DE2345155A1 - Gruppenweise umgetastetes, aus zeilenfoermig und/oder hierzu senkrechten, streifenfoermig angeordneten einzelnen schwingerelementen bestehendes ultraschall-pruefkopfsystem zur zerstoerungsfreien werkstoffpruefung - Google Patents

Gruppenweise umgetastetes, aus zeilenfoermig und/oder hierzu senkrechten, streifenfoermig angeordneten einzelnen schwingerelementen bestehendes ultraschall-pruefkopfsystem zur zerstoerungsfreien werkstoffpruefung

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DE2345155A1 DE19732345155 DE2345155A DE2345155A1 DE 2345155 A1 DE2345155 A1 DE 2345155A1 DE 19732345155 DE19732345155 DE 19732345155 DE 2345155 A DE2345155 A DE 2345155A DE 2345155 A1 DE2345155 A1 DE 2345155A1
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Description

NACHQEREICHTi
29.4.1974 IG/Rö P 23 45 155.0
Krautkrämer GmbH.
Köln-Klettenberg, Luxemburger Str. 449 Postfach 42 02 50
Gruppenweise umgetastetes, aus zellenförmig und/Oder hierzu senkrechten, streifenförmig angeordneten einzelnen Schwingerelementen bestehendes Ultraschall-Prüfkopfsystem zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.
Die Erfindung betrifft ein gruppenweise umgetastetes, aus zellenförmig und/oder hierzu senkrechten streifenförmig angeordneten einzelnen Schwingerelementen bestehendes Ultraschallprüfkopfsystem zur zerstörungsfreien Prüfung von größeren Prüflingen und auch Prüfflächen nach dem Ultraschallimpulsverfahren, wobei diese Schwingerelemente zu unterschiedlichen Zeitpunkten sowie gruppenweise erregbar sind.
Die Anmelderin hat es bereits vorgeschlagen, mehrere Schwinger zu einem Gesamtsystem zeilen- und/oder spaltenweise (streifenweise) anzuordnen und jeweils nur Gruppen von mindestens zwei Schwingern dieses Systems gleichzeitig anzuregen, wobei eine Umschaltung der Schwingergruppen taktweiee nach* einander und so erfolgt, daß während einer bestimmten Anzahl von Umschalttakten, z. B. drei Umschalttakten, einige Schwinger des Prüfkopfsystems einmal zum Senden und/oder zum Empfangen von Ultraschallimpulsen, andere Schwinger aber mehrmals einge-
aohaltet werden.
Hierdureh soll eine lückenlose Prüfung eines größeren Prüfobjektes in verbesserter Weise erreicht werden. Die zellenförmig angeordneten Schwingerelemente sind in Gruppen von gleichzeitig arbeitenden Bauteilen zusammengefasst, wobei die Gruppen aber im Rhythmus einer vorgegebenen Taktfrequenz umgetastet werden. Hiernach ist es jedenfalls bekannt, daß die Eohoanzeigen dadurch auch in positionsgerechter Lage des zugehörigen Heflektors dargestellt werden können. Diese Ausbildung wird anhand der bekannten Pig. 1, der zellenförmigen Prüfeohwingerordnung und ferner anhand der Pig. 2 erläutert, die den Aufbau eines B-Bildes (1), das ein Querschnittsbild darstellt, näher erläutert. In dem Zeilenprüfkopf 11 arbeiten jeweils drei Elemente 1, 2, usw. gleichzeitig zusammen. In Abweichung zu den bekannten Gruppen 8, 9, 10 gemäß Hauptanmeldung sind nachfolgend die Gruppen gemäfl Zusatzanmeldung mit 18, 19 ... 24, vgl. Fig. 2, bezeichnet. Im ereten Takt sendet die Gruppe 18, welche aus einzelnen Sohwingerilementen 1, 2, 3 bzw. Prüfköpfen besteht, einen Impuls aus (gestrichelt veranschaulicht), der von der Oberfläche und der Rückwand eines Objektes bzw. Prüflings 12 reflektiert und von den Schwingern der Gruppe 18 wieder empfangen wird. Verstärkt «an die Echosignale und leitet sie auf den Hellsteuereingang eine« Oszillographen, bei dem in an sich bekannter Weise eine vertikal liegende Zeitaohee alt Kippspannung erzeugt wird, so erscheint auf einem Leuchtschirm 14 je ein Bildpunkt 13 und 17t ^a die Laufzeiten zugehöriger Echos im Prüfling 12 zwangsläufig unterschiedlich sind.
