DE2921469A1

DE2921469A1 - Ultraschall-messeinrichtung

Info

Publication number: DE2921469A1
Application number: DE19792921469
Authority: DE
Inventors: Bernard Percival Hildebrand
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1979-05-26
Publication date: 1980-01-03
Also published as: GB2023824A; JPS54158284A; FR2427591B1; GB2023824B; FR2427591A1; SE7904629L; US4210028A

Description

DIPL.-ING. J. RICHTER £ PATENTANWÄLTE

ZÜGEL. VERTRETER BEIM EPA ■ PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE EPO · MANDATAIRES AGREES PRES L¹OEB

D-2OOO HAMBURG 36

NEUER WALL 1O ® CO 4 O) 34 OO 45/34 OO 58 TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

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datum/date 25. Mai 1979

PATENTANMELDUNG

PRIORITÄT: 30. Mai 1978

(entspr.U.S.Anm. Serial No. 910 788)

BEZEICHNUNG: Ultraschall-Meßeinrichtung

ANMELDER: ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE, INC.

3*112 Hillview Avenue
Palo Alto, Kalif. 9^303 (V.St.A.)

ERFINDER: Bernard Percival Hildebrand

Mahan
Richland, Washington 99352 (V.St.A.)

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Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Meßeinrichtung und ein Verfahren zur Messung von Spannungsanhäufungen in einem zu untersuchenden Objekt.

Die Erfindung betrifft allgemein Meßeinrichtungen zur Vermessung von Gebieten mit Restspannungen in Strukturen und insbesondere Ultraschallmeßeinrichtungen zur Ausführung solcher Messungen.

Bei der Fertigung großer Strukturen, wie von Druckgefäßen, ist eine große Anzahl von Schweißstellen erforderlich. Nach dem Schweißvorgang enthalten die diese Schweißstellen umgebenden, von der Hitze beeinflußten Zonen infolge von ungleichförmigen Abkühlgeschwindigkeiten gewöhnlich Restspannungen. Ein Verfahren mit verbreiteter Ausführung besteht darin, zum Abbau dieser Restspannungen die gesamte Struktur auf eine geeignete Temperatur anzuwärmen und anschließend sorgfältig ihre Abkühlgeschwindigkeit zu kontrollieren.

Gegenwärtig gibt es keine ausreichende Prüfmöglichkeit, um tatsächlich den Erfolg dieses Verfahrens zum Abbau der Spannungen messen zu können. Hin und wieder gibt es Gebiete mit hoher Restspannung in der Struktur nach der Ausführung des genannten Verfahrens, und wenn diese Gebiete in kritischen Bereich auftreten, so können sich Risse entwickeln, und Brüche auftreten.

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Augenblicklich bestehen die üblichen zerstörungsfreien Prüfverfahren in der Röntgenprüfung und im Ultraschall-Impuls/Echo-Verfahren. Keines dieser beiden .früfverfahren kann jedoch das Vorhandensein von Restspannungen erkennbar machen. Die Röntgenprüfung hält nur die Änderungen in der Dichte des geprüften Werkstoffs fest. Ultraschall-Abbildungen können zum Erkennen von Gebieten mit Restspannungen nicht verwendet werden, weil diese Gebiete nicht scharf abgegrenzt

sind und daher nicht für eine Messung ausreichend Schallwellen refelktieren.

Es ist bekannt, daß die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in einem Peststoff durch Reetspannungen beeinflußt wird. Dieses Phänomen ist ein Effekt dritter Ordnung und ist als Mittel in der Forschung zur Bestimmung der Lameschen und Murnaghanschen Elastizitätskonstanten verwendet worden. Es ist ebenfalls bekannt, daß die Elastizitätskonstanten mit der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in Feststoffen in Beziehung stehen.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur Lokalisierung und Vermessung von Gebieten mit Restspannungen in Strukturen zu schaffen und dabei akustische Wellen in einem Prüfobjekt in vorbestimmbaren Richtungen und von vorbestimmbaren Positionen aus zur Ausbreitung zu bringen.

Die zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene, erfin-

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dungsgemäße Ultraschall-Meßeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie die folgenden Bestandteile aufweist:

(a) eine Ultraschall-Wandleranordnung, um akustische Wellen in dem zu untersuchenden Objekt entlang einer Vielzahl von vorbestimmbaren Ausbreitungsrichtungen und von einer Vielzahl von vorbestimmbaren Positionen ausgehend zur Ausbreitung zu bringen;

(b) eine Schaltung zur Messung der Lamfzeit der akustischen Wellen innerhalb des zu untersuchenden Objekts, in vorbestimmbaren Richtungen und von vorbestimmbaren Positionen ausgehend; und

(c) eine Schaltung zur Speicherung der genannten Laufzeitmeßwerte für die nachfolgende Weiterverarbeitung zu einer Abbildung von Spannungsanhäufungen in dem zu untersuchenden Objekt.

