DE2065689B1 - Ultraschall-Untersuchungseinheit - Google Patents

Description

Das Hauptpatent 20 30 952 betrifft eine Ultraschall-Untersuchungseinheit, bei welcher in einem Gehäuse ein elektroakustischer Wandler und eine sich auf der vom Untersuchungsgegenstand abgewandten Seite des Wandlers befindliche reflektierende Fläche angeordnet sind, die reflektierende Fläche eine vorspringende Teilfläche aufweist, der gegenüber der elektroakustische Wandler angeordnet ist, und in dem Gehäuse in bestimmtem Abstand von der dem Untersuchungsgegenstand zugewandten Seite des Wandlers ein weiterer Reflektor angeordnet ist.

Das Hauptpatent befaßt sich mit der generellen Aufgabe, eine möglichst gute Kopplung zwischen dem zu untersuchenden Werkstück und dem Wandler zu erzielen, so daß trotz einfacher Luftkopplung die Intensität der Ultraschallschwingungen im wirksamen Bereich des Ultraschallwandlers erhöht wird. Wird der Wandler nach dem Hauptpatent als Empfangswandler benützt und mit einem die Schallimpulse in das Werkstück einkoppelnden Sendewandler in einer Baueinheit vereinigt, so ergibt sich die weitere Aufgabe, trotz Fehlens eines besonderen Kopplungsmediums auch zwischen dem Sendewandler und dem zu untersuchenden Werkstück eine möglichst gute akustische Kopplung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß der mit dem empfangenden Wandler im gleichen Gehäuse montierte Sendewandler die Schallimpulse durch Wirbelströme in den Untersuchungsgegenstand einkoppelt.

Die Wirbelstromeinkopplung von Schallsignalen in zu untersuchende Werkstücke ist zwar grundsätzlich aus der USA.-Patentschrift 34 53 872 bekannt Während dort jedoch mit einem Dauerton im Hörfrequenzbereich gearbeitet wird, gestattet die erfindungsgemäße Einrichtung die Beaufschlagung des Prüflings durch einzelnen Impulsen entsprechende Wirbelfelder, wobei die zu messenden Materialeigenschaften nach der Laufzeitmethode ermittelt werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist für die Laufzeitmethode gerade deshalb besonders geeignet, weil Sende- und Empfangswandler im gleichen Gehäuse, d. h. in stets gleicher und fester Zuordnung relativ zueinander montiert sind.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 ein elektrisches Blockschaltbild einer zerstörungsfrei arbeitenden Werkstückprüfeinrichtung,

F i g. 2 eine Ausführungsform der in der Einrichtung nach F i g. 1 verwendeten Sende- und Empfangs-Wandlereinheit im Längsschnitt,

F i g. 3 eine Unteransicht des Sendewandlers im Schnitt längs der Linie 3-3 der F i g. 2,

F ig, 4 eine Unteransicht des luftgekoppelten Wandlers der Untersuchungseinheit in einem Schnitt längs der Linie 4-4 der F i g. 2,

F i g. 5 einen Schnitt durch den luftgekoppelten { Wandler der Untersuchungseinheit längs der Linie 5-5 der F i g. 2,

F i g. 6 einen Schnitt durch den luftgekoppelten Wandler der Untersuchungseinheit längs der Linie 6-6 der F i g. 2,

F i g. 7 ein in der Untersuchungseinheit nach F i g. 2 verwendetes elastisches Halteelement,

F i g. 8 eine halbschematische Darstellung der Elemente der Untersuchungseinheit nach F i g. 2 und F i g. 9 eine Ansicht der Sende- und Empfangs-Wandlereinheit in einer anderen Ausführungsform.

Gemäß F i g. 1 umfaßt die Prüfungseinrichtung 10 einen Sender 12, der eine Folge von intermittierend auftretenden Impulsen erzeugt. Der Sender 12 ist mit einer Untersuchungseinheit 14 gekoppelt, wobei die von dem Sender 12 ausgehenden Impulse einen Wandler 16 in der Untersuchungseinheit 14 erregen.

