DE2242453C3 - Vorrichtung zur Ultraschall-Echodefektoskopie von Prüflingen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung /ur Ultraschall-Echodefektoskopie von Prüfungen mit einem Arbeitswandler zur Umwandlung von elektrischen in mechanische Schwingungen und umgekehrt, der die Ultraschallschwingungcn durch eine Zwi- «chenschicht aus Kontaktmedium auf und in den Prüfling ausstrahlt und die vom Prüfling reflektierten Schwingungen empfangt, bei der der Abstand des Prüflings vom Arbeitswandler bei der Prüfung konstant gelialten wird.

Beim Betrieb solcher Vorrichtungen kommt es dann, wenn oberflächenparallele Fehlerstellen im Prüfling festgestellt werden sollen, darauf an. den Ultraschall-Itrahl normal zur Oberfläche des Prüflings auftreffen tu lassen.

Um den Einfall des Ullraschallslrahles in den Prüfling normal /u dessen Oberfläche sicherzustellen, müssen zum Einsatz der bekannten Vorrichtung die Prüflinge einer Vorbearbeitung unterzogen werden, indem einzelne Oberfläehenieile flach gemacht werden. Die Notwendigkeit dieser Vorbearbeitung erhöht nicht nur <len Arbeitsaufwand, sondern erfordert außer der norftialcn Bearbeitungszugabe bei den Prüflingen, z. B. Gelenkschmiedestücken, noch eine zusätzliche Zugabe, wobei der Abfall von kostspieligen Werkstoffen erhöht Wird. -

Die erwähnte Vorbearbeitung soll eine hohe Oberflächengüte ergeben und erfordert Spezialwerkzeug- ⁽>° maschinen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ultraschall-Echodefektoskopie von oberflächenparallelen Fehlerstellen im Prüfling zu entwikkeln. deren Einsatz die beschriebenen Vorbereitungsar- ^ft5 beiten nicht erfordert und die keine hohen Anforderungen an dii" Oberflächengüte der Prüflinge stellt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen An. erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein System /ur Orientierung der Feldachse des Arbeitswandiers in der Normalenrichtung zur Prüflingsoberfläche vorgesehen ist das aus aufeinander abgestimmten Nachführungsuitraschallempfängcrn gebildet ist, die unbeweglich und symmetrisch bezüglich der Feldachse des Arbeitswandiers zur gemeinsamen Verschiebung mit dem Arbeitswandler angeordnet und an eine Schaltung zum Vergleich ihrer Ausgangssignale angeschlossen sind. und dab diese Vergleichsschaltung mit einem Stellmechariismus zur Drehung des Arbeitswandiers verbunden ist, der beim Eintreffen eines Verstimmungssignals von der Vergleichsschaltung so in Betrieb gesetzt wird. daß dieses Signal zum Verschwinden gebracht wird.

Es ist zwar eine Einrichtung zur mittigen Ausrichtung einer Prüfsonde auf die Schweißnaht eines zu prüfenden Metallrohres bekannt, bei dem die in der Schweißnaht andersartigen magnetischen Eigenschaften des Materials, z. B. die andersartige Permeabilität des Nahtwerkstoffs, durch symmetrisch angeordnete Reluktanzdeiektoren verfolgt werden. Demgegenüber gehl es jedoch beim vorliegenden Anmcldungsgegenstand schon aufgabenmäßig um etwas anderes, nämlich die Orientierung der Feldachse des Arbeitswandiers normal zur Prüflingsoberfläche, ohne daß hierzu irgendwelche Inhomogenitäten der Prüflingsfläche Vor aussetzung wären. Außerdem isi bei der bekannten Ausbildung auch kein Sender vorhanden, dessen reflektierte Strahlung weiterverarbeitet würde, so daß diese sich auch lösungsmäßig erheblich von der vorliegenden Erfindung unterscheidet.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung gelingt es, die Feldachse des Arbeitswandiers während des Betriebs der Vorrichtung zuverlässig in der gewünschten Orientierung zur Oberfläche des Prüflings unabhängig von dessen Form zu halten.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung weiter erläutert. Diese zeigt ein elektromechanisches Blockschaltbild des Systems zur Orientierung der Feldachse des piezoelektrischen Arbeitswandiers.

