DE2756391C2

DE2756391C2 - Anordnung zum Ausschalten störender Temperatureinflüsse beim zerstörungsfreien Prüfen von Werkstücken im Ultraschall-Tauchverfahren

Info

Publication number: DE2756391C2
Application number: DE19772756391
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Phys. 6000 Frankfurt Himmelstein; Raimund Dipl.-Ing. 8755 Alzenau Lang; Jörg Ing.(grad.) 6451 Neuberg Quittkat; Erwin 6467 Hasselroth Reber; Gerhardt 6463 Freigericht Thiel
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1977-12-17
Filing date: 1977-12-17
Publication date: 1984-03-08
Also published as: GB2010638A; JPS54116264A; NL7811923A; DE2756391A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Ausschalten störender Temperatureinflüsse beim zerstörungsfreien Prüfen von Werkstücken im Ultraschall-Tauchverfahren, insbesondere beim Bestimmen von Oberflächenfehlern oder Durchmessern von Rohren, mit zwei diametral senkrecht zur Werkstückachse einander zugeordneten Ultraschallprüfköpfen sowie einem ein Referenzsignal liefernden dritten Ultraschallprüfkopf.

■ Präzisionsrohre werden auf vielfältige Weise in der chemischen Verfahrenstechnik, in der Nukleartechnik und auf zahlreichen anderen Gebieten eingesetzt. Entsprechend den meist hohen Qualitätsanforderungen muß für derartige Rohre ein erheblicher Prüfaufwand betrieben werden. Bei der zerstörungsfreien Fehler- und Dimensionskontrolle haben sich bevorzugt Ultraschall-Prüfverfahren durchgesetzt. Zur berührungslosen Bestimmung von Oberflächenfehlern und Rohraußendurchmessern wird meistens das kontinuierlich arbeitende Ultraschall-Laufzeit-Verfahren der Tauchtechnik angewendet. Dabei werden von zwei diametral senkrecht zur Werkstückachse einander zugeordneten Ultraschallprüfköpfen Impulse über eine Kopplungsflüssigkeit wie Wasser auf das Prüfobjekt gesandt. Die Laufzeit der Schallwellen vom Schallprüfkopf zum Rohr und wieder zurück gibt dabei Aufschluß über den Außendurchmesser und gegebenenfalls Außenfehler. Durch die Verwendung zweier Ultraschallprüfköpfe ist es möglich, einen eventuell vorhandenen »Schlag« des Rohres bei seiner Rotation auszugleichen oder eine mögliche Ovalität zu erfassen. Der notwendige Abstand der UJtraschallprüfköpfe zum Prüfobjekt wird vom Fokus bestimmt. Die Eichung der Laufzeitmessung erfolgt über eine Referenzstrecke, die gebildet und begrenzt wird von einem weiteren Ultraschallprüfkopf und einem Reflektor, wobei die Referenzstrecke kleiner ist als die Meßstrecke.

Die erzielten Meßgenauigkeiten sind durch die Temperaturkoeffizienten der Schallgeschwindigkeit in den Kopplungsmedien begrenzt. Temperaiurdrift und häufig auftretende Wärmeschlieren im Kopplungsmedium können unterschiedliche Laufzeiten zwischen Referenz- und Meßstrecke verursachen; so daß Maßabweichungen des Rohrdurchmessers vom Ist-Wert vorgetäuscht werden. Für das Kopplungsmedium Wasser beträgt diese scheinbare Maßabweichung 100μπτ/°Ο, wenn entweder die Meßstrecke oder die Referenzstrecke vorübergehend durch Wärmeschlieren gestört ist. In diesem Fall muß das Prüfobjekt einer aufwendigen Wiederholungsmessung unterwagen werden.

