-
Ultraschallprüfvorrichtung
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur beriihrungslosen
Ultraschallprüfung von Werkstücken aus elektrisch leitendem Material, insbesondere
Metall, der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung.
-
Man hat gefunden, daß dadurch in der Oberfläche eines leitenden Körpers
Ultraschallwellen erzeugt werden können, daß man im Körper mittels einer außen angeordneten
Spule ein Hochfrequenzfeld induziert, wenn der Körper nur selbst in einem starken
Magnetfeld liegt. Die Ultraschallwellen resultieren aus der gegenseitigen Einwirkung
der durch das Hochfrequenzfeld induzierten Wirbelströme und des Magnetfeldes.
-
Dies hat zu einer zerstörungsfreien Ultraschallprüfung geführt, welche
einen direkten Kontakt mit dem Körper nicht erfordert, im Gegensatz zur normalen
Ultraschallprüfung, welche es erforderlich macht, daß entweder ein piezo-elektrischer
Wandler fest und dicht auf die Körperoberfläche aufgebracht wird, welche glatt und
frei von Zunder sein muß, oder daß zumindest eine Flüssigkeit zwischengeschaltet
wird, um die Ultraschallwellen zu übertragen. Die beriihrungslose Prüfung vermittelt
zahlreiche,
offensichtliche Vorteile. So kann der jeweils geprüfte
Körper, also der Prüfling, heiß sein und/oder eine rauhe Oberfläche aufweisen Ferner
ist die automatische Prüfung im Betrieb an ein«Produktionsstraße dadurch vereinfacht,
daß kein dichter, mechanischer Angriff zwischen einem Wandler und der Oberfläche
des jeweils geprüften Körpers bzw. Prüflings zustandegebracht werden muß.
-
Auch bei der berühr ungslosen Ultraschallprüfung werden also im jeweiligen
Prüfling Ultraschallwellen erzeugt und die reflektierten Ultraschallwellen aufgenommen,
um insbesondere Materialfehler festzustellen. Schwierigkeiten ergeben sich insofern,
als selbst bei sehr geringen Abständen von beispielsweise in der Größenordnung eines
Millimeters oder weniger zwischen der Hochfrequenzspule und der Oberfläche des Prüflings
das Echo bzw. das entsprechende Signal sehr schwach ist, und zwar mehrere Grössenordnungen
schwächer als bei dem normalen Verfahren mit direkter Berührung zwischen piezo-elektrischem
Wandler und Prüfling. Die Detektorschaltung für das Echosignal muß daher äußerst
empfindlich sein.
-
Bei der heute üblichen Ultraschallprüfung im Magnetfeld wird letzteres
durch einen Elektromagneten hervorgerufen und eine einzige Hochfrequenzspule verwendet,
welche in der Nähe der Pole des Magneten angeordnet ist, um sowohl das Hochfrequenzsignal
zu senden als auch das Echo zu empfangen. Versuche haben gezeigt, daß eine Flachspule
am besten geeignet ist, also eine Spiralwicklung, weil dabei alle Windungen dicht
an der Oberfläche des Prüflings liegen. Die genaue Anordnung in Bezug auf die Magnetpole
hängt davon ab, ob Scherwellen oder Kompressionswellen gewünscht werden, deren Erzeugung
ihrerseits von der Richtung des Magnetfeldes in Bezug auf die fragliche Oberfläche
abhängt.
Im allgemeinen liegt die Spule im Spalt zwischen einem
der Polstücke des Magneten und m Prüfling.
-
Die Verwendung ein und derselben Spule sowohl zum Senden als auch
zum Empfang bedeutet, daß das Empfängervorderende das verhältnismäßig sehr große,
gesendete Signal ohne Schaden aushalten können muß, der Empfänger jedoch trotzdem
rechtzeitig die für die Aufnahme des Echosignals erforderliche, hohe Empfindlichkeit
wiedererlangen muß.