Die Einrichtung zur Ultraschall-Echodefektoskopie enthält ein Ultraschall-Echodefektoskop 1. ein System zur Orientierung der Feldachse des zum Echodefektoskop 1 gehörenden piezoelektrischen Arbeitswandiers

2 in der Normalenrichtung zur Oberfläche des Prüflings

3 sowie ein System zur Konstanthaltung des Abstandes der Strahlungsfläche des Wandlers 2 von dem Punkt, in dem die Ultraschallschwingungen in den Prüfling 3 eingestrahlt werden.

Das Echodefektoskop selbst kann von einer bekannten Bauart sein, bei dem an Stelle des herkömmlichen Fehlersuchkopfcs ein besonders gebauter Fehlersuchkopf verwendet wird, der die Verfolgung der Achsenlage des Wandlerfeldes in bezug auf die Normale zur Prüflingsoberfläche ermöglicht.

Ein derartiges übliches Echodefektoskop umfaßt folgende, in den Abbildungen nicht gezeigte Baugruppen: einen elektrischen Impulsgenerator zur Erregung des piezoelektrischen Wandlers, der zur Schwingungsausstrahlung elektrische Schwingungen in elastische und beim Empfang elastische Schwingungen in elektrische unwandelt, einen Taktgeber, einen Ablenkgenerator, einen Verstärker und ein Anzeigegerät.

Der speziell aufgebaute Fehlersuchkopf 4 enthält einen piezoelektrischen Arbeiiswandler 2 und zwei zusätzliche piezoelektrische Nachführungsultraschall-

finplänger 5 und 6 gleicher Bauart, die im Gehäuse des Fehlersuchkopfes 4 unbeweglich und symmetrisch in bezug auf die Feldachse der Ultraschaibtrahlung des Arbeitswandlers 2 eingebaut sind.

Der Wandler 2 ist zur Umwandlung von elektrischen Schwingungen in elastische und umgekehrt bestimmt und dient als Strahler der Prüfimpulse sowie als Empfanger der reflektierten Impulse.

Die Nachführungs-Ultrasehallempfänger 5 und 6 dienen nur zum Empfang von Ultraschallschwingung^!, die von der Oberfläche des Prüflings 3 reflektiert werden.

Das System zur Orientierung de;· Feldachse des

Wandlers 2 in der Normalenrichtung zur Oberfläche des Prüflings 3 enthält die Empfänger 5 und 6 mit Verstärkern 7 und 8, die ihre Ausgangssignale verstärken und an eine aus Potentiometern 9 und 10 bestehende Vergleichsschaltung angeschlossen sind. Der Ausgang der Vergleichsschaltung ist über einen phasenempfindlichen Verstärker H mit dem Steuerstromkreis eines Umkehrmotors 12 verbunden. Von den Ausgängen der Verstärker 7 und 8 werden Gleichspannungen abgenommen, deren Größen den Amplituden der von den Empfängern 5 und 6 empfangenen Ultraschallschwingungen proportional sind. Diese entgegengesetzt gepolten Spannungen gelangen /u den Potentiometern und 10, die in Reihe geschaltet sind, wobei ihre parallel verbundenen Schleifer 13 an den Eingang des erwähnten phasenempfindlichen Verstärkers 11 angeschlossen sind.

Das System zur Konstanthaltung der Entfernung /.wischen der Strahlungsfläche des Arbeitswandlers und dem Punkt der Ultraschallfeldeinstrahlung in den Prüfling 3 enthält eine Triggerschaltung 14 und einen Multivibrator 15. deren Ausgänge mit den Eingängen einer Koinzidenzschaltung 16 verbunden sind, die mit ihrem Ausgang an einen Gleichrichter 17 angeschlossen ist. Der Gleichrichter 17 liegt im Steuersiromkreis eines gesteuerten Umkehrmotors 18, der den Fehlersuchkopf 4 längs der Feldachse der UHrasehallstrahlung verschiebt.

Die Eingänge der Triggerschaltung 14 und des Multivibrators 15 sind an den Ausgang des Taktgebers des Echodefektoskops 1 angsehlossen, an dessen Ausgang eine mit der Triggerschaltung 14 verbundene Einheit 19 zur Unterdrückung des Tastimpulses vorgesehen ist.