Es ist deshalb schon versucht worden, das als Kopplungsflüssigkeit verwendete Wasser zu thermostatisieren (H.E. Gundtoft u.a, »Materialprüfung« 19 (1977), Nr. 9, Seite 385 bis 388), jedoch ist hierzu der

ι - erforderliche Aufwand erheblich. Bei einem Ausfall des beschriebenen Umlauf- und Kühlsystems ist eine genaue Durchmesserbestimmung nicht mehr gewährleistet

In »Schweißtechnik« 10 (1969), Seite 125 bis 128, wird ein Ultraschallprüfverfahren beschrieben, das zur Bestimmung heißer Schweißnähte Verwendung findet Dabei werden Winkeiprüfkönfe benutzt, die seitlich von einer Kühlkammer umgeben und schallabstrahlungsseitig von einem warmfesten Kunststoffkeil umgeben sind. Wie jedoch Messungen ergeben haben, gewährleistet

eine entsprechende Anordnung nicht, da die Meßergebnisse nicht durch Temperaturschwankungen negativ beeinflußt werdes, daß die Schallgeschwindigkeit im Kunststoffkeil selbst mit steigender Temperatur abnimmt

Der DE-PS 6 54 373 ist eine Einrichtung zur Behandlung von Körpern mit Ultraschallwellen zu entnehmen, bei der der Prüfkopf von einem Behälter umgeben ist in dem durch eine Wand unterteilt verschiedene Flüssigkeiten angeordnet sein können. In diesen Flüssigkeiten ändert sich jedoch die Schallausbreitungsgeschwindigkeit gleichzeitig mit der Temperatur. Auch ist der Abstand zwischen Prüfkopf und Körperoberfläche nicht fest vorgegeben. Um bei Winkelprüfköpfen Temperatureinflüsse zu reduzieren, wird gemäß DE-AS 26 07 485 vorgeschlagen, daß der Einschallwinkel durch gezielte Änderung und anschließendes Konstanthalten der Temperatur des Ankopplungsmediums Wasser eingestellt wird. Eine solche Steuerung ist aufwendig und insbesondere dann nicht praktikabel, wenn das Ankopplungsmedium ein großes Volumen aufweist.

In der DE-AS 22 04 237 wird eine Vorrichtung zur Prüfung von Werkstücken im Impuls-Echo-Verfahren beschrieben, bei dem der Prüfkopf von einem Körper

ίο umgeben ist, der unmittelbar an dem Prüfling aufliegt Die Möglichkeit, zwischen Prüfkopf und Prüfling eine Relativbewegung zu erzeugen, ist nicht gegeben.

In der DE-OS 24 01 937 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung mit Winkelpriifkopf

beschrieben, bei der temperaturbedingte Änderungen der Einschallwinkel dadurch korrigiert werden sollen, wobei zwischen dem Winkelprüfkopf und dem Prüfling zwei Brechungsmedien angeordnet werden, in denen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallstrahlen sich mit der Temperatur im entgegengesetzten Sinn ändern. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß der Ultraschallprüfkopf in bezug auf die unterschiedlichen Medien vorgegebene Winkelbeziehungen einhält, da andernfalls die Prüfergebnisse fehlerhaft werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die nachteiligen Einflüsse von Temperaturdrift und/oder von Wärmeschlieren auf die Meßgenauigkeit

bei Ultraschallprüfungen im Tauchverfahren, insbesondere bei der Durchmesserbestimmung von Rohren minimalisiert werden, wobei eine mechanisch robuste und möglichst wartungsfreie, d. h. ohne Störanfälligkeit im Dauerprüfbetrieb gegebene Anordnung zur Verfügung gestellt werden soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst
daß jeder Ultraschallprüfkopf einen vor der Schallabstrahlungsseite angeordneten mit einer eine von der Temperatur unabhängige Schallgeschwindigkeit aufweisenden Flüssigkeit gefüllten Behälter aufweist,
daß dieser Behälter den größten Teil der Vorlaufstrecke bildet,

daß der verbleibende Teil der Vorlaufstrecke großer ist als die zu erwartenden Oberflächenveränderungen des Werkstücks und

daß die Vorlaufstrecke insgesamt durch die Fokusstrekke des jeweiligen Ultraschallprüfkopfes bestimmt ist

Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird eine im Aufbau einfache und robuste Anordnung zur Verfügung gestellt, die es ermöglicht, daß bei der Bestimmung von Oberflächenfehlern bzw. Prüflingsdiirchmessern unabhängig von Temperatursdrvankungen die Meßgenauigkeit nur innerhalb der Fehlermeßgenauigkeit beeinflußt werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn zum Beispiel die Prüflinge stehend angeordnet und gemessen werden, wobei die Entfernungen zwischen den einzelnen Prüfköpfen groß gewählt sein können, so daß trotz unterschiedlicher Temperaturen der Ankopplungsmedien an diesen Stellen die Meßgenauigkeit den gestellten Anforderungen genügt

