DE2558989A1 - Verfahren und vorrichtung zur zerstoerungsfreien untersuchung von gegenstaenden - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur zerstoerungsfreien untersuchung von gegenstaenden

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DE2558989A1 DE19752558989 DE2558989A DE2558989A1 DE 2558989 A1 DE2558989 A1 DE 2558989A1 DE 19752558989 DE19752558989 DE 19752558989 DE 2558989 A DE2558989 A DE 2558989A DE 2558989 A1 DE2558989 A1 DE 2558989A1
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Description

DR.A.VAN DERWERTH DR. FRANZ LEDERER REINER F.MEYER
DIPL.-ING. (1934-1974) DIPL-CHEM. DIPL.-ING.
8000 MÜNCHEN 80
LUCILE-GRAHN-STBASSE 22
TELEFON: (089) 472947 TELEX: 524624 LEDER D TELEGR.: LEDERERPATENT
23. Dezember 1975
M/Ra
P/7683
British Steel Corporation, 33 Grosvenor Place, London S.W.I./ ENGLAInTD
Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von Gegenständen
Die Erfindung betrifft die zerstörungsfreie Untersuchung und insbesondere die zerstörungsfreie Untersuchung von Gegenständen mit Hilfe von Utrascha11-Wandlerelementen.
Hierzu sieht die Erfindung zum einen vor eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von Gegenständen mit einem hin- und herbewegbar angeordneten.Kopf, mit einem an dem Kopf angeordneten Wandlere leinen fc für Ultraschall-Untersuchungen, mit Mitteln zur Hin- und Herbewegung des Kopfs derart, daß der Kopf während des Betriebs der Vorrichtung zu einem Auftreffen auf dem zu untersuchenden Gegenstand mit einem plötzlichen Aufprall kurzer Verweilzeit einmal während jeder Hin- und Herbewegung des Kopfs veranlaßt ist, und mit Mitteln zur Aktivierung des Wandlerelements zur Durchführung der Untersuchung während der Verweilzeit jedes Stoßes.
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Zum anderen sieht die Erfindung vor ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung von Gegenständen durch wiederholtes Auftreffen eines Kopfs, der einen Ultraschall-Wandler trägt, mit einem plötzlichen Aufprall kurzer Verweilzeit auf unterschiedlichen Abschnitten eines zu untersuchenden Gegenstandes und durch Aktivierung des Wandlerelements zur Durchführung der Untersuchung während der Verweilzeit jedes Auftreffens.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Kopf von einem schwenkbeweglich an einem feststehenden Gestell angeordneten Hebel getragen und mit diesem bewegbar. In diesem Fall kann die Hin- und Herbewegung des Hebels mittels irgendeines geeigneten Mittels beispielsweise mittels eines Nockens veranlaßt seinr der den Hebel anhebt und anschließend dessen Herunterfallen auf den darunter angeordneten und zu untersuchenden Gegenstand zuläßt.
Ein einziger Untersuchungswandler kann sowohl für die Sendung von Ultraschall-Impulsen in den zu untersuchenden Gegenstand als auch zum Empfang des Echos der von dem ai untersuchenden Gegenstand abgegebenen Impulsen verwendet v/erden. In alternativer Ausführung kann der Kopf separate Untersuchungs-Wandlerelemente für die Sendung von Impulsen und für den Empfang des Echos der Impulse tragen. In diesem Fall können die beiden Untersuchungswandler zur Reduzierung der Probleme der direkten akustischen Kopplung zwischen den beiden Wandlern an separaten Teilen des Kopfs angeordnet sein, die mittels eines Luftspalts oder eines akustischen Dämpfungsglieds voneinander getrennt sind.
Die Mittel zur Aktivierung des Wandlerelements können über ein auslösendes Wandlerelement verfügen, das an dem Kopf angeordnet und in einem elektrischen Stromkreis derart angeschlossen ist, daß es den "Betrieb der Untersuchungs-Elemente bei Feststellung des Auftreffens des Kopfs auf dem zu untersuchenden Gegenstand auslöst.
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p Γ O <-\ Λ
5 D ο :: ο - 3 -
Die kurze Verweilzeit kann kürzer als 0,001 sec. sein und im Bereich von 0,00025 bis 0,0005 see. liegen.
