DE3245952C2

DE3245952C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Tiefenausgleichs bei der Ultraschallprüfung

Info

Publication number: DE3245952C2
Application number: DE19823245952
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Phys.Dr. 5042 Erfstadt Opara
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1982-12-11
Filing date: 1982-12-11
Publication date: 1984-10-04
Also published as: GB2131548B; GB8331728D0; GB2131548A; DE3245952A1; JPS59119261A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung des Tiefcnausgleichs bei der Ultraschallprüfung, bei dem die von dem Prüfkopf empfangenen Ultraschallsignale mit Hilfe eines regelbaren Empfangs-Verstärkers verstärkt werden, bei dem die Verstärkung in Abhängigkeit eines zeitabhängigen Stellsignals (Tiefenausgleichssignals) geändert wird, bei dem das Tiefenausgleichssignal aus mindestens drei, in logarithmischer Form vorgegebenen Tcilsigmilen durch Addition zusammengesetzt wird, bei dem das crslc Teilsignal aus den in digitaler Form in einem ersten Festwertspeicher abgelegten .11'6-VVerten (,-I = auf die Nahfeldlänge bezogener Abstand eines Ersatzreflcklors von dem l'riifkopf. V- Verstärkung in Dezibel. G = Durchmesser eines kreisscheibenförmigen Ersatzreflektors) abgeleitet wird und bei dem das /weite Tcilsignal die Schallschwächung ties /Li prüfenden Materials heriicksichtim. Die F.rfinduni!

bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren und Vorrichtungen der oben erwähnten An sind beispielsweise aus der DE-OS 2623 522 bekannt.

Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist. daß die für den Tiefenausgleich verwendete Ausgleichsfunktion, die die schallfeldabhängigen Divergenzverluste des jeweiligen Prüfkopfes kompensieren soll, nur für kreisscheibenähnliche — also für flächenförmige Fehler —

in gültig ist. Räumliche Materialfehler, bei denen eine mit Hilfe von Zylinderbohrungen bestimmte Ausgleichsfunktion erforderlich wäre, können daher mit dem bekannten Verfahren nicht kompensiert werden (zur Klassifizierung von Reflektoren bei der Ultraschallprüfung vg!. z.B. »Materialprüfung 20: Nr. 2: Februar 1978: Seiten 68-72).

An sich wäre es denkbar, daß man in der Uhraschallvorrichtung Ausgleichskurven für unterschiedliche Fehlerarten in mehreren Festwertspeichern abspeichert und

2» dann etwa durch Tastendruck je nach Fehleran die entsprechenden Tiefeiiäüsg'cichssigna'e dem Empfangsverstärker zuführt. Eine derartige Alternative würde allerdings einen relativ hohen Schaltungsaufwand erfordern, da je nach Anzahl der zu untersuchenden unterschied-

ϊϊ liehen Fehleninen eine entsprechende Anzahl von Festwertspeichern erforderlich wäre. Die entsprechenden Geräte würden daher auOerordentlich teuer werden.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art so

•ii weiterzuentwickeln. daß es auf einfache und kostengünstige Weise möglich wird. Tiefenausgleichssignale zu erzeugen, mit denen auch dann eine richtige Korrektur der empfangenen Ultraschallsignale möglich ist. wenn es sich um räumliche Fehlerunen handelt und wenn sich die Schallfeldform ändert (beispielsweise bei Verwendung stark fokussierender Prüfköpfe anstatt normal fokussierender Prüfköpfe).

Diese Aufgabe wird crfindunasgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs I gelö-.'.. Eineerfindungs-

4Ii gemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 offenbart.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden anhand von Figuren beschriebenen Alisführungsbeispiel:

Es zeigt:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Ultraschallvorrichtung, in der ein erfindungsgemäßer Tiefenausgleichs-5d generator integriert ist:

Fig. 2 Darstellungen einiger mit der erfindungsgemilßen Schaltungsvorrichtung erzeugten Tiefenausgleichssignale:

Fig. 3 eine an sich bekannte Schaltung, die in der Schaliungsvorrichtung nach Fig. I zur Multiplikation eines Signales mit einem einstellbaren Faktor verwendet wird; und

Fig. 4 die Vorderansicht eines Ultraschallgerätes, in dem ein erfindungsgemäßer Tiefenausgleichsgenerator ftn integriert ist.

