DE3227521C2

DE3227521C2 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach dem Ultraschall-Impulsreflektionsverfahren

Info

Publication number: DE3227521C2
Application number: DE19823227521
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Phys. Dr. 5042 Erfstadt Opara
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1982-07-23
Filing date: 1982-07-23
Publication date: 1984-11-22
Also published as: DE3227521A1; GB2124378A; JPS5934148A; GB8319309D0; FR2530817A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach dem Ultraschall-Impulsechoverfahren, bei dem die Ankopplung der Ultraschallenergie über eine Flüssigkeitsstrecke vorgenommen wird. Die empfangenen Echos werden mit Hilfe eines regelbaren Verstärkers verstärkt, wobei die Verstärkung in Abhängigkeit eines die Schallfeldverteilung des jeweiligen Prüfkopfes berücksichtigenden Tiefenausgleichssignales geregelt wird. Die Synchronisierung der einzelnen Geräteeinheiten erfolgt durch das erste, von der Oberfläche des Werkstücks reflektierte Echosignal. Um den Einfluß der Koppelflüssigkeit auf die Schallfeldverteilung des Prüfkopfes in dem Werkstück zu berücksichtigen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß dem regelbaren Verstärker ab Empfang des ersten Oberflächenechos (14, 16) ein die Schallfeldverteilung des Prüfkopfes in dem zu prüfenden Werkstück berücksichtigendes Tiefenausgleichssignal A(t) zugeführt wird, dessen Anfangswert A(to) gleich dem Wert T(to) einer mit dem Sendeimpuls (13) beginnenden, die Schallfeldverteilung des Prüfkopfes in der Flüssigkeitsstrecke berücksichtigenden Tiefenausgleichsfunktion T(t) zum Zeitpunkt des Auftretens des Oberflächenechos (14, 16) ist.

Description

F i g. 2a und F i g. 3a je ein Echodiagramm gemäß einer Anordnung nach F i g. 1 mit unterschiedlichen Abständen zwischen Prüfkopf und zu prüfenden Material; und

F i g. 2b und 3b die zur F i g. 2a und 3a gehörenden Tiefenausgleichskurven gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 ist mit 1 eine Tauchtechnikwanne bezeichnet, die beispielsweise Wasser 2 als Koppelmedium enthält Auf dem Boden der Wanne 1 steht das zu prüf€ nde Werkstück 3, in dem sich beispielsweise Fehler 30 befinden. Gegenüber dem Werkstück 3 ist in der Wanne ein UltraschaUprüfkopf 4 angeordnet

Das eigentliche Ultraschallgerät besteht im wesentlichen aus einem Trigger 5, der den Sender 6 ansteuert Dieser Sender 6 ist seinerseits, wie auch der regelbare Verstärker 7, zur Verstärkung der empfangenen Echosignale mit dem Prüfkopf 4 verbunden. Die verstärkten Empfangssignale können auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre 8 dargestellt werden. Die Zeitablenkung für diese Kathodenstrahlröhre erfoigt mit Hilfe eines Sägezahngenerators 9.

Zusätzlich zu dem regelbaren Hauptverstärker 7 ist ein zweiter Verstärker 10 vorgesehen, der zur Verstärkung und Impulsformung des Oberflächenechos dient und dessen Ausgangssignale als Synchronsignale für den Sägezahngenerator 9, den Verstärker 7 und dem Tiefenausgleichs-Funktionsgenerator 11 dienen.

Der Tiefenkennlinienausgleichs-Funktionsgenerator besteht seinerseits aus einem D/A-Wandler 111, dessen Ausgang mit dem Steuereingang 72 des Hauptverstärkers 7 verbunden ist. Der Eingang des D/A-Wanders 111 ist mit dem die Tiefenkennlinie speichernden (programmierbaren) Festwertspeicher 112 verbunden, dessen Wert mit Hilfe eines regelbaren Taktgenerators 113 ausgelesen werden. Zur Einstellung der Taktfolge des Taktgenerators 113 ist dieser über einen elektronischen Schalter 114 mit zwei Codierschaltern 115 und 116 verbunden. Bei den Codierschaltern 115,116 handelt es sich beispielsweise um variable Widerstände, die mit einer Spannungsquelle 117 in Verbindung stehen.

Der elektronische Schalter 114 wird beispielsweise über einen Flip-Flop 118 angesteuert, wobei der Setz-Eingang S des Flip-Flops mit dem Trigger 5 und der Rücksetz-Eingang R mit dem Verstärker 10 verbunden sind.