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Im zweiten Takt arbeitet Gruppe 19» welche um ein Zeilenelement gegen die Gruppe 18 versetzt ist. Gleichzeitig mit dem Taktsignal wird die Zeitachse des Oszillographen vom linken leuohtschirmrand durch Anlegen einer Spannung an den x-Eingang nach rechts verschoben. In diesem Takt erfolgt dieselbe Anzeige wie beim Takt eins. Im Takt drei arbeitet die El einen tengruppe 20. Ist ein Reflektor bzw. Fehler 13 im Prüfling vorhanden, wird auf dem Leuchtschirm zusätzlich ein zugehöriger Bildpunkt 16 angezeigt, tastet mxn nun in dieser Weise die ganze Prüfkopfzeile 11 gruppenweise durch und führt man am x-Eingang des Oszillographen eine Treppenspannung mit, die bei jedem Takt um «ine Stufe erhöht wird, wo gewinnt man ein Quereohnittsbild des Objektes 12.·
Solche Darstellungen mit hoher seitlicher Auflösung (in x-Riohtung) sind für viele Anwendungsfälle der Impulseohoteohnik βehr , vorteilhaft, wenn es z. B. darauf ankommt, bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung die seitliche Ausdehnung des Reflektors bzw. Fehlers 13 zu bestimmen oder in der medizinischen Diagnostik, wenn Organe abgebildet werden sollen. Eine "hohe Auflösung11 bedeutet im vorliegenden Falle, daß das Schallbündel, da· von den Elementgruppen 18, 19, 20, 21 ... erzeugt wird, am Ort des Reflektors 13 schmäler als der Gruppensprung (Abstand der Elemente der Prüfkopfzeile bei Fortschreiten der Gruppe um ein Element pro Sprung) ist. let das Schallbündel breiter als der ' Elementabstand, so wird das Abbild 16 in seitlicher Richtung "verschmiert" dargestellt, das Abbild 16 ist aleo breiter ale der Originalreflektor 13. Das Verschmieren der Anzeige ist nicht
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naohqereicht|
nur in dem hier aufgeführten Beispiel einer B-Bilddarstellung
störend, sie erschwert auch die Bestimmung der Reflektorgröße
bei Anwendung einer elektronischen Datenerfassung (letztere
wird in der Werkstoffprüfung meist bevorzugt). Bei der elektronischen Ermittlung der Reflektorgröße wird man die Anzahl der
Prüfkopfelementgruppen auszählen, die eine Echoanzeige des Reflektors 13 liefern, mit dem Elementabstand multiplizieren und so die Reflektorgröße als direkt ausdruckbaren Wert zur Verfügung haben.
Das Problem der Schallbündelbreite und das unterschiedliche Verhalten der Relation Bündelbreite zu Gruppenbreite im Fern- und Nahfeld der Elementgruppe 18, 19, 20 ·.. wurde vorstehend angedeutet. Die Ausführungen zeigen die an sich bekannte (vgl. Literatur (2)) Tatsache, daß das Schallbündel im Nahfeldabstend
vgl. Fig. 3, eine Einschnürung 27, den "natürlichen Nahfeldfokus" eeigt. Dabei ist b die Breite der gleichzeitig angeregten Eleaentgruppe 26 und die Schallwellenlänge im Prüfobjekt 12. Um einen Reflektor im Abstand a optimal scharf abzubilden, wählt ■an die Gruppenbreite b nach obiger Formel:
b* 2
wa· iitrch entsprechendes Programmieren der Schalteinheit 54,
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heit 54, vgl. Pig. 5 der Hauptanmeldung, leioht möglich ist.
