DE2501253C2

DE2501253C2 - Ultraschallinspektionseinrichtung

Info

Publication number: DE2501253C2
Application number: DE2501253A
Authority: DE
Inventors: Robert E. Woodland Hills Calif. McLain
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1974-01-14
Filing date: 1975-01-14
Publication date: 1986-01-23
Also published as: ES433730A1; GB1477801A; FR2258071A1; IT1026311B; SE403834B; FR2258071B1; SE7500267L; DE2501253A1; JPS50104083A; JPS5819061B2; US3982425A; CA1019434A

Description

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Impulsen wird zum Beispiel ein Kondensator mit einer der Schaltungswerte zur Erhöhung der Erregerspan-

.:■:'. Kapazität von bis zu 2400 Picofarad mit 1000 Volt bei nung, mit welcher der piezoelektrische Wandler beaui-

dem entfernt angeordneten Steuerpult aufgeladen und schlagt wird, kann zu einer nachteiligen Beeinflussung

über ein Thyratron in die Übertragungsleitung entladen. anderer Eigenschaften des abgestimmten Schwingkrei-

Bei einer anderen Anordnung werden drei Kondensato- 5 ses, zum Beispiel der Folgefrquenz oder der Impulsform

ren mit einer Kapazität von 330 Picofarad parallel auf führen.

400 Volt aufgeladen und in Reihe in die Übertragung^- Zur Vermeidung dieser herkömmlichen Probleme ist

: leitung entladen Verschiedene Schwierigkeiten mit die- es somit erforderlich, den Impulsgenerator auf dem den

sen herkömmlichen Techniken beruhen darauf, daß man Wandler tragenden Schlitten anzuordnen, wenn die Ka-

^: auf einen abgestimmten Schwinglxeis zur Beaufschla- io beilängen etwa 90 m übersteigen. Diese Lösung ist je-

' ; gung des Wandlers mit Spannungsimpulsen angewiesen doch nicht tragbar, da der Impulsgenerator die Abmes-

ist und daß jedes Mal, wenn der Wandler eine Ultra- sungen und das Gewicht des Schlittens so stark vergrö-

; schallwelle übertragen soll, eine gleichbleibend hohe Bern würde, daß ein wesentlich schwerer gebauter

!; Amplitude während einer gleichbleibenden Periode Schlitten und ein wesentlich robusteres Antriebssystem

_r; vorliegen soll. Wenn die Amplitude und die Dauer des is erforderlich wären. Ein weiterer Nachteil besteht darin,

f; angelegten Impulses nicht gleichbleibend smd, so ist die daß es einer Bedienungsperson nicht möglich wäre, Ein-

v, übertragene Ultraschallwelle nicht konsistent und die Stellungen am Impulsgenerator vorzunehmen, um ei-

•;_:>; vom Wandler empfangenen Echosignale sind in diesem nem längeren Ausgangskabel des Wandlers Rechnung

j| Fall bei Überwachung eines homogenen Körpers nicht zu tragen. Dennoch wäre auch in diesem Fall eine Impe-

p§ konsistent Es ist natürlich ohne weiteres ersichtlich, daß 20 danzanpassung erforderlich.

hi jegliche Inkonsistenz hinsichtlich der empfangenen Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine

S Echosignale als eine Änderung des überwachten Kör- Ultraschallinspektionseinrichtung der eingangs genann-

§; pers (Gefäßwandung oder dergl.) interpretiert werden ten Art so weiterzubilden, daß eine Verlängerung der

SJ muß. Daher wurden solche Änderungen die Überwa- Übertragungsleitung auf z. B. mehr als 30 m möglich ist,

% chungsdaten unzuverlässig machen. 25 obwohl die Übertragungsleitung auf der Seite der Posi-

ti Es treten eine Reihe weiterer Probleme bei der Be- tioniereinrichtung nur mit dem Ultraschallwandler ver-