Die gestellte Aufgabe wird also dadurch gelöst, daß durch eine Ultraschall-Strahleranordnung akustische Wellen entlang einer Vielzahl vorbestimmbarer Richtungen und von einer Vielzahl von vorbestimmbaren Positionen aus in einem zu untersuchenden Objekt zur Ausbreitung gebracht werden. Die Laufzeiten der in diesen Richtungen und von diesen Positionen aus sich ausbreitenden akustischen Wellen werden gemessen, und eine Abbildung der Änderungen in der Schallausbreitungsgeschwindigkeit wird unter Einsatz der berechneten axialen Tomografie rekonstruiert. Die Änderungen der akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit werden daraufhin

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in eine Abbildung der Spannungsanhäufungen des zu untersuchenden Objektes umgewandelt. Die Erzielung der gewünschten Ausbreitung wird durch eine Ultraschall-Wandleranordnung mit einer Vielzahl von Ultraschall-Wandlerelementen erreicht, von denen jedes mit einem sich verjüngenden Koppelelement für die punktweise auszuführende Berührung eines zu untersuchenden Objektes versehen ist.

Die obigen Merkmale und Vorteile , sowie weitere Merkmale und Vorteile werden durch ein Ultraschall-Meßverfahren und eine Ultraschall-Meßeinrichtung zur Vermessung von Spannungsanhäufungen in zu untersuchenden Objekten erreicht. Die Meßeinrichtung schließt eine Ultraschall-Wandleranordnung ein, zur Erzielung einer Ausbreitung von akustischen Wellen entlang einer Vielzahl von vorbestimmbaren Richtungen und aus einer Vielzahl vorbestimmbarer Positionen an dem zu untersuchenden Objekt. Ein Zeitintervallzähler mißt die Laufzeit der akustischen Wellen auf ihren Ausbreitungswegen, von jeder der Positionen innerhalb des Objektes aus. Die Laufzeitmeßwerte werden zu einer Querschnittsabbildung der Änderungen der akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit unter Einsatz der berechneten axialen Tomografie in dem Objekt rekonstruiert. Anschließend daran werden die Änderungen der akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit mathematisch in eine Abbildung der Spannungsanhäufungen in dem zu untersuchenden Objekt umgewandelt.

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Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise und anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigen:

Fig.1: eine schaubildliche Darstellung, teilweise geschnitten und gebrochen, einer Ultraschall-Wandleranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Pig.2: ein Blockschaltbild einer Meßeinrichtung für Spannungsanhäufungen in einem zu untersuchenden Objekt, ausgeführt gemäß der Erfindung,

Fig.3,4s schematische Querschnittsansichten zur Veranschaulichung der Ausbreitung akustischer Wellen durch die Wandleranordnung nach Fig. 1, in einem Reflexionsmodus,

Fige5s eine schematische Schnittansicht des zu untersuchenden Objektes zur Veranschaulichung seiner Einteilung in kleine Zellen zur Rekonstruktion der Abbildung der Änderungen der akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit aus den Laufzeitmeßwerten,

Fig.6: eine Darstellung des in Verbindung mit den Gleichungen zur Umwandlung der akustischen Geschwindigkeitsänderungen in eine Abbildung der Gebiete der Spannungsanhäufungen verwendeten Koordinatensystems,

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I¹Ig.7 · eine schematische Schnittansicht der Ultraschall-Wandleranordnung nach Pig. 1 sur Veranschaulichung des Betriebs in einem Durchstrahlungsmodus,

Fig.8s eine schematische Schnittansicht der Ultraschall-Wandler anordnung nach Fig. 1 zur Veranschaulichung des Einsatzes einer unterhalb des zu untersuchenden Objektes befindlichen, reflektierenden Platte, und

Fig.9s eine schematische Schnittansicht der Ultraschall-Wandler anordnung nach Fig. 1 zur Veranschaulichung ihrer Arbeitsweise bei einem zu untersuchenden Objekt mit einer gekrümmten Oberfläche.

Es wird auf Fig. 1 bezug genommen, demnach ist mit 5 eine Ultraschall-Wandleranordnung bezeichnet, die gemäß der Erfindung ausgeführt ist. Die Ultraschall-Wandleranordnung 5 schließt eine Vielzahl von Ultraschall-Wandlerelementen 6 ein, die aus herkömmlichen Materialien hergestellt und in einer Reihe angeordnet sind. Die Wandleranordnung 5 schließt zwischen zwanzig und dreißig Wandler elemente 6 ein, und jedes Wandler element 6 hat die Form eines geraden, kreisförmigen Zylinders. Gemäß ihren Nenndaten haben die Wandlerelemente einen Durchmesser von 1,27 cm (i/2 Zoll) und sind jeweils mit einem sich verjüngenden Koppelelement 7 für akustische Wellen verbunden. Die Koppel elemente 7 haben die Form eines geraden, kreisförmig«! Kegels und werden aus einem Metall von hinreichender Härte hergestellt, um zu ermöglichen,

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daß die Wandleranordnung 5 unter Druckbeaufschlagung über die scharfen Spitzen auf ein zu untersuchendes Objekt gekoppelt wird. Durch einen Ü-förmigen Kanal 8 werden die Wandlerelemente 6 und die Koppelelemente 7 in ihrer Ausrichtung gehalten. Der Kanal 8 hält die Abstände zwischen den Spitzen der Koppelelemente 7 fest oder konstant, so daß akustische Wellen von der Wandleranordnung 5 in ein zu untersuchendes Objekt entlang einer Vielzahl von vorbestimmbaren Richtungen und von vorbestimmbaren Positionen zur Ausbreitung gelangen. Die Wandleranordnung 5 führt sich sphärisch ausbreitende akustische Wellen in das zu untersuchende Objekt am Berührungspunkt eines jeden Koppelelementes 7 ein.