Den ungefähren Durohmesser der Bündeleinschnürung df hat Gregor mit
angegeben, unter der Voraussetzung, daß die Gruppenbreite gemäß obiger Formel optimal gewählt ist, ergibt sieh die bestenfalls erzielbare seitliche Auflösung einer solchen Schwingerzeile zu
dopt *
sie läßt sich auch bei noch so feiner Unterteilung der Schwingerzeile in kleine Einzelelemente nicht kleiner machen. Insbesondere bei größeren Entfernungen a reicht diese Auflösung für die Praxis oft nicht aus.
Die erfindungsgemäße Lehre zur Vermeidung dieser Nachteile der gruppenweise getasteten Schwingerzeile sieht vor, daß die seit liche Auflösung zumindest um ein Vielfaches verbessert wird, indem man Sohwingerelemente außerhalb einer bekannten Gruppe, wie Gruppe 26 in Fig. 3» zur "Fokussierungshilfe" heranzieht.
Im einseinen ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine oder mehrere Gruppen von Schwinger- bzw. Prüfkopfelementen als riebeneinanderliegende, mindestens eine seitliche Abstandelüoke zueinander aufweisende Untergruppen angeordnet, ausgebildet und/ oder geschaltet sind, wobei die Untergruppen jeweils oder wechselweise in Gleich- und Gegenphase eingeschaltet sind, oder
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dieses System eine folge von nebeneinanderliegenden Untergruppen ist, die jeweils ein- und ausschaltbar sind, wobei die Untergruppen im wesentlichen so gewählt bzw. angeordnet sind, daß sie das Muster eines Schnittes durch eine Presnelsche Zonenlinse ergeben bawi ihre Schallbündel im Fokuspunkt miteinander interferieren.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung als auch diese selbst werden anhand der nachfolgenden Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Pig. 4 eine Zeilenanordnung τοη Schwingerelementen und die zugehörigen zum Pokuspunkt ausgerichteten Schallbündel, schematisch in Draufsicht,
Pig. 5 ein einzeln für sich bekanntes Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Arbeitsweise gemäß einer verbesserten Ausführungsform der Erfindung,
Pig. 6 eine Anordnung des Prüfsysteme, wobei für Sender- und
Empfangerprüfkopfelemente getrennte Streifensysteme vorhanden sind,
yig. 7 eine Prüf kopf ζ eile, die zu einem streifenförmig aufgeteilten Prüfkopfelement verbreitert ist.
Si« Aue führungafor» der Erfindung für seitliche Auflösung wird nachfolgend Insbesondere anhand der Pig. K erläutert. Hier ist eine Sohwingerseile 28 dargestellt, wobei die gleichseitig erregtes. Sehwingerelemente 1, 2 usw. schwarz ausgelegt sind. Die mittlere Hauptgruppe 32 aus solchen Elementen ist identisch ■it der Gruppe 26 τοη Schwingerelementen in Pig. 3. Gemäß der
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Fresnelschen Zonenkonstruktion beruht die Erscheinung des natürlichen Nahfeldfokus darauf, daß alle Elemente der Schwingerzeile 28 innerhalb der Gruppe 32 einen positiven d. h. effektiven Beitrag zum Schalldruck in dem Fokuspunkt 29 liefern, denn die vorstehende Formel für den Nahfeldabstand sagt nichts anderes aus, als daß die Randstrahlen 30 gegenüber der Mittelachse 31 um eine halbe Schallwellenlänge länger sind. Pur Stellen rechts oder links neben Fokuspunkt 29 würden Entfernungsunterschiede über eine halbe Wellenlänge vorliegen, die zugehörigen Schwingerelemente würden also einen negativen bzw. verringernden Beitrag zum Schalldruck liefern. Verwendet man jedoch erfindungsgemäß die Schwingerelemente der Neben- bzw. Untergruppen 33 a, 33 b und 34 a, 34- b, so liefern auch diese Nebengruppen einen positiven Beitrag zum SchaMruck im Fokuspunkt Erfindungsgemäß ist die Lage dieser Elemente auf der Sohwingerzeile so berechnet, daß ihr Abstand zum Fokuspunkt folgende Werte hat:
(n = ganze Zahl).