;(; aufschlagisng eines abgestimmten Schwingkreises mit bundenist

ί Spannungsimpulsen über eine Übertragungsleitung auf, Diese Aufgabe wird erfindungygemäß durch die £ da bei einer genauen Abstimmung des Schwingkreises Merkmale des Hauptanspruchs gelöst
: die Kapazität der Übertragungsleitung und somit ihre 30 Die Aufladung des Kondensators geschieht vorzugs-Länge in Betracht gezogen werden muß. Wenn ein sehr weise über einen Emitterfolger zur Herabsetzung der langes Koaxialkabel verwendet wird, so ist der abge- Aufladungszeit Zur Übertragung eines Impulses auf stimmte Schwingkreis mit einer sehr großen Kapazität den Wandler wird der Kondensator mit der Übertrades Kabels verbunden. Zum Beispiel wird durch ein Ka- gungsleitung über eine Vie7schicht-Schaltdiode gekopbel des Typs RG59/U von 100 m (300 feet) der 35 pelt, welche zu einem Zeitpunkt gezündet wird, zu dem Schwingkreis mit einer Kapazität von 6900 Picofarad der Steuerimpuls für den Wandler einsetzen soll. Eine verbunden. Die Spule des abgestimmten Schwingkrei- zweite Vierschicht-Schaltdiode ist parallel zu dem Kon- _;i ses muß daher mittels des Kerns auf die Resonanzfre- densator geschaltet Diese wird eingeschaltet, wenn der i; quenz des Wandlers, typischerweise auf 2,25 MHz abge- Steuerimpuls enden soll, so daß eine rasche Entladung •y stimmt werden. Diese Art der Abstimmung des 40 dec Kondensators und somit eine Terminierung des H Schwingkreises erlaubt nur eine Änderung der Kapazi- Steuerimpulses ermöglicht wird. Der Kondensator und || tat um etwa 1500 Picofarad. Es ist jedoch auch eine die Kapazität der Übertragungsleitung bilden einen || Einstellung des Schwingkreises mittels eines variablen Spannungsteiler an dem dem Wandler abgewandten Kondensators innerhalb eines Bereichs von 7,5—100 Pi- Ende der Übertragungsleitung. Demgemäß wird die zur cofarad erforderlich. In jedem Fall -vird dabei das Ein- 45 Beaufschlagung der Übertragungsleitung verwendete gangskabel ausschließlich als Kapazität behandelt und Spannung um so größer, je größer die Kapazität ist, so eine Zugabe oder Wegnahme kurzer Kabellängen wird daß eine genaue Steuerung der Impulsamplitude entdurch Abstimmung in Betracht gezogen. Wenn jedoch sprechend der Kapazität des Kondensators und der Kadie Länge des EingangsV.abels über einen bestimmten pazität der Übertragungsleitung möglich ist
Punkt hinaus erhöht wird (z. B. über etwa 30 m hinaus), 50 Somit kann die Länge der Übertragungsleitung geänso kann das Kabel nicht länger als reine Kapazität ange- dert werden, ohne daß irgendwelche anderen Einsteisehen werden, sondern als 75 Ohm-Übertragungslei- lungen erforderlich sind, außer einer Anpassung des tung mit einer Übertragungszeit von 1,5 Nanosekunden Kondensators zur Gewährleistung eines Impulses mit pro 30 cm. So beträgt bei einem 90 m Kabel die Über- der gewünschten Amplitude. Aufgrund der Vierschxhttragungszeit für einen Impuls 450 Nanosekunden, und 55 Schaltdioden ist dieser Impuls zeitlich genau festgelegt, etwaige Fehlanpassungen an einem Ende der Leitung Nach Beaufschlagung des Wandlers mit dem Steuerimkönnen zu Reflektionen führen. Irgendwelche Reflek- puls werden die reflektierten Signale vom Wandler auftionen vom Steuerteil zurück zum Wandler würden je- genommen und ü^v;er die gleiche Übertragungsleitung doch die durch den Wandler empfangenen Echosignale zurückübertragen und ?.n dem am Ende vorgesehenen stören. 60 Widerstand abgenommen. Der Überwachungsempfän-Bei diesen herkömmlichen Techniken ist ein Konden- ger ist mit dem Widerstand am Ende der Übertragungssator in einem entfernt angeordneten Hauptsteuerpult leitung durch eine Reihe von Widerständen und durch angeordnet und der Impulsgenerator überführt die in eine Diodenbegrenzeranordnung gekoppelt
dem Kondensator gespeicherte Energie auf ein Kabel Impulsgeneratorschaltungen sind natürlich bekannt und auf den abgestimmten Schwingkreis an den den 55 Hierzu wird zum Beispiel auf die US-Patente 33 24 313, piezoelektrischen Wandler tragenden Schlitten. Die 34 17 266,35 18 455 und 36 57 564 verwiesen.
Wirksamkeit dieser Energieübertragung hängt ab von Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichder Impedanzwandlung der Schaltung. Eine Änderung nungen näher erläutert. Es zeigt

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F i g. 1 eine schematised Darstellung der erfindungs- Bens und der automatischen Bearbeitung, der automati-

gemäßen Ultraschallinsp«ktionseinrichtung; sehen Röntgenstrahlen-Oberwachung von großen Bau-

F i g. 2 eine Schaltung der Einrichtung gemäß Fig. 1; teilen oder dergleichea Im vorliegenden Fall ist ledig-

und lieh die Verwendung dieses Schlittensystems für die

Fig.3 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung 5 Zwecke der Ultraschallüberwachung interessant Die

der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 1. Erfindung befaßt sich mit dem Problem der Übertra-