Bs wird nunmehr auf I¹Ig. 2 bezug genommen, demnach wird die Wandleranordnung 5 von einem Impulsgenerator 12 über ein Schalternetzwerk 11 gespeist. Das Schalternetzwerk 11 ist von vorbokanntem Aufbau und schaltet nacheinander, gesteuert von einer Steuereinheit 18, auf jedes Wandlerelement 6 den Impulsgenerator 12 auf. Der Impulsgenerator 12 besitzt ein aus Impulsen hoher Spannung bestehendes Ausgangssignal und arbeitet mit einer hinreichend hohen Frequenz, um sicherzustellen, daß der Anstieg der akustischen Wellen zur Erzielung einer genauen Messung hinreichend steil erfolgt. Das Schalternetzwerk 11 schaltet die Wandlerelemente 6 einzeln, eines nach dem anderen, auf eine Signalaufbereitungsschaltung 13 und auf einen Zeitintervallzähler 14,

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wenn die Meßeinrichtung als Empfänger arbeitet. Der Zweck der Signalaufbereitungsschaltung 13 liegt in der Verstärkung des Signals und der Festlegung eines Schwellwertes, bei welchem der Zeitintervallzähler 14 getriggert wird.

Bei einer praktisch aufgebauten Ausführungsform wurde als Impulsgenerator 12 eine Hochenergie-Impulserzeugungseinrichtung der US-Firma Metrotek, Typenbezeichnung MP 215, eingesetzt, die einen Breitbandwandler ansteuerte. Als Signalaufbereitungsschaltung 13 wurde ein Empfängerverstärker desselben Herstellers Metrotek, MR 101, und ein Zeitintervallgatter, Metrotek MG 703, eingesetzt. Die Geräte der Firma Metrotek sind lieferbar durch: Metrotek, Ine, Richland, US-Staat Washington, V.St.A. Ein Zeitintervallzähler der Firma Hewlett-Packard, mit der Typenbezeichnung HP 5345A, wurde dazu verwendet, die Laufzeiten zu messen und die Meßwerte in digitale Meßdaten umzuformen. Die Betriebsfrequenz lag bei 2 MHz.

Durch die Steuereinheit 18 nach Fig. 2 erfolgt die Ablaufsteuerung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung. Die Steuereinheit 18 steuert das Schalternetzwerk 11 in der Weise, daß es die gewünschten Sende- und Empfangswandlerelemente auewählt und den Impulsgenerator 12 triggert. Die Steuereinheit 18 triggert ebenfalls den Zeitintervallzähler 14 und setzt ein Digitalwert-Aufzeichnungsgerät 15 in Gang. Bei der bevorzugten Ausführungsform wurde beispielsweise ein programmierbarer Tischrechner, Typ HP 9825A von Hewlett-

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Packard verwendet.

Der Zeitintervallzähler 14 nach Fig. 2 gibt ein Digital-Ausgangssignal ab, das von dem Digitalwert-Aufzeichnungsgerät 15 aufgezeichnet wird. Die digitalen Daten werden auf Magnetband, in einer Kassette, aufgenommen. Die Magnetbandkassette ermöglicht eine nachfolgende Auswertung der Meßergebnisse an einem Ort, der von dem zu untersuchenden Objekt entfernt ist. Ein K_urvenschreiber oder Plotter ist zur Beurteilung der Roh-Meßdaten ebenfalls mit dem Zeitintervallzähler 14 verbunden. Nach der bevorzugten Ausführungsform wurde beispielsweise ein Kurvenschreiber vom Typ HP 9862A (Hewlett-Packard) verwendet und von dem oben genannten programmierbaren Tischrechner des Herstellers Hewlett-Packard gesteuert. Die digitalen Laufzeitmeßwerte und die entsprechenden Richtungs- und Positionsdaten werden zu einem Digitalrechner 22 übertragen, der die Berechnung der axialen Stratigrafie oder Tomografie ausführt. Im nachfolgenden Abschnitt über die Rekonstruktion der Daten wird eine kurze Beschreibung dieses Ablaufes gegeben. Das Ausgangssignal des Digitalrechners 22 wird auf eine Sichtdarstellungseinheit 24 geschaltet, die die Spannungsanhäufungen in dem zu untersuchenden Objekt wiedergibt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wurde beispielsweise ein Rechner vom Typ PDP_11/7O der US-Firma Digital Equipment Corporation zur Berechnung der Gebiete der Spannungsanhäufungen herangezogen.

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Die Arbeitsweise der Einrichtung

Im weiteren wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung beschrieben. Zum Aufnehmen einer Gruppe von Meßwerten wird jedes Wandlerelement 6 nach Fig. 1 in der Wandleranordnung 5 nach dem anderen einzeln gespeist. Während des Zeitintervalls, wo jedes Wandlerelement 6 zur Impulseinspeisung ausgewählt ist, wirken die anderen Wandlerelemente 6 in der Wandleranordnung 5 als Empfänger. Durch den Zeitintervallzähler 14 wird die Laufzeit der akustischen Wellen auf jedem Ausbreitungsweg, von jedem Wandlerelement 6 zu .den anderen Wandlerelementen 6 gemessen.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen die Betriebsart mit Impulseinspeisung und Impulsempfang bei der Wandleranordnung 5· Nach Fig. 3 werden Impulse in das Wandlerelement B eingespeist, und die akustischen Wellen breiten sich von dort aus in einem sich sphärisch ausbreitenden Muster in einem zu prüfenden Objekt 26 aus. Von der gegenüberliegenden Oberfläche 27 des BU untersuchenden Objektes 26 werden die Wellen reflektiert und dann von jedem der Wandlerelemente in der Wandler anordnung 5 erfaßt. Nach Fig. 4 wird gerade das Wandlerelement 0 mit Impulsen beaufschlagt.