Demtentsprechend steigt die Schallamplitude, gleichzeitig wird die Fokussierung in vorteilhafter Weise schärfer, da sich die Entfernungen in den Nebengruppen bei Verlegung dee Aufpunktee aus der Achse schneller verändern als in der Hauptgruppe 32 alleine. Die prinzipielle physikalische Wirkungeweise dieser Anordnung entspricht der der bekannten Fresnelechen Zonenlinse·
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nachträgllcl
nachträglich geändert
Die elektrische Anregung dieser Anordnung geschieht in oco über eine Steuereinheit 54, Tgl. Fig. 5· In dieser Steuereinheit ist, in einer beispielsweise hier angeführten Ausführungsform, jedem Element der Schwingerzeile 28 in Fig. 4 eine Stelle eines Schieberegisters zugeordnet. Um die Hauptgruppe 32 durch die Schwingerzeile zu schieben, wird eine Folge von vier aufeinanderfolgenden Auslöseimpulsen von dem Taktimpuls des Schieberegisters um jeweils eine Stelle weitergeschoben· Für die erfindungsgemäße Anordnung wird statt dessen nicht nur eine Vierergruppe, sondern eine Gruppe von Impulsen durchgeschoben, die für das Beispiel gem. Fig. 4 diese Folge hätte: 2 Impulse, 2 Takte Pause, 2 Impulse, 3 Takte Pause, 4 Impulse, 3 Takte Pause, 2 Impulse, 2 Takte Pause, 2 Impulse. Eine solche Impulsfolge läßt sich durch eine Anordnung, die für jede Impuls- und Pausengruppe je einen Vorwahlzähler enthält, leicht und in bekannter Weise herstellen. Zur Ermittlung dee Programms fertigt man für die gewünschte Elementgröße, Entfernung a zweckmäßig eine Skizze gem. Fig. 4 an, die Folge von schwarzen und weißen Elementen in der Zeile 28 entspricht der Folge von Impulsen und Pausen. Die zu a + χ S gehörigen Gruppengrenzen haben zur Mitte der Hauptgruppe 32 den Abstand yx =* yiaiA+i^v· Wenn a groß gegen/ ist, gilt in guter Näherung: y_tf y 2a χ,λ · Stimmt der so berechnete y -Wert nicht zufällig mit der Grenze zwischen zwei Elementen der Zeile überein, rundet man auf den notwendigen Wert auf oder ab.
Eine weitere Verbesserung läßt sich erzielen, wenn man die Sender- und Eapfangsstufen 40 bis 53 in Fig. 5 mit einer abschalt-
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baren Phasenumkehratufe versieht und mit einem zweiten, der Schaltereinheit parallel arbeitendem Schieberegistereinheit so steuert, daß letztere in den Zwischenräumen zwisolien den Nebengruppens den weißen Elementen in Fig* 4» die Phasenumkehr einschaltet, so daß statt Pause ein priasenumgekehrtes Signal gesendet und/oder empfangen wird. Die Auflösung wird durch diese Maßnahme zwar weiter verbessert^ der Nutzen wird den elektronischen Aufwand aber nur in Einsseifällen decken.
In dieses Zusammenhang ist zu feeaohtsrx, daß es nietet swa^kmäßig ist, eine möglichst hohe Auflösung dsdur-öh srr-eistisn su wollen, daß beliebig viele Neben- bsw, T/nteffgr^ppan. 33 B9 33 b übw« einprogrammiert werden sollen» W-smi ?iä©lish di© Anzahl der programmierten Nebengruppen dia juikä'i! icr Safewiagaagsn isnerhalb des Ultraschallimpulsea übersteigt t köESit" ier Sohall von >isn äußeren Nebengruppen erst an, viona s^if dem kürsestsa ¥egas vgl. Achse 31» Pig. 4, der Impuls bereite abgeklungen ist. Dann sind die Anteile nicht mehr kohärent? di® äußeren iiebeiigruppen tragen dann nicht mehr zur Verbesserung der Auflösung bei (4).