-
Dies führt zu Schwierigkeiten schaltungstechnischer Art. Es wurde
schon vorgeschlagen, gesonderte Wicklungen zu verwenden, nämlich zwei Flachwicklungen
mit einer gemeinsamen Achse, wobei die Windungen der einen und die Windungen der
anderen sich gegenseitig abwechseln, doch hat auch dies eine beträchtliche Kopplung
zwischen dem Sender und dem Empfänger zur Folge.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ber iihrungslose Ultraschallprüfung
von Werkstücken aus elektrisch leitendem Material, insbesondere Metall, im Magnetfeld
weiter zu verbessern, wobei insbesondere das gesendete Signal und das empfangene
Signal soweit als möglich getrennt sind, ferner eine flexible Betriebsweise ermöglicht
ist.
-
Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs
angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den restliches Ansprüchen gekennzeichnet.
-
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind eine Sendespule und eine
gesonderte Empfangsspule vorgesehen, welche seitlich im Abstand voneinander angeordnet
und jeweils flach gewickelt sind. Die an einen Hochfrequenzsender anschließbare
Sendespule induziert ein Hochfrequenzfeld
im jeweiligen Prüfling,
und die an einen Empfänger anschließbare Empfangsspule empfängt reflektierte Ultraschallsignale
vom Prüfling entsprechend dem gesendeten Signal. Beide Spulen sind jeweils in der
Nähe der Pole desjenigen Magneten angeordnet, welcher das Magnetfeld im Prüfling
erzeugt, und vorzugsweise sind die beiden Spulen in unmittelbarer Nähe desselben
Magnetpoles angeordnet.
-
Vorteilhafterweise ist dabei jede Spule an einem eigenen Polstück
vorgesehen, wobei die beiden Polstücke unabhängig voneinander bezüglich des zugehörigen
Magnetpols beweglich sein können. Beispielsweise kann dieser beiden Spulen gemeinsame
Magnetpol zwei parallele Bohrungen aufweisen, in welchen das eine bzw. das andere
Polstück verschieblich ist. Die Anordnung der beiden Spulen an getrennten Pol stücken
vermindert nicht nur die Hochfrequenzkopplung zwischen ihnen sehr beträchtlich,
sondern auch die sonst unvermeidliche Schallwellenkopplung, was sehr wichtig ist.
-
Die Verwendung gesonderter Sende- und Empfangsspulen ermöglicht es,
jede im Hinblick auf ihre besondere Funktion zu optimieren. So kann beispielsweise
die Sendespule mit einer geringeren Anzahl von Windungen aus verhältnismäßig dickem
Draht hergestellt werden, so daß ein starker Stromstoß erzeugt werden kann, während
die Empfangsspule mit einer großen Anzahl von Windungen hergestellt werden kann,
um zu gewährleisten, daß die höchstmögliche Spannung durch das räckkehrende Ultraschallecho
erzeugt wird.
-
Auch bedeutet diese Trennung von Sende- und Empfangsspule, daß ein
großer Impuls gesendet werden kann, ohne daß der Empfänger überdeckt wird. Tatsächlich
kann ein Feldeffekttransistor als Vorverstärker für den Empfänger verwendet
werden,
ohne daß er durch den gesendeten Impuls zerstört werden würde.
-
Die Anordnung der Spulen nebeneinander kann dann zu Schwierigkeiten
führen, wenn Kompressionswellen bei Bändern, rechteckigen Stangen oder anderen flachen
Werkstücken angewendet werden sollen, weil der Echo impuls von der Rück seite des
Werkstücks oder von lamellenartigen Rissen oder Blasen zur Sendespule zurückkehrt
und das Signal der seitlich davon angeordneten Empfangs spule sehr schwach ist.