F i g. I zeigt eine automatische Ultraschallinspek- gung der Spannungsimpulse zum piezoelektrischen tionseinrichtung mit einem piezoelektrischen Wandler 2 Wandler 2 über die übertragungsleitung und des Empauf einem Schlitten 4. Der Schlitten 4 umfaßt Räder 6 fangs der Echosignale der Ultraschallimpulse, welche und wird durch einen Motor 8 angetrieben. Der Schiit· to von Volumenelementen der Wandung ausgehen. Vor ten bewegt sich entlang einer Schiene 10 und führt den Beschreibung des speziellen Lösungsweges sollen zuWandler somit entlang dieser Schiene, so daß die Wan- nächst alle Vorteile einer solchen Lösung beschrieben dung 12 des Reaktionsgefäßes oder dergleichen oder werden. Ferner soll das gesamte System zunächst weiter eines anderen Bauteils, zum Beispiel die Stahlkonstruk- anhand der F i g. 1 erläutert werden, tion einer Brücke, inspiziert werden kann, falls eine sol- is Das allgemein mit 16 bezeichnete Hauptsteuerpult ehe periodische Inspektion während des Betriebs erfor- umfaßt einen Analog-zu-Digital-Wandler 18, einen Diderlich ist und falls es nicht möglich ist einen größeren gital-Computer 20, eine Speichereinheit 22, eine visuelle Teil der Elektronik des Überwachungssystems außer Anzeigeeinheit 24. eine Fernschreibeinheit 26. eine Ködern Wandler auf dem Schlitten anzuordnen. In einem piereinrichtung 28, zum Beispiel einen Streifendrucker, solchen Fall ist es erforderlich, den Wandler mit dem 20 sowie eine manuelle Steuertafel 30 und eine Überwa-Rest des automatischen Ultraschall-Überwachungssy- chungseinheit 32 zur Steuerung der Beaufschlagung des stems über eine Übertragungsleituiig, z. B. ein Koaxial- Wandlers 2 mit Impulsen und zur visuellen Anzeige der kabel, welches ein Bündel Leitungen 14 umfaßt zu ver- Echosignale, welche vom Wandler 2 kommen. Typibinden. scherweise kann als Überwachungseinheit 32 ein ReEinzelheiten des Schlittens 4 und der Schiene 10 und 25 flektoskop, Modell UM 771, hergestellt durch Sperry das Verfahren zur Befestigung der Schiene auf dem zu Division of Automation Industries, verwendet werden, überwachenden Gegenstand sind in der vorerwähnten Währerd des Betriebs wird der auf dem Schlitten 4 Patentanmeldung veröffentlicht Die Schiene ist so kon- befestigte Wandler 2 durch Befehlssignale des Compustmiert daß sie der spezifischen Kontur der zu inspizie- ters 20 positioniert Hierdurch tastet der Wandler einen renden Wandung angepaßt ist Die Schiene ist entweder 30 vorbestimmten Pfad, welcher durch die Schiene 10 festpermanent an der Wandung angeordnet oder perma- gelegt ist ab. Die vom Wandler 2 empfangenen Echosinent dort befestigt oder mittels geeigneter Magnete 15. gnale werden sodann über die Übertragungsleitung in Durch geeignete Auswahl und Anordnung der Schiene die Überwachungseinheit 32 überführt und gelangen gelingt es, fast jede Konfiguration einer Wandung oder von dort zum Analog-zu-Digital-Wandler 18. Dieser dergleichen zu inspizieren und dennoch die Inspektion 35 Wandler umfaßt eine Entfernungstorschaltung für die unter Fernsteuerung mittels eines Überwachungssteu- Echosignale von aufeinander folgenden Volumeneleerpuits 16 vorzunehmen. Es werden computergesteuer- menten der Wandung 12, sowie Einrichtungen zur intete Signale über eine getrennte Leitung in dem Liitungs- grierung der erhaltenen Prüfwerte sowie ferner Einrichbündel 14, welche mit dem Motor 8 verbunden ist über· tungen zur Umwandlung der Amplitude des Ausgangstragen, derart daß der Schlitten 4 mit dem Wandler 2 40 signals des Integrators in Digitalform. Somit stellt dieser entlang dem Überwachungsweg bewegt wird. Gleich- Wandler die Kopplungselektronik zwischen dem Ultrazeitig wird Ultraschall-Überwachungsinformation über schallwandler und dem Computer dar. die Übertragungsleitung am Überwachungspult emp- Eine Schaltung, welche einen Entfernungstorimpuls fangen. Zur Überwachung eines rechteckigen Bereichs erzeugt wird mittels eines Synchronisierimpulses, der können zusätzliche Schlitten an jedem Ende der Schiene 45 von der Inspektionseinheit 32 abgeleitet wird, getrig-10 angeordnet sein, so daß jedes Ende entlang parallelen gert Hierdurch wird eine Zeitverzögerungsschaltung Spuren (nicht dargestellt) geführt werden kann. In die- gestartet Die Länge der Verzögerung wird durch einen sem Fall sind Magnete nur an den zusätzlichen Parallel- digitalen Befehl des Computers 20 bestimmt und kann schienen an jedem Ende der Schiene 10 angeordnet so im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 300 Mikrosekunden daß die Schiene 10 in vertikaler Richtung gemäß F i g. 1 50 nach Erregung des Wandlers durch einen Impuls des frei bewegt werden kann, während andererseits der Impulsgenerators über die Übertragungsleitung einge-Wandler in horizontaler Richtung frei entlang der stellt werden. Am Ende dieser Verzögerungszeit wird Schiene 10 bewegt werden kann. das Videosignal der Inspektionseinheit 32 während ei-

Das entfernt angeordnete Hauptsteuerpuli ist speziell ner festen Zeitdauer in den Integrator eingeblendet wo-

der Überwachung während des Betriebs angepaßt Bei 55 nach die Amplitude des integrierten Signals konstantge-

Verwendung einer genügend langen Übertragungslei- halten wird, während dieses in Digitalform umgewan-

tung kann der Schlitten den Wandler an entfernte und delt wird. Die Länge der Einblendzeit wird mittels Com-

schwer zugängliche oder unzugängliche Bereiche brin- putersteuerung so gewählt daß sie der Schallwegelänge

gen, welche einer manuellen Überwachung nicht zu- oder dem Entfernungsinkrement von etwa 1,25 cm ent-

gängiich sind, oder bei welchen eine zuverlässige Über- 60 spricht Die Länge der Verzögerungszeit wird anhand

wachung nicht möglich ist Wie obenerwähnt kann man von Geschwindigkeits-Schall-Betrachtungen der Wan-

auch solche Bauteile überwachen, deren Anordnung ei- dung 12 gewählt und zwar so, daß sie dem Effektivab-

ne Mitführung eines Teils des Hauptüberwachungssy- stand des Wandlers von dem jeweiligen Volumenele-

stems ausschließt z. B. die Bauteile einer Stahlbrücke ment der inspizierten Wandung entspricht Das zum

oder dergleichen. 65 Analog-zu-Digitai-Wandler gelangende Signal ent-

Das Schlittensystem wird in großem Umfang ange- spricht dem durchschnittlichen Echosignal welches von

wandt und zwar nicht nur zur Ultraschallüberwachung, einem Volumenelement vorbestimmter Länge und FIa-

sondern auch zum Zweck des automatischen Schwei- ehe zurückkehrt wobei die Räche eine Querschnittsflä-

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ehe ist, welche durch den Durchmesser des Ultraschall-Impulsstrahls gegeben ist. Der Abstand des jeweiligen Volumenelements vom Wandler ist durch die Verzögerungszeit bestimmt.

