DE2710403A1

DE2710403A1 - Verfahren und vorrichtung zur ultraschallpruefung der wandstaerke von rohren u.dgl.

Info

Publication number: DE2710403A1
Application number: DE19772710403
Authority: DE
Inventors: Robert Jamieson Aqnew; Norman Eustace Flournoy; David Anderson Morris
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1977-03-10
Filing date: 1977-03-10
Publication date: 1978-09-14
Also published as: DE2710403C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallprüfung der Wand-
stärke von Rohren und dgl.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallprüfung der Wandstärke von Rohren oder dgl., bei dem ein Energieimpuls in einer quer zu der zu prüfenden Wand verlaufenden Richtung abgestrahlt wird und die nach Reflexion dieses Impulses an den Wandflächen auftretenden, zur Bestimmung der Wandstärke dienenden, reflektierten Impulse aufgefangen werden und somit die Wandstärkenmessung anhand der Impulsechos erfolgt.
Bei der bereits bekannten, zerstörungsfreien Ultraschall-Werkstoffprüfung, durch welche die Wandstärke langgestreckter Werkstücke gemessen wird, werden in Werkstücklängsrichtung ausgerichtete Impulswandler mit einer unter 450 geneigten Reflexionsfläche eingesetzt, an welcher die parallel zum Werkstück abgegebene Ultraschallenergie unter einem rechten Winkel abgelenkt wird, so daß sie quer zu den Wänden des langgestreckten Körpers gerichtet ist. Weiterhin ist bekannt, bei der Rohrleitungsprüfung mit Ultraschall-Meßvorrichtungen mehrere Wandler in Verbindung mit einem Rotor einzusetzen, der mit einer zur Fortbewegungsgeschwindigkeit durch die Rohrleitung proportionalen Drehzahl umläuft und dabei die Rohrwandung abtastet. Bei keiner bekannten Vorrichtung dieser Art wird zugleich mit einem weiteren Impuls gearbeitet, der unter einem anderen Winkel zur Oberfläche des Rohrs bzw. der zu prtfenden Wand gerichtet wäre.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Ultraschallprüfung der Wandstärke von Rohren oder dgl. zu schaffen, welche die Ermittlung auch kleiner Unregelmäßigkeiten gestatten.
Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren vom eingang genannten Typ ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Energieimpuls entlang einem Weg, dessen Einfallswinkel in bezug auf die Wand größer ist als der kritische Brechwinkel, ausgesandt wird, wobei von einer Unregelmäßigkeit in der Wand reflektierte, zur Kennzeichnung dieser Unregelmäßigkeit dienende Energie entlang dem Weg dieses zweiten Impulses zurückläuft und gegenüber den erstgenannten Reflexionsimpulsen zeitlich versetzt aufgefangen wird.
Entsprechend einer Ausgestaltung dieses Verfahrens kann ein Einzelimpuls erzeugt, entlang einem sich von dem quer und von dem unter einem Winkel verlaufenden Weg abweichenden Weg abgegeben und in die beiden Impulse aufgespalten werden.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung können auch mehrere Einzelimpulse nacheinander erzeugt und entlang zur Rohrachse parallelen Richtungen abgegeben werden, wobei ein Teil jedes Einzelimpulses an einer unter 450 geneigten Reflexionsfläche in eine quer zur Rohrwandung verlaufende Richtung umgelenkt, ein weiterer Teil jedes Einzelimpulses an einer unter mehr als 450 zu der wandparallelen Impulsabgaberichtung geneigten Reflexionsfläche umgelenkt wird, an der Rohrwandung reflektierte erste Teile jedes Impulses aufgefangen und zur Bestimmung der Wandstärke verwendet werden, und an einer Unregelmäßigkeit in der Rohrwandung reflektierte zweite Teile jedes Impulses aufgefangen und zur Kennzeichnung der Unregelmäßigkeit ausgewertet werden.
Die weiterhin vorgeschlagene Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeicianet durch eine Impulswandler-Reflektor-Kombinat:ion, welche zur Abgabe eines Energieimpulses in einer quer zur Rohrwandung verlaufenden Richtung und eines zusätzlichen Energieimpulses in einer unter einem größer als der kritische Brechwinkel bemessenen Einfallswinkel an der Wand verlaufenden Richtung ausgelegt ist, und einen zum Auffangen von den an den Wandflächen reflektierten Impulsen und den an ggf. in diesen vorhandenen Unregelmäßigkeiten reflektierten, gegenüber den erstgenannten Impulsen zeitlich versetzten zusätzlichen Impulsen dienenden Empfänger.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung dieser Vorrichtung können auch mehrere Impulserzeuger in gegenseitigen Abständen um die Achse des Rohrs herum verteilt angeordnet, und die zum Reflektieren der Einzelimpulse dienenden Reflexionsflächen können ringförmig ausgebildet und in Axialrichtung in vorbestimmten, unterschiedlichen Abständen von den Impulserzeugern angeordnet sein. Dabei sind die Impulserzeuger vorzugsweise innerhalb des Rohrs angeordnet und zur Abgabe von Impulsen in einer zur Rohrachse parallelen Richtung ausgelegt. Die in einem Axialabstand von den Impulserzeugern angeordnete erste ringförmige Reflexionsfläche schließt einen Winkel von 450 mit der Rohrachse ein, entspricht in Radialrichtung etwa der halben Impulsquerschnittsbreite und dient dazu, einen Teil der Impulse abzuspalten und entlang einem quer zur Rohrwandung gerichteten Weg abzulenken. Die in einem größeren Axialabstand als die erste Reflexionsfläche von den Impulserzeugern angeordnete zweite ringförmige Reflexionsfläche schließt einen Winkel von mehr als 450 mit der Rohrachse ein, entspricht in Radialrichtung der anderen Hälfte der Impulsquerschnittsbreite und dient dazu, einen anderen Teil der Impulse entlang einem Weg abzulenken, dessen Einfallswinkel an der Rohrwandung größer ist als der kritische Brechwinkel, so daß an einer Unregelmäßigkeit in der Rohrwandung reflektierte Energie entlang diesem Weg reflektierbar ist.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung sind im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 ist ein teils in Ansicht und teils im Schnitt gehaltener, schematischer Teilaufriß und zeigt eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete erste Ausführungsform der Vorrichtung.
