DE2650356A1 - Piezoelectric ultrasonic transducer generating tubular waves - consists of piezoelectric tube and annular, comb shaped electrodes - Google Patents
Piezoelectric ultrasonic transducer generating tubular waves - consists of piezoelectric tube and annular, comb shaped electrodesInfo
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Abstract
Description
Piezoelektrischer UltraschallwandlerPiezoelectric ultrasonic transducer
zur Erzeugung von Rohrwellen Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Ultraschallwandler zur Erzeugung von Rohrwellen in dünnwandigen Rohren. for generating tubular waves The invention relates to a piezoelectric Ultrasonic transducer for generating tube waves in thin-walled tubes.
Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Nachweis von Längs- und Querfehlern sowie von Wandschwächungen in dünnwandigen Rohren mittels Rohrwellen, die durch den erfindungsgemäßen Ultraschallwandler, dessen Elektroden nach dem Kammprinzip angeordnet sind, erzeugt werden.It also relates to a method for detecting longitudinal and transverse defects as well as wall weaknesses in thin-walled pipes by means of pipe shafts that run through the ultrasonic transducer according to the invention, the electrodes of which according to the comb principle are arranged, are generated.
Es ist bereits bekannt, zur Prüfung dünnwandiger Rohre Ultraschall-Rotationsanlagen zu verwenden (K. Lorenz, ~Zerstörungsfreie Prüfungen als Grundlage für die Abnahme, Vortragstagung der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V., Lahnstein, #4./26. Mai 1976). Bei diesen Anlagen rotieren mehrere Ultraschallköpfe um das Rohr, das in axialer Richtung verschoben wird. Die Ultraschall-Rotationsanlagen haben jedoch den Nachteil, daß bei der Prüfung einer großen Anzahl langer Rohre ein hoher Zeitaufwand erforderlich ist. Mit diesen Anlagen können auch nur gerade Rohre untersucht werden. Eingebaute Rohre können mit diesen Anlagen überhaupt nicht geprüft werden.It is already known to use ultrasonic rotary systems for testing thin-walled tubes to be used (K. Lorenz, ~ non-destructive tests as the basis for the acceptance, Lecture conference of the German Society for Non-Destructive Testing e.V., Lahnstein, # 4. / 26. May 1976). In these systems, several ultrasonic heads rotate around the pipe, which is shifted in the axial direction. The ultrasonic rotation systems have however, the disadvantage that when testing a large number of long pipes, a high one Expenditure of time is required. With these systems only straight pipes can be examined will. Built-in pipes cannot be tested at all with these systems.
Zur Erzeugung von Rohrwellen ist ferner ein elektrodynamischer Ultraschallwandler bekannt, mit dem die Rohre von den Enden aus nach der Impulseeho-Technik geprüft werden können (W. Mohr, Zur Prüfung dünnwandiger Rohre auf Quer- und Längs fehler mit geführten Wellen", Reaktortagung des Deutschen Atomforums e.V., Düsseldorf, 30. März/2. April 1976, S. 671-674). Mit dem elektrodynamischen Ultraschallwandler können in sehr kurzer Zeit, d.h.An electrodynamic ultrasonic transducer is also used to generate tube waves known, with which the tubes are tested from the ends according to the Impulseeho technique (W. Mohr, For testing thin-walled pipes for transverse and longitudinal defects with guided waves ", reactor conference of the German Atomic Forum, Düsseldorf, March 30th / 2. April 1976, pp. 671-674). With the electrodynamic ultrasonic transducer can in a very short time, i.e.
in der Laufzeit des Ultraschallimpulses entlang des Rohres hin und zurück, sowohl gerade als auch gebogene Rohre geprüft werden. Ein wesentlicher Nachteil des elektrodynamischen Wandlers besteht jedoch darin, daß der Frequenzbereich und damit auch die maximale Auflösung begrenzt sind. Die obere Frequenzgrenze liegt bei etwa 1 MHz. Ferner benötigt der elektrodynamische Ultraschallwandler für die Prüfung eingebauter Rohre, die nur von der innen zugänglich sind,-z.B.I ca. 10.000 Dampferzeugerrohre eines Kernkraftwerks vom Typ eines Druckwasserreaktors- eine Magnetisierung vom Innern der Rohre aus, was technisch aufwendig ist.in the transit time of the ultrasonic pulse back and forth along the pipe back, both straight and curved tubes can be tested. A major disadvantage of the electrodynamic transducer is that the frequency range and so that the maximum resolution is also limited. The upper frequency limit is at about 1 MHz. Furthermore, the electrodynamic ultrasonic transducer required for the Testing of installed pipes that can only be used by which are accessible from the inside, -e.g.I approx. 10,000 steam generator pipes of a nuclear power plant of the pressurized water reactor type a magnetization from the inside of the tubes, which is technically complex.