Im folgenden soll die Arbeitsweise eines solchen Überwachungssystems erläutert werden. Der Computer 20 gestimmt eine anfängliche Verzögerungszeit entsprechend dem ersten Volumenelement, welches inspiziert werden soll und stellt das Entfernungstor auf diesen Wert ein. Sodann wird der Wandler einige Male mit Impulsen beaufschlagt und jedesmall stellt das Entfernungstor einen Prüfwert aus dem jeweils zu überwachenden Volumenelement bereit. Wenn eine genügende Anzahl von Überwachungswerten aus diesem Volumenelement erhalten worden sind, wird der Befehl für das nächste Verzögerungsinkrement gegeben und es wird ein weiterer Satz von Prüfwerten erhalten. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis dss srn weitesten entfernte Volumenelement der jeweiligen Wandlerposition inspiziert ist. Danach wird der Wandler in eine neue Position gebracht und der ganze Vorgang wird wiederholt.

Da das Entfernungstor die zeitliche Steuerung von der Erregungszeit des Wandlers erhält, d. h. vom Zeitpunkt, zu dem der Wandler durch den Steuerimpuls beaufschlagt wird, ist es wichtig, daß der Zeitpunkt des Steuerimpulses und dessen Impulsbreite von Impuls zu Impuls während der Inspektion eines bestimmten Volumenelements und für aufeinanderfolgende Volumenelement · genau aufrecht erhalten werden. Anderenfalls kann das zurückkehrende Echo nicht genau einem speziellen Volumenelement zugeordnet werden. Wenn die inspizierte Wandung aus homogenem Material besteht, so hat das zurückkehrende Echo eine konstante Amplitude. Irgendwelche Abweichungen von der konstanten Amplitude bei von Volumenelement zu Volumenelement fortschreitender Inspektion und bei vor einer Wandlerposition zur nächsten Wandlerposition fortschreitender Inspektion zeigen eine Materialänderung an. Bei einer solchen Änderung kann es sich um eine Störung handeln, je nachdem, ob die Änderung anhand der vor Betrieb aufgenommenen Inspektionsdaten erwartet werden sollte oder nicht. Bei der Überprüfung eines Kernreaktorgefäßes werden zum Beispiel alle Schweißnähte vor dem Einbau des Kessels genau inspiziert und die dabei gewonnenen Ultraschall-Inspektionsdaten werden zum Zweck des Vergleichs mit den Betriebsinspektionsdaten gespeichert

Während einer Betriebsinspektion sucht der Computer die gespeicherten Vorbetriebsdaten auf und das Signal eines jeden Volumenelements wird statistisch mit den entsprechenden Vorbetriebsdaten verglichen. Falls sich keine Signifikaten Änderungen in dem Ultraschallsignal ergeben, werden die Daten ausgedruckt Falls sich eine signifikante Änderung im Vergleich zu den vor Betrieb aufgenommenen Daten ergibt so macht der Computer die Bedienungsperson darauf aufmerksam und steuert die Bewegung des Schlittens derart, daß der Umriß des Störungsbereichs in feinen Stufen abgetastet wird. Die Störungsanzeigen werden sodann in Form einer Karte dargestellt und mit den entsprechenden vor Inbetriebnahme aufgenommenen Daten verglichen. Die Lage, die Abmessungen und die Größe der Änderung werden ausgedruckt Auf einem Oszilloskop wird ein Plan oder eine Teilkarte im richtigen Maßstab dargestellt Hiervon kann eine Filmaufzeichnung erhalten werden. Man kann auch noch weitere zusätzliche Inspektionsverfahren anwenden. Man kann zum Beispiel Ultraschall-Testdaten von einem Eichblock erhalten und alle Messungen der Wandungen, die während der Inspektion erhalten werden, mit dem Eichblock vergleichen, und zwar sowohl bei der Inspektion vor Inbetriebnähme als auch bei der Inspektion während des Betriebs, um so festzustellen, ob eine signifikante Änderung im Vergleich zum Eichblock besteht.

Da das Ultraschall-Inspektionssystem auf der Feststellung einer Änderung der Amplitude des empfange-

to nen Echos beruht, beeinträchtigt jede Änderung der Amplitude des vom Wandler übertragenen Impulses die Empfindlichkeit und die Gesamtgenauigkeit des Inspektionssystems. Somit ist es äußerst wichtig, daß der dem Wandler zugeführte Steuerimpuls hinsichtlich Zeit und Amplitude genauestens gesteuert wird.

Wie bereits erwähnt, waren herkömmliche Techniken zur Steuerung sowohl der Zeit als auch der Amplitude des Steuerimpulses für den U!trasch?.!lwanH!pr beschränkt auf Übertragungsleitungen relativ geringer Länge in der Größenordnung von 30 m. Dennoch ist es häufig erwünscht, das Hauptsteuerpult in größerem Abstand vom Ultraschallwandler anzuordnen, zum Beispiel in einem Abstand von 90 m oder mehr. Die Art und Weise, gemäß welcher die vorliegende Erfindung eine genaue Steuerung sowohl hinsichtlich der Zeit als auch hinsichtlich der Amplitude der Steuerimpulse über eine Übertragungsleitung bestimmter Länge ermöglicht, ist lediglich durch die insgesamt konsistente Dämpfung eines jeden Impulses in einer Längeneinheit der Übertragungsleitung beschränkt. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um eine schwerwiegende Beschränkung, da aus bestimmten Gründen die diesbezügliche Wirkung einer längeren Übertragungsleitung einfach durch eine Vergrößerung der Amplitude des Steuerimpulses kompensiert werden kann, ohne daß das Verfahren geändert werden muß.