Die von den Impulsen bewirkten Schwingungen werden über ein Werkstück 32 von einem weiteren Wandler 15 in der Untersuchungseinheit 14 empfangen, wo- · bei aus diesen Impulsen ein ähnliches elektrisches Si- I gnal erzeugt wird. Dieses elektrische Signal wird einem Empfänger 18 zugeführt, der seinerseits mit einem Vertikal-Ablenkgenerator 20 gekoppelt ist; von dort gelangt das elektrische Signal an die Vertikal-Ablenkplatten einer Kathodenstrahlröhre 22. Der Sender 12 wird von einem Impulsgenerator 24 ausgesteuert, der außerdem einen Horizontal-Ablenkgenerator 26 treibt, der seinerseits mit den Horizontal-Ablenkplatten der Kathodenstrahlröhre 22 gekoppelt ist.

Das Ergebnis der von dem Empfänger 18 und dem Horizontal-Ablenkgenerator 26 empfangenen Signale wird in einem Bild 28 auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 22 sichtbar gemacht. Dieses Bild gibt die empfangene Energie in Form von dem Initialimpuls entsprechenden Nadeln wieder. Außerdem werden Nadeln angezeigt, die etwaige Fehler und die Reflexionen von dem zu prüfenden Material anzeigen. Die Ankunftszeit der Nadeln steht im Verhältnis zur Dicke des untersuchten Materials. Eine räumliche Verschiebung in der Ankunftszeit des von dem Empfänger aufgenommenen Signals zeigt an, daß ein Riß oder Fehler in dem Material vorliegt.

In einigen Fällen g'bt das Schirmbild der Kathoden-

strahlröhre 22 die rückkehrende Energie als Maßstab für die Zeit wieder, die die Ultraschallenergie benötigt, um von dem Sendewandler 16 zu dem Empfangswandler 15 zu gelangen. Besteht ein Riß oder Fehler in dem Material, so nimmt die Laufzeit in Abhängigkeit vom Fehlertyp zu oder ab. Auch Schwankungen in der Dikke des Werkstücks lassen sich als Änderung der Laufzeit der Ultraschallenergie feststellen, wobei die Lage der Impulsnadel auf dem Oszilloskop relativ zu einer Bezugsmarke ein Maß für die Dicke des Werkstücks ist.

In F i g. 2 ist ein Doppelwandler für die Untersuchungseinheit 14 dargestellt. In dieser Kombination ist der Empfangswandler 15 direkt oben auf dem Sendewandler 16 angeordnet. Die Empfangswandler-Anordnung 15 ist Gegenstand des Hauptpatents 20 30 952. Der Wandler 15 der Untersuchungseinheit 14 umfaßt ein Gehäuse 40 mit einem darin angeordneten Einsatz 42. Das Wandlergehäuse 40 kann zylindrisch geformt sein. Der Einsatz 42 kann aus elektrisch und akustisch nichtleitendem Material wie etwa Kunststoff, Epoxyharz od. dgl. bestehen. Der Einsatz 42 weist einen (am besten aus F i g. 6 und 8 ersichtlichen) zylindrischen erhabenen Abschnitt 44 auf, der von dem Einsatz 42 generell auf das Werkstück 32 ragt.

In dem Einsatz 42 ist ein U-förmiges Bauelement 46 eingebettet, das zwei außenliegende Stifte 46 und 48 bildet. In dem Einsatz 42 kann ein Paar von Kontaktanschlüssen 50 und 52 (s. F i g. 6) angeordnet sein, die durch eine Öffnung an der Oberseite des Gehäuses 40 herausgeführt sind und dazu dienen, die elektrische Energie von dem Empfangswandler 15 der Untersuchungseinheit 14 abzuleiten. Ein Wandlerelement 49 in Form eines piezoelektrischen Kristalls ist auf die in F i g. 4 gezeigte Weise mittels eines Paares von elastischen Elementen 56 und 58 federnd an den Stiften 46, 48,50 und 52 montiert.

Bei dieser Art der Montage des Wandlerelementes 49 an dem Einsatz 42 besteht das in F i g. 7 gezeigte Befestigungselement 56 aus elastischem Material wie etwa Gummi. In den beiden Enden dieses Elements sind zwei Löcher 60 und 61 vorgesehen. Das Element ist im wesentlichen länglich und hat einen Schlitz 66. Eines der beiden Elemente 56 erstreckt sich zwischen den Kontaktstiften 50 und 52, wobei das Loch 60 an dem Stift 52 und das Loch 61 an dem Stift 50 befestigt ist.

