DE2424658B2 - Ultraschall-Prüfvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Prüfvorrichtung zum Feststellen von in einem Volumen eines zu untersuchenden, insbesondere metallischen, Werkstükkes vorhandenen Einschlüssen durch Auswerten von Reflexionen von impulsförmig in das Volumen abgestrahlter Ultraschallenergie, mit einem bewegbaren, an ein Sende-Empfangs-Gerät angeschlossenen Prüfkopf, dessen Vorschubgeschwindigkeit zur Folgefrequenz der abgestrahlten Ultraschallimpulse in Relation steht, mit mehreren einander parallelgeschalteten Impulszählern, die mit Hilfe von Schwellwertschaltungen auf unterschiedliche Amplituden ansprechen, und mit einer durch das Sende-Empfangs-Gerät synchronisierten Zeittorschaltung zur Tief enausblendung.

Eine Ultraschall-Prüfvorrichtung dieser Art ist aus der US-PS 34 81 186 bekannt. Wie bei gängigen Ultraschall-Prüfvorrichtungen wird auch bei ihr innerhalb eines zu erfassenden Bereiches nur das stärkste aller erfaßbaren Echosignale ausgewertet.

Aus der US-PS 29 44 667 ist ein Oberflächen-Prüfgerät mit Klassiereinrichtung in Form mehrerer einem Impulsgeber nachgeschalteter und untereinander parallelgeschalteter, aber mit unterschiedlichen Amplituden-Anschwellen ausgestatteter Impulszähler bekannt, wobei die Auswertung darauf beruht, eine definierte Auswahl unter den die Schwelle überragenden Impulsen bezüglich einander vorzunehmen.

Aus der US-PS 32 87 962 ist eine Ultraschall-Werkstoffprüfvorrichtung bekannt, bei der eine Teilung der Impulsfolgefrequenz nach Maßgabe der gewünschten Tiefenbereichs-Darstellung auf einer Kathodenstrahlröhre vorgesehen ist.

Nachteilig bei den allgemein gebräuchlichen Ultraschall-Werkstoffprüfvorrichtungen eingangs genannter Art mit Fehlstellen-Zählern ist insbesondere, daß sie bei einer jeweils gegebenen Position des Prüfkopfes auch dann, wenn mehrere Fehlstellen im Ausbreitungsweg der Ultraschallenergie liegen, nur auf das eine Echosignal ansprechen, das der stärksten, aufgrund Überschreitung der vorgegebenen Amplitudenschwelle erfaßten, Fehlstelle entspricht. Dadurch bleiben die weiteren Echosignale von allen anderen Fehlstellen, die im Zuge der Ausbreitung der Ultraschallwelle erfaßt werden, ohne Einfluß auf das Zählergebnis und damit auf die Prüfgeräte-Aussage über die Werkstoffqualität. Die Anzahl der tatsächlich vorhandenen Fehlstellen kann also sehr viel größer sein, als die Anzahl der aufaddierten Fehlstellen.

Während dennoch diese vorbekannten und umfangreich eingesetzten Werkstoff-Prüf vorrichtungen gattungsgemäßer Art durchaus ihre Berechtigung haben,

ίο nämlich zur Kontrolle darauf, ob überhaupt Fehlstellen in einer interessierenden Werkstück-Region vorhanden sind, liegt der Erfindung im wesentlichen die Erkenntnis zugrunde, daß die damit gewinnbare Information sich zur Beantwortung der weitergehenden Fragestellung

r> der metallurgischen Qualität des Werkstückes insgesamt nicht eignet, weil hierfür ein Zählergebnis nicht aussagekräfitg ist, das sieb nach Maßgabe nur der jeweils einen Echoinformation in bezug auf eine vorgegebene Ansprechschwelle einstellt. So hat sich

2» dann auch gezeigt, daß vielfältig unternommene Versuche, aus einer Anwendung und Modifikation der gebräuchlichen Fehlstellen-Werkstoffprüfgeräte über eine Abschätzung der Fehlstellenanzahl zu einer reproduzierbaren und durch metallografische Untersu-

>■> chungen bestätigbare Aussage über die Werkstoffeigenschaften zu gelangen, wider Erwarten nicht zu aussichtsreichen Ergebnissen führten.