Im folgenden wird auf F i g. 2 Bezug genommen. Diese zeigt einen Impulsgenerator für den Betrieb des piezoelektrischen Wandlers 2 über eine Übertragungsleitung beliebiger Länge, die in der Figur in Form eines Koaxialkabels 14' dargestellt ist. Der Zeitpunkt des Beginns des Steuerimpulses wird durch die Vorderkante des Synchronisationreingangsimpulses am Anschluß 40 festgelegt. Der Synchronisiereingangsimpuls ist vorzugsweise ein Impuls von 3 Mikrosekunden, welcher mit einer gewünschten Frequenz von bis zu etwa 4 kHz erzeugt wird. Dieser hat eine scharfe Anstiegskante und triggert zwei Multivibratoren MV\ und MV₂. Die Impulsbreite des Steuerimpulses, welcher über die Übertragungsleitung zum Wandler 2 gelangt, wird genau durch ÄC-Zeitgeberschaltungen der Multivibratoren festgelegt Die /?C-Periode des Multivibrators MV\ ist auf 150 Nanosekunden mittels eines Widerstandes 43 und eines Kondensators 44 festgelegt Die ÄC-Periode des Multivibrators MV₂ ist mittels eines variablen Widerstandes 45 und eines Kondensators 46 auf einen Wert im Bereich von 150 Nanosekunden bis 1,5 Mikrosekunden einstellbar.
Die Vorderflanke des Synchronisationsimpulses, weleher am Anschluß 40 anliegt, stellt auch die Fiip-Flops FF] und FF₂ zurück. Die Vorderflanke der Ausgangsimpulse der Multivibratoren MV\ und MV₂ schaltet die Flip-Flops FFy und FF₂ um, und zwar in dieser Reihenfolge. Das Flip-Flop FF\ wird zu einem bestimmten Zeitpunkt von 150 Nanosekunden nach der Vorderflanke des Synchronisationseingangsimpulses umgeschaltet, während das Flip-Πορ FF₂ zu einem einstellbaren Zeitpunkt im Bereich von 150 Nanosekunden bis 1,5 Mikro-

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Sekunden nach der Vorderflanke des Synchronisations- NPN-Transistorer. Q\ und Q₂. Diese Transistoren inver-

eingangsimpulses umgeschaltet wird. tieren die Impulse, so daß die Primärwicklungen von

Da die Flip-Flops zu verschiedenen Zeiten durch die Impulstransformatoren T, und T₂ mit negativen Impul-Multivibratoren MVi und MV₂ umgeschaltet werden, sen beaufschlagt werden. Die Transformatoren sind jekann der Zeitpunkt, zu dem das Flip-Flop FFi umge- 5 doch so gewickelt, daß die Polarität der Impulse inverschaltet wird, als Zeitpunkt des Beginns des Steuerim- tiert wird. Hierdurch erscheinen an den Sekundärwickpulses für den Wandler 2 dienen. Der Zeitpunkt, zu dem lungen transformatorenpositive Steuerimpulse. Hierdas Flip-Flop FF; amgeschaltet wird, kann als Zeitpunkt durch werden die Vierschicht-Schaltdioden SCR\ und des Endes des Steuerimpulses dienen, wie F i g. 3 zeigt. SCRi gezündet, und zwar zu den jeweiligen Zeitpunkten F i g. 3 zeigt Wellenformen A bis H an den verschiede- io der Impulse mit den Wellenformen Fund G der F i g. 3 nen Punkten a bis Λ in F i g. 2. In jedem Fall beginnt der an den Punkten f und g der F i g. 2. Dies hat einen geSteuerimpuls 150 Nanosekunden nach Beaufschlagung steuerten Impuls an der Stelle Λ mit der Wellenform H des Anschlusses 40 mit dem Synchronisationsimpuls, un- der F i g. 3 zur Folge.

abhängig von der durch den Multivibrator MVi gegebe- Im folgenden soll die Erzeugung des Steuerimpulses

