DE2824800C2

DE2824800C2 - Vorrichtung zum Bestimmen der Lage eines Ultraschallprüfkopfes

Info

Publication number: DE2824800C2
Application number: DE2824800A
Authority: DE
Inventors: Theodore Lytton San Antonio Tex. Allen jun.; Stephen Anthony San Antonio Tex. Cerwin; Wayne Thomas Comfort Tex. Flach; Jerry Lee Jackson; William Donald Jolly
Original assignee: Southwest Research Institute SwRI
Current assignee: Southwest Research Institute SwRI
Priority date: 1977-06-09
Filing date: 1978-06-06
Publication date: 1986-11-13
Also published as: CA1100619A; NL7806290A; DE2824800A1; FI74152C; FI74152B; FR2394095B1; IT7849757A0; GB1599450A; SE7805569L; ES478458A1; SG59883G; BE867864A; US4160386A; ES470597A1; SE447023B; FI781697A; JPS545486A; MY8500083A; IT1105128B; FR2394095A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Lage eines Ultraschallprüfkopfes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der US-PS 39 88 922 ist bereits eine derartige Vorrichtung bekannt. Der auf dem zu prüfenden Körper frei bewegliche Ultraschallprüfkopf der bekannten Vorrichtung hat eine akustische Sendeeinrichtung. An dem zylindrischen, zu prüfenden Körper sind an zwei Querschnittsebener;. die im Bereich der Endflächen des zylindrischen Körpers liegen, jeweils mehrere Empfangsmikrophone angebracht, die einen vorbestimmten Abstand voneinander sowie einen vorbestimmten Abstand von den Empfangsmikrophonen am gegenüberliegenden Endes des zylindrischen Körpers aufweisen. Aus den Laufze'tdifferenzen der durch die Empfangsmikrophone erzeugten Signale aufgrund eines von der akustischen Sendeeinrichtung ausgebrachten Sendepulses berechnet eine Computeranlage Geraden, deren geometrischer On durch die Laufzeitdifferenz zwischen zwei Empfangsimpulsen festgelegt ist, wobei aus den Schnittpunkten der derart berechneten Geraden der Ort der Sendeeinrichtung bestimmt werden kann. Die bekannte Vorrichtung ist auf eine unveränderliche Anordnung der Empfangsmikrophone beschränkt. Bei einer Neuanordnung der Empfangsmikrophone kann die Lage des Ultraschallprüfkopfes nur dann richtig bestimmt werden, wenn entsprechende Größen bezüglich des geometrischen Ortes, der von dem Computer nach einem vorbestimmten Programm berechnet wird, entsprechend abgewandelt werden. Für den veränderlichen Einsatz an verschiedenen Körpern, insbesondere zum Prüfen von Rohrleitungsschweißnähten ist eine derartige Vorrichtung somit nicht geeignet.

Aus der DE-OS 23 12 204 ist eine weitere Vorrichtung zum Bestimmen der Lage eines Ultraschallprüfkopfes bekannt. Diese Vorrichtung arbeitet mit zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Mikrophonen, die als Empfangseinrichtungen dienen. Mit den beiden Mikrophonen wird jeweils eine Laufzeitmessung für die Laufzeit eines akustischen Signals von der am Ultraschallprüfkopf angebrachten Sendeeinrichtung bis zum Mikrophon durchgeführt. Die beiden gemessenen Zeiten erlauben eine Bestimmung der Lage der Sendeeinrichtung und damit des Ultraschallprüfkopfes lediglich innerhalb der Ebene, die durch die beiden stabförmigen Mikrophone festgelegt ist. Wird der Ultraschallwandler ζ. B. wegen einer sphärischen Form des zu prüfenden Körpers aus der durch die beiden Mikrophone festgelegten Ebene hinaus bewegt, so führt dies zwangsweise zu Laufzeitverlängerungen, die einem Meßfehler in der

Auswertung entsprechen. Eine Anwendung dieser bekanntn Vorrichtung zum Prüfen von sphärischen Körpern scheidet somit aus.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzubilden, daß sie zum Prüfen von Schweißnähten an Rohren mit verschiedenen, kreisförmigen Querschnitten verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen der beanspruchten Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich eine vollständige Ultraschallprüfvorrichtung einschließlich der untergeordneten Vorrichtungen für die Ultraschallinformation, für die Spurfühnmgsinformationen, für die Signalanzeige, die Signalspeicherung und die Signalverarbeitung anhand der zugehörigen Zeichnung näher beschrieben

Fig. ί zeigt in einer perspektivischen Ansieht zwei Rohrelemente, die über eine Stumpfschweißnaht miteinander verbunden sind, wobei ein Ausfübrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Rohr angebracht ist.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt schematisch die Anordnung der Bauteiie der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 4 zeigt ein Gesamtblockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ultraschallprüfvorrichtung.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht der verschiedenen Geräteeinheiten, die bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwandt werden, urn für eine vollständige Prüfung und Aufzeichnung an einem entfernt liegenden Ort zu sorgen.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Ausbildung der vorderen Schalttafel eines Steuergerätes, das bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwandt wird.

Fig. 7 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das für eine Spurführung und für eine Aufzeichnuno der Information über die Stelle sorgt, an der sich die Prüfsonde befindet.

Fig. 8 zeigt schematisch die in Fig. 7 dargestellte Vorrichtung.

Fig. 9 zeigt schematich die elektronischen Bauelemente, die bei der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung verwandt werden, um für die gewünschte Spurführung und Informationsaufzeichnung zu sorgen.