Demgemäß üegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Prüfvorrichtung eingangs genann-

Ki ter Art derart auszugestalten, daß über die mittels Zählschaltungen durchführbare Auswertung von Echoinformationen aus einem erfaßten Volumen eines zu untersuchenden Werkstückes eine reproduzierbare Information über die Werkstückeigenschaften aufgrund

r> der tatsächlich im Werkstück enthaltenen Einschlüsse mit herkömmlichen Ultraschall-Testgerätcn gewinnbar wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß alle Impulszähler direkt an das Empfangs-Gerät

4» und gemeinsam an das Zeittor angeschlossen sind, welches mit einem einstellbaren Freuqenzteiler zusammengeschaltet ist, dessen Teilerfaktor die Prüfpunktdichte bestimmt.
Obwohl es einerseits bei Ultraschall-Prüfvorrichtun-

4^r> gen der gattungsgemäßen Art generell üblich ist, eine mehr oder weniger drastische Beschränkung hinsichtlich der Auswertung verfügbarer Echoinformationen vorzunehmen, um reproduzierbare Auswerteergebnisse zu erzielen, und andererseits Versuche, solche Prüfvor-

^r>» richtungen über die Fehlstellenprüfung hinaus auch zur Werkstoffanalyse einzusetzen, sich als Fehlschläge erwiesen, haben kristallografische Vergleichsuntersuchungen überraschenderweise ergeben, daß mit der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung, also unter Abkehr

>"> von der bisherigen Beschränkung in der Echoimpuls-Auswertung, tatsächlich qualitative und auch reproduzierbare Aussagen über die Werkstoffqualität in metallurgischer Hinsicht erzielbar sind.
Von besonderem anwendungsorientiertem Vorteil ist

w) bei dieser erfindungsgemäßen Lösung auch, daß für die Erzeugung der abzustahlenden Ultraschallimpulse und für deren Lokalisierung in bezug auf das zu untersuchende Volumen auf handelsübliche Geräte der Ultraschall-Prüftechnik zurückgegriffen werden kann, ohne beson-

"■> dere schaltungstechnische Modifikationen vornehmen zu müssen. Es wird vielmehr lediglich ein Frequenzteiler für die Teilung der Impulsfolgefrequenz eines Ultraschall-Generators mit einem Zeittor zusammengeschal-

tet, über das das Zeitintervall entsprechend der für die momentane Untersuchung interessierende BeschalivLigstiefe eingestellt wird, wofür das Zeittor vom Frequenzteiler über Steuerimpulse getriggert und zugleich die Parallelschaltung der Impulszähler freigegeben wird. Es können aber auch interessierende Beschallungstiefen mittels des Zeittors eingestellt werden, um gemäß dieser Einstellung eine Frequenzteilung vorzunehmen, unter Berücksichtigung der gegebe nen Vorschubgeschwindigkeit des Prüfkopfes hinsichtlich der Steueiänpuls-Folgefrequenz zur Freigabe der Impulszähler. In jedem Falle ist es möglich, die Anzahl der tatsächlich im interessierenden Volumen enthaltenen Fehlstellen über die Zähler-Parallelschaltung praktisch beliebig genau zu erfassen, indem auf die Folgedichte der Prüfpunkte längs des Prüfkopf-Weges bei der Werkstück-Untersuchung Einfluß genommen wird.

Zur näheren Erläuterung des Wesens und der Vorteile der Erfindung wird auf nachstehende Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche dargestellten Ausführungsbeispiele zur erfindungsgemäßen Lösung verwiesen. Die Zeichnung zeigt dabei nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Teile nach Art eines Blockschaltbildes.

In einem mit Wasser gefüllten Behälter 1 ist ein zu untersuchendes Werkstück 2 eingetaucht, bei dem es sich beispielsweise um einen prismatischen Stahlbarren handelt.