In Fig. I ist mit 1 ein Triggergenerator, mit 2 ein Sendeimpulsgenerator. mit 3 ein Uhraschallprüfkopf. mit 4 ein Empfangsverstärker und mit 5 eine Kathodenstrahlröhre, auf der die empfangenen Echosignale darft« gestellt werden sollen, bezeichnet. Die Zeitablenkung der Kathodenstrahlröhre erfolgt in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Sägezahngeneralors 6. der ebenfalls mit dem Tricucrucncratnr 1 verbunden ist. Dor Prüf-

kopf 3 ist auf einem zu prüfenden Werkstück 7 angeordnet, in dem sich Fehler 8 befinden.

Der Empfangsverstärker 4 ist über eine Leitung 9 mit dem erfindungsgemäßen Tiefenausgleichsgenerator 10 verbunden. Dieser Generator 10 enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 101 und einen mit dem VCO verbundenen Digitalzähler 102 (im folgenden auch als Adressen-Zähler Dezeichnet). Die Ausgänge des Zählers 102 sind jeweils mit den Adresseneingängen zweier programmierbarer Festwertspeicher (PROM) 103 und 104 verbunden, deren Ausgänge jeweils ein A₁ ¹D-Wandler 105 bzw. 106 nachgeschaltet ist. Der Ausgang des £)///-Wandlers 105 ist direkt mit einem ersten Eingang einer Addierstufe 508 verbunden. Während dem Ausgang des Dvf-Wandlers 106 ein Einstellglied 107 und diesem Einstellglied die Addierstufe 108 nachgeschaltet ist. An einem dritten Eingang der Addierstufe 108 lieg; ein an sich bekannter Rampengenerator 109, der Signale zur Korrektur der Schallschwächung des zu prüfenden Materials erzeugt. Die jeweilige Schallschwächung wird dabei mit Hilfe eines schematise!¹, angedeuteten Potentiometers 110 eingestellt.

Sowohl der VCO 101 und der Adressen-Zähler 102 als auch der Rampengenerator 109 sind über eine Leitung 11 mit dem Triggergenerator 1 verbunden.

Die die Frequenz des VCO 101 bestimmende Eingangsspannung setzt sich aus drei Teilspannungen zusammen, wobei zwei Teilspanniingen mit Hilfe der Potentiometer 111 und 112 eingestellt werden und die dritte Teilspannung über eine Leitung 12 von dem Enipfangsverstärker 4 an einen Eingang des VCO 101 gelangt. Dabei ist der von dem Empfangsverstärker 4 erzeugte Spannungswert proportional zu der Mittenfrequenz des jeweils verwendeten Prüfkopfes 3. In an sich bekannter Weise erfolgt die entsprechende Frequenzeinstellung mit Hilfe eines Schalters, mit dem entsprechende Bandfilter — je nach verwendeten Prüfkopf — dem eigentlichen Hauptverstärker nach- oder vorgeschaltet werden (nicht dargestellt in Fig. 1).

Mit dem Potentiometer 111 wird ein zum Durchmesser D des jeweils in dem Prüfkopf 3 verwendeten, piezoelektrischen Schwingers proportionaler.Spannungswert eingestellt: während mit dem Potentiometer 112 ein zur Schallgeschwindigkeit C des zu prüfenden Werkstückes proportionaler Spaiinungswert eingestellt wird.

Im folgenden wird näher auf die i'iinktionsweise der Schalti'ngsvorrichtiing eingegangen:

Die von dem Triggergen:rator 1 periodisch erzeugten Impulse veranlassen den Sendeimpulsgcnerator 2 zur Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Senilcimpulses. Dieser Impuls regt den L'ltr;^j.schallpriifkopf 3 ;m. der seinerseits einen entsprechenden Lltraschallimpuls erzeugt, welcher in das zu prüfende Werkstück 7 gelangt und \ on dem Fehler 8 reflektiert wird. Der Ultrascliall-Echoimpiils wird von dem Prüfkopf 3 empfangen, in einen entsprechenden elektrischen Impuls umgewandelt, über den Empfangsverstärker 4 der Kathodenstrahlröhre 5 zugeführt und »i:f deren Bildschirm 14 (Fig. 4) dargestellt. Damit das Echosignal zeitrichtig auf dem Bildschirm erscheint, wird der Sägezahngenerator 6 ebenfalls durch den Triggergenerator 1 getriggert.