In Fig. 1 ist eine Rohrleitung P dargestellt, die aus zwei Rohrstücker Fl und P2 besteht, die an ihren Enden mit einer Stumpfschweißnaht W miteinander verbunden sind. Es soll ein Bereich A auf jeder Seite der Stumpfschweißnaht W überprüft werden, der beispielsweise eine Ausdehnung von etwa !5 cm auf beiden Seiten der Schweißnaht W haben kann. Um diesen Bereich zu prüfen, ist eine von Hand gehaltene Prüfsonde 10 vorgesehen, die einen Ultraschallsendewandler 11 enthält. Wie es allgemein bekannt ist, kann die Prüfsonde 10 getrennte Sende- und Empfangswandler enthalten, so daß Ultraschallwellen vom Sendewandler abgegeben werden und die von Fehlern oder anderen Unregelmäßigkeiten kommenden, rückgestrahlten Ultraschallwellen durch die Empfangswandler empfangen werden. Wie es dargestellt ist, kann auch ein einziger Wandler sowohl als Sender als auch als Empfänger vorgesehen sein. Wie es allgemein bekannt ist, ist der Wandler 11 mit den notwendigen elektronischen Bauelementen verbunden, um die erforderlichen Ultraschallwellen zu erzeugen und die rückgestrahlten Signale aufzunehmen, wie es mehr im einzelnen in Fig. 4 dargestellt ist. Der UltraschallprüfwandJer und seine Instrumentierung können im einzelnen in verschiedener Weise ausgebildet sein.

Um eine Information über den Ort, an dem sich die Sonde 10 während des Abtast- oder Prüfvorganges befindet, zu liefern, ist wenigstens eine Strahlungsquelle an der Sonde oder in einer festen Beziehung zur Sonde angebracht, um periodisch Spurfuhnmgssignale zu erzeugen, die aufgenommen und in eine Information bezüglich des Ortes der Sonde im Hinblick auf die Schweißnaht W übersetzt werden können. Wie es in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, sind vorzugsweise zwei Strahlungsquelkn 12 und 13, die von Funkenstrecken gebildet werden können und einen Luf ..hall erzeugen, an den gegenüberliegenden Seiten de, Sonde 10 angebracht und im gleichen Abstand vom Wandler 11 angeordnet.

Jede der Funkenstrecken 12 und 13 kann über Impulse 12a und 13a aktiviert werden, die von einem Doppelimpulsgenerator 14 empfangen werden, um Luftschallwellen in der Nähe der Schweißnaht W auszusenden, die als Spurführungssignale dienen. Obwohl bei dein dargestellten AusführungsbeispLl der Erfindung Funkenstrecken zum Erzeugen oder Aussenden der Luftwellen verwandt werden, können zu diesem Zweck auch andere Arten von Strahlungsquellen benutzt werden. Beispielsweise können statt Luftwellen Ultraschalloberflächenwellen erzeugt werden oder können, wie es in Fig. 7 bis 9 dargestellt ist, optische Signale erzeugt und als Spurführungssignale gemäß der vorliegenden Erfindung verwandt werden. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, daß c'.ie Verwendung von Luftschallwellen als Spurführungssi_nale gegenüber der Verwendung von Oberflächenwellen bevorzugt ist. da di^ Luftschallwellen weniger von Störungen, die bei der Verwendung von Oberflächenwellen an der Grenzfläche zwischen dem zu prüfenden Material und den Empfangswandlern erzeugt werden, sowie von anderen Arten von Störungen beeinflußt werden. Oberflächenwellen können jedoch für die vorliegende Erfindung unter gewissen Umständen zweckmäßig sein, ihre Verwendung ist jedoch weniger bevorzugt.

Die Funkenstrecken 12 und 13 können abwechselnd in einem Abstand von beispielsweise etwa 2 Millisekunden und mit einer Wiederholungsfrequenz von beispielsweise einem Impuls pro 100 Millisekunden für *edf funkenstrecke gezündet werden. Wenn jede Funkenstrecke zündet, erzeugt sie eine scharf ansteigende Luftwelle, die vou einem Mikrofon oder eia^r ähnlichen Einrichtung aufgefangen werden kann.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Strahlungsquellen sind erfindungsgemäß Empfangseinrichtungen erforderlich, um die Spurführungssignale von den Strahlungsquellen aufzunehmen und die davon erhaltene Information in eine Information zu übertragen, die proportional dem Abstand zwischen dem Wandler und einem festen Punkt ist oder diesen Abstand direkt angibt. Bei dem <n den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Stumpfschweißnaht W ein fester Bezugspunkt sein, so daß es zweckmäßig ist, den Wandler in Längsrichtung der

Rohrleitung P in einem Abstand bezüglich der Stumpfschweißnaht anzuordnen. Um weiterhin die Stelle des Wandlers in Umfangsrichtung der Rohrleitung genau festzulegen, ist es zweckmäßig, ihn bezüglich eines Bezugspunktes in Umfangsrichtung des Rohres beispielsweise der längsverlaufenden Schweißnaht oder der Mittellinie des Rohres anzuordnen. Dabei ist es wesentlich, daß die Spurführungssignale und die daraus abgeleitete Information andauernd vorliegen und während des Prüfvorganges aufgezeichnet werden, selbst wenn die Bewegung der Sonde willkürlich ist.

Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, weist die Einrichtung zum Empfang der Spurführungssignale von den Funkenstrecken 12 und 13 eine Vielzahl von Empfängern oder Mikrofonen Ml bis M6 auf, die auf einem Riemen oder Streifen 15 angebracht sind. Der Riemen 15 weist ein Band 16 zum Befestigen des Riemens 15 um die Rohrleitung herum auf, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Anzahl und die Anordnung der Mikrofone kann beispielsweise derart sein, daß annähernd ein Drittel des Utnfanges der Rohrleitung vom Riemen 15 überdeckt ist und daß der Rest des Umfanges der Rohrleitung von dem Band 16 umspannt wird. Bei dem dargestellter! Ausführungsbeispiel der Erfindung werden sechs Mikrofone verwarn!;, es versteht sich jedoch, daß diese Anzahl variieren kann, solange so viele Mikrofone verwandt werden, daß sie dicht genug aneinander angeordnet werden können, um sicherzustellen, daß ein Spurführungssignal von einer der Funkenstrecken 12 oder 13 immer von wenigstens zwei Mikrofonen empfangen wird, gleichgültig, wo sich die Sonde 10 in dem Bereich A. der von Interesse ist, befindet. Die Mikrofone -.ollten andererseits in einem ausreichenden Abstand voneinander angeordnet sein, so daß sich die Ankunftszeiten irgendeines Signaies von den Funkenstrecken 12 und 13 an allen Mikrofonen in ausreichendem Maße unterscheiden, damit es möglich ist, nur zwei Signale von der Gruppe von Mikrofonen Ml bis M6 dazu zu verwenden, die Stelle der jeweiligen Funkenstrecken zu bestimmen.

Wenn die Vorrichtung benutzt werden soll, wird der Riemen 15 in einem festen und bekannten Abstand von der Stumpfschweißnaht W an der Rohrleitung P angebracht Wenn, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, die Funkenstrecke 13 aktiviert wird, wird sie Luftspurführungssignale. d. h. eine laufende Wellenfront aussenden, die diejenigen Signale sind, die jeweils von jedem der Mikrofone Ml bis Λ/6 empfangen werden. Die Spurführungssignale sind in Fig. 3 durch die Strecken Rl bis /?6 wiedergegeben. Jedes der Mikrofone Ml bis M6 steht mit einem Sechskpnalempfänger 17 in Verbindung, der auch mit dem Doppelimpulsgenerator 14 verbunden ist, um ein Synchronsignal r„ vom Generator immer dann zu empfangen, wenn eine der Funkenstrecken 12 und 13 mit einem Impuls versorgt wird. Der Empfänger 17 weist gleichfalls eine Vielzahl von Laufzeitschaltungen auf. die die Zeit vom Empfang des Synchronsignals t_o bis zur Ankunft der ersten zwei empfangenen Spurführungssignale messen und Ausgangssignale 71, 72 und PRID für jede Funkenstrecke 12 und 13 liefern, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Das Ausgangssignal 71 der Laufzeitschaltungen entspricht der Laufzeit für das Mikrofon, das sich der Funkenstrecke am nächsten befindet, während das Ausgangssignal 72 die Laufzeit für das zweitnächste Mikrofon ist. Das Identifizierungssignal PRID identifiziert das Mikrofonpaar, das sich am nächstein an der Funkenstrecke befindet sowie die Reihenfolge ihrer Nähe zur Funkenstrecke.

Die Laufzeiten 71 und 72 werden dazu benutzt, den Abstand von der Funkenstrecke zu den Mikrofonen zu berechnen. Unter Verwendung dieser Abstände kann die Stelle der Funkenstrecke relativ zur Schweißnaht W gleichfalls berechnet werden. Die Genauigkeit dieser Berechnung hängt teilweise von der Genauigkeit ab, mit der die Mikrofone relativ zur Schweißnaht VV angeordnet worden sind.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gesamtanlage, die entwickelt, hergestellt und getestet wurde, um sie mit einer Ultraschallanlage mit einer von Hand gehaltenen Prüfsonde zu verwenden. Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, weist der Empfänger 17 einen Sechskanalverstärker 17a für akustische Signale auf und enthält die Laufzeitschaltung einen Detektor 17Zj für die Ankunftszeit. Signale, die über die Strecken Rl bis /?6 gelaufen sind, werden somit verstärkt und zu dem Detektor ITb für die Ankunftszeit geleitet, der olpirhfnll«: finf* ^nannunacIinmnaratnTcrhaltunn pinp Kanalpaarwählschaitung und zwei Zeitanalogdigitalwandler 17c aufweist, von denen jeder eine Zählschaltung enthält.

Die Spannungskomparatorschaltung markiert die Ankunftszeit in dem Augenblick, in dem die verstärkte Signalspannung eine festgelegte Schwellenspannung überschreitet. Sobald zwei Ankunftszeiten markiert sind, werden alle anderen Kanäle gesperrt, wird das aktive f/'krofonpaar identifiziert und wird die Reihenfolge der Signalankunft gleichfalls aufgenommen. Diese beiden letzten Informationen bilden die P/?/D-Daten (ein 4-Bitwort), die einem Anzeigefeld und einem Rechner zugeführt werden, wie es im Vorhergehenden erläutert wurde. Die Impulssignale fl und (Z sind die Ausgangssignale des Detektors 17k für die Ankunftszeit, die die Ankunftszeiten des ersten und zweiten Signals jeweils von den Mikrofonen Ml bis M6 angeben. Der Impuls t_a wird im Doppelimpulsgenerator 14 erzeugt und seine Vorderflanke fällt eng mit dem Zeitpunkt des Zündens einer Funkenstrecke zusammen.

Die Zähler in den Zeitanalogdigitalwandlern 17c beginnen mit dem Zählvorgang beim Empfang des Impulses t_o. Der erste Zähler hält beim Empfang des Impulses /1 an, während der zweite Zähler dann anhält, wenn er den Impuls (1 empfängt. Die Zähler sind vorzugsweise 8-stufige Binärzähler, die über einen Taktimpuls mit einer Periode von 3 Mikrosekunden angesteuert werden. Die Ausgangssignale dieser Zähler geben die Laufzeit des akustischen Impulses von der Funkenstrecke zu den beiden am nächsten gelegenen Mikrofonen wieder.

so Die Zeitdarstellungen sind folglich 8-Bitzahlen, bei denen das kleinste kennzeichnende Bit 3 Mikrosesunden entspricht. Diese binären Zeitdarstellungen werden durch die Ausgangssignale 71 und 72 von den Wandlern 17c angezeigt, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.