Eine Kopplungsüberwachung kann sowohl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein. Diesbezüglich können Mittel zur Messung des Maßes der Schallwellenenergie, die in das Werkstück für jedes Auftreffen eingeführt wird, und zur Verwendung dieses Meßergebnisses zur Steuerung der Empfindlichkeit eines Defektsignal-Empfangsverstärkers derart vorgesehen sein, daß die Empfindlichkeit des Defektsignal-Verstärkers mit zunehmender Ultraschall-Energie, die in das Werkstück abgegeben wird, abnimmt. Auf diese Weise erzeugt ein besonderer Defekt in dem Werkstück ein Signal gleicher Amplitude nach dem Defekt-Empfangsverstärker, das im wesentlichen von der Ultraschall-Energie unabhängig ist, die in das Werkstück abgegeben bzw. eingeführt wird.
Die Erfindung ist in besonderem Maße anwendbar bei der Untersuchung heißer Gegenstände wie beispielsweise heißen Metallblöcken (z.B. aus Stahl), wo die Erfindung die Vorsehung eines guten Schallkontaktes zwischen dem Kopf und dem Block während der Verweilzeit des Auftreffens ermöglicht, ohne daß eine Schallkopplungsflüssigkeit vorgesehen sein müßte, und wo die kurze Verweilzeit der Berührung zwischen dem Kopf und dem Block eine überhitzung des Kopfs verhindert, was für das bzw. die Wandlerelement(e) abträglich sein könnte.
Im folgenden wird die Erfindung zu ihrem besseren Verständnis an Hand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
Figur 1 schematisch eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von . Stahlblöcken und
Figur 2 ein Blockschaltbild der elektrischen Schaltung für den Betrieb der Vorrichtung der Figur 1.
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255Θ989
Entsprechend der zeichnerischen Darstellung ist ein Hebelarm 1 schwenkbeweglich an einer ortsfesten Basisplatte 2 angeordnet. Dieser Arm 1 trägt an seinem einen Ende eine Kopfeinheit 3.
Wie am besten aus Figur 2 ersichtlich ist, verfügt die Kopfeinheit 3 über zwei Leitungsteile 4 und 5, die durch einen Luftspalt 6 voneinander getrennt sind; in alternativer Ausführung können die beiden Teile stattdessen durch ein geeignetes akustisches Schalldämpfungs-Abstandsteil voneinander getrennt sein.
Ein Ultraschalluntersuchungs-Senderwandlerelement 7 ist in einer Ausnehmung 8 in dem einen Teil 4 der Kopfeinheit 3 angeordnet; dieses Senderwandlerelement 7 kann in alternativer Ausbildung stattdessen an der Oberfläche des Teils 4 angeordnet sein. Ein gleicher Ultraschall-Wandler 9 ist an der Oberfläche des Teils der Kopfseinheit 3 angeordnet. Dieses Wandlerelement 9 ist als Untersuchungs-Empfangswandler ausgebildet. Es sollte beachtet v/erden, daß das Untersuchungs-Senderelement 7 unter einem kleinen Winkel zur Horizontalen geneigt ist, dies derart, daß die von dem Element 7 während des Betriebs abgegebenen Impulse nach ihrer RefLektion in einem Werkstück 10 zu dem Empfangs element 9 infolge der Möglichkeit zur Brechung an der Zwischenfläche zwischen der Kopf einheit 3 und dem Werkstück 10 v/eiterlaufen. In einer alternativen Ausbildung kann das Empfangs-Wandlerelement 9 in einer Ausnehmung in dem Teil 5 angeordnet und unter einem kleinen Winkel zur Horizontalen in derselben Weise wie das Senderelement geneigt sein.
Es sollte beachtet werden, daß die Trennung der beiden Teile und 5 der Kopfeinheit 3 in hohem Maße die direkte akustische Kopplung zwischen den Elementen 7 und 9 reduziert, wodurch Fehlsignale an dem Empfangswandler 9 reduziert werden.
Die Kopfteile 4 und 5 sind "mit domförmigen unteren Flächen 11 ausgestattet, um den Berührungsbereich mit dem Werkstück 10 zu verkleinern und hierdurch die Wirkung des plötzlichen Aufpralls zu vergrößern.
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Ein Exzenternocken 12, angetrieben von einem Motor 13, ist für die Verschwenkung des Hebelarms 1 um dessen Schwenkachse derart vorgesehen, daß der Hebelarm die Kopfeinheit 3 anhebt und anschließend deren Herunterfallen mit einem plötzlichen Aufprall nach Art eines Hammers auf das Werkstück 10 zuläßt. Wegen der domartigen Gestaltung der unteren Flächen 11 der Kopfteile 4 und 5 ist der Berührungsbereich mit dem Werkstück klein, jedoch stellt die plötzliche Art des Aufpralls (die bei einem Beispiel einen Druck in der Größenordnung von
2
700 kg/cm während der Verweilzeit aufgebaut hat) sicher, daß ein guter Schallkontakt mit dem Werkstück während der Verweilzeit des Aufpralls gebildet wird.