Fig. 2 zeigt im Schaubild mehrere Oszillografenkurven mehrerer Impulsechosignale, welche die an den Oberflächen einer entsprechend der Darstellung in Fig. 1 gemessenen Wand reflektierten Impulse darstellen.
Figuren 3-4, 5-6, 7-8 und 9-10 zeigen jeweils in einem Aufrißausschnitt bzw. in Querschnittsdraufsicht verschiedene Formgebungen der Reflexionsfläche, vermittels welcher die Eigenschaften des Ultraschall-Energiebündels in bestimmter Weise beeinflußt werden.
Fig. 11 zeigt im schematischen Aufrißausschnitt einen Querschnitt entlang der Linie 11-11 von Fig. 12, zur Veranschaulichung einer insbesondere zur Rohrleitungsdickenmessung geeigneten Ausführungsform.
Fig. 12 ist ein waagerechter Schnitt entlang der Linie 12-12 von Fig. 11.
Fig. 13 ist ein schematischer Schaltplan der in Verbindung mit der in den Fig. 11 und 12 dargestellten Vorrichtung verwendbaren elektrischen Schaltung.
Die mit Impulsechos arbeitende Ultraschallprüfung ist als eine Form der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und insbesondere zur Messung der Wandstärke von Rohrleitungen aus unterschiedlichen Werkstoffen weit verbreitet. Bei der Anwendung bekannter Verfahren hat es sich jedoch in vielen Fällen als schwierig erwiesen, zwischen dünnen oder durch Korrosionsfraß schwächer gewordenen Stellen und anderen Unregelmäßigkeiten wie z.B. Schweißverbindungen und Oberflächendiskontinuitäten zu unterscheiden. Diese Schwierigkeiten sind bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach Erfindung vermieden, indem diese eine einwandfreie Unterscheidungsmöglichkeit von dünnen oder durch Korrosionsfraß angegriffenen Stellen an der Rohrleitungswand oder dgl.
bieten.
Figur 1 zeigt einen Längsquerschnitt durch einen Abschnitt eines Rohrs 21, wobei die Wand dieses Rohrs selbstverständlich auch aus der Wand eines Behälters oder dgl. bestehen könnte. Innerhalb des Rohrs befindet sich ein gasförmiges oder flüssiges Medium 22, das einen guten Leiter für Schallenergie bildet.
Zur Messung der Wandstärke des Rohrs 21 ist innerhalb desselben ein Impulswandler 25 mit einer Linse 26 angeordnet, der bei Erregung des Kristalls einen gerichteten Energiestrahl abstrahlt. Durch kurzzeitiges Anlegen einer elektrischen Spannung an den Kristall wird in an sich bekannter Weise ein kurzer Einzel-Ultraschallimpuls erzeugt. Der Kristallwerkstoff besteht vorzugsweise aus Bleimetaniobat und weist in dem hier dargestellten Impulswandler 25 die Form einer (nicht dargestellten) flachen Scheibe auf, deren (nicht dargestellte) als Elektroden dienende Seitenflachen versilbert sind. Da der Kristall von piezoelektrischer Beschaffenheit ist, verformt er sich und erzeugt dabei einen Schallimpuls.
Aufgrund der Ausrichtung des Impulswandlers 25 und der durch die Linse 26 bewirkten Fokussierung wird der Impuls entlang einem Weg 29 nach unten abgestrahlt und fällt auf eine ebene Reflexionsfläche 30, die unter 450 zur Achse des Rohrs 21 geneigt ist. Die Energie in dem auf die Reflexionsfläche 30 fallenden Teil des Impulses wird somit unter einem rechten Winkel zum Weg 29 reflektiert und pflanzt sich entlang dem quer zur Oberfläche der Wandung des Rohrs 21 verlaufenden Weg 33 fort.
