DE3322849A1

DE3322849A1 - Steuerung fuer ein akustisches pruefsystem

Info

Publication number: DE3322849A1
Application number: DE19833322849
Authority: DE
Inventors: Wayne L. Genter; Philip M. 15613 Apollo Pa. Kasprzyk; Frank 15068 Lower Burrell Pa. Pedatella
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1982-06-24
Filing date: 1983-06-24
Publication date: 1983-12-29
Also published as: FR2529342B1; US4470307A; DE3322849C2; FR2529342A1; JPS60233547A

Description

Steuerung für ein akustisches Prüfsystern

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die akustische Prüfung von Werkstücken und anderen Gegenständen, und insbesondere auf ein automatisiertes System, das eine parallele Beziehung zwischen einer Arbeitsfläche bzw. aktiven Fläche eines Schallwandlers und der ebenen Oberfläche eines Werkstückes aufrechterhält.

Bei der Anwendung von Schallenergie und Ultraschallenergie zum Prüfen eines Werkstückes auf Unregelmäßigkeiten, die brüchige Stellen und andere Fehler sein können, die in dem Werkstück vorkommen können, ist es wünschenswert, die Flä-

jg ehe des Wandlers, der die Schallenergie auf das Werkstück richtet, in einer parallelen Beziehung zu dem Werkstück zu halten. Auf diese Weise empfängt der Wandler einen maximalen Betrag an reflektierter Energie von dem Werkstück während des Prüfungsverfahrens. Der Empfang eines maximalen Signales von dem Werkstück während der Prüfung sichert ein richtiges Lesen bzw. Erfassen der _nneren Struktur sowie der Unbeschädigtheit des Werkstückes. Es kann angenommen werden, daß in dem Fall, in dem der Wandler und die zugeordnete Prüfungsschaltung nicht das bestmögliche Signal von dem Werkstück empfangen, die Ergebnisse der Prüfung darunter leiden.

In der US-PS 4 043 185, erteilt an Siebert, werden Ultraschall-Prüfköpfe parallel zu der Platte oder dem Elech gehalten, welches einem Prüfungsvorgang unterworfen ist, in dem die Prüfköpfe in körperlicher Weise auf und im körperlichen Kontakt mit dem Blech gebracht werden, wobei Polster, die eine niedrige Reibung aufweisen, in Kontakt mit dem Blech gebracht werden. Eine mechanische Drehverbindungsstruktur trägt die Prüfköpfe. Eine derartige Einrichtung hat gewisse Nachteile, die darin bestehen, daß die Lese-

-X-

- /ίο-

signale, die durch die Prüfköpfe geschaffen werden, durch ungleiche Oberflächenzustände des Bleches beeinflußt werden. In ähnlicher Weise könnte die Bewegung der Prüfköpfe

sowie der Verbindung nach einer gewissen Gebrauchszeit eine 5

Reibung an den Verbindungsgelenken verursachen, so daß sich wiederum irrtümliche oder fehlerhafte Lesesignale ergeben können. Weiterhin soll vorzugsweise ein Wasserweg zwischen den Prüfköpfen und der Oberfläche des Objektes, das einer

Prüfung unterworfen wird, vorgesehen sein und aufrechter-10

halten werden, wobei der Wasserweg einen Mechanismus zum Koppeln der Schallenergie auf das zu prüfende Objekt schafft, welcher nicht durch Oberflächenzustände des Werkstückes oder Objektes beeinflußt wird. Letzten Endes bringt

jeglicher körperlicher Kontakt mit dem Werkstück die Ge-15

fahr mit sich, daß die Oberfläche des Werkstücks verkratzt, anderweitig beschädigt oder markiert wird.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Einrichtung zum Aufrechterhalten einer parallelen Beziehung zwischen einem oder mehreren Wandlern und einem zu prüfenden Werkstück oder Objekt mit einer ebenen Oberfläche, während der Wandler von dem Werkstück derart beatstandet ist, daß ein Wasserweg oder ein Weg aus einer

₂_ anderen Flüssigkeit mit einer konstanten Länge zwischen dem Werkstück und dem Wandler vorgesehen ist. Dies wird durch Drehen des Wandlers um zwei gegenseitig senkrechte Achsen, die parallel zu der ebenen Oberfläche des Werkstückes sind, erreicht. Der Wandler wird in Reaktion auf

QQ die Größe eines Videosignals gedreht, welches das Ausgangssignal des Wandlers darstellt.

Insbesondere ist eine Schaltung vorgesehen, um das Ausgangssignal des Wandlers zu empfangen und zu verstärken, und um ein Videosignal für ein Oszilloskop zu schaffen, so daß das von dem Wandler empfangene Signal visuell beobachtet werden

kann. Das Videosignal hat die Form von einzelnen Spitzen oder Pulsen, die darüber hinaus integriert werden, um ein analoges Signal zu schaffen, das proportional zu der gesamten Energiemenge ist, die durch den Wandler von dem Werkstück empfangen wird. Der Betrag der reflektierten Energie und damit die Größe des integrierten Videosignales sind maximal, wenn die Arbeitsfläche des Wandlers und die ebene Oberfläche des Werkstückes im wesentlichen parallel zueinander sind. Eine digitale Computerschaltung ist

vorgesehen, die das analoge Signal in ein Signal mit digitaler Form umwandelt, und in Reaktion hierauf ein Signal ausgangsseitig erzeugt, das verwendet wird, um die winkelmäßige Lage des Wandlers bezüglich der ebenen Oberfläche des Werkstückes zu steuern. Der Computer hält die parallele Beziehung aufgrund des Empfanges des maximalen analogen Signales aufrecht, wenn der Wandler längs des Werkstückes bewegt wird, um beispielsweise dessen gesamte Struktur zu prüfen. Auf diese Weise sichert das System und Verfahren

eine parallele Beziehung zwischen dem Wandler und dem Werk-20

stück, wodurch wiederum eine vollständige und genaue überprüfung des Werkstückes sichergestellt ist.