I'm sowohl die durch den räumlichen Verlauf des Sehallfeldes des Prüfkopfs 3 als auch tue durch die Absorption und Streuung des zu prüfenden Materials 7 bedingte Beeinflussung der gemessenen Echosignal-Amplituden zu kompensieren wird dem Verstärker 4 über die l.cituui: 9 ein Ticlcnausiilcichssiunal zimefühn. Da es sich bei dem Tiefenausgleichssigna! üblicherweise um den funktioneilen Verlauf von logarithmischen Signalwerten (angegeben in Dezibel (dB) = 20xlg {UUo): wobei Uo eine Bezugsspannung bedeutet) als Funktion der Zeit handelt, können diese Signale in an sich bekannter Weise additiv aus zwei Teilsignalen zusammengesetzt werden. Das erste Teilsignal berücksichtigt die Absorptions- und Streuiveriuste des Materials 7 und wird beispielsweise in an sich bekannter Weise durch einen

ι Rampengenerator 109 mit linear abfallendem Spannungsverlauf erzeugt. !Dabei wird der jeweilige Schwächungskoeffizient durch das Potentiometer 110 eingestellt.

Das zweite Teilsignal charakterisiert die durch den Prüfkopf 3 erzeugte räumliche Schallfeldverteilung. Wie bereits aus der oben erwähnten DE-OS 26 23 522 bekannt ist. kann dieses Teilsianal mit Hilfe von berechneten oder gemessenen A I'G-Kennlinienwerten für kreisscheibenformige Reflektoren gewonnen werden. Hierzu werden die in einem Festwertspeicb. 103 gespeicherten dB-Wcrtc zeitrichtig ausgelesen ΐιιϊύ ü'ncr einen DjA-Wandler 105 in Form entsprechender Spannungsvverte der Summierstufe 108 zugeführt.

In Fig. 2 sind beispielsweise einige .-/!-'(/-Kennlinien dargestellt. Mit Ao ist die .-U'(7-Kennlinie für einen Kreisscheibenrefiektor nnit einem Durchmesser von 2 mm bezeichnet. Die mit A v. gekennzeichnete Kennlinie entspricht der Kennlinie für einen unbegrenzten ebenen Reflektor (die mit A_x , und .-1 _, bezeichneten Funktionen werden weiter unten beschrieben). Auf der vertikalen Achse des Diagramms sind die Verstärkungswerte in Dezibel und auf der horizontalen Achse (mit logarithmischer Einteilung) die auf die Nahfeldiänge ,V des Prüfkopfes 3 bezogenen Abstände α von diesem Prüfkopf aufgetragen.

Gegenüber der aus der DE-OS 26 23 522 bekannten Schaltung weist der erfindungsgemäße Tiefenausgleichsgenerator 10 (Fig. I) einen zusätzlichen aus der' Festwertspeicher 104. dem /.) -(-Wandler !06 und dem Einstellglied 107 bestehenden Schaltungszweig auf. Dabei sine: in dem Festwertspeicher 104 jeweils die Differenzwerte zwischen den jeweiligen .-(I G-Werten {An) für kreisscheibcnförniigc Ersatzreflcktortn und den entsprechenden Werten (.-/,) für den unbegrenzt ebenen Reflektor abgespeichert. Mit dem Einstellglied 107 kann der sich am Ausgang des D .-/-Wandlers 106 ergebende Spannungswert L in einen Wert k χ L' mit -IgAS +1 transformiert werden. Die Auswirkung der Wahl des Faktors k auf das Tiefenausgleichsignal wird weiter unten noch näher erläutert.