Die Wand des Rohrs 21 besteht aus einer Innenwandfläche 34 und einer Außenwandfläche 35, welche gemeinsam den Werkstoff des Rohrs 21 auf beiden Seiten begrenzen, so daß die Energie des Schallimpulses zum Teil an beiden Wandflächen reflektiert wird. Die entsprechenden reflektierten Impulse verlaufen entlang dem Weg 33 in entgegengesetzter Richtung, werden an der Reflexionsfläche 30 nach oben entlang dem Pfad 29 reflektiert und fallen schließlich auf den im Wandler 25 befindlichen Kristall, der ein dem Schallimpuls entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Die Erzeugung eines Schallimpulses und das kurzzeitig später erfolgende Erzeugen von den zurücklaufenden, reflektierten Schallimpulsen entsprechenden elektrischen Impuls signalen ist wie bereits ausgeführt bekannt und bedarf daher an dieser Stelle keiner ausführlichen Beschreibung.
In Fig. 2 sind vier Oszillografenkurven dargestellt, welche die Signalamplituden als Funktion der Zeit zeigen.
Bei der Energie handelt es sich um Frequenzen im Ultraschallbereich, so daß die Zeitspannen sehr kurz sind und die an der Zeitachse dargestellte Strecke 38 einer Zeitspanne von 2 Mikrosekunden entspricht. Die in Fig. 2 mit "a" bezeichnete oberste Kurve zeigt zwei reflektierte Impulse 41 und 42, welche die vom Wandler erzeugten Impulse darstellen, wenn dieser auf die von den Wandflächen 34 und 35 der Wand des Rohrs 21 reflektierte Schallenergie anspricht und kein Hohlraum oder eine andere Unregelmäßigkeit oder Diskontinuität an der Wand vorhanden ist.
In Fig. 1 ist eine zweite, ebene Reflexionsfläche 45 in einem etwas größeren Abstand vom Wandler 25 dargestellt und in bezug auf die Achse des Rohrs 21 unter einem mehr als 450 betragenden Winkel geneigt. Folglich durchläuft der über den halben Impulsquerschnitt abgegebene Teil der Impulsenergie einen durch die gestrichelte Linie 46 angezeigten Weg und pflanzt sich nach Reflexion entlang dem ebenfalls gestrichelt dargestellten Weg 47 fort. Der Weg 47 entspricht einem Einfallswinkel auf die Innenwandfläche 34, der größer ist als der kritische Brechwinkel für den Werkstoff, aus dem die Wand des Rohrs 21 besteht. Folglich dringt diese Impulsenergie in die Innenwandfläche 34 des Rohrs 21 ein, verlauft in dieser schräg nach oben und tritt aus dem Rohr auf der anderen Seite ebenfalls wieder ohne Reflexion aus, wenn das Rohr keine Unregelmäßigkeit wie z.B. den hier dargestellten Hohlraum 51 aufweist. Wenn jedoch eine derartige Unregelmäßigkeit vorhanden ist, wird an dieser wie z.B. am Hohlraum 51 ein reflektierter Impuls erzeugt, der über die gleichen Wege 47 und 46 zurückläuft und auf den Impulswandler 25 trifft.
Dadurch wird in gleicher Weise wie durch die reflektierten Impulse über die Meßwege für die Dickenbestimmung 33 und 29 ein reflektierter Impuls erzeugt.
Bei jedem Erregungsvorgang des Impulswandlers 25, durch den ein Schallimpuls erzeugt wird, durchlauft dieser das gasförmige oder flüssige Medium 22.
Dabei durchsetzt der Impuls die Linse 26 und wird von dieser in einem Bereich gebündelt, dessen Größe im wesentlichen der Größe des im Wandler 25 befindlichen Kristalls entspricht. Die vom Wandler 25 nach unten abgestrahlten Impulse werden zur Hälfte an der oberen Reflexionsfläche 30 unter einem rechten Winkel abgelenkt, wobei dieser Teil des Impulses quer zu den Wandflächen 34 und 35 verläuft und an den Wandflächen des Rohrs 21 reflektiert wird. Die zurücklaufenden Reflexionsimpulse zeigen somit die Dicke der Wand des Rohrs 21 an.
Kurzzeitig später wird an der Reflexionsfläche 45 die andere Hälfte jedes Impulses reflektiert, so daß dieser Teil des Impulses sich entlang dem Weg 47 fortpflanzt und die Impulsenergie an die Wand des Rohrs 21 abgegeben wird. Die die Wand des Rohrs 21 durchsetzende Impulsenergie führt nur dann zu einem rücklauf enden, reflektierten Impuls, wenn sich eine Diskontinuität im Impulsfortpflanzungsweg befindet. Aufgrund einer derartigen Diskontinuität erscheint ein rücklauf ender Reflexionsimpuls.
Da die Reflexionsfläche 45 weiter als die Reflexionsfläche 30 vom Impulswandler 25 entfernt ist und einen vorbestimmten Abstand von diesem aufweist, läßt sich die zeitliche Verzögerung in dem ersten Paar von Reflexionsimpulsen und dem entlang einem getrennten Weg rücklaufenden, einzigen Reflexionsimpuls mühelos genau bestimmen.
Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß einige Diskontinuitäten oder Unregelmäßigkeiten an Innenwand- und/oder Außenwandfläche des Rohrs 21 wie z.B.
Schweißnähte oder flachere Wandunebenheiten nicht zum Rücklauf des zeitlich späteren Einzelreflexionsimpulses führen, so daß ohne weiteres eine Unterscheidung derartiger Wandunregelmäßigkeiten gegenüber anderen möglich ist.