Mit Hilfe der F i g. 2 und 3 wird im folgenden die Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 1 näher beschrieben:

Die von dem Trigger 5 periodisch erzeugten Impulse veranlassen den Sender 6 zur Erzeugung eines elektrischen Sendeimpulses, der seinerseits den Prüfkopf 4 zur Erzeugung entsprechender Schallimpulse anregt. Dieser Schallimpuls durchläuft zunächst die zwischen dem Prüfkopf 4 und dem Werkstück 3 befindliche Ankopplungsflüssigkeit 2. An der Oberfläche des Werkstückes 3 wird ein erster Teil der Ultraschallwelle reflektiert. Von der in das Werkstück 3 gelangenden Ultraschallwelle wird ein weiterer Teil an dem mit 30 bezeichneten Fehler reflektiert und gelangt zu dem Prüfkopf 4 zurück.

An den Eingängen der Empfänger 7 und 10 erhält man dann eine Echoimpulsfolge, wie sie schematisch in F i g. 2a und 3a dargestellt sind (der Unterschied zwischen den F i g. 2a und 3a besteht lediglich darin, daß die Abstände zwischen dem Prüfkopf 4 und dem Werkstück 3 verschieden sind). Zunächst gelangt der Sendeimpuls 13, der etwa zeitlich mit dem Triggerimpuls zusammenfällt und anschließenddasOberflächenechoHbzw.ieund das Fehlerecho 15 bzw. 17andie Verstärkereingänge.

Mit dem Eintreffen des Oberfläciienechos 14 bzw. 16 erzeugt der Verstärker 10 einen Impuls, der über die Leitung 12 sowohl an den Sägezahngenerator 9 als auch an einen ersten Steuereingang 71 des Verstärkers 7 gelangt und diesen Verstärker öffnet, so daß alle folgenden Impulse entsprechend der an dem Steuereingang 72 liegenden Tiefenausgleichssignale verstärkt und auf dem Bildschirm der Röhre 8 dargestellt werden.
Die an dem Eingang 72 des Verstärkers 7 liegende

ίο Tiefenausgleichssignale werden wie folgt erzeugt:

Der den Sender 6 anregende Triggerimpuls bewirkt mit Hilfe des Flip-Fiops 118 und des Schalters 114, daß der Taktgeber 113 mit dem Codierschalter 115 verbunden wird, in dem die Schallgeschwindigkeit der Koppelflüssigkeit (in der Rege! Wasser) eingestellt ist Am Ausgang des Taktgenerators 113 ergibt sich dann eine bestimmte Impulsfolge, deren Frequenz proportional zum Quadrat der eingegebenen Schallgeschwindigkeit ist
Entsprechend der nacheinander eintreffenden Takte des Taktgenerators 113 wird die in dem Festwertspeicher gespeicherten Tiefenkennlinienwerte nacheinander ausgelesen und liegen nach der D/A-Wandlung als analoge Werte an dem Verstärker 7.
Gelangt nun das Oberflächenecho 14 bzw. 16 an den Verstärker 10, so bewirkt das entsprechende Signal an dem Ausgang dieses Verstärkers ein Umschalten des Schalters 114 auf den Codierschalter 116, dessen Einstellung der Schallgeschwindigkeit des zu prüfenden Materials entspricht. Die Taktfrequenz des Taktgenerators 113 erhöht sich, da die Frequenz wiederum quadratisch proportional zur eingestellten Schallgeschwindigkeit des Materials ist und die Schallgeschwindigkeit des Materials größer als die Schallgeschwindigkeit der Ankopplungsflüssigkeit ist. Die Tiefenkennlinienausgleichswerte werden daher aus dem Festwertspeicher 112 entsprechend schneller ausgelesen und gelangen wiederum über den D/A-Wandler 111 an den Eingang 72 des Verstärkers 7.

Wird beispielsweise als Ankopplungsflüssigkeit Wasser (Ch2O = 1500m/sec) verwendet und als Taktfrequenz /«jo für den Fall, daß der Schalter 114 mit dem Codierschalter 115 verbunden ist 0,24 MHz gewählt, so muß die Taktfrequenz /5, für ein zu prüfendes Werkstück 3 aus Stahl (C_Sl = 5900m/sec)

/h₂o = 3,7 MHz

betragen.