Es ergeben sich wegen zu hohen Magnetfeldstärken Kühlprobleme und elektrische Einstreuungen von der Impulsmagnetisierung.There are cooling problems and because of too high magnetic field strengths electrical interference from impulse magnetization.
Ferner sind bereits ebene Ultraschallwandler bekannt, deren Elektroden nach dem Kammprinzip angeordnet sind (R.M. White, S.W. Voltmer, Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves", Applied Physics Letters, 7 (1965), S. 314-316). Diese ebenen Ultraschallwandler haben jedoch den Nachteil, daß mit ihnen Oberflächenwellen, aber keine Rohrwellen erzeugt werden können.Furthermore, planar ultrasonic transducers are already known, their electrodes arranged according to the comb principle (R.M. White, S.W. Voltmer, Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves ", Applied Physics Letters, 7 (1965), pp. 314-316). However, these flat ultrasonic transducers have the disadvantage that with them surface waves, but no tubular waves can be generated.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun, einen Ultraschallwandler zur Erzeugung von Rohrwellen zu entwickeln, der sich für die Prüfung dünnwandiger Rohre, vorzugsweise Rohre mit einer Wanddicke von d 4 5 mm, eignet, einen einfachen technischen Aufbau besitzt und dessen Frequenzbereich sich nicht nur auf den kHz-Bereich, sondern auch auf den MHz-Bereich erstreckt.The object of the present invention is now to provide an ultrasonic transducer to develop tube waves for the testing of thinner walls Pipes, preferably pipes with a wall thickness of d 4 5 mm, suitable, a simple technical structure and its frequency range is not limited to the kHz range, but also extends to the MHz range.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Nachweis von Längs- und Querfehlern sowie von Wandschwächungen in dünnwandigen Rohren zu schaffen, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers einfacher und wirksamer durchführbar ist.Another object of the present invention is to provide a Procedure for the detection of longitudinal and transverse defects as well as wall weakening in To create thin-walled tubes using the ultrasonic transducer according to the invention is easier and more effective to carry out.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der piezoelektrische Ultraschallwandler aus einem piezoelektrischen Rohr und nach dem Kammprinzip angeordneten ringförmigen Elektroden besteht.This object is achieved in that the piezoelectric ultrasonic transducer from a piezoelectric tube and arranged on the comb principle ring-shaped Electrodes.
Vorzugsweise wird das piezoelektrische Rohr aus radial polarisierter Piezokeramik hergestellt. Die ringförmigen Elektroden können sich sowohl auf der äußeren als auch auf der inneren Oberfläche des piezoelektrischen Rohres befinden. Das piezoelektrische Rohr kann aber auch auf beiden Oberflächen mit Elektroden versehen sein. In diesem Fall werden zur Erhöhung der Modenselektivität beide Elektrodenanordnungen in axialer Richtung entweder um eine halbe Wellenlänge gegeneinander verschoben oder genau gegenüberliegend angeordnet.Preferably, the piezoelectric tube is made of radially polarized Piezoceramic produced. The ring-shaped electrodes can be on both the outer as well as on the inner surface of the piezoelectric tube are located. However, the piezoelectric tube can also be provided with electrodes on both surfaces be. In this case, both electrode arrangements are used to increase the mode selectivity in the axial direction either shifted against each other by half a wavelength or arranged exactly opposite one another.
Der Abstand zwischen zwei gleichphasigen Elektrodenringen beträgt eine Wellenlänge. Die Breite der Elektrodenringe ist vorzugsweise gleich dem Abstand zwischen zwei benachbarten Elektrodenringen und beträgt eine viertel Wellenlänge.The distance between two in-phase electrode rings is a wavelength. The width of the electrode rings is preferably equal to the distance between two adjacent electrode rings and is a quarter wavelength.
Zur Verwirklichung des Kammprinzips sind zwei elektrisch leitende Verbindungen vorgesehen, die jeweils die gleichphasigen Elektrodenringe miteinander verbinden. Diese Verbindungen verlaufen in axialer Richtung und sind vorzugsweise im Hinblick auf das piezoelektrische Rohr gegenüberliegend angeordnet. Die Elektroden werden mit einer dünnen Isolationsschicht überzogen, welche diese elektrisch isoliert und zugleich mechanisch schützt.To implement the comb principle, two electrically conductive ones are required Connections are provided, each of the in-phase electrode rings with one another associate. These connections run in the axial direction and are preferred arranged opposite with respect to the piezoelectric tube. The electrodes are covered with a thin layer of insulation, which insulates them electrically and at the same time mechanically protects.