Die Erfindung ist jedoch in erster Linie für die Prüfung von Werkstücken mit rundem
Querschnitt bestimmt und geeignet, wie beispielsweise Stangen oder Rohre, in welchem
Fall die beiden Spulen vorzugsweise in Richtung des Werkstückumfanges seitlich im
Abstand voneinander angeordnet sind. Dabei ist es weiterhin bevorzugt, den Spulen
eine solche Gestalt zu geben, daß sie der Umfangskrümmung folgen. Die von der unmittelbar
unterhalb der Sendespule liegenden Werkstückoberfläche ausgehenden xellen kehren
dann nicht nur zur Sendespule, sondern auch zur Empfangsspule zurück. Tatsächlich
wurde festgestellt, daß abgesehen von Echos, welche von sehr nahe an der Sendespule
liegenden Rissen oder Blasen kommen, die amplitude des an der Empfangsspule empfangenen
Echosignals nicht den normalen Abfall über die Entfernung zeigt, sondern im wesentlichen
entfernungsunabhängig ist, zumindest innerhalb eines begrenzten Stangen- bzw. Rohrdurchmesserbereichs.
-
Nachstehend ist eine Ausfühnngsforn der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
welche zur Prüfung von Stangen mit rundem Querschnitt dient, an Hand der Zeichnung
beispielsweise beschrieben. Darin zeigen schematisch: Fig. 1 einen Längsschnitt;
Fig.
2 das Schaltbild der Sendespule und der Empfangs spule in Verbindung mit dem zugehörigen
Rochfrequenzsender und dem zugehörigen Empfänger; und Fig. 3 eine polare Wiedergabe
des Querschnittstrahlmusters, wie es sich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und
2 ergibt.
-
Es ist ein Elektromagnet mit einem mittleren, zylindrischen Pol 1,
einem äußeren, ringförmigen Pol 2, einem ringförmigen Joch 3 und einer Erregerspule
4 vorgesehen. Das Joch 3 verbindet die beiden Magnetpole 1 und 2 an den oberen Enden,
und die Erregerspule 4 ist um den mittleren Magnetpol 1 herumgewickelt. Das in Fig.
1 untere Ende des äußeren Magnetpols 2 ist so gestaltet, daß es der Oberflächenkümmung
einer zu prüfenden, zylindrischen Stange 5 entspricht. Der mittlere Magnetpol 1
weist zwei zylindrische Bohrungen 6 auf, deren Längsachsen sich parallel zur Längsachse
des Magnetpols 1 erstrecken und in dem selben Abstand beiderseits der Nagnetpolachse
verlaufen, so daß sie in einer zur Längsachse der Stange 5 senkrechten Ebene liegen.
Die beiden Bohrungen 6 sind also in Richtung des Umfanges der Stange 5 im Abstand
voneinander angeordnet.
-
Jede Bohrung 6 enthält ein zylindrisches, stabförmiges Polstück 7,
welches am in Fig. 1 unteren Ende eine im wesentlichen flache, spiralig gewickelte
Spule 8 trägt. Das untere Ende jedes Polstücks 7 und die daran vorgesehene Spule
8 selbst sind entsprechend der Oberflächenkrümmung der Stange 5 gestaltet. Die Polstücke
7 sind in den Bohrungen 6 unabhängig voneinander beweglich, um die jeweilige Spule
8 bezüglich der Stange 5 einfach und genau positionieren zu können. Jedes Polstück
7 kann zusammen mit der zugehörigen Spule 8 vollständig aus der jeweiligen Bohrung
6
herausgezogen werden. Eine einzige, nicht dargestellte Schraube
klemmt jedes Polstück 7 in der jeweiligen Axialstellung fest.
-
Jede Spule 8 ist von einem elektrischen Schirm 9 aus Kupfer umgeben,
welcher zur Verminderung von Wirbelströmen in voller Tiefe geschlitzt ist. Das äußere
Ende jeder Spule 8 ist mit dem zugehörigen Schirm 9 verbunden.