Mit anderen Worten, bei bestimmten Wandformen kann es vorkommen, daß ein Impuls oder beide Impulse des ersten, an der Wand reflektierten Impulspaars, durch welche die Dicke der Wand des Rohrs 21 angezeigt wird, und welche sich entlang dem Weg 33 fortpflanzen, verloren gehen, d.h. nicht zum Impulswandler zurücklaufen. In diesem Falle wird jedoch der andere, zeitlich geringfügig spätere Impuls entlang dem Weg 47 eine Anzeige für das Vorhandensein einer Diskontinuität wie z.B. eines Hohlraums oder einer dünnwandigen Wandstelle, aufgrund deren der reflektierte Einzelimpuls rückläuft, liefern.
Die Oszillografenkurven in Fig. 2 zeigen den unter den vorstehenden Bedingungen aufgezeichneten Teil der zurücklaufenden Reflexionsimpulse. Die Oszillografenkurve a zeigt die zurücklaufenden Reflexionsimpulse 41 und 42 von Innenwand- und Außenwandfläche der Wandung des Rohrs 21 bei Nichtvorhandensein eines Hohlraums oder einer anderen Diskontinuität oder Wandunregelmäßigkeit. Folglich wird entlang dem anderen Impulsweg 47 keine Energie reflektiert. Das Nichtvorhandensein eines zeitlich späteren Impulses zeigt sich im Bereich 54 der Oszillografenkurve a.
In der Oszillografenkurve b von Fig. 2 sind zwei Reflexionsimpulse 55 unf 56 zu sehen, die zeitlich enger benachbart sind und somit eine geringere Wandstärke des Rohrs 21 anzeigen. Außerdem weist diese Kurve einen dritten Impuls 57 auf, bei dem es sich um den Impuls handelt, der über den unter einem Winkel verlaufenden Impulsweg 47 rückgelaufen ist und somit einwandfrei das Vorhandensein einer Diskontinuität wie z.B. des Hohlraums 51 von Fig.1 anzeigt.
Die Oszillografenkurven c und d in Fig. 2 zeigen der Kurve b ähnliche Zustände bei jedoch geringeren Wandstärken.
Folglich liegt das erste Paar von Reflexionsimpulsen, d.h.
die Querimpulse,näher zusammen Die Kurven zeigen außerdem das Vorhandensein einer Unregelmäßigkeit wie z.B. des Hohlraums 51, da in beiden Fällen ein verzögerter Einzelreflexionsimpuls 60 bzw. 61 auftritt.
In den Figuren 3 - 10 sind verschiedene Ausführungsformen dargestellt, bei denen die Reflexionsflächen für die Ultraschallenergiebündel unterschiedlich ausgebildet sind. Sämtliche Ausführungen sind zur Ausführung der hier beschriebenen Wandstärkenmessung geeignet. Es ist ohne weiteres möglich, die Formgebung der Schallenergiebündel durch entsprechende Formgebung der Reflexionsflächen zu beeinflussen.
Auf diese Weise können die Schallbündel unterschiedliche Formgebung erhalten. Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Energiebündel in senkrechter Richtung konzentriert, behält jedoch seine Breite in einer waagerechten Ebene bei.
In den Fig. 3 und 4 ist in Seitenansicht und Draufsicht ein Wandler 65 dargestellt, welcher Impulsbündel auf die unter einem Winkel verlaufende Oberfläche eines Reflektors 66 abstrahlt, dessen Reflexionsfläche in zwei Hälften 67 und 68 unterteilt ist, die unter einem kleinen Winkel zueinander geneigt sind, so daß das reflektierte Schallenergiebündel in der angegebenen Weise, d.h. zu einem Reflexionspunkt 71 an der Wand 72 des Rohrs 73 hin konzentriert wird.
Andererseits kann auch wünschenswert sein, das Schallenergiebündel in senkrechter Richtung entsprechend der Darstellung in den Fig. 5 und 6 leicht zu spreizen. Der Wandler 75 strahlt Impulse nach unten gegen einen Reflektor 76 ab, dessen Reflexionsfläche in zwei Hälften 77 und 78 unterteilt ist, welche in der dargestellten Weise leicht unterschiedliche Neigung aufweisen, wodurch die gewünschte Dispersion erreicht wird. Die abgestrahlte Schallenergie wird entlang dem durch die gestrichelte Linie 81 dargestellten Weg übertragen, wobei der Rücklaufweg durch die ausgezogene Linie 82 dargestellt ist. Die an der Wand 72 des Rohrs reflektierte Schallenergie durchläuft dabei einen weiter von der Achse des Wandlers 75 entfernten Weg.
Die in den Fig. 7 und 8 dargestellte Reflexionsfläche spreizt das Schallbündel nicht in senkrechter, sondern in waagerechter Richtung. In diesem Falle strahlt der Wandler 85 das Schallbündel auf einen Reflektor 86 ab, dessen Stirnseite in zwei Hälften 87 und 88 unterteilt ist, die aus zwei flachen, in konvexer Weise wenige Grade voneinander weg abgewinkelten Flächen bestehen, vermittels welcher das Schallbündel wie aus Fig. 8 ersichtlich in waagerechter Richtung gespreizt wird.