Dem in der einzigen Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispie! sind weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung zu entnehmen. js

Auf den Ultraschallprüfköpfen 1 sind in Richtung des Meßobjekts 3 bzw. des Reflektors 4 Behälter 5 angebracht, in denen sich Flüssigkeitsgemische 6 befinden, die so gewählt sind, daß deren Schallgeschwindigkeit unabhängig von der Temperatur ist. Zu diesen Flüssigkeitsgemischen 6 gehören in spezieller Zusammensetzung und für definierte Temperaturbereiche vorzugsweise Wasser/Äthylalkohol- und Wasser/AthylenglykoI-Gemische Da sich die Zusammensetzung derartiger Flüssigkeitsgemische während des Prüfvorganges nicht ändern darf, sind die Behälter 5 völlig abgeschlossen. Die Behälter 5 bestehen vorteilhafterweise aus korrosionsfestem Material, wobei sich Kunststoff, insbesondere Acrylglas, bewährt hat Durch Anbringung dieser Behälter wird die Kopplungsstrecke im Meßbereich und die Kopplungsstrecke im Referenzbereich wesentlich verkleinert

Die Behälter 5 sind vorzugsweise dicht auf die Ultraschallprüfköpfe 1 geschoben und besitzen eine verschließbare Öffnung 7 zum Einfüllen des Flüssigkeitsgemisches. Zur Kopplungsflüssigkeit hin sind die Behälter 5 vorteilhafterweise mit einer dünnen, schräggestellten Folie 8 abgeschlossen, damit der Anteil an reflektierten Schallwellen nicht wieder zum Schallkopf 1 gelangt Die Folie 8 kann vorte^:'haft ebenfalls aus Kunststoff, zum Beispie! Acrylglas, gefertigt sein.

Die Länge der erfindungsgemäßen Behälter 5 ist so gewählt, daß die verbleibende Kopplungsstrecke 2 zwischen der schräggestellten Behälterfoiie 8 unc dem Prüfobjekt 3, unabhängig vom Schallkopf-Fokus nur noch sehr kurz ist, jedoch die Hantierbarkeit am Prüfobjekt zuläßt. Die Kopplungsstrecken 2 und 9 von Meß- und Referenzbereich stimmen dabei überein.

In einer beispielhaften Ausführung konnte die Meßstrecke bzw. Koppiungsstrecke von normalerweise 15 mm bei Wasser als Kopplungsmedium durch Einbau der erfindungsgemäßen Behälter auf 2 mm verkürzt werden. Dadurch wurde die alle drei Ultraschallprüfköpfe gleichmäßig betreffende Temperaturdrift von 14μΓη/°Ο ohne Behälter auf etwa 1 μπι/°Ο mit erfindungsgemäßen Behältern gesenkt.

Durch den Einbau der erfindungsgemäßen Behälter 5 konnte in diesem Beispiel zusätzlich der nachteilige Einfluß von Wärmeschlieren auf ca. V₇ reduziert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Anordnung zum Ausschalten störender Temperatureinflüsse beim zerstörungsfreien Prüfen von Werkstücken im Ultraschall-Tauchverfahren, insbesondere beim Bestimmen von Oberflächenfehlern oder Durchmessern von Rohren, mit zwei diametral senkrecht zur Werkstückachse einander zugeordneten Ultraschallprüfköpfen sowie einem ein Referenzsignal liefernden dritten Ultraschallprüfkopf, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ultraschallprüfkopf (1) einen vor der Schallabstrahlungsseite angeordneten mit einer eine von der Temperatur unabhängige Schallgeschwindigkeit aufweisenden Flüssigkeit gefüllten Behälter (5) aufweist,
daß dieser Behälter den größten Teil der Vorlaufstrecke bildet,

daß der verbleibende Teil (2) der Vorlaufstrecke größer ist als die zu erwartenden Oberflächenveränderungetvdes Werkstücks (3) und
daß die Vorlaufstrecke insgesamt durch die Fokusstrecke des jeweiligen Ultraschallprüfkopfes bestimmt ist