-
Weiterhin ist jede Spule 8 durch ein koaxiales Kabel 10 mit einem
Paar von Anschlußklemmen 11 an dem in Fig. 1 oberen Ende des jeweiligen Pol stücks
7 verbunden. Das Xabel 10 läuft durch eine Axialbohrung 12 des jeweiligen Polstücks
7 und weist einen äußeren, von einem Eupferdrahtgeflecht gebildten Schirm 13 zur
Verminderung von Wirbelströmen auf. Die Spulen 8 können keramische Stirn- und Rückflächen
aufweisen, was dann erforderlich ist, wenn die Stange 5 bei hoher Temperatur geprüft
wird.
-
Die Ausgestaltung der einzelnen Spulen 8 ist unterschiedlich. Eine
ist als Sendespule zur Verbindung mit einem Sender 14 (Fig. 2) ausgebildet, welcher
ein Hochfrequenzsignal liefert, und die andere ist als Empfangsspule zur Verbindung
mit einem Empfänger ausgebildet, welcher einen Vorverstärker 15 und
16 aufweist. Die Sendespule 8 weist nur wenige Windungen aus verhältnismäßig dikkem
Draht auf, um für einen starken Stromimpuls vom Sender 14 geeignet zu sein, während
die Empfangs spule 8 eine große Anzahl von Windungen aus dünnerem Draht aufweist,
um die durch den reflektierten Ultraschallimpuls von der Stange 5 erzeugte Spannung
zu maximieren. Beispielsweise kann die Sendespule 8 einen Außendurchmesser von 16
mm aufweisen und aus 6,5 Windungen eines gelackten 22SWG-Kupferdrahtes bestehen,
während die Empfangsspule 8 einen Außendurchnesser von 22 mm aufweisen und aus vielen,
dicht gewickelten Windungen
eines gelackten 43SWG-Eupferdrahtes
bestehen kann.
-
Die beiden Spulen 8 werden mittels Kondensatoren 17 auf ihre Betriebsfrequenz
eingestellt. Bei Verwendung der vorstehend spezifizierten Spulen 8 wird für eine
Betriebsfrequenz von 2 ISHz der Sende spule 8 eine Gesamtkapazität von 11000 pf
mittels Hochspannungskeramikkondensatoren und der Empfangsspule 8 eine Gesamtkapazität
von 100 pf mittels eines Mikakondensators zugeordnet. Ein Widerstand von 10 KOhm
im Vorverstärker 15 dämpft den Ausgang der Empfangsspule 8, so daß eine Bandbreite
von 2 MHz mit einer Mittenfrequenz von 2 NHz erzielt wird.
-
Der Sender 14 besteht aus einem Ladekreis, welcher einen Impulskondensator
auflädt, und einem riggerkreis, welcher den Kondensator über die Sende spule 8 periodisch
entlädt. Beispielsweise weist der Kondensator eine Eapazität von 9000 pf auf, und
wird er bis auf eine Spannung von 6 EV aufgeladen. Der Grfigerkreis kann ein Tetrode-Thyratron
aufweisen, welches von einer punktförmig verteilten Verzögerungsleitung mit konstanter
Verzögerung getriggert wird, die ihrerseits von einem steuerbaren Siliziumgleichrichter
betätigt wird. Typischerweise wird der Kondensator mit einer Impulswiederholungsfrequenz
von 110 Hz entladen.
-
Der Vorverstärker 15 ist vom Feldeffekttransistor-Typ und weist eine
erste Feldeffekttrensistor-Stufe mit Begrenzerdioden zum Schutz vor dem gesendeten
Impuls auf, welcher trotz der Schirme 9 an der Empfangsspule 8 bis zu 1 KV induzieren
kann. Ein Strombegrenzerwiderstand ist mit der Empfangsspule 8 in Reihe geschaltet,
und der Begrenzerwiderstand von 10 zu KOhm ist zwischen das Gatt und die Erdanschlüsse
des Feldeffekttransistors geschaltet. Dieser Feldeffekttransistor ist Teil eines
Rückkopplungspaares,
welches typischerweise so eingestellt ist,
daß ein Frequenzausgang zwischen 0,3 und 3,5 MHz an den Q db-Punkten und eine hohe
Abfallgeschwindigkeit gegeben sind. Daran schließt sich ein BreitbandrückkopDlungssaar
en. welches über ein 75 Ohm-Koaxialkabel
16 speist.