Das obige System und Verfahren sind insbesondere bei der

Prüfung von Aluminiumplatten für die Flugzeugindustrie nütz-25

lieh. Die Flugzeugindustrie benötigt aus offensichtlichen Gründen für ihre Flugzeuge Platten mit hoher Qualität. Das System der vorliegenden Erfindung stellt sicher, daß das Prüfungsverfahren für die Platte genau, schnell und wirkungsvoll ist. Die Genauigkeit des Systems wird durch Verwendung eines Kalibrierungs-Verfahrens mit einem Standard-Testobjekt erzeugt, dessen Genauigkeit bekannt ist und durch Überprüfungen durch das National Bureau of Standards vorbestimmt ist. Bevor der Wandler und das System verwendet werden, wird der Wandler über das Testobjekt gebracht und die Verstärkung des Systemes eingestellt, damit das

-A'

Antwortsignal mit dem bekannten, vorbestimmten Antwortsignal des Testobjektes übereinstimmt.

Diese Einstellung kann in automatischer Weise durch einen zweiten Computer ausgeführt werden, wie z.B. durch einen Mikrocomputer, der für das Verfahren zum überprüfen der Platte auf Fehlstellen verwendet wird. In dem Computer ist der Wert des Antwortsignales des Testobjektes gespeichert. Der Computer vergleicht dieses Antwortsignal mit demjeni-

gen, das am Ausgangssignal des Wandlers und dessen zugeordneter Schaltung anliegt, wenn die Schallenergie auf das Testobjekt gerichtet wird, und stellt die Verstärkung der Schaltung ein, bis die beiden Antwortsignale übereinstimmen.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Video-Integrationsdarstellung, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

__ Fig. 2 jeweils eine Kette von aufeinanderfolgenden 2b

Videopulsen, und eine Kurve, die das Ergebnis der Integration und Summation der Flächen der Pulse darstellt;

gQ Fig. 3 eine schematische Darstellung des Prüfsystems

der Erfindung, bei dem das obige integrierte Videosignal 3owie die Laufzeit eines Signales im Wasserweg verwendet werden, um die Lage des Wandlers einzustellen, der in dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren verwendet wird;

und eine schematische Einrichtung zum automatischen Kalibrieren des Systems; und

f ♦ · · · ■ ; t ' I I *

Jir-

Fig. 4 eine Draufsicht auf vier Wandler, die

schematisch dargestellt sind, um eine Platte oder ein Blech zu prüfen, und um durch

Verwenden eines Testobjektes kalibriert zu 5

werden.

Bezugnehmend auf Fig. 1 der Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen schematiseh dargestellten Schallwandler, der elektrisch mit einer Puls-erzeugenden Schaltung und mit einem Radiofrequenzverstärker 14 verbunden ist. Die Puls-erzeugende und die verstärkende Schaltung gemäß der Erfindung sind elektrisch in bekannter Weise isoliert. Wenn das Bezugszeichen 10 zwei Wandler bezeichnet, die gleichzeitig mit Energie versorgt werden, kann als Puls-erzeugende 15

und verstärkende Anordnung diejenige Anordnung verwendet werden, die in der US-PS 333 706 vom 23· Dezember 1981 offenbart ist, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf diese Offenbarung beschränkt ist.

Der Ausgang des Verstärkers 14 ist an den Eingang eines Videoverstärkers 16 angeschlossen. Der Ausgang der Schaltung 16 ist mit einer Detektorschaltung 17 und daraufhin mit einer integrierenden Schaltung 18 über einen verändernd baren Widerstand 20 verbunden. Der Widerstand 20 wird verwendet, um die Verstärkung der Schaltung 16 einzustellen. Die Schaltungen 14, 16, 17 und 18 sind typische Hochfrequenzverstärker mit geeigneten Eingängen, Verstärkungssteuerungswiderständen und Rückkopplungselementen. Diese 3Q Teile sind in den Zeichnungen nicht dargestellt, um eine unnötige Komplikation der Zeichnung zu vermeiden. Die Verstärkungsschaltung 18 ist dagegen mit einem Rückkopplungskondensator 21 dargestellt, um eine integrierende Funktion, wie sie nachfolgend beschrieben wird, zu schaffen.

Das Ausgangssignal des Video-Integrators ist mit dem Eingang einer Schaltung 22 verbunden, die, wie nachfolgend de-

tailliert beschrieben wird, das integrierte Ausgangssignal der Schaltung 18 hält.

Die Verstärker 1M und 16, der Video-Integrator und die Abtast- und Halte-Geräte 18 und 22 gemäß Fig. 3 sind Teil eines Instrumentes. Eine Platte 24, die lediglich schematisch dargestellt ist, erzeugt u.a. eine horizontale und vertikale Ablenkung des Videosignales, so daß das Signal in sichtbarer Weise auf einer (nicht dargestellten) Kathodenstrahlröhre des Instrumentes beobachtet werden kann. Die Verstärkungssteuerung 20 ist ein Teil des Instrumentes und ist damit für eine Einstellung durch das Bedienungspersonal verfügbar.