In den Fig. 9 und 10 ist eine noch weitere Formgebung des Reflektors dargestellt. Da ebene Reflexionsflächen die Aufteilung in wie aus Fig. 8 ersichtlich zwei getrennte Schallbündel bewirken, kann vorteilhaft sein, eine konvex gekrAmmte oder gewölbte Oberfläche zu verwenden. Dieser Fall ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt, wobei der Wandler 91 Schallenergie auf die Reflexionsfläche eines Reflektors 92 abstrahlt, der in entsprechender Weise wie der Reflektor 86 bei der Ausführungsform nach den Fig.
7 und 8 dazu dient, das Schallenergiebündel nicht in senkrechter, sondern in waagerechter Richtung zu spreizen.
In diesem Falle weist der Reflektor eine durchgehend konvex gewölbte Reflexionsfläche 93 auf, vermittels welcher die Spreizung des Schallbifndels bewirkt wird. Die Reflexionsflache 93 kann auch aus einer zylindrisch gekrümmten Fläche bestehen, deren gerade Mittellinie unter 45" verläuft, wie im Aufriß von Fig. 9 angedeutet ist.
In den Figuren 11, 12 und 13 ist ein System mit mehreren Wandlern dargestellt, welches besonders gut zur Wandstärkenmessung in Rohrleitungen geeignet ist. Das entsprechende Gerät ist vorteilhaft in der Rohrleitungsüberwachung einsetzbar.
Wie aus den schematischen Ansichten der Fig. 11 und 12 ersichtlich, weist der Instrumentenkörper 101 einen entsprechend dem Durchmesser des Rohrs angepaßten Durchmesser auf, so daß das Gerät mühelos durch das Rohr 102 hindurchgeführt werden kann. Zur Ausführung kontinuierlicher Messungen, d.h. einer fortlaufenden Bestimmung der Wandstärke des Rohrs 102 sind mehrere Impulswandler 105 um den Umfang des Instrumentenkörpers 101 herum angeordnet, wobei ihre Achsen parallel zur Achse des Rohrs 102 gerichtet sind.
Die von jedem Wandler 105 erzeugten Impulse werden entsprechend der Darstellung parallel zur Achse des Rohrs 102 nach unten abgestrahlt und fallen auf eine erste, ringförmige Reflexionsfläche 106, die einen Winkel von 450 mit der Rohrachse einschließt. Diese Reflexionsfläche 106 nimmt in Radialrichtung etwa die Hälfte des Querschnitts der von den Wandlern 105 abgegebenen Impuisbündel ein, so daß dementsprechend jeweils ein Teil jedes Impulsbündels abgespalten und vermittels der Reflexionsfläche 106 in Richtung des Weges 109 reflektiert wird. Diese Fortpflanzungswege sind selbstverständlich quer zur Oberfläche des Rohrs 102 gerichtet.
In einem axial größeren Abstand von den Impulswandlern 105 ist eine weitere, ringförmige Reflexionsfläche 112 angeordnet, die einen mehr als 450 betragenden Winkel mit der Achse des Rohrs 102 einschließt und in Radialrichtung ausreichend weit vorsteht, um von der anderen Hälfte der von den Impulswandlern 105 abgegebenen Schallbündel getroffen zu werden, so daß diese Impulsbündelhälften in einer leicht nach oben geneigten Richtung entlang den Wegen 113 reflektiert werden. Sämtliche Wege 113 entsprechen in bezug auf die Wand des Rohrs 102 einem Einfallswinkel, der größer ist als der kritische Brechwinkel, so daß die entsprechenden Schallimpulse in den Werkstoff der Wand des Rohrs 102 eindringen. Wie weiter oben anhand der Figuren 1 und 2 erläutert, wird die Energie der entlang den Wegen 113 sich fortpflanzenden Impulse nur dann über die Wege 113 reflektiert, wenn diese Impulse auf eine Diskontinuität wie z.B. den dargestellten Hohlraum 116 treffen. Die in diesem Falle reflektierten Energieimpulse laufen zu den Impulswandlern 105 zurück, so daß diese entsprechende elektrische Signale erzeugen.
Da der Instrumentenkörper 101 mehrere Impulswandler 105 entsprechend den Fig. 11, 12 und 13 aufweist, ist das Gerät besonders gut zur Rohrleitungsüberwachung geeignet.
Beim Meßvorgang mit dem Gerät 101 in einem Rohr 102 weraen die um den Umfang des Instrumentenkörpers 101 herum angeordneten Impulswandler 105 nacheinander angesteuert, so daß bei Fortbewegung des Geräts durch das Rohr 102 hirdurch eine kontinuierliche Abtastung der Rohrwandung erfolgt und in dieser Weise eine ganze Rohr leitung abgefahren werden kann. In Fig. 13 ist schematisch die entsprechende Schaltung dargestellt. Jeder Impulswandler 105 weist einen zugeordneten piezoelektrischen Kristall 119 mit zwei Elektroden 120 und 121 auf, über die eine zur Erzeugung des Schallimpulses dienende elektrische Spannung an den Kristall anlegbar ist. Der Kristall 119 mit den Elektroden 120 und 121 wirkt jedoch, wenn er von einem rücklaufenden Reflexionsimpuls getroffen wird, gleichzeitig auch als elektrischer Signalerzeuger.