-
Die Halbbandverstärkung des Vorverstärkers 15 liegt bei 38 db.
-
Der Hauptverstärker 16 basiert auf Breitbandrückkopplungspaaren 18,
und der Frequenzausgang wird durch ein Butterworth-Bandpassfilter 19 dritter Ordnung
gesteuert, welches typischerweise einen Frequenzausgang zwischen 0,5 und 7,4 MHz
an den 3 db-Punkten und einen 60 db/Dekade-Abfall hat. Die Halbbandverstärkung liegt
bei 62 db, und ein 0-40 db-Dämpfungsglied 20 zwischen den ersten beiden Breitbandrückkopplungspaaren
18 steuert die Verstärkung.
-
Sämtliche Zeitkonstanten sowohl im Vorverstärker 15 als auch im Hauptverstärker
16 werden so klein wie möglich gehalten, um diejenige Zeitspanne zu reduzieren,
während welcher der Empfänger 15, 16 vom gesendeten Impuls überdeckt wird.
-
Der Hauptverstärker 16 weist einen ein Lusgangßsignal liefernden
Detektorkreis 21 auf. Das Ausgangssignal wird dazu verwendet, eine sichtbare Anzeige
in irgendeinem der bekannten Anzeigeßyßteme hervorzurufen, beispielsweiße eine "A"-Abtastung,
die normalerweise bei einem Kathodenstrahloszillographen vorliegende Form, eine
"B"-Abtastung, welche einen Ultraschallquerschnitt der gerade geprüften Stange 5
liefert, oder eine polare Abtastung, welche die Ultraschallreflektiervariation von
Fehlern in der Stange 5 beweglich deren Winkellagen angibt. Eine Kolbination dieser
Anzeigen ermöglicht die visuelle BOßtillUflg
der Lage und Art von
Rissen oder Blasen mit einem Minimum an Erfahrung.
-
Typischerweise sind die Spulen 8 in einem Abstand von 2 mm von der
Oberfläche der Stange 5 angeordnet. Die Stärke der reflektierten Signale fällt in
einem Ausmaß von 8db/mm bei Erhöhung des Abstandes von der Stange 5 bis auf 4 mm,
wenn die oben spezifizierten Spulen 8 verwendet und mit einer Frequenz von 2 MHz
betrieben werden.
-
In Fig. 3 ist ein polares Diagramm des Quer schnittstrahlmusters
wiedergegeben, wobei die ausgezogenen und die gestrichelten Linien Konturen gleicher
Ultraschallintensität für einen 1,4 MHz- bzw. 2 MHz-Strahl wiedergeben, gemessen
an den 3 db-Stellen. Sie zeigen, daß der gesendete und der reflektierte Ultraschall
strahl schmal sind und sich überlappen, so daß Dämpfung des reflektierten Strahles
mit der Entfernung im wesentlichen ausgeschaltet ist. Für einen gegebenen Fehler
wird daher dasselbe Spitzenechosignal entlang der Höchstintensitätslinie von zu
von bis auf die ersten Fünftel allen einer "A"-Abtastungsanzeige erhalten.
-
Die Auflösung ist derart, daß ein Fehler in einem Abstand von 5 mm
von der Rückseite der Stange 5 vom Rückecho auf einer PPI-Abtastung getrennt ist,
welche auch den Stangenumriß nachzeichnet und Oberflächenabflachungen aufzeigt.
-
Die Breite des Strahles kann dadurch verändert werden, daß man das
Pol stück d urchmesser/Ultraschallfrequenz-Verhältnis ändert.
