem Beginn des Flip-Fiop-Signals der Tastspeicherschaitung 36 ein Signal zugeführt wird, das ansteigt, bis das erste Schnittsignal das Flip-Flop 82 wieder löscht und den Anstiegsflanken-Generator 84 abschaltet. Das von dem Anstiegsflanken-Generator 84 erzeugte Signal bleibt bestehen, bis das nächste Schnittpunkt-Signal festgestellt wird. Bewirkt eine Phasen- oder Zeitverschiebung einen späteren Empfang des Empfangssignals, so schaltet der Schnittpunkt-Detektor 80 erst zu einem späteren Zeitpunkt um, und das Flip-Flop 82 bleibt über eine längere Zeitspanne gesetzt. Der Anstiegsflanken-Generator 84 erzeugt dann ein höheres Signal, das auf die Tastspeicherschaitung 36 gekoppelt und an dem Meßinstrument 74 angezeigt wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Prüfgerät zur zerstörungsfreien Untersuchung von Werkstücken mit einem Sender. der ein Ultraschall-Signal mit sich stetig ändernder Amplitude in das Werkstück leitet, einem Empfänger zum Empfang des Signals aus dem Werkstück und eine Auswertschaltung, die sowohl mit dem Sender als auch mit dem Empfänger verbunden ist und ein von der jeweiligen Laufzeit des Ultraschall-Signals durch das Werkstück abhängiges Meßsignal an eine Anzeigeeinrichtung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertschaltung ein mit dem Sender (12, 54) verbundenes Verzögerungsglied (30) und einen daran sowie an den Empfänger (55) angeschlossenen Meßkanal (16) mit einer Tastspeicherstufe (34) enthält, die jeden Impulswellenzug des empfangenen Signals während eines relativ zur Dauer dieses Impulswellenzugs kurzen Tastintervalls zu einer durch das Verzögerungsglied (30) bestimmten Zeit nach dem Aussenden des Signals tastet.

2. Gerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem genannten Meßkanal (16) ein zweiter Meßkanal (18) mit einem weiteren Verzögerungsglied (62) und einer weiteren Tastspeicherstufe (36) parallel geschaltet ist, die jeden Impulswellenzug des empfangenen Signals zu einer gegenüber der erstgenannten Tastspeicherstufe (34) um 90° phasenverschobenen Zeil tastet.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (42) eine Kathodenstrahlröhre ist, deren vertikale und horizontale Ablenkplatten (38, 40, 48, 50) an die beiden Meßkanäle (16,18) angeschlossen sind.

4. Gerät nach einem der Ansprüche ? bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Meßkanal (16, 18) einen astabilen Multivibrator (60) aufweist, der das Tastintervall der jeweils nachgeschalteten Tastspeicherstufe (34,36) bestimmt.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem genannten Meßkanal ein zweiter Meßkanal mit einem Anstiegsflanken-Generator (84) und einer weiteren Tastspeicherstufe (36) parallel geschaltet ist, wobei der Anstiegsflanken-Generator (84) durch das Signal aus dem Verzögerungsglied (30) einschaltbar und durch einen mit dem Empfänger (55) verbundenen Schnittpunkt-Detektor (80) ausschaltbar ist.