Die Signale 71 und 72 werden in einem Datenanzeigevervielfacher 18 zeitvervielfacht, der mit den Ausgängen der Wandler 17c verbunden ist, und an einem Anzeigefeld 19 für die Ortsinformation unter Verwendung von Leuchtdiodenausgabeeinrichtungen 19a und

ω 19b in Form von dreistelligen Oktalzahlen angezeigt. Die Ausgabeeinricthung 19a zeigt die Ortsinformation für das erste empfangene Signal von den Mikronen Ml bis M3 an, während die Ausgabeeinrichtung 19b das zweite empfangene Signal anzeigt. Zusätzlich zur numerischen Anzeige der Signale 71 und 72 sind fünf Leuchtdiodenanzeiger 1, 2, 3, 4 und 5, die allgemein mit 19c bezeichnet sind, an dem Anzeigefeld 19 für die Ortsinformation vorgesehen, die angeben, welche zwei Mikro-

föne Λ/1 bis Md die ersten Mikrofone sind, die das akustische Spurführungssignal empfangen haben. Ein weiteres Leuchtdiodenanzeigeelement, das allgemein mit 19t bezeichnet ist, gibt an, welches der beiden Mikrofone Ml bis M2 das erste Signal empfangen hat.

Um eine rechnerabhängige Auswertung der empfangenen Ortsinformation und eine Berechnung des Orts, an dem sich die jeweilen Funkenstrecken befinden, zu ermöglichen, kann ein Analogrechner zur Verwendung bei der in Fig. 4 dargestellten Anlage vorgesehen sein oder können die Daten für eine spätere Verarbeitung in einem Analogrechner aufgezeichnet werden. Wenn der Rechner direkt angeschlossen ist, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, können die Signale 71 und 72 über einen Digitalanalogwandler 20 in die analoge Form gebracht werden und einem derartigen Analogrechner 21 zugeführt werden. Das Signal PRlD wird gleichfalls in den Analogrechner 21 eingegeben. Der Analogrechner 21 benutzt diese Eingangssignale, um die Koordinaten jeder Funkenstrecke 12 und 13 auszurechnen, die zut Identifizierung als /.- und W-Koordinaten bezeichnet werden können. Die W-Koordinate gibt den senkrechten Abstand zwischen der Mittellinie der Schweißnaht W und der fraglichen Funkenstrecke wieder, während die Koordinate L den Abstand längs einer Linie parallel zur Mittellinie der Schweißnaht von einer festgelegten Bezugslinie zur Funkenstrecke wiedergibt. Die erzeugten Spannungen, die die Größe der Koordinaten W und L wiedergeben, liegen an den Eingängen V und X eines Oszillographen oder Speicheroszillographen 22, der mit dem Ausgang des Analogrechners 21 verbunden ist.

We.in die Berechnung der gewünschten Koordinateninformation für beide Funkenstrecken beendet ist, liefert der Analogrechner 21 einen Ausgabebefehl dem Speicheroszillographen 22, was diesen dazu bringt, einen Punkt auf seinem Schirm 23 anzuzeigen. Der Punkt wird auf dem Schirm bleiben, bis er durch das Drücken eines nicht dargestellter! Löschknopfes an der Frontplatte des Oszillographen gelöscht wird. Der Speicheroszillograph 22 ist so geeicht, daß eine feste Übereinstimmung zwischen den X- /-Koordinaten des Schirmes 23 und den Koordinaten W-L der Schweißnaht besteht. Wenn eine weitere Ortsinformation durch die Anlage empfangen wird, wird die Lage der beiden Funkenstrecken am Schirm 23 angezeigt und wenn der Sucher bewegt wird, werden die Punkte über den Schirm gezogen, um diese Bewegung wiederzugeben. Der Winkel der Schräglage des Suchers ist ohne weiteres ersichtlich und kann ziemlich gut von den relativen Stellen der Punkte auf dem Schirm abgeschätzt werden. Wenn der Rechner nicht direkt angeschlossen ist, wie es im obigen beschrieben wurde, können die Signale 71, TZ und PRlD über eine Schnittstelle auf eine magnetische Aufzeichnungsvorrichtung übertragen werden, die die Ortsinformation für eine spätere Weiterverarbeitung und Berechnung zusammen mit der Ultraschallinformation speichert, die während des Prüfvorganges erzeugt wird.

Das untergeordnete Ultraschalldatensystem bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 4 dargestellt ist, besteht im wesentlichen aus einem herkömmlichen Ultraschallgerät 24, das auf die Rückstrahlsignale S anspricht, die vom Wandler 11 empfangen wurden, um eine Videoanzeige der Rückstrahlsignale an einem Bildschirm 25 zu liefern, und aus einer Einrichtung, die die Videosignale in eine Folge digitaler Zahlen umwandelt. Das Ultraschallgerät 24 kann gegenüber der herkömmlichen Ausbildung so abgewandelt werden, daß es eine geeignete Synchronisation zwischen dem Gerät und der Digitalisierungsschaltung liefert und das empfangene Ultraschallausgangssignal puffert. Wenn der Ultraschallsender bereit ist, mit einem Impuls versorgt zu werden, liefert das Gerät 24 ein Betriebsbereitschaftssignal der Steuerschaltung 26 für den Ultraschalldigitalisierer, das alle Elemente des untergeordneten Digitalisierungssystems in Gang setzt und ein Synchronimpulssignal zum Ultraschallgerät