Das Wandlerelement 49 ist in den Schlitz 66 des elastischen Elementes 56 eingesetzt. Das elastische Element 58 ist in gleicher Weise mit dem Wandlerelement 49 verbunden und quer zu diesem in der anderen Richtung zwischen den Stiften 46 und 48 gespannt. Diese Art der Befestigung vermittelt völlige Bewegungsfreiheit des Wandlerelementes 49.

In F i g. 5 ist eine Reflektorplatte 62 gezeigt, die an den Stiften 46 und 48 befestigt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Reflektorplatte in ihrer Größe kleiner gezeigt als das Wandlerelement 49. In F i g. 8 ist eine in gewissem Maße schematische Darstellung der relativen Lage des Einsatzes 42, der erhabenen reflektierenden Fläche 44, des Kristallwandlers 49 und des Reflektors 62 wiedergegeben. Wie dem Fachmann bekannt, neigt das Wandlerelement 49 bei Erregung mit elektrischer Energie zu Dickenschwingungen. Dabei biegt es sich beispielsweise längs seiner Mittelachse. Bekanntlich bleiben bei dieser Biegung zwei Stellen, die im folgenden als Knotenpunkte bezeichnet werden, stationär.

Diese Punkte sind in F i g. 8 mit 76 und 78 bezeichnet.

Von der Wandler-Untersuchungseinheit 14 empfangene Ultraschallenergie breitet sich insbesondere bei niedrigen Frequenzen im Bereich um 25 Kilohertz in einer verhältnismäßig breiten Keule aus. Es ist zweckmäßig, den Druck dieser Ultraschallenergie auf die Wandlerkristalle 49 und insbesondere auf den Bereich zwischen den Knotenpunkten 76 und 78 zu konzentrieren. Dazu wird eine Einschränkung auf den Bereich zwischen dem Wandlerkristall 49 und der erhabenen Fläche 44 dadurch bewirkt, daß der Abstand dazwischen verhältnismäßig kleiner ist. Ultraschallenergie, die an sich nicht wirksam auf den Kristallwandler auftrifft, wird von der Reflexionsfläche 80 des Einsatzes 42 reflektiert und zwangsläufig in den beschränkten Bereich 82 geleitet, wodurch ein höherer Druck auf den Wandlerkristall 49 erzeugt und bewirkt wird, daß dessen Schwingungen zunehmen und dadurch die von dem Wandler aufgenommene Energie ansteigt.

Bekanntlich hängt die Resonanzfrequenz eines Kristalls von seiner Raumform ab. Ein Kristall mit einer Länge von ³/e Zoll (6,5 mm), die in F i g. 8 als eine Wellenlänge λ bezeichnet ist, hat beispielsweise eine Resonanzfrequenz bei 25 Kilohertz. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat der Reflektor 62 von der reflektierenden Fläche 80 einen Abstand von einer halben Wellenlänge oder λ/2. Beim Betrieb ist es zweckmäßig, stehende Wellen von der Oberfläche des Werkstücks 17 so klein wie möglich zu machen. Um solche stehenden Wellen zu eliminieren, löschen die von dem Reflektor 62 reflektierten Signale sämtliche Reflexionen von der Fläche 80 aus, da sie auf Grund des λ/2-Abstandes um 180° phasenverschoben sind. Die ausgelöschten Signale treffen dann nicht auf den Kristall 49, und die einzigen von dem Kristall 49 aufgenommenen Signale sind diejenigen, die direkt von dem Sendewandler kommen.

Gemäß F i g. 2 ist der oben beschriebene Empfangswandler 15 innerhalb eines äußeren Gestells 86 angeordnet. Nahe der Unterseite dieses Außengestells 86 befindet sich der Sendewandler 16. Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform umfaßt dieser Sendewandler einen in dem Gestell 86 befindlichen Einsatz 87 mit einem hohlzylindrischen Abschnitt 88, in dem ein hohler Schaft 89 verläuft. Der Abschnitt 89 weist eine Öffnung 90 auf, die in denjenigen Teil führt, der mit dem Wandler 15 in Verbindung steht. Um den herausragenden Schaft 89 ist eine Drahtspule 91 gewickelt. Die Zuführungsdrähte dieser Spule führen durch die Oberseite der Untersuchungseinheit 14 und sind mit dem Sender 12 verbunden. Die Drahtspule 91 ist normal in geeigneter Weise innerhalb des Gehäuses 88, beispielsweise durch Einbetten der Spule in Epoxyharz, befestigt.