Die Erfindung ist auf diese Ausführungsform nicht eingeschränkt. Zwar wurde durch die beschriebene Ausführungsform die Auflösung in einer Dimension, z. B. in Pig» 4 in der Zeichenebene, verbessert, jedoch insofern nicht senkrecht dazu, wo die Auflösung in der Regel mangelhaft ist. Dies gilt insbesondere für Abbildung von Organschnitten in der Medizin.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dieser
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Nachteil dadurch vermieden, daß man eine Schwingerζeile, bezogen auf das Beispiel Pig. 4, senkrecht zur Zeichenebene, ebenfalls in Schwingerelemente aufteilt. Es entsteht ein Mosaik, welches in dieser Richtung ebenfalle nach dem Programm, wie anhand der Pig. 4 erläutert, zum Mittaeten herangezogen wird und den Zonenlinseneffekt ausnutzt. Allerdings würde der elektronische Aufwand im Einzelfall stark ansteigen, wenn man dieses Mosaik zur Abbildung von Objekten verwendet, die keine Konturen aufweisen, da dann dieses Mosaik von Schwingerelementen ebenfalls fein unterteilt seia süßte,
Gemäß etn&z wssitsren Ausgestaltung der Erfindung kann dieser Aufwand trheblieh verringert werden, wenn wie in Fig. 6 veraneehaulioht für Sender- und !»pfängerprüfkopfelemente getrennte Streifeaeyittffis vorgesehen w#rdta· Eier ist die au» Prüfkopfelementen bestehend· Zeile 35, in Draufsicht gesehen, ein Z«ilenechwinger, der wie die vorstehenden Zeilenschwinger arbeitet, jedooh wird hier nur der Empfängerteil umgetastet« Hierdurch wird eine hohe Auflösung in der i-Richtung erzielt. Neben dieser Zeile sind streifenförmige Senderelemente 36 a - 50 a angeordnet, die sinngemäß gleich wie bei anderen Aueführungsbeispielen, nach dem Zonenlinsenprogramm an- und abgeschaltet werden. Durch dies· Maßnahme erreicht man mit dem Senderschallbündel in der y-Äiohtung eine hohe Auflösung. Man kann also im Echobetrieb eine nahe^punktförmige Auflösung in beiden Richtungen erzielen. Ferner ist ts möglich, Sender und Empfänger auoh zu vertauschen. Eb ist zweckmäßig, das Umsehaltprogramm für die Sender- und Empfängerzeile zu koppeln, so daß die Fokus entfernung, vgl. Fig. 4,
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für beide Teile ohne weiteres die gleiche bleibt.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist aus !ig. 7 ersichtlich, wo die Prüfkopfzeile 35 zu einem streifenförmig aufgeteilten Prüfkopfelement 51 a verbreitert ist. Das ebenfalls streifenförmig aufgeteilte SenderÄlement 52 a kann auf das Element 51 a geklebt werden, und zwar so, daß sich die Streifenmuster kreuzen und zwischen den Elementen 51 a und 52 a ein Sohallkontakt besteht. Me Wirkungsweise entspricht derjenigen gemäß Fig. 5 mit dem Unterschied, daß der im Element 52 a erzeugte " Schall durch das Element 51 a hindurch in das Objökt geschallt wird. Auch hier kann man Sender und Empfänger vertauschen.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung gem. Fig. 7 liegt darin, daß man eine größere Empfindlichkeit erzielt, weil die Abstrahlfläche des Elementes 51 a, verglichen mit derjenigen von Element 351 größer ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das Schwingerelement 52 a ebenso wie das Element 51 a in Gruppen längs der Streifen umgetastet wird,so daß Element 51 a mit möglichst hoher Taktfolge umtastet, Element 52 a erst dann aber um einen Takt weitergeschaltet wird, wenn Element 51 a jeweils die ganze Zeile durchlaufen hat. Man kann auf diese Weise nicht nur eine Zeile, sondern eine Fläche abtasten und hat hier also die Möglichkeit, ein C-BiId darzustellen mit sehr hoher Auflösung sowohl in der x- wie in der y-Richtung.