Die Betriebsweise der Schaltungseinrichtung, die soweit beschrieben wurde, ist folgendermaßen: Eine Puls-erzeugende Schaltung 12 versorgt den Wandler 10 mit Energie, indem sie ihn mit sich wiederholenden Pulsen von elektrischer

Energie versorgt. Aufgrund der Pulse vibriert der Wandler 20

bei der Resonanzfrequenz des Wandlers, wobei diese Frequenz mit der Frequenz der Schall- bzw. Ultraschall-Energie übereinstimmt. Die Schallenergie wird von einer Arbeitsfläche des Wandlers abgestrahlt, wie sie z.B. mit dem Bezugszeichen 10a in der Fig. 1 bezeichnet ist.

Die Schallenergie, die von dem Wandler erzeugt wird, wird über eine Flüssigkeitsschicht 28, die aus Wasser bestehen kann, mit dem Werkstück 26 gekoppelt. Wenn die Energie die vordere oder obere Fläche des Werkstückes erreicht, wird ein zeitlich schmaler Puls an Schallenergie von der vorderen Fläche reflektiert und zurück gegen die Arbeitsfläche des Wandlers gerichtet. Dies geschieht, nachdem der elektrische Puls, der den Wandler mit Energie versorgt hat, abgeklungen ist. Der Wandler wandelt den Schallpuls,den er von der vorderen Oberfläche des Werkstückes empfängt, in

einen elektrischen Puls um. Dieser Puls wird durch eine geeignete Verstärkungseinrichtung verstärkt, welche im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 30 in Fig. 3 bezeichnet ist, und über einen Leitungs-Treiber 32, welcher die Signalstärke trotz jeglicher Verluste, die in den Verbindungsleitungen und derartigen Teilen auftreten, aufrechterhält» an den Verstärker 14 in dem Instrument 26 weitergeleitet. Die Strukturen der Schaltungen 30 und 14 bilden Verstärkungsstufen, die für die Zwecke der Videoerfassung und Integration, welche gerade erläutert werden, ausreichen. Der verstärkte Puls ist der erste Puls der mit dem Bezugszeichen A bezeichneten Pulsreihe, die als periodische Pulsreihe in Fig.2 dargestellt ist. Diese . kann auf einer (nicht dargestellten)

Kathodenstrahlröhre des Instrumentes 24 betrachtet werden. 15

Die auf das Werkstück 26 gerichtete Schallenergie durchdringt das Werkstück. Wenn die Energie die hintere bzw. untere Fläche des Teiles 26 erreicht, wird die Energie

durch das Werkstück und durch die Wasserschicht 28 zum Wand-20

ler zurückgerichtet. Der Wandler erzeugt wiederum ausgangsseitig einen Puls mit elektrischer Energie in Reaktion auf die von der hinteren Oberfläche des Teiles 24 reflektierte Energie, woraufhin der Puls wiederum verstärkt wird und der Schaltung 18 zugeführt wird. In der Fig. 2 ist dieser Puls durch die dritte Spitze in der mit A bezeichneten Pulsserie dargestellt.

Der erste und der dritte Puls gemäß Fig. 2 haben eine Amplitude, die größer ist als die Amplitude eines zweiten, mittleren Pulses. Dieser mittlere Puls ist in Fig. 2 dargestellt, um eine kleine Unregelmäßigkeit in dem Werkstück 26 anzuzeigen.

Auf den dritten Videopuls in der Fig. 2 folgen weitere Pulse, die bezüglich der Zeit in ihrer Amplitude abnehmen. Diese Pulse stellen wiederum die Energie dar, die von dem Wand-

ler 10 von der vorderen und hinteren Fläche des Werkstücks 26 empfangen wird, wobei die Schallenergie zwischen der vorderen und hinteren Fläche des Werkstückes hin- und herreflektiert wird, bevor die Energie das Werkstück verläßt 5

und am Wandler ankommt.

Neben dieser Kette von Videopulsen ist in der Fig. 2 eine Kurve B dargestellt, die das Ausgangesignal der integrierenden Schaltung 18 zeigt. Das Signal, das der integrierenden Schaltung 18 durch die verstärkende Schaltung 16 zugeführt wird, ist ein Videosignal mit einer zeitlichen Logik. Bei Verwendung dieser Signalform sowie der logischen Schaltung 18 wird die jeweilige Fläche eines jeden Pulses, weleher empfangen wird, berechnet, wobei die logische Schaltung 18 diese Fläche zu der Fläche des nächstfolgenden Pulses aufaddiert, um eine Funktion zu erreichen, die schrittweise auf einen maximalen Wert während einer Zeitdauer ansteigt, die durch die logische Schaltung 18 bestimmt ist.

2Q Diese Zeitdauer wird gewählt, um das Auftreten und den Empfang einer Anzahl von Videopulsen zu ermöglichen, die ausreicht, um das maximale Signal gemäß Fig. 2 zu schaffen. Die logische Schaltung 18 setzt sich daraufhin selbst auf Null, um einen'anderen Satz von Pulsen von dem Wandler zu empfangen. Kurz bevor die Schaltung 18 sich selbst auf Null zurücksetzt, überträgt sie allerdings den integrierten Wert an die Halteschaltung 22. Die Halteschaltung 22 ist im wesentlichen ein analoger Speicher, der den von der Schaltung 18 empfangenen Wert für eine zukünftige Verwendung in dem erfindungsgemäßen System in einer noch zu erklärenden Weise speichert.