Die Bandbreite und Richtcharakteristik des Ultraschallwandlers wird durch die Anzahl der Elektrodenpaare, d.h. durch die Länge der Elektrodenanordnung, bestimmt.The bandwidth and directional characteristic of the ultrasonic transducer is by the number of electrode pairs, i.e. by the length of the electrode arrangement, certainly.
Die Resonanzfrequenz fO der einzelnen Elektrodenpaare hängt von dem Abstand zwischen zwei gleichphasigen Elektrodenringen sowie von der Wanddicke und dem Durchmesser des piezokeramischen Rohres ab.The resonance frequency fO of the individual electrode pairs depends on the Distance between two in-phase electrode rings and the wall thickness and the diameter of the piezoceramic tube.
Zur Erzeugung von longitudinalen oder spiralförmig umlaufenden Rohrwellen ist der Winkel zwischen den ringförmigen Elektroden und der Achse des piezoelektrischen Rohres entscheidend. Zur Erzeugung von longitudinalen Rohrwellen, die insbesondere zum Nachweis von Querfehlern und von Wandschwächungen geeignet sind, verlaufen die ringförmigen Elektroden senkrecht zur Achse des piezoelektrischen Rohres. Sollen jedoch Längsfehler aufgefunden werden, so müssen die ringförmigen Elektroden zur Erzeugung von spiralförmig umlaufenden Rohrwellen schräg zur Achse des piezoelektrischen Rohres verlaufen.For generating longitudinal or spiral tubular waves is the angle between the annular electrodes and the axis of the piezoelectric Rohres decisive. For the generation of longitudinal tube waves, in particular are suitable for the detection of transverse defects and wall weakening, the annular electrodes perpendicular to the axis of the piezoelectric tube. Should however, longitudinal defects are found, the ring-shaped electrodes must be used for Generation of spiral tubular waves at an angle to the axis of the piezoelectric Pipe run.
Die Länge des piezoelektrischen Rohres muß eine ganze Zahl von halben Wellenlängen betragen, damit die Resonanzfrequenz des gesamten Rohres mit der Resonanzfrequenz der einzelnen Elektrodenpaare zusammenfällt. Das piezokeramische Rohr ist deshalb an seinen beiden Enden um eine achtel Wellenlänge länger als die ganze Elektrodenanordnung.The length of the piezoelectric tube must be an integer of half Wavelengths are so that the resonance frequency of the entire pipe matches the resonance frequency of the individual pairs of electrodes coincides. The piezoceramic tube is therefore at both ends one eighth of a wavelength longer than the entire electrode arrangement.
Die Wanddicke des piezokeramischen Rohres muß so dimensioniert werden, daß die Phasengeschwindigkeit der angeregten Rohrwelle im piezokeramischen Rohr gleich der Phasengeschwindigkeit der Rohrwelle in dem zu prüfenden Rohr ist. Durch diese Spuranpassung werden die Empfindlichkeit und Modenselektivität des Wandlers optimiert. Da nach dem Rohrwellendiagramm (A.E. Armenakas, D.C. Gazis, G. Herrmann, "Free vibrations of circular cylindrical shells", Pergamon Press, Oxford 1969) die Phasengeschwindigkeit von Rohrwellen eine Funktion des Verhältnisses von ~{wanddicke zu Wellenlänge ist, kann bei vorgegebener Wellenlänge die Wanddicke des piezokeramischen Rohres so dimensioniert werden, daß eine Spuranpassung erreicht wird.The wall thickness of the piezoceramic tube must be dimensioned so that that the phase velocity of the excited tubular wave in the piezoceramic tube equals the phase velocity of the pipe wave in the pipe under test. By this tracking adjustment will increase the sensitivity and mode selectivity of the transducer optimized. Since according to the tube wave diagram (A.E. Armenakas, D.C. Gazis, G. Herrmann, "Free vibrations of circular cylindrical shells", Pergamon Press, Oxford 1969) the Phase velocity of tube waves as a function of the ratio of ~ {wall thickness to wavelength, the wall thickness of the piezoceramic Pipe are dimensioned so that a track adjustment is achieved.