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- a-
1) Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 2. Auflage, Springer-Verlag 1966. Kapitel 2.353
2) Dto Kapitel 1.8
3) Dto Kapitel 1.82
4) Dto Abbildung 1.78 mit zugehörigem Text.
5) Gregor, Vortrag auf der Frühjahrtagung der DGZfP in Remseheid, am 18./19. Mai 1971.
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Claims (6)

  1. INACHQEREIOHTi
    29=4c1974 IS/äö Krautkrämer GmbH.
    .j Gruppenweise umgetastetes* sas seilenfömig laicl/oder aisrzu senkrecht streifenförmig angeordneter, einzelnen Scliwinger-alementen bestehendes Ultraeehall-Prüfkcpfsystem ζ^r gerstös^ngafreien Prüfung von größeren Prilflingssi ©ds;? PrUfflaolies. κ ash. dem Ultraschalliapulsverfahren, wobei die SöhwlEgs^«· bgwä Brüf«- köpfe zu unterschiedliehen Ssitpaüktö?: erregbar ο weise schaltbar sind, dadurch, g3ken2V3siefeiSt? de3 oin
    3 oin
    dieser Gruppen (18, 19. 20) ?sa Ssmslngesn bsw. f kopf element en als nebeneinandei\Li«g2£as, rliaiestsES sIes liehe Abstandslücke (28 a) aufweisende fetsrgruppea (33 S5 34 &i 33 b, 34 b) angeordnet, ausgebildet oäsr gcochaltst sinäj-die in Gleich- und Gegenphaae ei?iachaltbar SiHd9 oäsr öissea Systsm eine Folge von nebeneinanderlegenden lfctei?gruppaia ist, ais Jeweils ein- und ausgeach-sltat εϊκα, weasi die Untergruppen is wesentlichen so gewählt bzw* angeorär-.at sindj deS sie das Huster eines Schnittes durch eine Freanelscfee ZonenlinBe ergeben bzv» ihre Schallbündel (30, 315 iß FöicuspiEEt C29) ffiiteiHanaer inter-» ferieren,
  2. 2. Prüfkopfsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß
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    4*4
    es eine Zeile bzw. einen Streifen mit senkrecht dazu geteiltem, getrennten Senderelement aufweist, wobei des Senderelement aus Ton abwechselnd angeregten oder nicht angeregte?! Untergruppen nach Kturfce? ·1κ,#? Son#aiiK3 a ü'js
  3. 3. Prü.fkopf*y#t«m n&oh Ineprush 2» dadurch gekennzeichnet, daß da» Zoa®mliss©Hf5U.£t*r längs dsy Senderzeil· i» langeameren Takt ala die EApfangeraltmsnts -iiirohgetaatet ist.
  4. 4. Prttfkepfßyetea n*.ok inipruah. 2 oder 3» gekenaa«ichnet durch ein· Andräaimg{ wobei Stmd'sr·' und E!spfäng«Äee#r.tc vertauscht
  5. 5. Prüf kopf® jr«$»i£ %aoh eines -i«r 'Imsprücfc© 1-4» fekennxe lohnet durek eis® Ajasrissme, ws-tei im 1-Siohtung nach Art ein·· ZonenliMtMHis-Sar«, is I-Iiclit'ing Jtfiaeh ®ia« .§···1ι1ο·β·η· öruppe ¥iv. »mr ii€ Eittle-r« Msuptgrapp® te® S«menlia*eneu*ter· erregt wir·
  6. 6. Prüf kopf· j« t#E nach ein#m äer ln»priich® 1-5» dadurch gekennieiemnet, da£ ih» ein jLuew«rt«g«rät angeechloaeen ist, durch welches in. an ei eh bekannter We i· β die positionagerechte Lage und die lnzeig«aaplitude von reflektierenden Stellen im Prüfobjekt feetfehalten und/oder angezeigt wird.
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    Leerseite
DE2345155A 1973-09-07 1973-09-07 Gruppenweise umgetastete, aus zellenförmig und/oder hierzu senkrechten, streifenförmig angeordneten einzelnen Schwingerelementen bestehendes Ultraschall-Prüfkopfsystem zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung Granted DE2345155B2 (de)

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