Bei Systemen, die mehr als einen Wandler verwenden, kann ein analoger Speicher für jeden Wandler vorgesehen sein. In dem Fall, in dem zwei Wandler miteinander gekoppelt werden, ist lediglich ein analoger Speicher nötig, da bei rieh-

A-
-O-

tigern pegelmäßigen Einstellen des einen Wandlers der andere Wandler auch richtig pegelmäßig eingestellt sein wird. Der Inhalt jeder Halteschaltung kann dann die beiden Wandler darstellen und für eine Prüfung zur Verfugung stehen. 5

In dem Fall, in dem mehrere Wandler oder Wandlerpaare verwendet werden, kann eine Halteschaltung 22 für jeden Wandler oder für jedes Wandlerpaar vorgesehen sein. Die Halteschaltungen können ihre Eingangssignal«;! von einer einzigen integrierenden Schaltung 18 empfangen, wobei eine (nicht dargestellte) Multiplex-Anordnung der Reihe nach die Ausgangssignale von jedem Wandler abtasten kann, jedes Ausgangssignal der integrierenden Schaltung zuführen kann und der Reihe nach jede Halteschaltung mit der Information der

integrierenden Schaltung auf den neuesten Stand bringen 15

kann. Darüber hinaus erlaubt eine derartige Multiplexbetriebsweise das Kalibrieren eines jeden Wandlers in einer nachfolgend erörterten Weise.

Fig. 3 zeigt diagrammartig ein System, das das integrierte Videosignal gemäß der Fig. 1 und 2 verwendet, um den Winkel einer Sucheinheit mit zwei Wandlern 1OA und 1OB, die miteinander gekoppelt sind, zu steuern und um einige andere Funktionen, die nachfolgend beschrieben werden, auszuführen.

Um die bestmöglichen Lesesignale bei dem Erfassen von Fehlstellen in einem Werkstück zu erreichen, ist es, wie bereits beschrieben wurde, nötig, die Arbeitsfläche eines Wandlers bzw. die Arbeitsflächen von Wandlern parallel zu

3Q dem Werkstück zu halten. Das System gemäß Fig. 3 sorgt hierfür in den nachfolgend beschriebenen Weise.

Das Ausgangssignal von lediglich einem Wandler B in Fig. wird dem Instrument 2*4 und einem System-Mikrocomputer 58 zugeführt, da die Wandler A und B miteinander in Gleichtakt gekoppelt sind. Wie bereits erwähnt wurde, wird das

Ausgangssignal des Wandlers 10 B zunächst durch die Schaltung 30 verstärkt und durch den Leitungs-Treiber 32 aufrechterhalten.

Wiederum bezugnehmend auf Fig. 3 ist der Ausgang des Integrators 18 in dem Instrument 24 mit einer Winkel-Computerschaltung 34 über einen Datenbus oder ein Kabel 36 verbunden. Die Winkel-Coraputerschaltung 34 ist ein Schaltungsgerät, wie eine Einsteck-Computerkarte, welches dazu fähig ist, das analoge Ausgangssignal des Integrators 18 zu empfangen, dieses in digitale Form umzuwandeln und eine Veränderung in dem Winkel der übertrager 1OA und 1OB (bezüglich des Werkstückes 26) zu befehlen, wenn die Schaltung 3¹J eine Verminderung in dem Signalpegel, welcher von den Schaltungen 18 und 22 empfangen wird, ermittelt. Ein Wert ist in der Schaltung 34 gespeichert, der die maximale Signalstärke, die von den Schaltungen 18 und 22 empfangen wird, darstellt.

Eine Verminderung in der Signalstärke tritt beispielsv/eise auf, wenn der Winkel des Wandlers derart ist, daß ein Teil der Reflexion von der vorderen und hinteren Oberfläche des Werkstückes verloren geht. In der Figur 2 würde dies ein Verlust oder eine Verminderung der Größe des dritten Pulses oder der dritten Spitze in der mit A bezeichneten Reihe von Pulsen sein, was zu einer direkten Verminderung in der Stärke des integrierten Wertes des Signales B in Fig. 2 führen würde.

Das digitale Ausgangssignal der Schaltung 34 ist über einen Datenbus oder über ein Kabel 38 an drei Schaltungseinrichtungen angeschlossen, die in der Figur 3 allgemein mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet sind, um die beiden Winkelver-Stellmotoren 42 und 44 und einen Vertikal-Verstellmotor 46 in Eig. 3 zu steuern. Die Sehaltungseinrichtung 40 kann eine

• * * 1

kleine Einsteckkarte sein, die geeignete Komponenten aufweist, um die Ausgangssignale der Schaltung 3*4 zu nutzen, und derart angeschlossen ist, um eine schrittweise Bewegung der Motoren zu befehlen. Die Einsteckkarte und die Motoren sind im Handel verfügbar, und zwar durch Hersteller wie die Superior Electric Company of Bristol, Connecticut, obwohl auch andere Steuergeräte und Motoren verwendet werden können. Wie schematiseh in Fig. 3 dargestellt ist, sind die Wandler 10 an dem unteren Ende einer senkrechten Welle 48 befestigt, dessen oberes Ende mit einer Struktur 50 verbunden ist, die die Motoren 42 und 44 trägt. Das untere En ie der Welle 48 trägt die Wandler A und B auf einer Plattform 51 in einer derartigen Weise, daß deren winkelmäßise Bewegung um zwei, gegenseitig senkrechte (xy-)Achsen ermöglicht werden, wobei diese Achsen parallel zum Werkstück 26 liegen. Vorzugsweise ist die Welle 48 hohl, so daß sie Drähte aufnehmen kann, die in elektrischer Weise die Wandler mit den zugeordneten Schaltungsgeräten 12 und 30 verbinden, und um eine mechanische Einrichtung aufzunehmen, welche nicht dargestellt ist, um die Wandler um die gegeneinander senkrecht stehenden Achsen zu bewegen. Die Motoren 42 und 44 können z.B. mit der Plattform 51 über zwei Schrauben-Mechanismen gekoppelt sein, die in dem hohlen Innenteil der Welle 48 angeordnet sind.