In den F i g. 2b und 3b sind zwei Beispiele für den zeitlichen Verlauf der an den Verstärker 7 liegenden Tiefenausgleichsspannung dargestellt. Jeweils die Kurve / bzw. /' zeigt den funktionellen Verlauf der Tiefenkennlinien-Ausgleichskurve T(t) für die Ankopplungsflüssigkeit. Der mit II versehene Kurvenverlauf zeigt die Tiefenkennlinien-Ausgleichskurve A(t) für das zu prüfende Material. Der Anfangspunkt der Kurve A(t) fällt zum Zeitpunkt to, d. h. zum Zeitpunkt des Auftretens des Oberflächenechos 14 bzw. 16 mit der Kurve T(t) zusammen.

Die Ermittlung der in dem Festwertspeicher 112 gespeicherten Tiefenausgleichskurve kann wie an sich bekannt, entweder rechnerisch ermittelt oder mit Hilfe entsprechender Normreflektoren (Kreisscheibenreflektoren) gemessen werden. Dabei erhält man üblicherweise eine Funktion F(S), wobei Fdie gemesssene Echoamplitude und S der Abstand zwischen Prüfkopf und Normreflektor bedeutet. Bezieht man diese Kurve auf

die Nahfeldlänge N des jeweils verwendeten Prüfkopfes, wobei

Αλ 4c

D = Durchmesser des Schwingers des Prüfkopfes, C = die Schallgeschwindigkeit im Material und f die Frequenz des Prüf kopfes

bedeuten und berücksichtigt ferner, daß der Verstärker 7 nicht orts-sondern zeitabhängig gesteuert wird, so ergibt sich mit 5 = c ■ t

F (1.) = UV

Die Materialabhängigkeit geht bei der Tiefenausgleichsfunktion als proportional zum Quadrat der Schallgeschwindigkeit ein, so daß ein richtiger Tiefenausgleich bei einem Wechsel der Schallgeschwindigkeit diesen Faktor in der Zeitskala zu berücksichtigen hat.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

25

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Claims

1 2 men wird und bei dem die empfangenen Echosignale mit Patentansprüche: Hilfe eines regelbaren Verstärkers verstärkt werden, wobei der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit eines die

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprü- Schallfeldverteilung des jeweiligen Prüfkopfes berückfung nach dem Ultraschallimpulsreflektionsverfah- 5 sichtigenden Tiefenausgleichssignales geregelt wird, in ren, bei dem die Ankopplung der Ultraschallenergie dem aus einem Festwertspeicher entsprechende digitale über eine Flüssigkeitsstrecke vorgenommen wird Werte einer vorgegebenen Tiefenausgleichsfunktion und bei dem die empfangenen Echosignale mit Hilfe ausgelesen und über einen D/A-Wandler dem Verstäreines regelbaren Verstärkers verstärkt werden, wo- ker zugeführt werden.

bei der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit eines io Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichdie Schallfeldverteilung des jeweiligen Prüfkopfes tung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens,
berücksichtigenden Tiefenausgleichssignales gere- Verfahren und Vorrichtung der oben erwähnten Art gelt wird, in dem aus einem Festwertspeicher ent- sind an sich bekannt So wird beispielsweise in der DE-sprechende digitale Werte einer vorgegebenen Tie- OS 26 23 522 ein Verfahren zur zerstörungsfreien fenausgleichsfunktion ausgelesen und über einen D/ 15 Werkstoffprüfung beschrieben, bei dem der die Ultra-A-Wandler dem Verstärker zugeführt werden, d a - schallsignale verstärkende Hauptverstärker zeitabhändurch gekennzeichnet, daß zur zeitabhän- gig geregelt wird. Der funktionell Verlauf dieses Regigen Regelung des Verstärkungsfaktors dem Ver- gelsignales berücksichtigt sowohl die prüfkopftypische stärker (7) zunächst, beginnend mit dem Zeitpunkt Schallfeldverteilung als auch die durch das zu prüfende des Sendeimpulses ein die Schallfeldverteilung des 20 Werkstück verursachte Dämpfung des Ultraschallsigna-Prüfkopfes (4) in der Flüssigkeitsstrecke (2) berück- les. Nachteilig bei diesem Verfahren ist vor allem, daß Sichtigendes Tiefenausgleichssignal T(t) zugeführt das Regelsignal nicht die Wirkung des Koppelmediums wird, in dem die in dem Festwertspeicher (112) ge- auf die Schallfeldverteilung in dem zu prüfenden Matespeicherten und auf die Nahfeldlänge des jeweiligen rial berücksichtigt.