nen ÄC-Periode. 15 näher erläutert werden. Da der Multivibrator MVi stets

Man kann auch den Synchronisationsimpuls am An- zuerst umgeschaltet wird (150 Nanosekunden nach der schluß 40 dazu verwenden, das Flip-Flop FFi direkt um- Vorderflanke des Synchronisationsimpulses am Einzuschalten, so daß der Steuerimpuls gleichzeitig mit gangsanschluß 40), wird durch den Transformator Ti ein dem Synchronisationsimpuis beginnt In diesem Fall Impuls eingekoppelt, welcher die Vierschicht-Schaltdiokann die ÄC-Periode des Multivibrators MV₂ derart ein- 20 de SCR\ zündet. Hierdurch nun entlädt sich ein aufgeiagestellt werden, daß die gewünschte Impulsbreite erhal- dener Kondensator 55 über eine Diode D, mit einem ten wird. Das Flip-Flop FFi wird jedoch durch den MuI- PN-Übergang, über die Vierschicht-Schaltdiode SCRt tivibrator AfVi umgeschaltet, so daß der Signalpfad für und über eine Zener-Diode D₁. Die Dioden D\ und D₂ den Beginn des Impulses identisch mit dem Signalpfad und die Vierschicht-Schaltdiode SCR\ sind alle richtig für die Terminierung des Impulses ist, außer einem Un- 25 gepolt, so daß sich der Kondensator 55 in die Übertraterschied hinsichtlich der ÄC-Schaltungen der Multivi- gungsleitung 14' entlädt. Zu einem späteren Zeitpunkt, bratoren. Dies hat zur Folge, daß irgendwelche Ände- welcher durch die einstellbare ÄC-Periode des Multivirungen der Periode des Multivibrators AfV₂ aufgrund brators AfV₂ festgelegt ist, wird das Flip-Flop FF₂ umgevon Änderungen der Umgebungstemperatur auch den schaltet und zündet die Vierschicht-Schaltdiode SCR₂ Startzeitpunkt des Steuerimpulses beeinflussen. Wenn 30 über den Transformator T₂. Die Vierschicht-Schaltdiode zum Beispiel eine Zunahme der Temperatur zu einer SCR₂ ist mit Erde verbunden, so daß nach Zündung der-Abnahme der ÄC-Periode des Multivibrators AfV₂ selben der vom Kondensator 55 über das SCRi in die führt, so erfährt die ÄC-Periode des Multivibrators AfVj Übertragungsleitung fließende Strom kurzgeschlossen eine im wesentlichen gleiche Abnahme. Dies führt ins- wird, so daß der Steuerimpuls für den Wandler rasch gesamt dazu, daß der Impuls, mit dem der Wandler über 35 beendet wird. Sobald sich der Kondensator 55 genüdie Übertragungsleitung 14' beaufschlagt wird, früher gend entladen hat, reicht die an den Vierschicht-Schaltbeginnt Dieser impuls hai jedoch im wesentlichen die dioden anliegende Spannung nicht aus, einen zur Aufgleiche Breite wie vor der Temperaturänderung. Wenn rechterhaltung der Leitfähigkeit ausreichenden Strom die Vorderflanke des zum Wandler 2 übertragenen zu bewirken. Sobald aber diese Vierschicht-Schaltdio-Steuerimpulses festgestellt wird und zur Steuerung des 40 den ihre Leitfähigkeit verlieren, wird ein NPN-Transi-Entfernungstors verwendet wird, so hat eine Änderung stör Q₃, welcher als Emitter-Folger geschaltet ist, leitfäder ÄC-Periode des Multivrbrators keinen Einfluß auf hig und lädt den Kondensator 55 wieder über Widerdie zeitliche Steuerung der Entfernungstore, welche die stände 56 und 57 in Richtung auf eine positive Spannung zu inspizierenden Volumenelemente jeweils definieren. + V_rc auf. Ein Widerstand 58 ist mit der Verbindungs-Man kann jedoch auch die Entfernungstore auf andere 45 stelle zwischen den Widerständen 56 und 57 verbunden Weise starten, zum Beispiel mit einer Schaltung, welche und führt zu einer positiven Vorspannung der Basis des einen durch die Vorderflanke des Synchronisationsim- Transistors Q₃ in bezug auf dessen Emitter. Hierdurch pulses getriggerten Multivibrator umfaßt, sowie ein wird dieser leitfähig, bis der Kondensator auf einen geFlip-Flop, welches durch das Ausgangssignal des Multi- nügend hohen Wert aufgeladen ist, welcher der Spanvibrators umgeschaltet oder zurückgeschaltet wird. Ei- 50 nung + V_n^ minus dem IR-Abfall im Ladestrompfad ne Änderung der ÄC-Zeit des Multivibrators AfVi und gleich ist Es sollte bemerkt werden, daß der p-n-Über-MV₂ würde auch die ÄC-Zeit dieses dritten Multivibra- gang zwischen der Basis und dem Emitter des Transitors beeinflussen, so daß die Synchronisation zwischen stors Q₃ umgekehrt gepolt ist wie der p-n-Übergang der den Entfernungstoren und den Steuerimpulsen auf- Diode A.

rechterhalten bleibt, ohne daß die Vorderflanken der 55 Die Übertragungsleitung 14' ist am Steuerende mit

Steuerimpulse festgestellt werden müssen. ihrer charakteristischen Impedanz A₀ durch einen Wi- Die komplementären Ausgänge (Q) der Flip-Flops derstand 60 verbunden, welcher geerdet ist Für ein FF, und FFi werden verstärkt und invertiert Dabei wird 75 Ohm-Koaxialkabel, zum Beispiel ein Kabel des Typs

die negative Rechteck-Rechteckimpulsform in eine po- RG 59/U, ergibt sich ein Widerstand 60 von 75 Ohm.

sitive Rechteck-Rechteckimpulsform umgewandelt 60 Auch am anderen Ende der Übertragungsleitung könn-

Dies geschieht durch die Verstärker 49 und 50. Die ne- te ein Widerstand vorgesehen sein, welcher der charak-

gativen Flanken am Ende der Rechteck-Rechteckim- teristischen Impedanz der Übertragungsleitung ent-

pulsformen D und £ der F ig. 3 werden durch Differen- spricht In diesem Fall wurden Reflexionen an beiden

zierschaltungen 51 und 52 differenziert, wobei die Ein- Enden der Übertragungsleitung verhindert werden. Zur

gangsanschlüsse von invertierenden Verstärkern 53 und 65 Erzielung einer möglichst wirksamen Energieübertra-

54 mit scharfen negativen Impulsen beaufschlagt wer- gung auf den Wandler sollte eine möglichst gute gegen-

den. Die positiven Ausgangsimpulse dieser Verstärker seitige Anpassung der Übertragungsleitung und des

gelangen sodann zu den Basiselektroden von zwei Wandlers angestrebt werden.

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Bei der gezeigten Ausführungaform ist nur das Eingangsend⁰, der Übertragungsleitung mit einem Widerstand verbunden, welcher der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung entspricht, da eine einfache Reflexion des Steuerimpulses vom Wandler 2 zurück den Wandler, welcher zur Echoaufnahme dient, nicht stört. Dies hat seinen Grund darin, daß alle Echosignale notwendigerweise vom Wandler 2 zu einem Zeitpunkt aufgenommen werden, welcher zeitlich hinter dem Beginn der Rückwanderung des Reflexionsimpulses durch die Übertragungsleitung liegt Demzufolge wird das durch die Übertragungsleitung zum Eingang derselben zurücklaufende einzelne Reflexionssignal bereits durch den Widerstand 60 verzehrt, wenn das Echosignal am Eingangsende der Übertragungsleitung (Stelle /^empfangen wird.

Die Zener-Diode Dh, weiche zwischen der Vierschicht-Schaltdiode SCR· iinrl Her Übertragungsleitung 14' liegt, verhindert, daß ein reflektierter Impuls eine der Vierschicht' Stehaltdioden beschädigt. Die vom Wandler 2 empfangenen Echosignale werden durch Widerstände 62 und 63 mit einem Empfänger-Vorverstärker 61 gekoppelt. Ein Diodenbegrenzer 64 liegt zwischen der Verbindungsstelle der Widerstände 62 und 63 und Erde. Der Diodenbegrenzer hat die Aufgabe, die Amplitude der zum Verstärker 61 gelangenden beliebigen Impulse mit beliebiger Polarität zu begrenzen. Dies dient dem Schutz des Verstärkers 61 vor Beschädigung bei zu großer Amplitude des Steuerimpulses. Das Ausgangssignal ües Verstärkers 61 gelangt sodann zum Empfänger des Ultraschall-Überwachungssystems.