Der Motor 46, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist mechanisch mit der Welle 48 über eine Spindel 52 verbunden. Eine Linearlagerung, welche nicht dargestellt ist, trägt die Welle, um deren Vertikalbewegung über die Schraube oder Spindel 52 zu ermöglichen.

Die Betriebsweise des Systems, das bisher beschrieben wurde, wird nachfolgend näher erläutert. Die Winkel-Computerschaltung 34 ist derart programmiert, daß sie das integrierte Video-Ausgangssignal von den Schaltungen 18 und 22 überprüft, um den Betrag des Signales zu

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bestimmen, welches der Reihe nach von dem Wandler weitergeleitet wird. Wenn der Wandler 1OB nicht parallel zum Werkstück 26 ist, ist der Betrag des reflektierten Schalles von dem Werkstück zu dem Wandler kleiner als das Maximum. Das Ausgangssignal des Wandlers ist wiederum kleiner als ein maximales Ausgangssignal, so daß der integrierte Wert, der durch die Schaltung 18 geschaffen wird und in der Schaltung 22 gehalten wird, kleiner als der maximale Wert ist, den die Schaltung 34 kennt. Die Schaltung 34 führt unmittelbar diesen Vergleich aus und erzeugt ein digitales Signal, das der Schaltung 40 zugeführt wird, welche ihrerseits ein Signal für die Motoren 42 und 44 erzeugt. Wenn die parallele Beziehung lediglich in einer Richtung nicht hergestellt ist, wie beispielsweise in der x-Achse, wird lediglich der x-Motor (42 oder 44) schrittweise weiterdrehen, um die Plattform 51 zu verschwenken, um eine parallele Lage der Wandler 10A und 10B zu dem Werkstück herzustellen, bis die Signalstärke, die von der Abtast- und Halte-Schaltung empfangen wird, wiederum den maximalen Wert erreicht.

Wenn dies auftritt, hört die Schaltung 34 damit auf, Befehle zur Schaltung 40 zuzuführen.

Ein weiterer kritischer Gesichtspunkt einer akustischen Fehlstellenermittlung ist die Tiefe oder die Dicke des Wasserweges zwischen dem Wandler und dem Werkstück. Die Länge des Wasserweges muß bei einem optimalen Wert gehalten werden, um eine genaue Erfassung von Ungleichmäßigkeiten zu gewährleisten, und um ein Prüfverfahren zu ermöglichen, das von der Kalibrierung des Systemes abhängt, wie es nachfolgend beschrieben werden wird.

Die Computerschaltung 34 gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Entfernung des Wasserweges zwischen dem Wandler und d-β« Werkstück messen und kann dem Motor 46 befehlen, die Wandler in Abhängigkeit von den Ergebnissen von bestimmten, durch die Schaltung 34 durchgeführten

Berechnungen anzuheben oder abzusenken.

Die Laufzeit des Schalls im Wasser ist eine bekannte Date, so daß ebenfalls die Entfernung bzw. Länge des Wasserweges für eine optimale Betriebsweise des Systemes eine bekannte Date ist. Die letztgenannte Date, die vorzpgsweise in der Form einer festen Zeitdauer ve !Legt, welche die Zeit darstellt, die der Schall benötigt, um die optimale Entfernung im Wasser zurückzulegen, ist in der Schaltung 34 gespeichert. Der Computer mißt daraufhin in periodischer Weise die Zeitdauer zwischen dem Auftreten des Pulses, welcher den Wandler mit Energie versorgt, und dem Empfang des Echos von der vorderen Fläche des Werkstückes durch den Wandler. Die Schaltung 34 vergleicht diese Zeitdauer, in der der Schall zweimal durch das V/asser gelaufen ist (zum Wandler hin und vom Wandler weg), mit der Date, die die optimale Laufzeit angibt. Wenn eine Differenz zwischen diesen beiden Daten besteht, erzeugt der Computer ausgangsseitig diese Differenz,, die der Steuerung 40 zugeführt wird. Die Steuerung 40 erzeugt ihrerseits geeignete Befehle für den Motor 46, der die Welle 48 absenkt oder anhebt, bis die angezeigte Zeitdauer, welche durch die Schaltung 34 ermittelt wird, mit derjenigen übereinstimmt, die die gespeicherte Date für die optimale Zeit ist. Wenn dies auftritt, hört die Schaltung 34 damit auf, dem Motor 46 Befehle zuzuführen.