Die zeitrichtige Adressierung des Festwertspeichers erfolgt in it Hilfe des Adressen-Zählers 102. Dazu gelangt i-.in St 'Vtsignal über die Leitung 11 vom Triggergenerator 1 an den Freigabeeingan« des Zählers 102 und an den entsprechenden Eii.^ang des VCO 101. Die richtige Arbeitsfrequen/ des VCO /\_(l) ist umgekehrt proportional zu .Y c. wobei .Y die Nahfeldlänge des benutzten Prüfkopfes 3 und <■ die Schallgeschwindigkeit des zu

prüfenden Wertstückes bedeutet. Mit .Y= , wobei

D der Durchmesser des piezoelektrischen Schwingers und //) die Frequenz des verwendeten Piüfkopfes bedeuten, eraibt sich daher:

/\c„ = const

liei Verwendung eines neuen Prüfk.>pfes wird daher P mit dem Potentiometer 111 und Ip an dem Hmpfatiüs- \erstärker 4 neu eingestellt.

Im folgenden soll anhand son I-ig. 2 die Wirkungsweise des zusätzlichen, aus dem Festwertspeicher 104. dem D .(-Wandler 106 und dem Hinstellglied 107 begehenden Sehahungszweiges des Tiefenausgleiehsgenerators 10 näher beschrieben werden. Dabei wird der Einfachheit halber angenommen, dal! sich das Tieleiiausgleichssignal Λ.' I, nur aus den von dem Festwertspeicher 103 und \on dem Festwertspeicher 104 stammenden Signalen Ii; Ao und /».I, li>Ao zusammensetzt. An dem Ausgang der Addierstufe 108 liegt also ganz allgemein ein Sinnal:

l, -■- Ii-Ao - k\k- I ι -

wobei In wieder die Frsatzreflektor-Kennlinienweric für

N icisst.ucMH.-niiM'niiut: ι i"s,ii/rüi ιΟΪνϊΰΓΟΊ ΓΓιίί CiTiCm

Durchmesser \on 2 mm und I / die Kennlinienwerte für einen unbegren/ten ebenen Reflektor bedeuten.

Wird nun beispielsweise mit dem Hinstellglied 107 k --1) gewählt, so foliil aus (jl. '. I)

d.h.. mit diesem Ticfenausgleichssignal werden, wie in herkömmlicher Weise, kreisseheibenlormige Fehler korngiert. Derartige \ ehler zeichnen sich dadurch aus. daß mc im Fernfeld einen Verlauf aufweisen, der mit dem Uuadrat des Abstandes abnimmt, so daß die Tiefenausgleichsl'unktion -to einen Verlauf proportional zu </~ auI«eisen muH ι Au ^u~).

Wird mm mit dem Hinstellglied 107 k■ - +■ 1 gewählt, sii folgt aus CiI. (1 )

Λ,',1, ----IzA₁

In diesem hall werden also Fehler verhältnismäßig gut korrigiert, deren Abmessungen groß gegenüber den Abmessungen des Schallstrahlquerschnittes sind. Für derartige Fehler ergibt sich im Fernfeld eine Intensitätsabnahme. proportional zu a '. so daß die Tiefenausgleichsfunktion einen zu α proportionalen Verlauf aufweisen muß (.-) , ^a)

Wählt man beispielsweise k = - -, . so folgt aus Gl. (1) Wählt man schließlich A --- 1. so folm aus Gl. (I) /χA₁ Hf-Ao -IaA, [})

mit einer derartigen ι unktion kann man eine Schallfekherteihing kompensieren, die im I ernleld einen Verlauf aufweist, der Proportional zu , ist. Denn durch Hinsetzen von Ao ---ir und I , ^u f(>lgt aus Gl. (3)

Aj= ^ [IzAo-IzA , )

Dieses entspricht dem Verlauf einer Tiefenausgleichsfunktion für 7.>linderförmige Fehler. Denn berücksichtigt man. daß A . ^u und Ao -u^: ist. so ergibt sich aus GI. (2)

Fig. 3 zeigt eine für sich bekannte Schaltung 107 zur Multiplikation der an dem Ausaana des /) .!-Wandler; 506 sich ergebender: F::"k::;::;svver:ü :;;:: dem Faktor ρ k. Sie besteht im wesentlichen aus einem Operationsverstärker 1070 und drei Widerständen 1071. 1072 und 1074. Die Widerstände 1071 und 1074 besitzen den gleichen Wert.