Ein als Schallstrahler und -empfänger dienender Tastkopf 3 wird mit gegebener Vorschubgeschwindigkeit entlang einem gegebenen Abtastweg 4, der beispielsweise die Form einer Rechteckschwingung hat, über das Werkstück 2 verschoben. Der Kopf 3, der vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 50 mm/sec weiterbewegt wird, ist an ein Sende-Empfangs-Gerät 5 für Ultraschall angeschlossen, der mit einer vorgegebenen Frequenz abgestrahlt wird und dessen Impulsfolgefrequenz beispielsweise 400 Hz beträgt. Der Prüfkopf 3 wird so angesteuert, damit der Brennpunkt des von ihm abgestrahlten Ultraschall-Strahlenbündels auf der Längsachse des Werkstückes 2 liegt. Im Zuge ihres Durchganges durch das Werkstück 2 trifft die Ultraschall-Energie z. B. auf Oberflächen des Werkstükkes 2 und auf Einschlüsse im Werkstück-Material. Diese Stellen beeinflussen die Ausbreitung des Ultraschalles und sind Ursache für Reflexionen oder Echos, die sämtlich in Form von Impulsen oder elektrischen Signalen vom Empfänger-Teil des Sende-Empfangs-Gerätes 5 aufgenommen werden und z. B. ein Video-Signal ergeben, das auf einem Oszilloskop 6 erscheint. Diese elektrischen Signale sind ferner insgesamt auf jeden einzelnen von drei Impulszählern 7, 8 und 9 geschaltet, die jeder mit einer unterschiedlichen Ansprech- und Wirksamkeitsschwelle ausgestattet sind. Anders ausgedrückt ist jeder der Impulszähler 7,8 und 9 auf eine vorgegebene Ansprechschwelle eingestellt, die für ihn typisch ist, und er erhält die Gesamtheit aller Impulse, die von den Ultraschall-Reflexionen herrühren.

Das Sende-Empfangs-Gerät 5 ist an einen Frequenzteiler 10 angeschlossen, der die Impulsfolgefrequenz gemäß einem vorgegebenen Faktor teilt, der ein Bruchteil der Impulsfolgefrequenz ist. Wenn also beispielsweise der Frequenzteiler um den Faktor 16 teilt, während die Impulsfolgefrequenz des Sende-Empfangs-Gerätes 5 400 Hz beträgt, dann werden auf diese Weise 25 Steuerimpulse pro Sekunde erhalten, was einem Steuerimpuls pro 2 mm Vorschub des Prüfkopfes 3 entspricht, wenn die Vorschubgeschwindigkeit oder Fortbewegungsgeschwindigkeit des Kopfes 50 mm je Sekunde beträgt. Dieser Frequenzteiler 10 speist sonach ein periodisches Signal in ein Zeittor 11 ein und bewirkt Steuerimpulse, die die Impulszähler 7,8 und 9 jeweils für eine vorgegebene Zeitspanne freigeben. Die Impulszähler 7, 8 und 9 können also nur so lange Impulse zählen, wie sie, entsprechend einer interessierenden Beschallungstiefe, freigegeben sind.

ίο Daraus folgt, daß es mittels des Frequenzteilers 10 möglich ist die Anzahl der Beschallungen je vorgegebene Vorschubstrecke des Prüfkopfes 3 zu beeinflussen, also die Prüfpunktdichte zu verändern, während die Einstellung des Zeittores 11 es ermöglicht, die wirksame

ι ■> Beschallungstiefe zu verändern, die somit auch auf einen Teil der Materialstärke des Werkstückes 2 beschränkt sein kann.