ίο rückführt. Beim Empfang des Synchronimpulses sendet das Ultraschallgerät ein Ultraschallsignal aus und nimmt anschließend die zurückkommenden Rückstrahlsignale auf. Das von diesen Rückstrahlsignalen abgeleitete empfangene Ultraschallsignal wird zu einem Analogdigitalwandler 27 geleitet, der mit dem Ausgang des Ultraschallgerätes 24 verbunden ist. Eine gewisse gewählte Zeit nach dem Aussenden des Ultraschallimpulses wird ein Haltesignal von einer dreistufigen Verzögerungsschaltung 28 dem Analogdigitalwandler 27

2ü gciicicii. Dicscb Signal iicwiikt. (JaB üci Anaioguiguaiwandler 27 die Amplitude des empfangenden Ultraschallsignales, das zu diesem Zeitpunkt vorhanden ist, erfaßt und sie in eine digitale Zahl umwandelt. Wenn diese Umwandlung vollendet ist. wird die digitale Zahl als Information einem FIFO-Speicher 29 (First-in-. First-out-Speichcr) eingegeben, an dem auch ein Entladesignal liegt, damit der FIFO-Speicher die Daten speichert.
Diese Abfolge der Datenerfassung folgt auf jeden Ultraschallimpuls. Zur Erläuterung des in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird ein Datenerfassungszyklus als eine feste Anzahl von Ultraschallimpulsen definiert, auf jeden von denen eine Abfolge von Datenerfassungen folgt. Bei der anfänglichen Abfolge der Datenerfassungen folgt das Haltesignal dem Ultraschallimpuls in einem Zeitintervall, das durch die Bedienungsperson des Gerätes über Zeitver-2ö^iTer\in^rtswähier 30 in der Verzo^erur^sschsltun⁰ 2S eingestellt wird. Bei jeder anschließenden Abfolge der Datenerfassungen wird das Zeitintervall zwischen dem Ultraschallimpuls und dem Haltesignal automatisch um einen festen Betrag verlängert. Beispielsweise bei der 10. Datenerfassungsabfolge ist das Intervall daher um neun Verlängerungsbeträge langer als bei der ersten Abfolge. Die Wiederholung der Datenerfassungsabfolge setzt sich fort, bis eine feste Anzahl von Abfolgen erreicht ist. Diese Anzahl wird gleichfalls durch die Bedienungsperson über die Zeitverzögerungswähler 30 eingestellt. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, das tatsächlich gebaut und geprüft wurde, wurde der Zeitzuwachs auf 0,4 Mikrosekunden gewählt, so daß dann, wenn die Bedienungsperson den Zeitverzögerungswähler 30 so eingestellt hat, daß sich eine digitalisierte Spanne von 40 Mikrosekunden ergibt, diese Einstellung die Anzahl der Datenerfassungsabfolgen auf 100 festlegen würde. Für jeden Datenerfassungszyklus wird daher das empfangene Ultraschallsignal auf 100 Speicherplätze verteilt und werden 100 Datenwörter in den FIFO-Speicher eingegeben.

Der 128 x 8 FIFO-Speicher 29 akzeptiert Daten vom Analogdigitalwandler 27, bis er voll ist. Die Anzahl der Datenerfassungszyklen, die aufgenommen werden kann, hängt natürlich von der Anzahl der Speicherplätze pro Zyklus ab. Während der Entwicklung und

Überprüfung des in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung wurden gewöhnlich zwei Zyklen aufgenommen. Nachdem der FIFO-Speicher voll ist, bleibt er im Ruhestand, bis er einen Befehl zum Ausge-

ben der Daten empfängt, der von der Bedienungsperson über einen nicht dargestellten Schalter am Schaltpult ausgelöst wird. Der Befehl zum Ausgeben der Daten setzt den Datenausgabezyklus in Gang, bei dem der FIFO-Speicher alle seine Daten in einer Abfolge von S Bit-Bytes einem Digitalanalogwandler 21 liefert. Ein binärer 8-ßit-Zähler im Speicher 29 zählt die Datenbytes, während sie ausgegeben werden, und das digitale Ausgswgssignal des Zählers liegt gleichfalls an Digitalanalogwandlern. Ein Wandler wandelt das Datenbyte in eine analoge Spannung um. Diese analoge Spannung tritt als Ausgangssignal Y des Digitalanalogwandlers auf. Ein anderer Wandler wandelt das Ausgangssignal des Binärzählers in einen analoge Spannung um. Diese analoge Spannung tritt als Ausgangssignal X auf. Die Ausgangssignale X und Y der Digitalanalogwandler liegen an den entsprechenden Eingängen eines X-Y-Schreibers 32. Die digitalen Daten, die im FIFO-Speicher gespeichert sind, werden somit in eine analoge Anzeige umgewandelt. Diese Anzeige ist eine Rekonstruktion des empfangenen Ultraschallsignals, das digitalisiert und im FIFO-Speicher gespeichert wurde.

Bei der Verwendung der beschriebenen Ultraschallprüfvorrichtung an Ort und Stelle kann es wünschenswert sein, für eine direkte Aufzeichnung der Ultraschallinformation für eine spätere Ausgabe und Verarbei'mg zu sorgen, um die Notwendigkeit zu vermeiden, zus>i /liehe Hardware-Einrichtungen an Ort und Stelle zu bringen. Im allgemeinen werden die Bauteile innerhalb der gestrichelten Linie A in Fig. 4 an Ort und Stelle nicht benötigt, wenn irgendeine Vorrichtung zur dauerhaften Aufzeichnung verwandt wird, um die Ortsinformation und die Ultraschalldaten für eine spätere Verarbeitung zu speichern.