-
Da die Intensitätsverteilung vor der Sendespule 8 nicht gleichmäßig
ist, ergibt sich ein zweizipfliger Strahl.
-
Dieser Effekt kann nicht vollständig eliminiert werden, da er Jedoch
in einem bekannten Bereich auftritt und sich auf
der polaren Abtastung
Zipfel ergeben, welche einen sehr genau definierten Winkel einschließen, sind damit
keine Schwierigkeiten verbunden.
-
In der Mitte der Sende spule 8 liegt keine horizontale Komponente
des Hochfrequenzfeldes vor, so daß entlang der Achse die Intensität t'0't vorhanden
ist. Ähnlich kann bei der Empfangsspule 8 ein an deren Mitte einfall endes Signal
keine Spannung in der Spule 8 induzieren. Auf Grund von Streuung und Strahlüberlappung
macht sich dieser Effekt nur auf der entfernten Seite der Stange 5 in einem engen
Bereich bemerkbar, und fällt er mit einer Frequenzverminderung ab.
-
In Stangenlängsrichtung erscheint eine Dreifachspitze, doch liegt
die Intensität der beiden Seitenspitzen einige 20 db tief, so daß sie vernachlässigt
werden können.
-
Wenn die Oberfläche der Stange 5 mit Zunder bedeckt ist, welcher
Magnetit enthält, dann findet ein magnete striktives Erzeugen und Empfangen von
Ultraschall statt, was zu einer Steigerung der Signal stärke um bis zu 30 db führen
kann. Die Steigerung der Signal stärke hängt von der Zunderdicke, dem Magnetitprozentsatz
und der Feldstärke ab und verändert sich um die Stange 5 herum, wenn diese Eigenschaften
nicht konstant sind. Bei einfachen Stangen 5 sind diese Eigenschaften in vernünftigen
Grenzen konstant, jedoch können Slgnalveränderungen auf Grund von Zunderstärke-Variationen
dadurch behoben werden, daß man das Rückoberflächenecho überwacht.
-
Die oben angegebene Betriebsfrequenz von 2 flllz wird am häufigsten
bei der üblichen Prüfung mit Longitudinalwellen angewendet. Bei den in der Stange
5 erzeugten Ultraschallwellen
handelt es sich jedoch um Scherwellen
statt um Longitudinalwellen, weil das Magnetfeld senkrecht zur Stangenoberfläche
orientiert ist, was leichter zustandegebracht werden kann als eine zur Stangenoberfläche
parallele Ausrichtung des Magnetfeldes für die Erzeugung von Longitudinalwellen.
SchQrwellen pflanzen sich mit etwa der halben Geschwindigkeit von Longitudinalwellen
fort, so daß die Wellenlänge der Querwellen nur etwa halb so groß wie diejenige
der Longitudinalwellen bei üblichen Ultraschallprüfsystemen ist. Eine Verminderung
der Betriebsfrequenz hat eine Vergrößerung der Wellenlänge zur Folge, ferner festgestelltermaßen
die Erzeugung eines breiteren Strahles, eines erhöhten Signalniveaus und einer verminderten
Dämpfung mit wachsender Entfernung. Die Betriebsfrequenz kann dadurch vermindert
werden, daß man die Kapazität der Kondensatoren 17 erhöht. Auf diese Weise kann
eine Betriebsfrequenz von 1,4 11Hz erzielt werden, wodurch das Signalniveau um 2
db erhöht wird, und was auf Grund geringerer Dämpfung mit wachsender Entfernung
zur Folge hat, daß sechs Rückechos in der Anzeige erscheinen, statt vier Rückechos
bei einer Betriebsfrequenz von 2 MXz. Eine Betriebsfrequenz von 1 MHz wird am besten
dadurch erhalten, daß man die 2 MHz-Sendespule 8 durch eine Sende spule 8 höherer
Induktivität ersetzt.
-
L e e r s e i t e