Die Impulsschaltung für jeden Impulswandler weist eine Verbindung 123 auf, welche die Elektrode 120 des Kristalls 119 mit der Steuerelektrode 124 eines gesteuerten Siliziumgleichrichters 125 verbindet, der im getriggerten Zustand einen Spannungsimpuls von einem aufgeladenen Kondensator 128 zum Kristall 119 durchläßt. Der gesteuerte Siliziumgleichrichter 125 wird durch ein über die Leitung 129 angelegtes Signal getriggert, d.h. leitend gemacht. Der Kondensator 128 wird vermittels eines verhältnismäßig hohen Gleichstrompotentials stets im aufgeladenen Zustand gehalten, das über die Klemme 132 angelegt ist, wobei ein Widerstand 133 zwischen der Klemme 132 und der auf hohem Potential befindlichen Seite des Kondensators 128 zwischengeschaltet ist.
Die in Fig. 13 dargestellte Impulsschaltung umfaßt eine gemeinsame Masseleitung 136, die mit der anderen Elektrode 121 des Kristalls 119 und mit einer Seite einer veränderlich regelbaren Induktivität 137, sowie mit der einen Seite eines Widerstands 138 verbunden ist. In die Steuerleitung 129 ist ein Widerstand 141 geschaltet, und diese ist hinter dem Widerstand 141 zum Ausgang eines Verstärkers 142 geführt. Der Ausgang einer Wählschaltung 145 ist über eine Schaltungsverbindung 146 mit dem Eingang des Verstärkers 142 verbunden.
Nach Übertragung jedes Schallimpulses und vor Obertragung des nächstfolgenden Schall impulses wird eine ausreichend lange Zeitspanne belassen, damit die reflektierten Impulse über den Querweg 109, und die zusätzlichen Impulse ggf.
über den unter einem Winkel verlaufenden Weg 113 zum Kristall 119 des Impulswandlers zurücklaufen können. Eine weitere Schaltungsverbindung 151 ist zu einem (hier nicht dargestellten) Verstärker geführt und führt die vom Kristall 119 erzeugten elektrischen Signale dem Verstärker zu, von dem sie wiederum einem (nicht dargestellten) Oszillografen zugeführt werden oder in anderer Weise zur Darstellung von Oszillografkurven der in Fig. 2 dargestellten Art genutzt werden können.
Jedem Impulswandler 105 ist eine entsprechende Steuerschaltung mit Verstärker für reflektierte Impulse zugeordnet.
Das ist in Fig. 13 vermittels der rechteckigen Blöcke 154 und 155 angedeutet, welche der für den Kristall 119 dienenden Schaltung entsprechende Schaltungen andeuten. Jedem einzelnen Impulswandler 105 ist eine entsprechende Schaltung zugeordnet.
Die Zeitspannen zwischen dem Abstrahlen der einzelnen Schallimpulse und dem Auffangen der zurücklaufenden Reflexionsimpulse sind verhältnismäßig kurz, wie oben anhand Fig. 2 erläutert ist. Folglich läßt sich eine vollständige Abtastung über sämtliche Impulswandler 105 binnen kürzester Zeit bewerkstelligen, um eine ausreichend genaue Prüfung des Wandzustands in einer Rohrleitung zu gewährleisten, während das Instrument mit normaler Fortbewegungsgeschwindigkeit durch die Rohrleitung hindurchgeführt wird.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren läßt sich vermittels unterschiedlicher und nicht notwendigerweise einander äquivalenter Vorrichtungen ausführen. Das Verfahren gestattet jede Art von Wandstärkenmessung oder -prUfung, wobei die im nachstehenden beschriebenen Verfahrensschritte nicht als Beschränkung des Verfahrens anzusehen sind und auch nicht notwendigerweise stets in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt zu werden brauchen.
Beim ersten Verfahrensschritt wird ein Energieimpuls entlang einoF quer zu der zu prüfenden Wand gerichteten Weg abgestrahlt. Die entsprechende Fortpflanzungsrichtung ist in Fig. 1 durch den Weg 33 angedeutet. Der Impuls wird dazu durch den Impulswandler 25 erzeugt und zur Hälfte an der Reflexionsfläche 30 reflektiert, wobei er eine Richtungsänderung um 90° erfährt und somit praktisch senkrecht zur Wand des Rohrs 21 gerichtet ist.
Entsprechend einem weiteren Verfahrensschritt werden die nach Reflexion des ausgesandten Impulses an den Oberflächen der zu prüfenden Wand zurücklaufenden Reflexionsimpulse aufgefangen, um die Wandstärke zu bestimmen. Der entsprechende Vorgang ist in Fig. 1 anhand der Wege 33 und 29 angedeutet, über welche die zurücklaufenden, reflektierten Schallimpulse wieder auf den Kristall des Impulswandlers 25 treffen. Der Kristall erzeugt den Reflexionsimpulsen entsprechende elektrische Signale. Das ist in Fig. 2 dargestellt, welche zeigt, daß der zeitliche Abstand zwischen den zurücklaufenden Reflexionsimpulsen wie z.B. den Impulsen 41 und 42 ein Maß für die Dicke der Wand des Rohrs 21 darstellt.