Zur Durchführung des Verfahrens für den Nachweis von Längs-und Querfehlern sowie von Wandschwächungen in dünnwandigen Rohren wird der piezoelektrische Ultraschallwandler in das zu prüfende Rohr hinein oder über das Rohr geschoben. Es können auch zwei Ultraschallwandler gleichzeitig verwendet werden, die entsprechend ihrer Durchmesser innerhalb und außerhalb des zu prüfenden Rohres angebracht werden. In diesem Fall werden zur Erhöhung der Modenselektivität beide Ultraschallwandler in axialer Richtung entweder um eine halbe Wellenlänge gegeneinander verschoben oder bezüglich der Rohrwandung genau gegenüberliegend angeordnet. Die nachzuweisenden Fehler werden nach dem Impulsecho- oder Durchschallungsverfahren festgestellt.To carry out the procedure for the detection of longitudinal and transverse defects as well as wall weaknesses in thin-walled pipes, the piezoelectric ultrasonic transducer into the pipe to be tested or pushed over the pipe. It can also be two Ultrasonic transducers are used simultaneously, according to their diameter inside and outside of the pipe to be tested. In this case both ultrasonic transducers are installed in the axial direction to increase the mode selectivity either shifted by half a wavelength against each other or with respect to the pipe wall arranged exactly opposite. The errors to be detected are after the pulse echo or transmission method determined.
Wandschwächungen des zu prüfenden Rohres können an der Laufzeitänderung der Rohrwellenimpulse festgestellt werden. Dazu muls ein Ultraschallwandler verwendet werden, der zwischen den gleichphasigen Elektrodenringen einen solchen Abstand aufweist, d.h.Weaknesses in the wall of the pipe to be tested can be attributed to the change in transit time the tube wave impulses can be detected. An ultrasonic transducer must be used for this which has such a distance between the in-phase electrode rings, i.e.
es muß eine solche Wellenlänge gewählt werden, bei der die Gruppengeschwindigkeit der angeregten Rohrwelle eine starke Abhängigkeit von der Wandstärke des zu prüfenden Rohres aufweist.it must be chosen such a wavelength at which the group speed the excited tubular wave has a strong dependence on the wall thickness of the test Has tube.
Da die Gruppengeschwindigkeit von Rohrwellen eine Funktion des von Verhältnisses; Wanddicke zu Wellenlänge ist und es Bereiche mit starker und schwacher Abhängigkeit gibt, kann bei vorgegebener Wanddicke des zu prüfenden Rohres ein solcher Abstand zwischen den gleichphasigen Elektrodenringen gewählt werden, daß die gewünschte starke Abhängigkeit erreicht wird.Since the group speed of tube waves is a function of the Ratio; Wall thickness is too wavelength and there are areas with strong and weak There can be a dependency, given a given wall thickness of the pipe to be tested Distance between the in-phase electrode rings can be chosen that the desired strong dependency is achieved.
Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden werden in dem piezokeramischen Rohr in axialer Richtung räumlich periodische, elektrische Felder erzeugt. Diese bewirken eine radiale Auslenkung der einzelnen Volumenelemente des piezokeramischen Rohres mit der gleichen Periodizität. Die radiale Teilchenauslenkung des Ultraschallwandlers wird mittels einer Ankopplungsflüssigkeit auf das zu prüfende Rohr übertragen. Dabei werden in dem zu prüfenden Rohr je nach dem Verlauf der kammartigen Elektroden entweder longitudinale oder spiralförmig umlaufende Rohrwellen abgestrahlt.When an electrical voltage is applied to the electrodes in the piezoceramic tube in the axial direction spatially periodic, electrical Fields generated. These cause a radial deflection of the individual volume elements of the piezoceramic tube with the same periodicity. The radial particle deflection of the ultrasonic transducer is applied to the to be tested by means of a coupling fluid Transfer tube. In the pipe to be tested, depending on the course of the comb-like Electrodes emitted either longitudinal or spiral tubular waves.
In den beiliegenden Zeichnungen wird der erfindungsgemäße piezoelektrische Ultraschallwandler näher erläutert.In the accompanying drawings, the piezoelectric according to the invention Ultrasonic transducer explained in more detail.
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Ultraschallwandlers und ein zu prüfendes Rohr 3 Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler ist rohrförmig ausgebildet und besteht aus einem piezoelektrischen Rohr 1 und ringförmigen Elektroden 2, welche in diesem Fall senkrecht zur Rohrachse verlaufen und auf der äußeren Oberfläche des piezoelektrischen Rohres aufgebracht sind. Der Durchmesser des piezoelektrischen Rohres ist in diesem Fall so dimensioniert worden, daß der Ultraschallwandler in das zu prüfende Rohr hineingeschoben werden kann.Figure 1 shows a preferred embodiment of the invention piezoelectric ultrasonic transducer and a pipe to be tested 3 The inventive Ultrasonic transducer is tubular and consists of a piezoelectric Tube 1 and annular electrodes 2, which in this case are perpendicular to the tube axis run and applied to the outer surface of the piezoelectric tube are. The diameter of the piezoelectric tube is dimensioned in this way in this case been that the ultrasonic transducer is pushed into the pipe to be tested can.