Fig. 5 zeigt ein typisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur Verwendung an Ort und Stelle, die eine Aufzeichnungsvorrichtung 40 zum Aufzeichnen der Grtsinformation und der Ultraschalldaten, die für eine spätere Verarbeitung erhalten werden, und eine Hilfsortsanzeigevorrichtung 41 aufweist, die auf einem Bildschirm 42 die Ortsinformation anzeigt, die während des Prüfvorganges erhalten wird. Die Bauteile der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung sind im übrigen in einer Baueinheit 43 enthalten, die die Ortsinformation an Ausgabeeinrichtungen 19a und 19b und die Ultraschalldaten am Bildschirm 25 anzeigt.

Fig. 6 zeigt ein bevorzugtes Beispiel der Ausbildung der vorderen Gehäuseplatte 44 der Baueinheit 43, die dazu verwandt werden kann, die Arbeitsweise der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung zu steuern, die Ortsinformation anzuzeigen und gleichfalls für eine dauerhafte Aufzeichnung der verschiedenen Betriebsparameter zu sorgen, die jeder Prüfvorgang mit sich bringt. In dem Blockbereich 45 können Anzeigevorrichtungen 19a und 196 zusammen mit der Anzeigevorrichtung 19c zum Identifizieren des Mikrofonpaares vorgesehen sein. Die Ortszahlen für jeden der beiden Wandler, die in Fig. 6 mit L und W bezeichnet sind, können für die beiden Mikrofone angezeigt werden, die die beiden Spurführungssignale empfangen.

Die untere Unke Ecke der Platte 44 ist zum Programmieren und zur Ausgabe der Parameterdaten, die programmiert werden können, auf ein Aufzeichnungsband vorgesehen, das eine dauerhafte Aufzeichnung der Prüfung liefert. Ein Parameterwählschalter 47 ist dazii vorgesehen, damit die verschiedenen Parameter der Prüfung einschließlich eines Identifizierungscodes für die Bedienungsperson von Hand aus gewählt und gespeichert werden können. Daumenschalter 47a oder ähnliche Einrichtungen können dazu benutzt werden, die Parameterdaten zu programmieren. Der Einschubteil 48 an der unteren rechten Ecke der Platte 44 kann eine Vielzahl von Schaltern oder Steuerknöpfen zum Steuern der Ultraschallprüfbedingungen aufweisen.

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem optische Signale als Spurführungssignale verwandt werden. Dazu ist wenigstens eine in alle Richtungen strahlende Infrarotleuchtdiode an der Ultraschallprüfsonde 110 fest angebracht. Vorzugsweise werden zwei derartige Dioden 112 und 113 verwandt, um die Schräglage oder den Neigungswinkel der Prüfsonde zu bestimmen. Um das Rohr herum sind auf einem Halteelement 115 gleichfalls mehrere optische Winkelmeßeinrichtungen 114 angebracht, deren genaue Anzahl von der Größe des Rohres und der Höhe der Leuchtdioden 112 und 113 über atr Rohroberfläche abhängt. Jede dieser Vorrichtungen 114 kann den Einfallswinkel des Lichtes messen, das von jeder Leuchtdiode 112 und IO ausgetrahlt wird. Die Ausgangssignale von zwei benachbarten Meßeinrichtungen 114 können somit kombiniert und dazu verwandt werden, trigonometrisch die Lage der das Licht aussendenden Leuchtdiode und somit die Lage des Wandlers der Sonde 110 zu bestimmen.

Es können verschiedene Verfahren verwandt werden, um zu unterscheiden, welche Leuchtdiode bei einem System mit zwei Leuchtdioden erfaßt wird. Es können Leuchtdioden, die Licht mit verschiedener optischer Wellenlänge ausstrahlen und passende Filter an den Empfängern verwandt werden, es können die Leuchtdioden mit zwei verschiedenen Frequenzen moduliert werden, wobei die Signale durch in passender Weise elektronisch abgestimmte Empfänger getrennt werden, und vorzugsweise können die Leuchtdioden zeitlich so gesteuert werden, daß eine Leuchtdiode aufleuchtet, während die andere Leuchtdiode nicht aufleuchtet. Diese dritte Möglichkeit hat den speziellen Vorteil, daß derselbe optische Empfänger und derselbe elektronische Verstärker für beide Leuchtdioden verwandt werden können, wobei die Signale durch eine passende Zeitabstimmung der elektronischen Datenverarbeitseinheit getrennt werden.

Das optische System, das bei der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung verwandt wird, ist in Fig. 8 schematisch derart dargestellt, daß es eine Infrarotlicht aussendende Diode 112, aufweist, die bei einer Wellenlänge von 950 Nanometern über einen Raumwinkelbereich von 2 π eine Strahlungsenergie von annähernd 50 mW liefert. Ein Infrarotbandpaßfilter 115 ist vor einer Linse 116 vorgesehen, um das sichtbare Zimmerlicht herauszufiltern. Eine 8-mm-Projektorlinse 116 mit kurzer Brennweite, beispielsweise mit einer Brennweite von 19 mm und einem Blendenwert f/1,6 ist dazu vorgesehen, die Leuchtdiode auf den ortsempfindlichen Detektor 114 abzubilden. Jeder Detektor 114 ist vorzugsweise eine zweiaxiale Einheit, und liefert Vertikal- und Horizontalspannungen Vl, Yl, Hl und Hl, die verarbeitet werden können, um die Vertikal- und Horizontaianteile des Einfallswinkels des Strahles von den Leuchtdioden 112 und 113 zu ermitteln.

Ein Ausführungsbeispie! der Vorrichtung zur Verarbeitung der Ausgangssignale des Detektors ist in Fig. 9 dargestellt. Das Haupterfordernis für die elektronischen Schaltungen zur Signalverarbeitung besteht darin, daß die Einflüsse der Amplitude des auftreffenden optischen Strahles auf die Ortsmessung beseitigt werden.