Der Betriebsmodus der Reflexion, wie er in Fig. 3 und Fig. veranschaulicht ist, wird nur dann eingesetzt, wenn nur eine einzige Oberfläche des prüfenden Objektes zur Verfügung steht. Stehen beide Seiten des Objektes zur Verfügung, so

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«Γ -

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werden, wie in Fig. 7 veranschaulicht, zwei Wandleranordnung en oder Wandler-Unterbaugruppen in einem Durchstrahlungs-Betriebsmodus eingesetzt.

Zu S¹Ig. 3 ist anzumerken, daß bei der Reflexion von der gegenüberliegenden Oberfläche 27 des zu untersuchenden Objektes 26 jegliche Rekonstruktion aus den Daten ein Spiegelbild des Objektes ebenso wie die Abbildung des Objekts selbst einschließt. Das Spiegelbild ist in Fig. 3 und Pig. 4-in gestrichelten Linien veranschaulicht, und das Spiegelbild der Bcapfängerwandlereleinente*] ist bei 29 angedeutet.

Zu Beginn, nach dem Transport der Meßeinrichtung zum Ort der Inspektion, bringt die Bedienperson die Wandleranordnung 5 in direkten körperlichen Kontakt mit der abzutastenden Struktur. Die Wandleranordnung 5» das Schalternetzwerk 11, der Impulsgenerator 12, die Steuereinheit 18, die Signalaufbereitungsschaltung 13, der Zeitintervallzähler 14 und das Digitalwert-Aufzeichnungsgerät 15 sind allesamt tragbar. Die Bedienperson nimmt, wie weiter unten beschrieben, einen Satz Daten auf, dreht sodann die Wandleranordnung 5 und wiederholt den Vorgang. Für eine vollständige, dreidimensionale Inspektion des zu untersuchenden Objektes wird die Wandleranordnung 5 schrittweise um 180° gedreht. Als Alternative hierzu kann die Bedienperson die Wandleranordnung parallel zu sich selbst verschieben, um Daten zu erhalten, die einer Gruppe von parallelen Schnitten enstrechen. Die am

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Zo " 292H69

Ort der Inspektion aufgezeichneten Daten werden dann zu einem zentral angeordneten Rechner 22, beispielsweise zur Rekonstruktion, geleitet. Dieser Vorgang der Übertragung der Meßwerte kann entweder über eine Telefonleitung (on-line) oder durch den Transport einer Magnetbandkassette (off-line) erfolgen.

Am Ort der Inspektion wird die Wandleranordnung mit den folgenden Schritten in Gang gesetzt:

(1) Das erste Wandlerelement A, nach Fig. 1 in der Wandleranordnung 5, wird durch das Schalternetzwerk 11 nach Fig. 2 ausgewählt und vom Impulsgenerator 12 her mit Impulsen beaufschlagt. Durch einen einzelnen Hochspannung simpuls, der eine steil ansteigende Druckwelle erzeugt, die sich in das zu untersuchende Objekt hinein ausbreitet, wird das Wandlerelement angesteuert. Das Wandlerelement erzeugt akustische Wellen, die sich als sphärische Wellen vom Berührungspunkt der Spitze des Koppelelementes 7 in das zu untersuchende Objekt hinein ausbreiten. Der Impulsgenerator 12, der Zeitintervallzähler 14 und das Digitalwert-Aufzeichnungsgerät werden von der Steuereinheit 18 getriggert.

(2) Sofort nach der Aussendung werden alle Wandlerelemente in der Wandleranordnung 5, einschließlich des ersten Wandlerelementes 6 auf Empfangsbetrieb umgeschaltet.

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(3) Der erste von der Wandleranordnung festgestellte, reflektierte Impuls wird über das Schalternetzwerk 11 durch die Signalaufbereitungsschaltung 13 geleitet und wird dazu verwendet, den Zeitintervallzähler 14- abzuschalten. Anschließend daran ermittelt der Zeitintervallzähler 14- die Laufzeit, digitalisiert den Meßwert und gibt die meßdaten an das Digitalwert-Aufzeichnungsgerät 15 ab, wo dieser Meßwert gespeichert wird. Es werden auch Daten aus der Steuereinheit 18 zur vollständigen Kennzeichnung des Wandlerelementes gespeichert, so daß die Laufzeit später identifiziert, und der Ausbreitungsweg berechnet werden kann_o

Die Schritte (1) und (2) werden wiederholt, dabei wird das Schalternetzwerk 11 derart voreingestellt, daß der reflektierte Impuls für die mit B usw. bezeichneten Wandlerelemente zum Zeitintervallzähler 14 geleitet wird. Anders ausgedrückt, wird das erste Wandlerelement A immer wieder mit Impulsen beaufschlagt, und die reflektierte Welle wird zuerst vom ersten Wandlerelement A und dann vom zweiten Wandlerelement B, und vom dritten Wandlerelement CJ der Reihe nach erfaßt. Jeder Laufzeitwert wird vom Digitalwert-Aufzeichnungsgerät I5 zusammen mit Daten zur Kennzeichnung des Jeweils sendenden und des jeweils empfangenden Wandlerelementes aufgezeichnete

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(5) Dann wird das Schalternetzwerk 11 derart voreingestellt, daß der Impulsgenerator 12 das zweite Wandlerelement B in der Wandleranordnung 3 ansteuert. Die obigen Schritte (2) bis (4-) werden wiederholt.