Die Länge 1 des piezokeramischen Rohres 1 beträgt eine ganze Anzahl von halben Wellenlängen R/2 und ist an seinen beiden Enden 10 und 11 um 2/8 länger als die ganze Elektrodenanordnung.The length 1 of the piezoceramic tube 1 is a whole number of half wavelengths R / 2 and is longer at its two ends 10 and 11 by 2/8 than the whole electrode arrangement.
In Figur 2 wird die Abwicklung der kammartigen, ringförmigen Elektroden gezeigt, für den Fall, daß diese senkrecht zur Rohrachse verlaufen Die jeweils gleichphasigen Elektrodenringe, z.B. 6 und 7, sind durch eine elektrisch leitende Verbindung 4 miteinander verbunden und am Ort der Verbindungsleitung 5 der andersphasigen Elektrodenringe unterbrochen.FIG. 2 shows the development of the comb-like, ring-shaped electrodes shown, in the event that these run perpendicular to the pipe axis The each in-phase Electrode rings, e.g. 6 and 7, are connected to 4 by an electrically conductive connection connected to each other and at the location of the connecting line 5 of the other-phase electrode rings interrupted.
Der Abstand zwischen zwei gleichphasigen Elektrodenringen, z.B.The distance between two in-phase electrode rings, e.g.
6 und 7, beträgt eine Wellenlänge 2. Die Breite eines Elektrodenrings b ist gleich dem Abstand zwischen zwei benachbarten Elektrodenringen und beträgt <Ä/4 Zur Erzeugung von elektrischen Feldern, die in axialer Richtung räumlich periodisch sind, in dem piezokeramischen Rohr, wird an die Elektroden 8 und 9 eine elektrische Spannung angelegt.6 and 7, a wavelength is 2. The width of an electrode ring b is equal to the distance between two adjacent electrode rings and is <Ä / 4 To generate electrical fields in an axial Direction spatially periodic, in the piezoceramic tube, is attached to the electrodes 8 and 9 an electrical voltage is applied.
Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler hat einen technisch einfachen Aufbau und ist daher in der Herstellung wirtschaftlich.The ultrasonic transducer according to the invention has a technically simple one Construction and is therefore economical to manufacture.
Dies ist insbesondere dann wesentlich, wenn eingebaute austenitische Rohre, zoBo die Dampferzeugerrohre eines Kernkraftwerks vom Typ eines Druckwasserreaktors, geprüft werden müssen, die nur noch von innen zugänglich sind. Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler nicht nur im kHz-Bereich, sondern auch im MHz-Bereich gearbeitet werden. Dadurch ist sein Auflösungsvermögen wesentlich größer als z.B. das des elektrodynamischen Ultraschallwandlers, und es können kleinere Fehler empfindlicher nachgewiesen werden.This is particularly important when built-in austenitic Pipes, zoBo the steam generator pipes of a nuclear power plant of the pressurized water reactor type, must be checked, which are only accessible from the inside. Furthermore, with the Ultrasonic transducers according to the invention not only in the kHz range, but also in the MHz range to be worked. As a result, its resolving power is significantly greater than e.g. that of the electrodynamic ultrasonic transducer, and smaller errors can be more sensitive be detected.
In den nachfolgenden Tabellen 1 und 2 werden die für die Prüfung von Dampferzeugerrohren mit einem Außendurchmesser von 22 mm und einer Wanddicke von 1,2 mm mit den longitudinalen Rohrwellen L(O,1) und L(O,2) jeweils geeigneten Längen 1 des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Ultraschallwandlers und Wellenlängen > zusammengestellt, welche gemäß den Beziehungen l=(n+i/2) X und A =vph/fo zu bestimmen sind, wobei n die Anzahl der Wellen-Iängen, vph die Phasengeschwindigkeit und f die Resonanzfrequenz ist.In the following Tables 1 and 2 the for testing of Steam generator pipes with an outside diameter of 22 mm and a wall thickness of 1.2 mm with the longitudinal tube shafts L (O, 1) and L (O, 2) respectively suitable lengths 1 of the piezoelectric ultrasonic transducer according to the invention and wavelengths> compiled, which are to be determined according to the relationships l = (n + i / 2) X and A = vph / fo are, where n is the number of wavelengths, vph is the phase velocity and f is the resonance frequency.
Tabelle 1 Prüfung mit der longitudinalen Rohrwelle L(0,1)
Claims (14)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8141 | Disposal/no request for examination |