Aus vorstehender Beschreibung wird klar, daß die Amplitude eines jeden Steuerimpulses durch Entladung des Kondensators 55 genau aufrechterhalten bleibt und daß die Breite eines jeden Impulses durch die Multivibratoren MV] und MV₂ genau aufrechterhalten bleibt. Wie bereits erwähnt, führt jede Variation der ÄC-Periode des einen Multivibrators auch zu einer entsprechenden Änderung des anderen, so daß die Breite ei· ^ jeden Steuerimpulses weder durch Änderung ' Jmgebungstemperatur noch durch Alterungserscheinungen der Schaltungskomponenten beeinträchtigt wird. Das gleiche gilt für den Signalpfad zur Steuerelektrode der Vierschicht-Schaltdiode SCR\ im Vergleich zum Signalpfad zur Steuerelektrode der Vierschicht-Schaitdiode SCR₂.

Die Erfindung bietet die folgenden Vorteile:

Es können sehr lange Übertragungsleitungen verwendet werden. Die Länge der Übertragungsleitung kann leicht geändert werden, ohne daß Veränderungen im Wandler erforderlich sind. Die Steuerimpulse sind höchst stabil, und zwar sowohl hinsichtlich Amplitude aJs auch hinsichtlich Breite. Steuerimpulse höherer Amplitude können leicht verwirklicht werden, indem man einfach einen Kondensator mit größerer Kapazität auswählt, welcher bei Betätigung der Vierschicht-Schaltdioden parallel zur Übertragungsleitung geschaltet wird. Aufgrund der größeren Stabilität der Steuerimpulse sowohl hinsichtlich Breite als auch hinsichtlich Amplitude, ergibt sich ein besseres Signal-Rauschverhältnis. Die wichtigsten Vorteile bestehen in der Einstellbarkeit des Impulses für die Erregung des Ultraschallwandlers bei unabhängig änderbarer Länge der Übertragungsleitung. Die Anstiegszeit des Impulses kann leicht eingestellt werden, so daß dieser den üblichen Ultraschallwandlern (1 MHz und 5 MHz) oder einem anderen piezoelektrischen Wandler angepaßt ist. Dies ist ein wesentlicher Vorteil im Hinblick auf die Vielzahl verschiedener piezoelektrischer Wandler, welche zur Zeit erhältlich sind und anstelle eines piezoelektrischen Kristalls ein ferroelektrisches Keramikmaterial wie Barium-Titanat oder Blei-Titanat-Zirkonat verwenden.

Vorstehend wurden die Multivibratoren, Flip-Flops und Verstärker als funktioneile Einzelelemente beschrieben. Sie können jedoch auch als integrierte Schaltungen auf einer einzelnen Halbleiterplatte ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich hierbei um erhältliche Schaltungen, welche hinsichtlich Umschaltgeschwindigkeit optimal sind. Ein gemeinsames Substrat für alle integrierte Schaltungen erlaubt eine optimale Wahl des Signalweges für beide Kanäle im Hinblick auf Änderungen bei einer sich ändernden Umgebungstemperatur. Als guter Kompromiß kommt auch ein gemeinsames Substrat für die Multivibratoren und ein anderes gemeinsames Substrat für die FHp-Flops in Frage oder uiinuesiens ein gemeinsames Substrat für die Flip-Flops. Dual-Flip-Flop-Elemente sind ohne weiteres erhältlich. Der Betrieb eines jeden Multivibrators ist weitgehend durch dessen /?C-Schaltung bestimmt Diese besteht im allgemeinen aus diskreten Bauelementen, selbst wenn man integrierte Schaltungen verwendet Diese erlaubt nämlich eine einfache Änderung der ÄC-Konstante durch Änderung oder Variation des Widerstandswerts des Widerstandes oder der Kapazität des Kondensators. Wenn man die beiden integrierten Schaltungen auf einem gemeinsamen Kühlkörper anordnet und anderweitig dafür sorgt, daß beide Signalkanäle der gleichen Umgebungstemperatur unterliegen, so kann eine befriedigende Arbeitsweise erwartet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

25 Ol 253 1 2 Die Erfindung betrifft eine Ultraschallinspektionsein-Patentansprüche: richtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine solche Ultraschallinspektionseinrichtung ist be-

1. Ultraschallinspektionseinrichtung mit einem Ul- kannt aus der US-PS 36 20 070. Dabei ist auf der Positiotraschallwandler in einer Positioniereinrichtung und 5 niereinriditungsseite der Übertragungsleitung eine mit einer relativ langen Übertragungsleitung zwi- elektronische Einrichtung vorgesehen, welche der Verschen einem Impulsgenerator und dem Ultraschall- Stärkung der vom elektroakustischer! Wandler erzeugwandler, und mit einem Empfänger, dadurch ge- ten und zurückzuübertragenden Signale dieut Zur kennzeichnet, daß die Übertragungsleitung Energieversorgung dieses Vorverstärkers dient entwe-(14') auf der Seite der Positioniereinrichtung (4) nur io der ein Teil der Energie der für die Meßzwecke verwenmit dem Ultraschallwandler (2) verbunden ist und deten Impulse oder aber es werden gesonderte Impulse der Impulsgenerator zur Erzeugung von Hochspan- übertragen. Bei den für die Meßzwecke zur Positioniernungsimpulsen einen Kondensator (55) umfaßt so- einrichtung übertragenen Impulsen handelt es sich um wie eine Einrichtung (Q3) zur Aufladung desselben Wechselstromimpulse. Eine Verlängerung der Übertra- und eine erste Zeitsteuereinrichtung für die Entla- \5 gungsleitung auf z. B. mehr als 30 m ist dabei nicht mögdung des Kondensators (55) in die Übertragungslei- lieh. Außerdem sind bei einer Änderung der Länge der tung (14') und eine zweite Zeitsteuerschaltung zum Übertragungsleitung umfangreiche Anpassungsmaß-Nebenschließen des Entladestroms des Kondensa- nahmen erforderlich.