Das erfindungsgemäße System kann unter Verwendung eines Standards oder eines Testobjektes 53 gemäß Fig. 4 mit ^O einer bekannten Dicke und Zusammensetzung kalibriert werden, welches dem Material des zu untersuchenden Werkstückes entspricht. Die Genauigkeit des Testobjektes wurde behördlich sichergestellt, wie z.B. durch das

National Bureau of Standards.
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Ein derartiges Testobjekt 53 ist in perspektivischer Darstellung in Fig. 4 gezeigt. Insbesondere enthält das

Testobjekt 53 ein Materialstück der obigen, bekannten Dicke und Zusammensetzung und mit einer Breite, die ausreicht, um die Breite einer Mehrzahl von akustischen Wandlern zu umfassen, wobei vier derartige Wandler in der Fig. 4 dargestellt sind. Das Testobjekt 53 hat eine schmale Kerbe bzw. einen Schlitz 54, der in einer (der unteren) Fläche des Objektes vorgesehen ist, um eine genaue Materialdicke von der oberen Fläche bis zur reflektierenden Fläche des Schlitzes zu schaffen und um ein genaues Ultraschall-Antwortsignal von der reflektierenden Fläche des Schlitzes zu erreichen. Das Testobjekt wird in dem Wasser 28 von Fig. 3 angeordnet, wobei der Schlitz 54 von den vier Wandlern weggerichtet ist. Die Übertrager, die zwei Sucheinheiten enthalten, die mit dem Bezugszeichen 10 und 10' in Fig. 4 bezeichnet sind, werden in dem Wasser der Reihe nach über das Testobjekt bewegt, wie es durch den Pfeil 56 angedeutet ist. Wenn die Einheit 10' über dem Testobjekt angeordnet ist, wird sie unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens in Verbindung mit der Prüfung des Werkstückes 26 lagemäßig eingestellt. Darüber hinaus wird, bevor die Wandler kalibriert werden, die Dicke des Wasserweges zwischen den Wandlern und dem Testobjekt 53 durch die Schaltung gemessen, und die Wandler werden in senkrechter Richtung eingestellt, falls die Wasserdicke nicht optimal ist.

Wenn jeder Wandler über der Kerbe 54 angeordnet ist und durch die Puls-erzeugende Schaltung 12 mit Pulsen betrieben wird, erzeugt der Wandler Ausgangspulse, die durch einen Mikrocomputer 58 für die Prozeßsteuerung der Fehlstellenerfassungseinrichtung des Systems überwacht werden, wobei der Computer derart programmiert ist, daß er die Amplitude der durch den Detektor 17 erzeugten Pulse, die durch die Spitzenwert-Erfassungsschaltungen (nicht dargestellt) gemessen werden, welche die Schaltung 58 nur mit den Pulsen mit maximaler Amplitude von der Schaltung 16 in der üblichen Weise versorgen, mit dem bekannten Ant-

wortsignal des Testobjektes, wobei die Date dieses Antwortsignales in der Schaltung 58 gespeichert wird. Wenn die Amplitude des Pulses, die von dem Detektor 17 geliefert wird, nicht mit der gespeicherten Date des Test-Objektes übereinstimmt, befiehlt die Schaltung 58 eine Anpassung der Verstärkung des Verstärkers 30, bis das Ausgangssignal der Schaltung 16 mit der gespeicherten Date und mit dem bekannten Ultraschall-Antwortsignal-Wert des Testobjektes übereinstimmt.

Der Computer 58 ist ein digitales Gerät, während die Verstärker 16 und 30 analoge Geräte sind. Aus diesem Grunde erzeugt der Computer 58 eine innere Analog-Digital Wandlung für das Ausgangssignal der Schaltung 16 und

1.5 eine Digital-Analog-Wandlung für das Einstellsignal, das zur Schaltung 30 geschickt wird.

Wenn jeder Wandler in der oben beschriebenen Art und Weise kalibriert worden ist, sind die Übertrager nun dazu bereit, pegelmäßig eingestellt zu werden und in senkrechter Richtung über dem zu prüfenden Werkstück eingestellt zu werden. Dies wird für jeden Wandler oder jede Sucheinheit des Systemes, falls mehr als ein Wandler oder eine Sucheinheit verwendet wird, einzeln ausgeführt.

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es beabsichtigt, daß die beiliegenden Ansprüche sämtliche Ausführungsformen umfassen, die in den Sfihutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

Patentansprüche

yVerfahren zum Aufrechterhalten einer parallelen Beziehung zwischen einer Arbeitsfläche eines Schallwandlers und einer ebenen Fläche eines Objektes, das durch den Wandler und durch eine in elektrischer Weise dem Wandler zugeordnete Schaltung geprüft wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Schaffen eines Wandlers (10) und einer zugehörigen Schaltung (14 bis 22);

Anordnen der Arbeitsfläche (1Oa) des Wandlers (10) in einer Lage, die nahe an der ebenen Oberfläche des Objektes (26) liegt, jedoch von dieser beabstandet ist;

Schaffen einer Flüsaigkeitsschicht (28) zwischen der Arbeitsfläche (1Oa) des Wandlers (10) und dem Objekt (26);

-ι-

Versorgen des Wandlers (10) derart mit Energie, daß Schallenergie auf das Objekt (26) gerichtet wird und von diesem reflektiert wird, nachdem sie die Flüssigkeitsschicht (28) durchlaufen hat, wobei die Schallenergie, die von dem Objekt (26) reflektiert wird, bei der Arbbitsfläche (10a) des Wandlers (10) empfangen wird und wobei der Wandler (10) eine Kette von elektrischen Pulsen in Reaktion auf die von dem Objekt (26) reflektierte Energie, die von ihm empfangen wird, erzeugt;

Integrieren der Kette von Pulsen, um ein analoges Signal zu schaffen, das proportional zu dem Gesamtbetrag der Schallenergie ist, welche von dem Wandler (10) empfangen wird, wobei der Betrag der Schallenergie, die von dem Wandler (10) empfangen wird, maximal ist, wenn die Fläche (10a) des Wandlers (10) und die ebene Oberfläche des Objektes (26) im wesentlichen parallel zueinander sind; und