Der Betrieb der beschriebenen Vorrichtung verläuft

wie folgt:

Der Fehlersuchkopf 4 wird in die Ausgangslage gebracht, bei der die Strahlungsachse des Arbeitswandlers 2 senkrecht zu einer flachen Oberfläche des Prüflings 3 steht, wobei die Schleifer der Potentiometer und 10 so eingestellt werden, daß die Spannung am Ausgang des Verstärkers 11 gleich Null wird.

Der von dem Arbeitswandler 2 des Fchlcrsuchkopfes 4 ausgestrahlte Impuls wird von der Oberfläche des Prüflings 3 und von seinen inneren Defekten reflektiert, wobei der Haupt-Ultraschallstrahl »a«. der eine Information von erkannten Fehlern im Erzeugnis trägt, sowie die Seiten-Ultraschallstrahlen »£x< und »c« gebildet to werden. Die Strahlen »/*< und »c« werden infolge der Reflexion des sich erweiternden Schwingungsfeldes erzeugt.

Die Strahlen »/x< und »a< gelangen zu den piezoelektrischen Nachführungsempfängern 5 und 6, in denen sie in elektrische Signale umgewandelt werden, die weiterhin der Vergleichsschaltung zugeführt werden.

Wird der Fehlcrsuchkopf in der mit dem horizontalen Pfeil 20 angegebenen Richtung entlang der Oberfläche des Prüflings 3 verschoben, ohne seine Orientierung zu verändern, so bleibt die Ausgangsspannung des Verstärkers 11 gleich Null, solange die Oberfläche des Erzeugnisses 3 flach ist. Gelangt aber der Fehlersuchkopf an eine Stelle, wo die flache Oberfläche in eine krummlinige übergeht, so trifft an dem einen Naehführungs-Ultraschallempfänger ein Signal ein. das sich von) Signal am anderen Empfänger unterscheidet.

Infolgedessen sind auch die elektrischen Signale am Ausgang der Empfänger verschieden. Als Folge davon erscheint am Ausgang der aus den Potentiometer!! 9 und 10 bestehenden Vergleichsschaltung ein Verstimmungssignal. Je nach Größe und Vorzeichen dieses Signals entsteht am Ausgang des phasenempfindlichen Verstärkers 11 eine Spannung, deren Gröüe und Polarität von der Steilheit der krummlinigen Oberfläche und vom Vorzeichen dieser Steilheit abhängen. Diese Spannung gelangt zum Steuerstromkreis des Umkehrmotors 12, der über einen in F i g. 1 gestrichelt angedeuteten Stellmechanismus den Fehlersuchkopf, wie mit dem Pfeil 21 gezeigt ist, um den Punkt der llliraschalleinstrahlung in den Prüfling in der Ebene der Kopfverschiebung dreht, um das Verstimmungssigna! abzuschwächen und zum Verschwinden zu bringer,.

Bei der Drehung des Fehlersuchkopfes 4 und bei Annähe, ung der Feldachse des Ultraschallarbeiiswandlers 2 an die Normale zur krummlinige Oberfläche im vorgegebenen Punkt wird die Differenz der auf jeden Empfänger 5 und 6 wirkenden Signale kleiner. Bei gleichen Signalen an den Empfängern 5 und 6 fällt tue Strahlungsfeldachse des Arbeitswandlers 2 mit der Normalen zur Oberfläche des Prüflings 3 wieder zusammen. Dabei wird die Spannung am Ausgang eic. Verstärkers 11 gleich Null und die Drehung des Motors

12 hört auf.

Zur Gewährleistung von konstanten Prüiungsbedingungeri wird die Entfernung zwischen der Sirahlungsfläche des Arbeitswandlers 2 und dem Punkt der Ultra-Schalleinstrahlung in den Prüfling 3 in vorgegebenen Grenzen konstantgehalten, wobei das beschriebene Svstem zur Abstandskonstanthaltung die zeitliche Lage des von der Oberfläche des Prüflings 3 reflektierten Signals verfolgt.