(6) Schritt (5) wird für alle Wandlerelemente in der Wandleranordnung 5 wiederholt.

Zusammenfassend dargestellt, schaltet das Schalternetzwerk 11 jedes Wandlerelement 6 in der Wandleranordnung 5 auf, so daß Laufzeiten zwischen jeder Wandlerelementepaarung gemessen und aufgezeichnet werden. Die Laufzeitmeßwerte, die aus der Reflexion akustischer Wellen durch dasselbe Wandlerelement gewonnen werden, das als sendendes Wandlerelement eingesetzt worden war, werden dazu verwendet, Daten über die Geometrie des Materials zu liefern. Wenn beispielsweise ein Abschnitt des zu untersuchenden Objektes Keiloder Kurvenform aufweist, so kann dies die Rekonstruktion beeinträchtigen. Das Programm verwendet diese Information, um eine Weglänge zu ermitteln, die der Strahl haben sollte, wenn die akustische Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem zu untersuchenden Objekt konstant wäre. Diese Daten werden in den Rekonstruktionsvorgang einbezogen, um eine geometrisch korrekte Abbildung zu erhalten.

Wie weiter unten erläutert wird, nimmt man eine unabhängige Messung der Dicke des PrüfObjektes gleichzeitig mit den

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LaufZeitmessungen vor. Die Dicke kann entweder durch einen kapazitiven Differentialmeßfühler oder eine LVDT-Differentialmeßanordnung oder durch direkte Messung mit einem Mikrometer gemessen werden.

Die Rekonstruktion der Daten mittels Rechner Die mit der Wandleranordnung 5 nach Fig. 1 ausgeführten und durch das Digitalwert-AufZeichnungsgerät 15 nach Fig. 2 aufgezeichneten Laufzeitmeßwerte werden in quantitative Abbildungen der Geschwindigkeitsvariation innerhalb des zu untersuchenden Objektes umgewandelt. Die Laufzeitprofile durch jeden Abschnitt des zu untersuchenden Objekts werden in vielen Winkelrichtungen ausgeführt. Ein Digitalrechner verarbeitet die Signale und rekonstruiert eine Geschwindigkeitsverteilung im Querschnitt, die an die Meßwerte angepaßt ist.

Die Technik der Abbildung für Querschnitte aus einer Vielzahl von Profilen war zuerst von Radon im Jahre 1917 untersucht worden. Dieses mathematische Verfahren wurde später als berechnete axiale Tomografie bezeichnet (CAT - computed axial tomography) und wird in handelsüblichen Röntgenabtasteinrichtungen eingesetzt. Die vorliegende Erfindung arbeitet in ähnlicher Weise und bringt beispielsweise einen von der US-Firma Digital Equipment Corporation, hergestellten Digitalrechner vom Typ PDP-11/70 zum Einsatz.

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Zur Ausführung des Tomografie-Algorithmus unterteilt der Rechner mathematisch das zu untersuchende Objekt in eine Vielzahl von Zellen. Bei Kenntnis der Ausbreitungsrichtung einer jeden akustischen Welle und ihres genauen Ausgangspunktes errechnet der Rechner die Länge L.. des Ausbreitungswegs jeder Welle oder jedes Strahles i durch jede Zelle j. Jeder Zelle wird ein Wert einer akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit V.zugewiesen. Das entsprechende,

vom Rechner zu lösende Gleichungssystem lautet:

_{Tj} = V^i₊I L-E L₄J CD

^ ^j^{1 + ν}ω \^Σ

darin sind:

T. - die Gesamtlaufzeit des Strahles i;

V. - die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Zelle j; ν_ω - die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Einkopplungsmedium;

L - die Gesamtlänge des geometrischen Weges; L. .- die Ausbreitungsweglänge des Strahles i in der

Zelle j.

Wenn eine hinreichende Anzahl von Laufzeitprofilen durch die Wandleranordnung aufgenommen worden ist, so gibt es genauso viele bekannte LaufZeitwerte T. wie unbekannte Ausbreitungsgeschwindigkeitswerte V,, und das Gleichungssystem kann dann für V. gelöst werden.

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Wenn auch das oben bezeichnete Programm in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt worden ist, so gibt es viele Algorithmen oder Rechenverfahren, die zur Lösung dieses Systems von Gleichungen eingesetzt werden können. Das direkteste Verfahren ist die Matrixinversion, aber dies ist ebenfalls das zeitraubendste, weil keinerlei Versuch zur Vereinfachung der Matrix unternommen wird. Andere Rechenverfahren oder Algorithmen nutzen die Techniken der arithmetischen Rekonstruktion durch Iteration, der Konvolution und der Fourier-Transformation.