Steht der Abgriff 1073 des Potentiometers 1072 am linken Anschlag, so arbeite! der Operationsverstärker 1070 als invertierender Verstärker mit der Verstärkung von - I. Für den Fall, daß der Abgriff 1073 am rechten Anschlag ,eht. so liegt die volle Hingangsspannung am /"-Eingang des Verstärkers. Der Spannungsabfall an dem Widerstand 1071 wird Null und die Schaltung arbeite; als nicht-invertierender Verstärkung mit der Verstärkung von + I.

In Fig. 4 ist die Vorderansicht eines Ultraschallprüfgerätes 13 dargestellt, das über ein Kabel 16 mit dem Prüfkopf 3 verbunden ist. Das Ultraschallgerät 13 selbst weist im wesentlichen einen Bildschirm 14 und eine Finschubeinheit 15 auf. die den Tiefenausgleichsgenerator 10 (Fig. I) enthält. Auf der Vorderseite der Einschubeinheit befinden sich der Knopf 151 für das Potentiometer 111 zur Einstellung des Schvvingerdurchmessers D. der Knopf 152 für das Potentiometer 110 zur Einstellung der Schallschwächling und der Knopf 153 für das Potentiometer 1072 des Einstellgliedes 107. Mit Ausnahme der Knöpfe 17 und 18 zur Einstellung der Schallgeschwindigkeit c und der Prüfkopffrequenz //> sind die weiteren Einstellelemente die üblicherweise bei derartigen Geräten vorgesehen sind, weggelassen worden. Auf dem Bildschirm 14 sind drei Echosignale 140. 141 und 142 dargestellt, die den Testreflektoren 80. 81 und 82 in dem Werkstück 7 entsprechen. Ist die Tiefenausgleichsfunktion richtig gewählt, so müssen die Echosignale die gleichen Amplitudenhöhen aufweisen (gleiche Art von

testreflektoren vorausgesetzt).

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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was gerade dem funktioneilen Verlauf einer zur Messung von zylinderförmigen Fehlern erforderlichen Tiefenauspleichsfunktion entsDricht.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Durchführung des Tiefenausgleichs bei der Ultraschallprüfung, bei dem die von dem Prüfkopf empfangenen Ultraschallsisnale mit Hilfe eines regelbaren Empfangsverstärkers verstärkt werden, bei dem die Verstärkung in Abhängigkeit eines zeitabhängigen Stellsignals (Tiefenausgleichssignals) geändert wird, bei dem das Tiefenausgleichssignal aus mindestens drei, in logarithmischer Form vorgegebenen Teilsignalen durch Addition zusammengesetzt wird, bei dem das erste Teilsignal aus den in digitaler Form in einem ersten Festwertspeicher abgelegten .-I VG-Werten (A = auf die Nahfeldlänge bezogener Abstand eines Ersatzreflektors von dem Prüfkopf. V= Verstärkung in Dezibel. G —- Durchmesser eines kreisscheibenförmigen Ersatzreflektors) abgeleitet wird und bei dem das zweite Teilsignal di? Schallschwächung des zu prüfenden Materials berücksichtigt, dadurch gekennzeichnet.

daß das dritte Teilsignal aus den Differenzwerten zwischen den jeweiligen A K(J-Werten für kreisscheibenförmige Ersatzreflektoren und den entsprechenden Werten fir den unbegrenzt ebenen Reflektor zusammengesetzt wird, wobei die Differenzwerte in einem zweiten Festwertspeicher (104) in digitaler Form abgespeichert werden und

daß die Lifferenzwerte vor der Addition zum TiefenausgleichssigP'-tl mit Einern einstellbaren Faktor k. für den gilt: — 1 g A:g +1. multipliziert werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des ersten und dritten Teilsignals mit Hilfe einer analogen Addierstufe (108) erfolgt, wobei der erste Eingang der Addierstufe (108) über einen ersten D »-Wandler (105) mit dem ersten Festwertspeicher (103) und der zweite Eingang der Addierstufc(108) über ein zur Multiplikation des dritten Teilsignals mit dem Faktor A- vorgesehenes Einstellglied (107) und einem diesem Glied nachgeschalteten zweiten D .-!-Wandler (106) mit dem zweiten Festwertspeicher (104) verbunden ist.