Prüfkopfes (4) bezogenen digitalen Werte der Tie- 25 Aus der DE-AS 11 57 412 ist bekannt, bei Tauchtechfenausgleichsfunktion mit einer zum Quadrat der nikanlagen, bei denen also der Prüfkopf und das zu prü-Schallgeschwindigkeit der Koppelflüssigkeit pro- fende Werkstück sich in einer mit Flüssigkeit gefüllten portionalen Frequenz ausgelesen werden und daß Wanne befinden, die Ultraschallvorrichtung nicht mit dann, ab Empfang des ersten Oberflächenechos (14, dem Sendeimpuls, sondern erst mit dem ersten des von 16) zum Zeitpunkt t = f₀ dem Verstärker (7) ein die 30 der Oberfläche des Prüfstücks reflektierten Echos zu Schallfeldverteilung des Prüfkopfes (4) in dem zu triggern. Auch in diesem Fall wird bei der Regelung des prüfenden Werkstück (3) berücksichtigendes Tiefen- Empfangsverstärkers die Wirkung der Vorlaufstrecke ausgleichssignal A(t) durch Auslesen der in dem auf die Schallfeldverteilung in dem zu prüfenden Mate-Festwertspeicher (112) gespeicherten weiteren digi- rial nicht berücksichtigt.

talen Werte der Tiefenausgleichsfunktion mit einer 35 Aus der DE-OS 29 04 708 ist es ferner bekannt bei

zum Quadrat der Schallgeschwindigkeit des zu prü- Ultraschallgeräten, bei denen die gemessenen analogen

fenden Werkstückes (3) proportionalen Frequenz Signale digitalisiert werden, den entsprechenden Paral-

zugeführt wird. lel-Analog/Digital-Wandler mit einer programmierba-

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ren Referenzspannungsquelle zu verbinden. Dadurch ist nach Anspruch 1, bei der der regelbare Verstärker 40 es möglich, die den einzelnen Komparatoren des Anadas Tiefenausgleichssignal von einem D/A-Wandler log/Digital-Wandlers zugeführten Schwellenwerte enterhält, dessen Eingang mit einem die Tiefenkennli- sprechend vorgegebener Übertragungsfunktionen zu nienfunktion enthaltenden Festwertspeicher ver- verändern und für vorgegebene Tiefenbereiche des zu bunden ist und bei der die gespeicherten Funktions- untersuchenden Objektes eine Verbesserung der Auflöwerte jeweils entsprechend den Takten eines mit 45 sung zu erreichen.

dem Festwertspeicher verbundenen Taktgenerators Eine Verwendung derartiger Geräte zur Durchfüh-

ausgelesen werden, dadurch gekennzeichnet, rung des Tiefenausgleiches der gemessenen Ultraschall

signale würden, im Verhältnis zu Geräten mit regelba-

— daß der Taktgenerator (113) hinsichtlich der er- rem Empfangsverstärker, zu relativ aufwendigen und zeugten Taktfolge steuerbar ist, 50 damit teuren Ultraschallgeräten führen. Denn zum ei-

— daß dem Taktgenerator (113) zur Steuerung der nen sind derartige Analog/Digital-Wandler selbst rela-Taktfrequenz, Einstellelemente (115, 116) mit tiv aufwendig und zum anderen wäre zur analogen Dardenen die Schallgeschwindigkeiten des zu prü- stellung der tiefenkorrigierten Signale zusätzlich ein Difenden Werkstückes (3) und der Ankoppelflüs- gital/Analog-Wandler erforderlich.

sigkeit (2) eingestellt werden, vorgeschaltet 55 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein

sind, wobei mit Hilfe eines Schalters (114) je- Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschrie-

weils nur eines der Einstellelemente (115, 116) benen Art so weiter zu entwickeln, daß bei dem die

mit dem Taktgenerator (113) verbunden ist; und Prüfkopf spezifische Schallfeldverteilung berücksichti-

— daß die Umschaltung des Schalters (114) durch genden Tiefenausgleich der Einfluß der Koppelflüssigden Sendeimpuls (13) und das Oberflächenecho 60 keit berücksichtigt wird.

(14,16) bewirkt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die

kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden anhand von Figuren erläu-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungs- 65 terten Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Es freien Werkstoffprüfung nach dem Ultraschallimpulsre- zeigt

flektionsverfahren, bei dem die Ankopplung der Ultra- F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß

schallenergie über eine Flüssigkeitsstrecke vorgenom- der Erfindung,