Benutzen des analogen Signales, um eine parallele Beziehung zwischen der Arbeitsfläche (10a) des Wandlers (10) und der ebenen Fläche des Objektes (26) aufrecht zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt des Integrierens das Integrieren der Pulse beinhaltet, die die Schallenergie darstellen, welche sowohl von der vorderen als auch von der hinteren Oberfläche des Objektes (26) reflektiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt des Nutzens des analogen Signales den Verfahrensschritt des, Bewegens des Wandlers (10) in Reaktion auf das Signal um die x-Achse und/oder y-Achse beinhaltet, wobei diese Achsen parallel zu der ebenen

-3-Oberfläche des Objektes (26), das geprüft wird, sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Anlegens des analogen Signales an einen Computer (34), wobei der Computer (34) in automatischer Weise die Steuerung des Winkels des Wandlers (10) bezüglich des Objektes (26), das geprüft wird, in Reaktion auf die Größe des analogen Signales ausführt. 10
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Bestimmen der Dicke der Flüssigkeitsschicht (28), die

zwischen der Fläche (10a) des Wandlers (10) und dem Objekt (26) liegt, durch Vergleichen der bekannten Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit (28) mit der Zeitdauer, die zwischen dem Auftreten eines Pulses von Schallenergie, welche gegen das Objekt (26) ge-

richtet wird, und dem Empfangen eines Echos von einer vorderen Oberfläche des Objektes (26) durch den Wandler (10) auftritt, und

Einstellen der Entfernung zwischen dem Wandler (10) und dem Objekt (26) in Reaktion auf die Bestimmung der Dicke der Flüssigkeit (28).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch den Verfahrenaschritt des Kalibrierens des Wandlers (10) und seiner zugeordneten Schaltung (14 bis 22, 24, 30, 32, 58) mittels folgender Verfahrensschritte:

Anordnen eines Testobjektes (53) mit bekannter Dicke und Zusammensetzung in der Nähe der Arbeitsfläche (10a) ° des Wandlers (10), jedoch mit einem vorbestimmten Abstand von der Arbeitsfläche (10a) des Wandlers (10), wobei das Testobjekt (53) ein bekanntes Antwortsignal

hat, wenn eine Schallenergie auf das Testobjekt (53) gerichtet wird;

Anordnen der Flüssigkeit (28) gemäß Anspruch 1 in dem Raum zwischen dem Wandler (10) und dem Testobjekt (53);

Richten von Schallenergie durch die Flüssigkeit (28) auf das Testobjekt (53);

Empfangen von Eohos der Schallenergie durch die Arbeitsfläche (10a) des Wandlers (10), nachdem das Echo die Flüssigkeit (28) durchlaufen hat; und

Einstellen der Empfindlichkeit der Schaltung (14 bis 22, 24, 30, 32, 58) des Wandlers (10), um ein Antwortsignal zu erhalten, das mit dem bekannten Antwort-

signal des Testobjektes (53) übereinstimmt.
7. Cerät zum Aufrechterhalten einer parallelen Beziehung zwischen der Arbeitsfläche eines Schallwandlers und einer ebenen Oberfläche eines Objektes, das mit dem

Wandler und mit dessen zugeordneter elektrischer Schaltung geprüft werden soll, gekennzeich net durch folgende Merkmale:

Einen Schallwandler (10), der nahe an der ebenen Oberfläche des Objektes (26) angeordnet ist, jedoch von diesem beabstandet ist;

eine elektrische Schaltung (12, 14, 16, 17, 18, 20, 21, 22) zum Versorgen des Wandlers (10) mit Energie und zum Empfangen von elektrischen Pulsen von dem Wandler (10) in Reaktion auf Schallechos von dem Objekt (26), wobei die Schaltung (12, 14, 16, 17, 18, 20, 21, 22) eine Einrichtung (18, 20, 21) enthält, die die Pulse integriert, um ein analoges Signal zu schaffen, das proportional zum Gesamtbetrag der Echo-

" energie is^fc-, die durch den Wandler (10) von dem Objekt~(26), das geprüft wird, empfangen wird, und eine Einrichtung (34, 40) zum Nutzen des analogen

-S-

Signals enthält, um die parallele Bsziehung zwischen der Arbeitsfläche (1Oa) des Wandlers (10) und der ebenen Oberfläche des Objektes (26), das geprüft wird, aufrecht zu erhalten.
8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (34, 40) zum Nutzen des analogen Signales einen Computer (34) enthält, der in automatischer Weise den Winkel des Wandlers (10) bezüglich des Objektes (26), das geprüft wird, in Reaktion auf die Größe des analogen Signales steuert.
9- Gerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung des Wandlers (10) eine Einrichtung (34) enthält, die die Entfernung zwischen der Arbeitsfläche (10a) de:s Wandlers (10) und einer vorderen Oberfläche des Objektes (26), das geprüft wird, mißt, wobei eine Flüssigkeitsschicht (28) zwischen der Arbeitsfläche (10a) de;s Wandlers (10) und der vorderen Fläche des Objektes (26) liegt.
10. Verfahren zum Kalibrieren eines Schall-Wandlers und einer zugeordneten Schaltung, die dazu geeignet ist, die Unversehrtheit eines Werkstückes mit einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche zu prüfen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Anordnen einer Sucheinheit (10) mit wenigstens einem