Gemäß Figur 2 ist ein auslösendes Wandlerelement 14 an der Seite der Kopfeinheit 3 angeordnet. Der Ausgang des Wandlers 14 ist an den Eingang einer Impulsträgereinheit 15 angeschlossen, deren Ausgang seinerseits an einen Impulssender 16 und ein Oszilloskop 17 angeschlossen ist. Der Ausgang des Impulssenders
16 ist selbstverständlich an den Untersuchungs-Senderwandler
7 angeschlossen, während der Ausgang des Untersuchungs-Empfangs-Wandlers 9 über einen Smpfangsverstärker 18 an das Oszilloskop
17 angeschlossen ist. Der Untersuchungs-Senderwandler 7 ist des weiteren an einen Kopplungsüberwachungs-Empfangsverstärker angeschlossen.
Während des Betriebs wird der Hebelarm 1 fortlaufend um seine Schwenkachse mittels des Ejczenternockens 12 hin- und herbewegt, so daß die Kopfeinheit 3 wiederholt Hammerschläge auf das Werkstück 10 (wozu in diesem Fall ein heißer Stahlblock von beispielsweise mehr als 1000 G gehört) ausführt. Im Augenblick jedes Auftreffens stellt der Wandler 14 den Aufprall fest und löst dabei über die Einheit 15 und den Sender 16 die Abgabe bzw. Sendung eines Ultraschall-Impulses von dem Senderelement 7 aus. Gleichzeitig wird zur Beobachtung des von dem Werkstück ausgehenden Echos der Impulse das Oszilloskop 17 ausgelöst.
Der von dem Sendereleraent 7 abgegebene Ultraschall-Impuls wandert über das Kopfteil 4 zu der Zwischenfläche 11 zwischen dem Kopf-
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teil 4 und dem Werkstück 10. An dieser Stelle wird ein Teil der Ultraschall-Energie in das Werkstück 10 abgegeben, und der verbleibende Teil wird in den Kopfteil 4 zurückreflektiert und wandert in Richtung auf das Senderelement 7. Wenn diese reflektierte Ultraschall-Welle an dem S ende releraent 7 eintrifft wird ein Elektrosignal erzeugt, das zu dem Anschlußüberwachungs-Empfangsverstärker 19 läuft und von diesem verstärkt wird. Die Amplitude dieses Signals entspricht dem Maß der Ultraschall-Energie, die in das Werkstück übertragen wird, und kann somit zur Steuerung der Empfindlichkeit des Defekt-Empfangs Verstärkers B verwendet werden. Somit ist also eine automatische Verstärkungssteuerung des Defekt-Empfangsverstärkers 18 zur Kompensierung für Veränderungen der Ultraschall-Kopplung zwischen der Kopfeinheit 3 und dem Werkstück 10 vorgesehen. Das Empfangs-Wandlerelement nimmt danach das Echo der Impulse als Kennzeichen von Fehlern in dem Block 10 und/oder der Dicke des Blocks 10 auf, wobei das Echo dieser Impulse als Signale über den Verstärker 13 läuft, dessen Verstärkung in Abhängigkeit von dem Kopplungslevel eingestellt wird. Die Signale der beiden Empfangsverstärker 18 und 19 v/erden an dem Oszilloskop 17 zur Anzeige gebracht.
Diese gesamte Funktionsweise der Sendung eines einzelnen kurzen Ultraschall-Impulses in den Block 10 und des Empfangs des Echos der Impulse für jedes Auftreffen des Hammers findet während der Verweilzeit jeder Berührung zv/ischen der Hammereinheit 3 und dem Block 10 statt, die im Bereich von 0,00025 bis 0,0005 see. liegt.
Des weiteren findet während des Betriebs eine fortlaufende Bewegung des Blocks 10 unter der Untersuchungsvorrichtung statt, so daß entsprechende Untersuchungen an einer Vielzahl von Punkten entlang der Länge des Blocks ausgeführt werden.
