DE2065689C2 - Ultraschall-Untersuchungseinheit - Google Patents
Ultraschall-UntersuchungseinheitInfo
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Description
35
Das Hauptpatent 20 30 952 betriift 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 elektroaküstische Wandler angeordnet ist, und in dem Gehäuse
in bestimmtem Abstand von der dem Untersuchungsgegenstand zugewandten Seite des Wandlers ein weite-
rer 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 jo
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 ver-
einigt, 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 6s
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 Laüfzeitmethode 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,
Fig.3 eine Unteransicht des Sendewandlers im
Schnitt längs der Linie 3-3 der F i g. 2,
F i g. 4 eine Unteransicht des luftgekoppelten Wandlers der Untersuchungseinheit in einem Schnitt längs
der Linie 4-4 der F i g. 2,
Fig.5 einen Schnitt durch den luftgekoppelten
Wandler der Untersuchungseinheit längs dur Linie 5-5 der F i g. 2,
Fig.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,
Fig.8 eine halbschematische Darstellung der Elemente der Untersuchungseinheit nach F i g. 2 und
Fig.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, wobei aus diesen Impulsen ein ähnliches elektrisches Signal 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
strahlröhre 22 die rückkehrende Energie als Maßstab ff?<r die Zeit wieder, die die Ultraschallenergie benötigt,
um von dem-Sendewandler 16 zu dem Empfangswandler 15 zu gelangen. Besteht ein Riß oder Fe iler in dem
Material, so nimmt die Laufzeit in Abhängigkeit vom
Fehlertyp zu oder ab. Auch Schwankur gen in der Diklce
des Werkstücks lassen sich als Änderung der Laufzeit der Ultraschallenergie feststellen, wobei die Lage
der Impulsnadel auf dem Oszilloskop relativ zu einer Bezugsmarke un Maß für die Dicke des Werkstücks ist.
In Fig-2 ist ein Doppelwandler für die Untersuchungseinheit
14 dargestellt In dieser Kombination ist der Empfangswandler J5 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 Fig.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 Ultracchallenergie auf die WamMerkristaüe 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 Waiidlerkristall 49 erzeugt und bewirkt wird, daß dessen Schwingungen zunehmen und dadurch die von dem Wandler aufgenommene Energie ansteigt
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 Ultracchallenergie auf die WamMerkristaüe 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 Waiidlerkristall 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 Vs 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 Empfangswcndler
15 aufgenommen werden sollen.
F i g. 9 zeigt ein alternatives Ausfuhrungsbeispiel, 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
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
ίο 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)
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 elektroaküstische
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 (IS) 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 ge-
koppelt ist.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US84619169A | 1969-07-30 | 1969-07-30 | |
US84619169 | 1969-07-30 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2065689A1 DE2065689A1 (de) | 1975-05-28 |
DE2065689B1 DE2065689B1 (de) | 1975-05-28 |
DE2065689C2 true DE2065689C2 (de) | 1976-01-15 |
Family
ID=
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