Entsprechend einem weiteren Verfahrens schritt wird ein getrennter Energieimpuls entlang einem Weg abgestrahlt, dessen Einfallswinkel in bezug auf die zu prüfende Wand größer ist als der kritische Brechwinkel des Materials der zu prüfenden Wand. Zu diesem Zweck wird der vom Impulswandler 26 abgegebene Schallimpuls aufgespalten, und die aufgespaltene, an der Reflexionsfläche 45 reflektierte Impulshälfte über den Weg 47 abgestrahlt. Die entsprechende Impulsenergie durchsetzt die Wand des Rohrs 21 und wird, wenn sie auf eine Diskontinuität wie z.B.
den dargestellten Hohlraum 51 trifft, in sich selbst entlang dem Weg 47 reflektiert und fällt über den Weg 46 wiederum auf den Impulswandler 25.
Beim letzten Verfahrensschritt wird der ggf. reflektierte weitere Impuls aufgefangen und zur Kennzeichnung der Wandunregelmäßigkeit ausgewertet. Dieser zeitlich verzögerte Reflexionsimpuls entspricht beispielsweise dem Impuls 57 von Fig. 2, welcher über die Wege 47 und 46 zum Impulswandler 25 zurückläuft. Der Impuls erreicht den Wandler zeitlich später als die zuerst reflektierten Impulse, da die von ihm zurückgelegte Wegstrecke länger ist.
Das Prüfverfahren bei Verwendung mehrerer Impulswandler entsprechend den Fig. 11, 12 und 13 ist kurz wie folgt: Zunächst werden mehrere Einzelimpulse nacheinander wie anhand Fig. 13 beschrieben erzeugt. Diese Impulse werden in zur Achse des Rohrs parallelen Richtungen abgestrahlt.
Fig. 11 zeigt einen Impulswandler 105, der am Instrumentenkörper 101 in der Weise befestigt ist, daß der von diesem Wandler abgegebene Impuls parallel zur Achse des Rohrs 102 abgestrahlt wird. Die Erzeugung der Impulse erfolgt wie anhand Fig. 13 beschrieben. Beim Triggern eines gesteuerten Siliziumgleichrichters 125 wird der Kondensator 128 über einen den Kristall 119 umfassenden Stromweg entladen, so daß folglich der dabei ausgelöste elektrische Impuls aufgrund des piezoelektrischen Effekts zur Erzeugung eines Schallimpulses führt.
Ein Teil samtlicher Einzelimpulse wird an der unter 450 geneigten Reflexionsfläche in eine quer zur Rohrwandung verlaufende Richtung umgelenkt. Die Fig. 11 und 12 veranschaulichen diesen Vorgang, indem die von den Impulswandlern 105 nach unten abgestrahlte Schallenergie an der Reflexionsfläche 106 reflektiert wird und sich dann entlang dem Weg 109 in einer quer zur Wand des Rohrs 102 verlaufenden Richtung fortpflanzt.
Ein weiterer Teil jedes Einzelimpulses wird an der um mehr als 450 zur Rohrachse geneigten Reflexionsfläche reflektiert und pflanzt sich entsprechend den Fig. 11 und 12 nach Reflexion an der Reflexionsfläche 112 entlang dem Weg 113 fort.
Die in der quer verlaufenden Richtung reflektierten Impulse werden zur Wandstärkenbestimmung des Rohrs aufgefangen, wozu in der Schaltung der Kristall 119 (des Wandlers, der unmittelbar zuvor den Einzelimpuls erzeugt hat) in eine Empfangsschaltung geschaltet wird, durch welche die bei Verformung des Kristalls durch auffallende reflektierte Impulsenergie erzeugten elektrischen Signale verstark werden. Die zuerst reflektierten, zurücklaufenden Impulatsind die entlang dem Weg 109 zurücklaufenden Impulse, welche die Wandstärke des Rohrs 102 anzeigen.
Schließlich werden auch von der abgespaltenen anderen Hälfte des vom Wandler abgestrahlten Einzelimpulses zurückkehrende Reflexionsimpulse aufgefangen und ermöglichen die Bestimmung, ob das Rohr eine Diskontinuität oder UnregelmaBigkeit bestimmter Beschaffenheit aufweist, welche zur Reflexion eines Teils der unter einem Winkel gegen die Rohrwandung gerichteten Schallenergie führt. Zu diesem Zweck bleibt der Kristallkreis lang genug auf Empfang geschaltet, um von dem mit zeitlicher Verzögerung zurtcklaufenden Reflexionsimpuls erzeugte Reflexionsenergie verstärken zu können.