Ein vom Taktgeber des Echodefektoskops 1 abgenommener Impuls läßt die Triggerschaltung 14 in einen stabilen Zustand kippen, und das vom Ausgang des Echodefektoskops abgenommene Echosignal von der Oberfläche des Prüflings 3 -« j ft nach dem Durchgang der Einheit 19 zur Tastsignalunterdrückung den Übergang der Triggerschaltung 14 in den anderen stabilen Zustand hervor. Vom Ausgang der Triggerschaltung erhält man einen rechteckigen Impuls, dessen Dauer der Ausbreitungszeit der Ultraschallschwingungen im Kontaktmedium (z. B. Wasser) für die Entfernung vom Fehlersuchkopf bis zum Einstrahlungspunkt und zurück gleich ist und folglich dem Abstand der Oberfläche des Arbeitswandlers 2 vom Punkt der Ultraschalleinstrahlung in den Prüfling 3 entspricht. Der durch denselben Taktgeberimpuls ausgelöste Multivibrator 15 formiert einen Rechteckimpuls mit gleicher Amplitude wie die des Signals von der Triggerschaltung 14, aber mit entgegengesetzter Polarität. Die impulse des Multivibrators 15 und der Triggerschaltung 14 werden tier Koinzidenzschaltung 16 zugeführt, in der sie kompensiert werden. Ändert sich aber c'er Abstand des Fehlersuchkopfes vom Einstrahlungspunkt, so erscheint am Ausgang der Koinzidenzschaltung 16 ein Differenzimpuls

der einen oder anderen Polarität. Nach dem Durchgang des Gleichrichters 17 wird dieser Impuls in eine Gleichspannung mit entsprechender Polarität umgewandelt, die zur Steuerung der Wellcndrehiing im I ^!mkchrmotor 18 benutzt wird, welcher zur Verschiebung des Fchlersuchkopfes 4 entlang seiner Achse, wie mit dem Pfeil 22 gezeigt ist, dient.

Das Resultat aus der Verschiebung des Fchlersuchkopfes längs seiner Achse und einer gleichmäßigen horizontalen Verschiebung entlang der Prüflingsobeiflä ehe sowie seiner Drehung um den Einslrahlungspunkt.

der sich längs der Pniflingsobcrflaclie bewegt, ergibt eine Hewegungshahn des Fchlersuchkoples. die ein«, /ur Prüflingsoberflächc äquidiManie Linie darstellt Dies entspricht den optimalen Prüfungsbedingungen.

Der Arbcitswandler 2 kann dabei im Gehäuse de* Fehlersuchkopfes 4 fest eingebaut werden, und dei Fehlersuchkopf 4 kann man über ein I !nterset/ungsgc triebe mit der Welle des Motors 12 fest verbinden. Dk Orientierung der Fcldachse des Wandlers 2 erfolgt da bei durch Drehung des Gehäuses des Fchlersuchkopfc¹·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zur Ultraschall-Echodefektoskopie fön Prüflingen mit einem Arbeitswandler zur Um-Wandlung von elektrischen in mechanische Schwingungen und umgekehrt, der die Uliraschallschwinfungen durch eine Zwischenschicht aus Kontakteiedium auf und in den Prüfling ausstrahlt und die »om Prüfling reflektierten Schwingungen empfangt, fcei der der Abstand des Prüflings vom Arbeitswandler bei der Prüfung konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein System zur Orientierung der Feldachse des Arbeitswandlers in der Normalenrichtung zur Prüflingsoberfläehe vorgesehen ist. das aus aufeinander abgestimmten Nachführungs-Ultraschallempfa'ngern (5, 6) gebildet ist, die unbeweglich uivl symmetrisch bezüglich der Feldachse des Arbeitswandlers (2) /ur ge-Bieinsamen Verschiebung mit dem Arbeiiswandler angeordnet und an eine Schaltung (9. 10. 13) /um Vergleich ihrer Ausgangssignale angeschlossen sind, und daß diese Vergleichsschaltung mit einem Stellmechanismus zur Drehung des Arbeiiswandlers verbunden ist, der beim Eintreffen eines Vcrstimmungssignals von der Vergleichsschaltung so in Bc trieb gesetzt wird, daß dieses Signal /um Verschwinden gebracht wird.