Da die Ausgangssignale des ortsempfindlichen Detektors sowohl eine Information über die Amplitude als auch über den Ort enthalten, muß der Amplitudenanteil für eine gültige Ortsmessung entfernt oder normiert werden. Das wird dadurch erreicht, daß eine präzise automatische Verstärkungsregelung verwandt wird, die auf elektronischem Wege dafür sorgt, daß die Summe aller Ausgangssignale des Ortsdetektors konstant bleibt. Bei konstant gehaltener Summe dieser Ausgangssignale wird der Unterschied zwischen den beiden vertikalen Signalen Vl und V2 und den beiden horizontalen Signalen Hl und H2 ermittelt, um die Ortsspannung zu bekommen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Linearität des Ausgangssignales stark verbessert wird, wenn die Summierungs- und automatischen Verstärkungsregelungsvorgänge unabhängig an den vertikalen und horizontalen Ausgangssignalen ausgeführt werden. Verschiedene andere elektronische Verarbeitungitechniken einschließlich derjenigen Techniken, die eine analoge Teilung durchfühlen, um ilen Anipiiiudenanteil aus der Ortsinformation zu entfernen, arbeiten genau so gut. Bei dieser Methode wird im typischen Fall die Differenz durch die Summe geteilt, um effektiv den Amplitudenanteil zu normieren.

Während des Betriebes der optischen Spurführungsvorrichtung von Fig. 7 wird jede Leuchtdiode 112 und 113 vorzugsweise im Niederfrequenzbereich, beispielsweise mit einer Frequenz von etwa 200 Hz moduliert, um wechselstromgekoppelte aktiv abgestimmte Vorverstärker für die Ausgangssignale des Detektors verwenden zu können. Diese Technik setzt die Einflüsse der Umgebungsbeleuchtung herab und liefert gleichfalls die Möglichkeit zu filtern, um ein extrem reines Signal mit einem ausgezeichneten Signal/Rauschverhältnis von > 50 dB und einer hohen Stabilität zu erzeugen. Die Trägerfrequenz von 200 Hz wurde als zweckmäßige Frequenz gewählt, die gut von jedem Vielfachen von 60 Hz entfernt Hegt. Es kann jedoch irgendeine zweckmäßige Frequenz von bis zu einigen zehn Kilohertz verwandt werden.

Alle Ausgangssignale H, V2, Hl und Hl jedes Detektors 114 liegen an einem der vier Vorverstärker 117, die mit ihren Ausgängen mit einem Multiplexer 118 verbunden sind. Die Signale der vier Vorverstärker werden auf eine gemeinsame Leitung 119 zeitvervielfacht und am J^-Eingang eines analogen Vierquadrantenmultiplier 120 eingegeben. Das Ausgangssignal des Multipliers 120, das verstärkungsnormalisierte Signale enthält, liegt an einem Demultiplexer 121, der die vier Signale erfaßt und trennt. Die Ausgangssignale des Demultiplexers 121 liefern vier Gleichspannungspegel, die in einem Summierungs- und Fehlerverstärker summiert und mit einer festen Vergleichsspannung verglichen werden. Die erzeugte Fehlerspannung wird zum Y-Eingang des Analogmultipliers zurückgeführt, wodurch eine automatische Verstärkungsregelung mit geschlossenem Regekreis bewirkt wird. Dieses Verfahren der gleichzeitigen Verstärkungsregelung einer Anzahl verschiedener Signale, d. h. Multiplex, Verstärkungsregelung, Demultiplex, hat den speziellen Vorteil, daß das Verstärkungsregelelement, in diesem Falle der Analogmultipiier, jedes Signal in genau derselben Weise unabhängig von den Ubertragungseigenschaften des Verstärkungsregelelementes normalisiert.

Bei konstant gehaltener Summe wird der Unterschied zwischen den beiden horizontalen und den beiden vertikalen Gleichspannungssignalen in den Verstärkern und 124 ermittelt, um die entsprechenden horizontalen und vertikalen Ausgangsspannungen 125 und 126 zr erhalten. Nicht dargestellte aktive Tiefpaßfilter können mit den Ausgängen der Verstärker 123 und 124 verbunden sein, um ein hochfrequentes Rauschen herabzusetzen. Aufgrund der Verwendung der Abbildungslinse 116 vor dem Detektor 114 werden die Auspanp,ssignale der Verstärker 123 und 124 eine Funktion des Einfallswinkels der Lichstrahlen von den Quellen 112 und 113 sein, so daß diese Information nach einer analogen

ίο Verarbeitung die Ortsinformation für jede Leuchtdiode 112 und 114 liefern kann, die für die endgültige Verarbeitung in einem Rechner digitalisiert werden kann.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das oben beschriebene Verfahren abzuwandeln. Beispielsweise hönnen die Detektorköpfe entweder auf Winkel in einer Ebene oder auf Raumwinkel ansprechen. Wenn der zu prüfende Bereich genau definiert ist und üus einer regelmäßigen zylindrischen Fläche, beispielsweise einer Rohraußenfläche besteht, ist ein Detektor für

2Ö WiFliCci ifl Clucf i~ucu€ aüSiCiCiiCnu, UiTi "A'CiiCiSiFCi uCfi Ort des Wandlers festzulegen. Eine im allgemeinen stärker verwandte und kompliziertere Raumwinkeleinrichtung ist für unregelmäßige oder Undefinierte Fläche erforderlich.