Claims

Patentansprche : 1. Verfahren zur Ultraschallprüfung der Wandstärke von Rohren oder dgl., bei dem ein Energieimpuls in einer quer zu der zu prüfenden Wand verlaufenden Richtung abgestrahlt wird und die nach Reflexion dieses Impulses an den Wandflächen auftretenden, zur Bestimmung der Wandstärke dienenden, reflektierten Impulse aufgefangen werden, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein weiterer Energieimpuls entlang einem Weg, dessen Einfallswinkel in bezug auf die Wand größer ist als der kritische Brechwinkel, ausgesandt wird, wobei von einer Unregelmaßigkeit in der Wand reflektierte, zur Kennzeichnung dieser Unregelmaßigkeit dienende Energie entlang dem Weg dieses zweiten Impulses zurückläuft und gegenüber den erstgenannten Reflexionsimpulsen zeitlich versetzt aufgefangen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einzelimpuls erzeugt, entlang einem sich von dem quer und von dem unter einem Winkel verlaufenden Weg abweichenden Weg abgegeben und in die beiden Impulse aufgespalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelimpuls in einer zur Wand parallelen Richtung abgegeben und in der Weise aufgespalten wird, daß ein Teil der Impulsenergie an einer unter 450 geneigten Reflexionsflache, und ein anderer Teil der Impulsenergie an einer unter mehr als 450 zu der zur Wand parallelen Impulsfortpflanzungsrichtung geneigten Reflexionsfläche abgelenkt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einzelimpulse nacheinander erzeugt und zu in gegenseitigen Abständen um den Umfang des Rohrs herum befindlichen Punkten abgegeben werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einzelimpulse nacheinander erzeugt und entlang zur Rohrachse parallelen Richtungen abgegeben werden, ein Teil jedes Einzelimpulses an einer unter 450 geneigten Reflexionsfläche in eine quer zur Rohrwand verlaufende Richtung umgelenkt, ein weiterer Teil jedes Einzelimpulses an einer unter mehr als 450 zu der wandparallelen Impulsabgaberichtung geneigten Reflexionsfläche umgelenkt wird, an der Rohrwandung reflektierte erste Teile jedes Impulses aufgefangen und zur Bestimmung der Wandstärke verwendet werden, und an einer Unregelmäßigkeit in der Rohrwandung reflektierte zweite Teile jedes Impulses aufgefangen und zur Kennzeichnung der Unregelmäßigkeit ausgewertet werden.
6. Vorrichtung zur Ultraschallprüfung der Wandstärke von Rohren oder dgl., zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 5, g e k e n n -z e i c h n e t durch eine Impulswandler-Reflektor-Kombination (25, 30, 45; 65, 66, 67, 68; 75, 76, 77, 78; 85, 86, 87, 88; 91, 92, 93; 105, 106, 112), welche zur Abgabe eines Energieimpulses in einer quer zur Rohrwandung verlaufenden Richtung und eines zusätzlichen Energieimpulses in einer unter einem größer als der kritische Brechwinkel bemessenen Einfallswinkel an der Wand verlaufenden Richtung ausgelegt ist, und einen zum Auffangen von den an den Wandflächen reflektierten Impulsen und den an ggf. in dieser vorhandenen Unregelmäßigkeiten refiektierten, qegenüber den erstgenannten Impulsen eltla r JeF " ( tzl ehen t.rn?t11 Efl dienenden Empfänger (25, 65, 75, 85, 91, 105).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen zum Erzeugen eines entlang einem sich von dem quer und von dem unter einem Winkel verlaufenden Weg abweichenden Weg gerichteten Einzelimpulses dienenden Impulswandler und einen zum Aufspalten des Einzelimpulses in zwei sich entlang unterschiedlicher Wege fortpflanzende Impulse dienenden Impulsteiler (30, 45; 67, 68; 77, 78; 87, 88; 106, 112).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortpflanzungsrichtung des Einzelimpulses parallel zur Rohrwandung gerichtet ist und der Impulsteiler aus Reflexionsflächen besteht, an denen ein Teil des Einzelimpulses an einer unter 450 geneigten Fläche, und ein weiterer Teil an einer unter mehr als 450 zur Rohrwandung geneigten Fläche reflektierbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einzelimpulserzeuger (105) in gegenseitigen Abständen um die Achse des Rohrs (102) herum verteilt angeordnet, und die zum Reflektieren der Einzelimpulse dienenden Reflexionsflächen (106, 112) ringförmig ausgebildet und in Axialrichtung in vorbestimmten, unterschiedlichen Abständen von den Impulserzeugern angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserzeuger innerhalb des Rohrs (102) angeordnet und zur Abgabe von Impulsen in einer zur Rohrachse parallelen Richtung ausgelegt sind, die in einem Axialabstand von den Impulserzeugern angeordnete erste ringförmige Reflexionsfläche !106) einen Winkel von 450 mit der Rohrachse einschließt, in Radialrichtung etwa der halben Impulsquerschnittsbreite entspricht und dazu dient, einen Teil der Impulse abzuspalten und entlang einem quer zur Rohrwandung gerichteten Weg abzulenken, die in einem größeren Axialabstand als die erste Reflexionsfläche von den Impulserzeugern angeordnete zweite ringförmige Reflexionsfläche (112) einen Winkel von mehr als 450 mit der Rohrachse einschließt, in Radialrichtung der anderen Hälfte der Impulsqueerschnittsbreite entspricht und dazu dient, einen anderen Teil der Impulse entlang einem Weg abzulenken, dessen Einfallswinkel an der Rohrwandung größer ist als der kritische Brechwinkel, so daß an einer Unregelmäßigkeit in der Rohrwandung reflektierte Energie entlang diesem Weg reflektierbar ist.