tors (55), so <\a& bei einer Änderung der Länge der Automatische Ultraschall-Betriebsüberwachungssy-

Übertragungaleitung (14') nur eine Anpassung des 20 steme wurden in jüngster Zeit für schnelle Brutreakto-Kondensators (55) erforderlich ist ren und für Siedewasserreaktoren und Druckreaktoren

2. Ultraschallinspektionseinrichtung nach An- entwickelt Dabei verwendet man einen ferngesteuerspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ten, bewegbaren Instrumententräger. Die Überwa-Zeitsteuereinrichtungen je eine Vierschichtschalt- chungsdaten werden von einem Computer gesammelt diode (SCR 1; SCR 2) zünden. 25 und gespeichert, so daß ein Echtzeitvergleich mit vorbe-

3. Ultraschallinspektionseinrichtung nach An- stimmten Standardwerten möglich ist Die Strahlungsspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß jede pegel, weiche bei verschiedenen Bauteilen außer dem der Zeitsteuereinrichtungen eine gesonderte aber Reaktor während der Betriebsüberwachung auftreten, ähnliche Verzögerungseinrichtung (MVi, MV2) mit machen es erforderlich, daß das automatische Überwaunterschiedlicher Verzögerungszeit umfaßt, die von 30 chungssystem von einem Hauptsteuerpult aus betrieben einem gemeinsamen Eingangsimpuls angestoßen wird, welches eine Fernsteuerung des Instxumententräwerden. gers bis zu einer Entfernung von 100 m möglich macht

4. Ultraschallinspektiuiseinrichtung nach An- Dabei geht man von dem Gedanken aus, daß bei der sprach 1 bis3, dadurch gekennzeichnet daß die Ein- Fernsteuerung eines Instrumententrägers durch einen richtung zur Aufladung des Kondensators (55) einen 35 Computer ein möglichst großer Teil der Computer-Emitter-Folger-Transistor (Qt) umfaßt Steuerelektronik in dem entfernt angeordneten Steuer-

5. Ultraschallinspektionseinrichtung nach An- pult vorgesehen sein soll. In der Praxis umfaßt der Inspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des strumentemräger, welcher im allgemeinen als »Schiit-Transistors (Qt) mit dessen Emitter über eine Diode ten« bezeichnet wird, nur diejenigen Bauteile, welche (D₁) verbunden ist, welche entgegengesetzt dem Ba- 40 für eine Positionierung des Schlittens entlang einer sis-Emitterübergang des Transistors (Qt) gepolt ist, Spur, welcher der Kontur des jeweiligen Dampfgenerawobei der Emitter mit dem Kondensator (55) ver- tors, Reaktorgefäßes oder dergleichen angepaßt ist, erbunden ist und wobei der Kollektor über zwei in forderlich sind. Einzelheiten der Spur und des Schlittens Reihe geschaltete Lastwiderstände (56,57) mit einer sind in der deutschen Patentanmeldung P 23 21 583.0, Kollektorspannungsquelle fV«) verbunden ist und 45 veröffentlicht am 17. Januar 1974, beschrieben.

wobei ein Widerstand (58) zwischen der Basis und Um die Abmessungen und das Gewicht des Schlittens

der Verbindungsstelle der Lastwiderstände (56 und so gering wie möglich zu halten, wird nur der piezoelek-57) liegt und wobei die Basis mit der Verbindungs- trische Wandler des Ultraschall-Überwachungssystems stelle zwischen der Vierschicht-Schaltdiode und dem auf dem Schlitten angeordnet Der piezoelektrische Kondensator (55) liegt so daß der Kondensator au- 50 Wandler ist mit dem Hauptsteuerpult durch eine flexible tomatisch wieder aufgeladen wird, wenn der Strom- Übertragungsleitung verbunden. Der Wandler wird sofluß durch die Vierschicht-Schaltdioden bei Entla- dann unter Steuerung durch den Computer periodisch dung des Kondensators unter einen vorbestimmten über die Übertragungsleitung mit Impulsen beauf-Pegel erlischt schlagt, und das vom Wandler aufgenommene Echo

6. Ultraschallinspektionseinrichtung nach einem 55 nach jedem Impuls wird durch die gleiche Übertrader Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein gungsleitung zum Hauptsteuerpult zurückgeführt
Schaltungselement (60) mit der charakteristischen In der Vergangenheit wurden in solchen automati-Impedanz der Übertragungsleitung (14') an dem sehen Ultraschall-Überwachungssystem zwei verschiedem Ultraschallwandler abgewandten Ende der dene, aber ähnliche Techniken zur Beaufschlagung des Übertragungsleitung (14'). 6Ö Ultraschallwandlers mit Impulsen über die Übertra-

7. Ultraschallinspektionseinrichtung nach An- gungsleitung angewandt Bei einer Technik liegt die Kaspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schal- pazität des piezoelektrischen Wandlers parallel zu einer tungselement an dem dem Ultraschallwandler abge- Eingangsspule, so daß ein LC-Schwingkreis gebildet wandten Ende der Übertragungsleitung (14') ein Wi- wird, welcher auf die Resonanzfrequenz des Wandlers derstand (60) ist. 65 abgestimmt ist. Dieser abgestimmte Schwingkreis wird

mittels eines Hochspannungsimpulsgenerators über die

Übertragungsleitung in Resonanz versetzt. Bei einer

Ausführungsform zur Beaufschlagung des Wandlers mit