Die Umwandlung der Daten in eine Abbildung der Spannungsanhäufungen

Im vorausgehenden Abschnitt wurde die Berechnung einer Abbildung der Änderungen in der akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb des zu untersuchenden Objektes beschrieben. Die rekonstruierten Geschwindigkeitsänderungen werden in Ausdrücke, die gleich den Restspannungen sind, mittels der weiter unten aufgeführten Gleichungen umgewandelt.

Die Akustoelastizität entspricht insofern der SOtoelastizität, als die Geschwindigkeiten der Wellen spannungsabhängig sind. Da die akustischen Wellen jedoch sowohl longitudinal als auch transversal sein können, ist das Phänomen der Akustoelastizität und seine mathematische Darstellung komplexer. Die nachfolgenden sieben Gleichungen beschreiben

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die Spannungsabhängigkeit der akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeiten in einem Material, das anfänglich isotrop ist. Diese Gleichungen entsprechen in ihrer Darstellung dem in Fig. 6 gezeigten Koordinatensystem:

po VJLp = λ + 2μ

2 P

po Vsp = μ -

po VJIx = λ + 2μ po V£x² = X + 2μ

^- ί 7λ + ΙΟμ + 6JL + 4m j

ί 3λ + 6μ + 3m j J

pi ί 4λ + ΙΟμ + 4m) +λ
^i λ+ 2μ + mj- 2\

+ 21

po Vsy

po Vsz = μ -

Darin sind:

jfo - die Dichte des nicht beanspruchten Materialsi V - die Ultraschall—Ausbreitungsgeschwindigkeit j ¹X)Us- die Lamesehen Elastizitätskonstanten zweiter Ordnung; l,m,n, - die Murnaghanschen Elastizitätskonstanten dritter

Ordnungi

P - der hydrostatische D_rucki

T - die nicht in der jeweiligen Achsenrichtung wirkend« Spannung;

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SS -

Ko = Λ/3 (3X+ 2yw.) - der Elastizitätsmodul bei Druck.

Der erste Index 1 bezieht sich auf die longitudinale Welle.

Der erste Index s bezieht sich auf die Scherwelle.

Der zweite Index ρ bezieht sich auf den hydrostatischen Druck.

Der zweite Index x, y, ζ bezeiht sich auf die jeweils nicht in axialer Richtung wirkende Spannung, mit der x-, y- und z-Achse als jeweilige Bezugsachse.

Die obigen Gleicungen gestatten, daß die Abbildung der Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in eine Abbildung in der Form von Spannungswerten umgewandelt werden kann ο

Anwendungsb ei spi ele

Unter anderem kann die bevorzugte Ausführungsform dazu verwendet werden, Spannungsanomalien in großen Druckgefäßen abzubilden. Diese Druckgefäße haben MetallSektionen, die von einer Stärke zwischen 10 bis 25 cm (vier bis zehn Zoll) sind und zahlreiche große Schweißstellen enthalten.

Die Abbildungen der Restspannungen um die geschweißten Gebiete der Druckgefäße werden zur Untersuchung auf Brüche und zum Abbau von Spannungen nach Ausführung der Schweißarbeiten genutzt.

In einem Anwendungsfall der bevorzugten Ausführungsform wurden Anomalien der Ausbreitungsgeschwindigkeit bis herunter

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zu 0,2# abgebildet, und es wird vertreten, daß Anomalien bis zu O,O5$6 erfaßbar sind. Diese Größenordnung der Empfindlichkeit gestattet, Spannungsanomalien bis herunter zu 26 kg/cm² cm"¹ (1OOO PSI/Zoll) bei Stahl abzubilden.

Fig. 7 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die zum Einsatz gelangen kann, wenn beide Oberflächen des zu untersuchenden Objektes 26 zugänglich sind. Zwei Unterbaugruppen mit Wandlerelementen werden eingesetzt, eine Unterbaugruppe 31 wirkt als die als Strahlungsquelle dienende Wandleranordnung, und die andere Unterbaugruppe 32 als die empfangende Wandleranordnung. Der Einsatz von zwei Unterbaugruppen findet seine Anwendung bei sehr dicken Werkstoffen und bei solchen Werkstoffen, die dazu neigen, die akustische Wellenausbreitung zu dämpfen. Die Ausführungsform nach Fig. 7 weist auch den Vorteil auf, daß die Länge der für die Erzielung hinreichender Meßergebnisse erforderliche Wandleranordnung eingeschränkt werden kann. Das bedeutet, daß bei Verwendung des Reflexionsmodus nach Fig. 3 eine einzelne Wandleranordnung verwendet werden muß, die ebenso lang sein muß wie die beiden miteinander kombinierten Unterbaugruppen 31, nach Fig. 7. In beiden Fällen erfassen die Wandleranordnungen Meßwerte über einen Erfassungssektor von +4-5°. Die Arbeitsweise und die Rekonstruktion mit den beiden Wandler anordnungen ähnelt dem in den obigen Abschnitten beschriebenen Verfahren.

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- 2fr -

Es ist zu berücksichtigen, daß es zu untersuchende Objekte mit einer Bodenfläche gibt, die nicht hinreichend glatt ist, um als guter Reflektor zu wirken, wenn die Meßeinrichtung nach der Erfindung im Reflexionsmodus arbeitet, wie es in Pig. 3 veranschaulicht ist. In diesem Pail wird ein glattwandiger Reflektor 34- nach Pig. 8 hinter der Oberfläche eingeführt und durch ein Medium bei 35 zur Anpassung der akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit auf das zu untersuchende Objekt gekoppelt. Wenn die akustische Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Kopplungsmedium nicht genau gleich der Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem zu untersuchenden Objekt ist, so erscheint das Gebiet zwischen dem Reflektor 34· und dem zu untersuchenden Objekt als Geschwindigkeitsanomalie bei der Rekonstruktion. Diese Anomalie ist von vorbekannter Größe und vorbekannter Position und kann somit außer acht gelassen werden.

Bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform werden die Wandlerelemente 6 auf das zu untersuchende Objekt 26 durch eine Vielzahl kegelförmiger Koppelelemente 7 gekoppelt. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt ebenfalls, daß andere Kopplungsmittel verwendet werden können. So können die tfandlerelemente 6 mit einer akustischen Linse jeweils verbunden sein, die die akustischen Wellen durch eine Kopplungskammer mit wassergefülltem Zwischenraum hindurch und auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes fokussiert. Somit kann jedes beliebige Mittel zur Einführung

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von sich sphärisch ausbreitenden akustischen Wellen in das zu untersuchende Objekt hinein, von einem definierbaren Punkte aus und entlang einer definierbaren Ausbreitungsrichtung herangezogen werden.

Die Erfindung kann ebenfalls bei gekrümmten Oberflächen, wie beispielsweise Rohren und zylindrischen Druckgefäßen angewendet werden. U_nter Bezugnahme auf Fig. 9 ist die Vorrichtung zur Halterung der Wandlerelemente hinreichend biegsam ausgeführt, so daß sie sich an eine gekrümmte Oberfläche 25' anlegt. Bei der Berechnung der Geschwindigkeitsänderung gleicht der Rechner die gekrümmte Form dadurch aus, daß die von der als Strahlungsquelle wirkenden Wandleranordnung erhaltenen Daten verwendet werden, wie es eingangs in der Beschreibung erläutert worden ist.

Wenn auch die in Fig. 2 veranschaulichte Meßeinrichtung nur die Laufzeit mißt, so kann auch die Dämpfung der akustischen Wellen an jedem Ausbreitungsweg entlang gemessen werden. Eine Amplitudenmeßeinrichtung, wie beispielsweise ein Digital voltmeter, kann an den Ausgang der Signalaufbereitungsschaltung 13 nach Fig. 2 gelegt werden, so daß die Dämpfung ebenso wie die Laufzeit von der Einrichtung aufgezeichnet werden kann. Diese Meßwerte gestatten, sofern sie an den Rechner 22 abgegeben werden, die Rekonstruktion der Abbildungen, sowohl von der akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit,

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als auch der akustischen Dämpfung.

Somit folgt, daß, wenn auch die besten zur Ausführung der Erfindung in betracht gezogenen Ausgestaltungen oben gezeigt und beschrieben worden sind, Modifikationen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne sich dabei von dem zu entfernen, was als Erfindungsgegenstand angesehen wird.

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Claims

Patentansprüche
1.1 Ultraschall-Meßeinrichtung zur Messung von Spannungsanhäufungen in einem zu untersuchenden Objekt, dadurch gekennzeichnet, daß sie die folgenden Bestandteile aufweist:

(a) eine Ultraschall-Wandleranordnung (5»5'»31»32), um akustische Wellen in dem zu untersuchenden Objekt (26;26^!) entlang einer Vielzahl von vorbestimmbaren Ausbreitungsrichtungen und von einer Vielzahl von vorbestimmbaren Positionen ausgehend zur Ausbreitung zu bringen;

(b) eine Schaltung (14-) zur Messung der Laufzeit der akustischen Wellen innerhalb des zu untersuchenden Objekts (26;26'), in vorbestimmbaren Richtungen und von vorbestimmbaren Positionen ausgehend; und

(c) eine Schaltung (15) zur Speicherung der genannten Laufzeitmeßwerte für die nachfolgende Weiterverarbeitung zu einer Abbildung von Spannungsanhäufungen in dem zu untersuchenden Objekt (26; 26¹).

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2. Ultraschall-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Schaltung (22) zur Bestimmung irgendwelcher Änderungen in der akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb des zu untersuchenden Objektes (26; 26') aus den genannten Laufzeitmeßwerten einschließt, sowie zur Umwandlung dieser Geschwindigkeitsänderungen in eine Abbildung der Spannungsanhäufungen in dem zu untersuchenden Objekt (26; 26').
3. Ultraschall-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (14-) zur Messung eine Schaltung zur Messung der Amplituden der akustischen Wellen innerhalb des zu untersuchenden Objekts (26;26') an den vorbestimmbaren Ausbreitungsrichtungen entlang und von den vorbestimmbaren Positionen ausgehend einschließt, und daß die Meßeinrichtung eine Schaltung zur Bestimmung jeglicher Änderungen der Dämpfung der akustischen Wellen in dem zu untersuchenden Objekt (26; 26') aus den Amplitudenmeßwerten, sowie zur Umwandlung dieser Änderungen in eine Abbildung des Dämpfungsverlaufs des zu untersuchenden Objekts (26; 26') einschließt.
4-. Ultraschall-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Wandleranordnung die folgenden Bestandteile aufweist:

(a) eine Vielzahl von Ultraschall-Wandlerelementen (6) ;