Die Impulszähler 7, 8 und 9 sind ferner auf unterschiedliche Ansprechschwellen eingestellt So ist

Jd z. B. Impulszähler 7 auf die niedrigste Ansprechschwelle eingestellt; d. h., dieser Impulszähler 7 summiert sämtliche Signale auf, deren Amplituden den Wert dieser niedrigsten Ansprechschwelle überschreitet, die vorzugsweise so gewählt ist, daß sie den kleinsten bei

r, der Auszählung der berücksichtigenden Fehlstellen entspricht Dieser Impulszähler 7 erfaßt also alle Fehlstellen, die kleinsten, die mittleren und die größten. Der Impulszähler 8 ist demgegenüber auf eine höhere Ansprechschwelle eingestellt und summiert alle Signale

in auf, deren Amplitude einen mittleren Wert überschreitet, der so gewählt ist, daß er Fehlstellen mittlerer Größe entspricht, die erfaßt werden sollen. Auf diese Weise summiert der Impulszähler 8 die mittleren und die größeren Fehlstellen auf. Der dritte Impulszähler 9

π ist auf eine noch höhere Ansprechschwelle eingestellt und summiert allein diejenigen Signale auf. deren Amplitude einen Wert überschreitet, der so gewählt ist, daß er den größten Fehlstellen im Werkstück 2 entspricht. Durch Differenzbildung zwischen den

■in unterschiedlichen Zählergebnissen, die an den drei Impulszählern 7, 8 und 9 angezeigt werden, ist es somit möglich, die Anzahl der kleineren, der mittleren und der größten Fehler zu bestimmen; d. h., mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, die Anzahl der im

η Werkstück 2 enthaltenen Fehlstellen in unterschiedlichen Größenklassen zu ermitteln.

Von besonderem Vorteil ist die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere deshalb, weil sie es ermöglicht, bei der Prüfung eines Werkstückes 2 die

Vi Fehlstellen in guter Annäherung an deren tatsächliche Anzahl zu erfassen und Annäherung an die tatsächlichen Verhältnisse im Werkstück 2 praktisch beliebig dicht zu treiben, indem die Anzahl von Impulszählern vergrößert wird. Somit wird eine Aussage über die Verteilung der

>> Fehlstellen unter Berücksichtigung ihrer Bedeutung gewonnen, die eine repräsentative Klassifizierung der Güte des Werkstückes 2 gestattet. Derselbe Fehler wird mit großer Sicherheit nicht zweimal gezählt, da die Zählerfreigabe mit dem Prüfkopf-Vorschub gekoppelt

"■■ ist

Natürlich kann die Hintereinanderschaltung des Frequenzteilers 10 und des Zeittores 11 auch in umgekehrter Reihenfolge erfolgen, ohne daß dies auf die Erfindung von Einfluß ist. Die Meß- und

. . Auswertevorrichtung kann eine größere oder geringere Anzahl an Impulszählern 7, 8, 9 aufweisen. Auf das Oszilloskop 6 kann verzichtet werden. Das Ultraschallgerät kann getrennte Sende- und Empfangsteile oder

einen gemeinsamen Sende- und Empfangsteil aufweisen. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist schließlich ganz allgemein möglich, so zum Markieren, Zählen und Klassifizieren von Einschlüssen und sonstigen Fehlstellen in einem Volumen beliebiger Art, insbesondere von inneren Fehlstellen in einem Metallteil, oder in einem Werkstück 2 aus Kunststoff oder aus anderem Material.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Ultraschall-Prüfvorrichtung zum Feststellen von in einem Volumen eines zu untersuchenden, insbesondere metallischen, Werkstückes vorhandenen Einschlüssen durch Auswerten von Reflexionen von impulsförmig in das Volumen abgestrahlter Ultraschallenergie, mit einem bewegbaren, an ein Sende-Empfangs-Gerät angeschlossenen Prüfkopf, dessen Vorschubgeschwindigkeit zur Folgefrequenz der abgestrahlten Ultraschallimpulse in Relation steht, mit mehreren einander parallelgeschalteten Impulszählern, die mit Hilfe von Schwellwertschaltungen auf unterschiedliche Amplituden ansprechen, und mit einer durch das Sende-Empfangs-Gerät synchronisierten Zeittorschaltung zur Ticfenausblendung, dadurch gekennzeichnet, daß alle Impulszähler (7, 8, 9) direkt an das Empfangs-Gerät und gemeinsam an das Zeittor (11) angeschlossen sind, welches mit einem einstellbaren Frequenzteiler (10) zusammengeschaltet ist, dessen Teilerfaktor die Prüfpunktdichte bestimmt.