Die Anzahl der Detektoren 114, die erforderlich ist. um ekie typische Anlage auszustatten, kann sich gleichfalls ändern. Es ist möglich, daß nur vier Detektoren im gleichen Abstand um das Rohr herum ausreichend sind, wobei acht Detektoren ein Beispiel für die Anzahl der verwandten Detektoren sind, obwohl auch mehr oder weniger Detektoren vorgesehen sein können. Die Einflußfaktoren für die Anzahl der erforderlichen Detektoren schließen den maximalen Überdeckungsbereich für jeden Detektor, der eine Funktion des kleinsten Abstandes zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor ist, den Durchmesser des Rohres und die Höhe der Leuchtdioden über der Rohraußenfläche ein.

Es gibt auch verschiedene Möglichkeiten, wie in der

Praxis die Detektoren 114 am Rohr angebracht werden können. Eine Möglichkei' besteht darin, einen aufgespannten Riemen mit austauschbaren Verbindungsgliedern zu bilden. Dieser kettenanige Aufbau kann sich an Rohre verschiedener Größe durch einen einfachen Austausch von Verbindungsgliedern verschiedene" Länge anpassen, die für verschiedene Standardrohrdurchmesser vorgeschnitten sind. Die Detektoren sind dann an kurzen Verbindungsstücken angebracht, so daß sie mit beliebigen Abstandsstücken benutzt werden können. Diese Möglichkeit hat den Vorteil, daß der Abstand der Detektoren um die Rohre herum lediglich eine Funktion der vorgeschnittenen Verbindungsglieder ist und daß daher die Anordnung der Detektoren in einem Abstand voneinander sehr genau und wiederholbar mit einem minimalen Aufwand an Ausrichtung durch die Bedienungsperson erfolgen kann.

Obwohi vorzugsweise die Strahlungsquelle oder die Strahlungsqucllen in der Prüfsonde angeordnet sind, wie es in den Fig. 3 und 7 dargestellt ist, können auch zwei oder mehr Empfangseinrichtungen an der Sonde angebracht sein und kann die Strahlungsquelle oder können die Strahlungsquellen am Rohr in eimern festen Abstand von der Schweißnaht oder einem anderen Bezugspunkt angeordnet sein. Diese Anordnung ist jedoch weniger bevorzugt, obwohl sie zufriedendstellend arbeitet, was Untersuchungen gezeigt haben, bei denen Qberflächenweilen als Spurfühningssigr.ale verwandt wurden.

Aus dem Obigen ergibt sich, daß die erfindungsge-

mäße Vorrichtung für die Erzeugung einer genauen
Ortsinfonnation sorgt, die den Ort der Prüfsonde zu
jedem Zeitpunkt während des Prüfvorganges identifiziert, um diese Information weiterzuverarbeiten und
aufzuzeichnen, wobei die erfindungsgemäße Vorrich- 5 tung während d^s Prüfvorganges an Ort und Stelle
verwandt werden kann. Die erhaltene Infonnation kann
auch für eine anschließende Verwendung in einer
Datenverarbeitungsanlage geliefert werden, die die
Oltraschallprüfdaten analysiert. io

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Lage eines Ultr^schallprüfkopfes zur zerstörungsfreien Prüfung einer an der Oberfläche eines im Querschnitt kreisförmigen Körpers verlaufenden Schweißnaht mittels Ultraschall, mit einer am Ultraschallprüfkopf angebrachten Sendeeinrichtung und mit an dem zu prüfenden Körper lösbar befestigten Empfangseinrichtungen zur Lagebestimmung des Ultraschallprüfkopfes und mit einer Auswerteeinrichtung zum Erzeugen einer Information über die Lage des Ultraschallprüfkopfes bezüglich der Empfangseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Empfangseinrichtungen (Μ1-Λ/6, 15; 114, 115) gleichmäßig voneinander längs der Schweißnaht beabstandet sind und

daß die Empfangseinrichtungen mittels eines an die Körperoberfläche anpaßbaren Befestigungskörpers (13. 16: 115) in einem bestimmten Abstand zur Schweißnaht festlegbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet.

daß die Sendeeinrichtung (12, 13) Schallsignale erzeugt und

daß die Auswerteeinrichtung ehe Laufzeit der Schallsignale von der Sendeeinrichtung (12, 13) zu jeder Empfangseinrichtung (M1-W6) zur Lagebestimmung auswertet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Sendeeinrichtiwig (111,113) optische Signale erzeugt und

daß die Empfangseinrichtung d- 1 Einfallswinkel der erzeugten optischen Signale ermittelt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß zwei Sendeeinrichtungen (12,13; 112, 113) zum Bestimmen der Winkelorientierung des Prüfkopfes (10, 110) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4. dadurch gekennzeichnet,

daß jede Senkeinrichtung (12,13) ein Funkenstrekkensender ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß jede Sendeeinrichtung (112, 113) eine Leuchtdiode ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 4 :"0 oder 5. dadurch gekennzeichnet,

daß jede Empfangseinrichtung (M1-M6) ein Mikrophon ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungskörper ein Riemen (15) ist.

9 Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Empfangseinrichtungen lientempfindliche Detektoren (114) sind.

1Ü. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Auswerteeinrichtung die zwei unter den Empfangseinrichtungen ermittelt, die sich am nächsten an der Sendeeinrichtung (12,13) befinden, und daß die Auswerteeinrichtung ein Ausgangssignal erzeugt, welches das Paar der so identifizierten Empfangseinrichtungen wiedergibt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Auswerteeinrichtung eine Speicher- und Anzeigeeinheit für Daten aufweist, die die relative Lage des Prüfkopfes während des Prüfvorganges wiedergeben.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Auswerteeinrichtung eine automatif:he Verstärkungsregelungseinheit (112) aufweist, die Amplitudenschwankungen der empfangenen optischen Signale kompensiert, wodurch die sich ergebenden Signale nur vom Einfallswinkel der optischen Signale abhängen.