(b) eine Vielzahl von sich verjüngenden, akustischen

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Wellenkoppelelementen (7), von denen ein jedes an einem entsprechenden Ultraschall-Wandlerelement (6) zur Ausbreitung akustischer Wellen befestigt istj und Cc) Mittel (8) zur Ausrichtung der sich verjüngenden Koppelelemente (7) auf einem zu untersuchenden Objekt (26;26*) mit einem vorbestimmten Abstand untereinander, derart, daß die Positionen und die Richtungen, unter denen sich akustische Wellen in dem zu untersuchenden Objekt (26;26') ausbreiten, genau definierbar sind.
5» Ultraschall-Meßeinrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente (7) gerade, kreisförmige Kegel sind, und daß jedes Koppelelement (7) mit einer schmalen Spitze endet, die zu einer punktförmigen Berührung des zu untersuchenden Objekts (26; 26') ausgelegt ist.
6. Ultraschall-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die Ultraschall-Wandleranordnung die folgenden Bestandteile aufweist:

(a) eine Vielzahl von Ultraschall-Wandlerelementen (6);

(b) eine Vielzahl von als Linsen zur Fokussierung von akustischen Wellen ausgeführten Koppelelementen j und

(c) Mittel zur Positionierung der Ultraschall-Wandlerelemente (6) und der Koppelelemente (7) in bezug auf das zu untersuchende Objekt (26j 26'), derart, daß sich sphärisch ausbreitende akustische Wellen

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mit Vorbestimmbaren Ausbreitungsrichtungen und mit vorbestimmbaren Ausgangspunkten in das zu untersuchende Objekt (26;26^r) eingebracht werden.
7. Ultraschall-Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da3 in der genannten Schaltung (22) zur Bestimmung der Änderungen der akustischen Ausbreitungsgeschwjindigkeit aus den Laufzeitmeßwerten eine Einteilung des zu untersuchenden Objektes (26;26') in eine Vielzahl von Zellen Cj) vornimmt, zur Lösung des folgenden Gleichungssystems für die akustische Ausbreitungsgeschwindigkeit (V.) innerhalb jeder Zelle:

darin sind ferner:

T. - die Gesamtlaufzeit entlang des Strahles (i); ν_ω - die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Kopplungsmediumj L - die gesamte geometrische Weglänge;

L. .- die Weglänge des Strahls (i) in der Zelle (j).
8. Ultraschall-Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (22) zur Umwandlung der Geschwindigkeitsänderungen in eine Abbildung der Spannungsanhäufungen die folgenden Gleichungen löst:

(2)

po V£p = λ + 2μ - ^i_{7x + 1Ομ} + ₆£ + 4m

\ J

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po Vsp² = μ - ^ (sx + 6μ + 3m - -3 J (3)

po VJIx² » λ + 2μ + ^ I i±H. Ux + ΙΟμ + 4mJ +λ + 22,1 (^) po VAX² = λ + 2μ - ^₅ U^ (λ+ 2μ + my - 2Ä (5)

po VSX² = μ + 3^ (^{4λ + 4μ}

po Vsy² = μ+3ΐ^

_Ρο VSZ² = μ - 3^ (2λ - äi + J + ^

darin sind:

ξ>ο - die Dichte des nicht beanspruchten Materials; V. - die Ultraschall-Ausbreitungsgeschwindigkeit; Ά,\u> - die Lameschen Elastizitätskonstanten zweiter

Ordnung;
l.m,n - die Murnaghanschen Elastizitätskonstanten

dritter Ordnung;
P - der hydrostatische Druck;
! - die nicht in der jeweiligen Achsenrichtung wirkende Spannung;

Ko = 1/3(3^+ 2/i-) - der Elastizitätsmodul unter Druckbeanspruchung; und

der erste Index 1 bezieht sich auf die longitudinale Welle; der erste Index ε bezieht sich auf die Scherwelle; der zweite Index ρ bezieht sich auf den hydrostatischen Druck;

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der zweite Index x, y oder ζ bezieht sich jeweils auf die nicht in Richtung der x-, y- oder z-Achse als Bezugsachse wirkende Spannung.
9. Verfahren zur Ultraschallmessung von Spannungsanhäufungen in einem zu untersuchenden Objekt, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

(a) die Herbeiführung der Ausbreitung akustischer Wellen in einem zu untersuchenden Objekt, entlang einer Vielzahl von vorbestimrabaren Richtungen und ausgehend von einer Vielzahl von vorbestimmbaren Positionen;

(b) die Messung der Laufzeit der akustischen Wellen innerhalb des zu untersuchenden Objektes, entlang den vorbestimmbaren Richtungen und ausgehend von den vorbestimmbaren Positionen;

(c) die Bestimmung irgendwelcher Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen innerhalb des zu untersuchenden Objekts aus den genannten Laufzeitmessungen;

(d) die Umwandlung der genannten Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit in eine Abbildung der Spannungsanhaufungen des zu untersuchenden Objekts.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (c) der Bestimmung der Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit die mathematische Unterteilung des zu untersuchenden Objektes in eine Vielzahl von Zellen und die Rekonstruktion der akustischen Wellenausbreitung

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in Jeder Zelle gemäß der folgenden Gleichung umfaßt:

- Σ

darin ist:

T. - die Gesamtlaufzeit entlang des Strahles (i)j

V. - die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Zelle (j)j 0

V - die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Kopplungsmedium} L - die geometrische Gesamtlänge des Weges; L..- die Weglänge des Strahls (i) in der Zelle (j).

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