Die Defekt- und/oder Dicken-Echosignale können in eine Signalbehandlungseinrichtung bekannter Art zur Beschaffung eines
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lesbaren Darstellungsblattes oder eines äquivalenten Datenträgers eingeführt werden. Eine derartige Behandlungs-bzw. Bearbeitungseinrichtung kann in die Schaltung zx^ischen dem Verstärker 18 und dem Oszilloskop 17 eingesetzt werden.
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Claims (15)

  1. Patentansprüche
    ' 1.)Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von Gegen- ---'' ständen, gekennzeichnet durch einen hin- und herbewegbar angeordneten Kopf (3), durch ein an dem Kopf (3) angeordnetes Wandlerelement (7, 9) für Ultraschall-Untersuchungen, durch Mittel (1) zur Hin- und Herbewegung des Kopfs (3) derart, daß der Kopf (3) während des Betriebs der Vorrichtung zu einem Auftreffen auf dem zu untersuchenden Gegenstand (10) mit einem plötzlichen Aufprall kurzer Verweilzeit einmal während jeder Hin- und Herbewegung des Kopfs (3) veranlaßt ist, und durch Mittel zur Aktivierung des Wandlerelements (7, 9) zur Durchführung der Untersuchung während der Verweilzeit jedes Stoßes.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    der Kopf (3) von einem schwenkbeweglich an einem feststehenden Gestell (2) angeordneten Hebel (1) getragen und mit diesem bewegbar ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ■ Hin- und Herbewegung des Hebels (1) mittels eines Nockens (12) veranlaßt ist, der während des Betriebs der Vorrichtung den Hebel (1) anhebt und anschließend dessen Herunterfallen auf den darunter angeordneten und zu untersuchenden Gegenstand (10) zuläßt.
  4. 4. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallfläche (11) des Kopfs (3) zur Reduzierung ihres Aufprallflächenbereichs domförmig ausgebildet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (3) separate Untersuchungs-Wandlerelemente (7, 9) für die Sendung von Impulsen und für den Empfang des Echos der Impulse trägt.
    609828/0703.
    —. Q _
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (7, 9) an separaten Teilen (4, 5) des Kopfs (3) angeordnet sind, die mittels eines Luftspalts
    (6) oder eines akustischen Dämpfungsglieds voneinander getrennt sind.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Aktivierung des Sender-Wandlerelements
    (7) das Empfangs-Wandlerelement(9) umfassen, das in einem elektrischen Stromkreis derart angeschlossen ist, daß es den Betrieb des Sender-Wandlers (7) bei dem Auftreffen auf dem zu untersuchenden Gegenstand (10) auslöst.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Aktivierung des Wandlerelements über ein auslösendes Wandlerelement verfügen, das an dem Kopf (3) angeordnet und in einem elektrischen Stromkreis derart angeschlossen ist, daß es den Betrieb der Untersuchungs-Elemente bei der Feststellung des Auftreffens des Kopfs (3) auf dem zu untersuchenden Gegenstand (10) auslöst.
  9. 9. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Messung des Maßes der Schallwellenenergie, die/aas Werkstück (10) für jeden Stoß eingeführt wird und zur Steuerung der Empfindlichkeit eines Defektsignal-Empfangsverstärkers (16) im umgekehrten Verhältnis hierzu.
  10. 10. Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung von Gegenständen, gekennzeichnet durch wiederholtes Auftreffen eines Kopfs, der einen Ultraschall-Wandler trägt, mit einem plötzlichen Aufprall kurzer Verweilzeit auf unterschiedlichen Abschnitten eines zu untersuchenden Gegenstandes und durch Aktivierung des Wandlerelements zur Durchführung der Untersuchung während der Verweilzeit des Auftreffens.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Verwendung separater Untersuchungs-Wandlerelemente zur Abgabe von Impulsen und zum Empfang des Echos der Impulse.
    609828/0703
    - 10 -
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellung des Auftreffens des Kopfes auf dem zu untersuchenden Gegenstand mittels des Empfangs-Wandlerelementes zur Aktivierung des Sender-Wandlerelementes für die Durchführung der Untersuchung verwendet wird.
  13. 13. Verfahren nach J^nspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreffen des Kopfes auf dem zu untersuchenden Gegenstand mittels eines auslösenden Wandlerelements festgestellt wird, das zur Aktivierung des Sender-Wandlerelements zur
    ' Durchführung der Untersuchung verwendet wird.
  14. 14. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die kurze Verweilzeit kürzer als 0,001 see. ist.
  15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
    die kurze Verweilzeit in Bereich von 0,00025 bis 0,0005 see. liegt.
    609828/0703
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