Beim Betrieb erzeugt die Spule 91 des Sendewandlers 16 in dem Werkstück 32 ein Wirbelstromfeld, das durch die Öffnung 90 hindurch von dem Empfangswandler 15 ermittelt wird. Ein Grundvorteil dieser Untersuchungseinheit besteht darin, daß Sende- und Empfangswandler nicht in innigem Kontakt mit dem Werkstück 32 zu stehen brauchen, um die notwendigen Schwingungen zu erzeugen, die von dem Empfangswandler 15 aufgenommen werden sollen.

F i g. 9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem Sendewandler 16 und Empfangswandler 15 seitlich nebeneinander angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Wandler durch das Gestell 86 in einem festen Abstand voneinander angeordnet. Infolgedessen kommen die von dem Sendewandler 16 ausgehenden Schwingungen an dem Empfangswandler 15 nach einer festen Zeit an, die von den Eigenschaften

des Werkstücks 32 abhängt. Risse, Hohlräume oder sonstige Unregelmäßigkeiten ändern die Ankunftszeit und werden entsprechend auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 22 angezeigt.

Die hierin beschriebenen Untersuchungseinheiten haben einen grundsätzlichen Vorteil insofern, als sie nach einem in gewisser Weise einzigartigen Prinzip arbeiten. Die Empfangs- und Sendewandler der Untersuchungseinheit sind nicht vollständig davon abhängig, daß die Ultraschallenergie durch das Material und auf den zweiten Wandler zurückgeführt wird, wie dies bei den Geräten nach dem Stand der Technik der Fall ist. Die erfindungsgemäßen speziellen Untersuchungseinheiten 14 arbeiten ausschließlich mit der räumlichen Schwingung des Werkstücks, wobei Änderungen im Schwingungsmodus festgestellt werden. Ein nach diesen Prinzipien arbeitendes Material-Prüfgerät eignet sich vorzüglich zur Verwendung bei Material mit Zellenstruktur, insbesondere bei Brett- oder Sperrholzstrukturen. Änderungen in der Dichte des Materials, die eine Änderung der räumlichen Schwingungen bewirken, werden dabei auf den Empfangswandler 15 reflektiert.

Ein weiteres Beispiel für die Verwendbarkeit des vorliegenden Wandlers besteht in einigen Materialien mit Zellenstruktur und definierten Eigenschaften. Zu diesen Struktureigenschaften gehören Ränder an der vertikalen Struktur, die alle in der gleichen Richtung weisen. Dabei ist es gelegentlich erwünscht, die genaue Richtung dieser Ränder innerhalb der Zellenstruktur zu erfahren. Befinden sich der Empfangswandler 15 und der Sendewandler 16 in Fluchtung mit diesen Rändern, so ist in dem Ausgangssignalverlauf ein definiertes Signal zu erkennen. Wird die Untersuchungseinheit 14 in eine zweite Richtung gebracht, so zeigt sich in dem Signalverlauf eine Änderung. Auf diese Weise läßt sich die Richtung dieser Ränder innerhalb der Zellenstruktur leicht bestimmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Untersuchungseinheit, bei welcher in einem Gehäuse ein elektroakustischer Empfangswandler und eine sich auf der vom Untersuchungsgegenstand abgewandten Seite des Wandlers befindliche reflektierende Fläche angeordnet sind, die reflektierende Fläche eine vorspringende Teilfläche aufweist, der gegenüber der elektroakustische Wandler angeordnet ist, und in dem Gehäuse in bestimmtem Abstand von der dem Untersuchungsgegenstand zugewandten Seite des Wandlers ein weiterer Reflektor angeordnet ist, nach Patent 2030952, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Empfangswandler (15) im gleichen Gehäuse (86) montierte Sendewandler (16) die Schaltimpulse durch Wirbelströme in den Untersuchungsgegenstand einkoppelt.

2. Untersuchungseinheit mit einer Schaltung (22, 24) zur Bestimmung der jeweiligen Laufzeit der Signale vom Sende- zum Empfangswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wandler (15,16) in festem Abstand zueinander angeordnet sind.

3. Untersuchungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangswandler (15) über dem Sendewandler (16) angeordnet und durch eine den Sendewandler durchsetzende Öffnung (90) mit dem Untersuchungsgegenstand gekoppelt ist.