Schall-Wandler (10) in einer beabstandeten Beziehung 30

zu einem Testobjekt (53) mit einer ebenen Oberfläche und mit einem genau bestimmten Schallantwortsignal bei Empfang von Schallenergie von dem Wandler (10), wobei die Sucheinheit (10) mechanisch gelagert ist,

um sich um Achsen herum zu bewegen, die parallel zu 3b

der ebenen—Oberfläche des Testobjektes (53) liegen;

Schaffen einer Flüssigkeitsschicht (28) zwischen dem . Wandler (10) und dem Testobjekt (53);

33.228 4a

Versorgen des Wandlers (10) mit Energie;

Einstellen des Wandlers (10), so daß dessen Arbeitsfläche (10a) parallel zu der ebenen Fläche des Testobjektes (53) liegt; und

Einstellen der Empfindlichkeit der Schaltung (2Ί, 58, 30, 32), die dem Wandler (10) zugeordnet ist, nachdem dieser in einer parallelen Beziehung zu der ebenen Oberfläche des Testobjektes (53) angeordnet ist, um ein Antwortsignal von der Schaltung (30, 32) zu erhalten, das mit dem genau vorbestimmten Antwortsignal des Testobjektes (53) übereinstimmt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem Schallenergie von dem Testobjekt zu dem Wandler reflektiert wird, wobei der Wandler ein Ausgangssignal in Reaktion auf die reflektierte Energie erzeugt, gekennzeichnet durch folgende zusätzliche Verfahrensschritte:

Anlegen des Signales an einen Verstärker (30) der Schaltung (24, 58, 30, 32), die dem Wandler (10) zugeordnet ist; und

Einstellen der Verstärkung des Verstärkers (30) in Reaktion auf die Größe des Ausgangssignales, das vom Wandler (10) empfangen wird, bis der Verstärker ein

Ausgangssignal erzeugt, das mit dem bekannten Antwortsignal des Testobjektes (53) übereinstimmt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet . daß das Ausgangssignal des Verstär-

kers (30) ein Video-Signal ist, das zur Video-Darstellung für eine Bedienungsperson verwendet wird, und daß der Verfahrensschritt des Einsteilens den Verfahrensschritt des Berechnens einer richtigen Verstärkungseinstellung durch Vergleich des Video-Signales mit

einem in eioem digitalen Computer (58) gespeicherten Signal beinhaltet, wobei das gespeicherte Signal das in genauer Weise bestimmte Antwortsignal des T©stob-

jektes (53) darstellt.
13- Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Sucheinheit zwei Schallwandler mit jeweils zugeordneten Schaltungen enthält, und bei dem das Testobjekt eine eingekerbte Fläche hat, die ein genau bestimmtes Schallantwortsignal liefert, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Einstellen der beiden Wandler (10) in der Weise, daß deren Arbeitsflächen (10a) parallel zu der ebenen Fläche des Testobjektes (53) sind;

Anordnen jedes Wandlers (10) über der Fläche des Testobjektes (53) gegenüber der gekerbten Fläche; und

Einstellen der Schaltung (30) eines jeden Wandlers (10), nachdem eine parallele Beziehung zwischen jedem Wandler (10) und dem Testobjekt (53) erreicht ist, urn ein genau bestimmtes Antwortsignal von dem Testobjekt (53) für jeden Wandler (10) zu erhalten.
14. Gerät zum Kalibrieren eines Schallwandlers und einer zugeordneten Schaltung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

Wenigstens einen Wandler (10) mit einer Arbeitsfläche (10a) und einer zugeordneten Schaltung (30, 32, 24, 58) zum überprüfen der Unversehrtheit eines Werkstückes (26);

ein Testobjekt (53) mit einer ebenen Fläche und einer genau kalibrierten Schallantwort, wenn Schallenergie 3Q auf das Objekt (53) gerichtet wird; eine Einrichtung (34, 40, 46) zum Anordnen der Arbeitsfläche (10a) des Wandlers (10) in einer beabstandeten Beziehung zu einem Werkstück (26) und zu einem Testobjekt (53);

eine Einrichtung (3*, 40, 42, 44) zum Bewegen des Wandlers (10) um Achsen, die parallel zu der ebenen Fläche des Testobjektes (53) liegen, in einer derarti-

gen Weise, daß eine parallele Beziehung zwischen der Arbeitsfläche (1Oa) des Wandlers (10) und der ebenen Fläche des Testobjektes (53) hergestellt wird; und

eine Einrichtung (30, 32, 24, 58) zum Einstellen der Empfindlichkeit der Schaltung (30), nachdem eine

parallele Beziehung zwischen dem Wandler (10) und dem Testobjekt (53) hergestellt ist, bis das Antwortsignal des Wandlers (10) und der Schaltung (30) mit einem genau kalibrierten Antwortsignal des Testobjektes (53) ¹^ übereinstimmt.
15. Gerät nach Anspruch 14, bei dem der Wandler ein Ausgangssignal in Reaktion auf eine von einem Testobjekt zu ihm reflektierte Energie erzeugt, und bei dem

die Schaltung, die dem Wandler zugeordnet ist, einen Verstärker zum Verstärken des Ausgangssignals des Wandlers enthält, wobei der Verstärker seinerseits ein Ausgangssignal in Reaktion auf das von dem Wandler empfangene Signal erzeugt, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (24, 58) zum Vergleichen des Ausgangssignales des Verstärkers (30) mit dem genau kalibrierten Antwortsignal des Testobjektes (53), wenn das Objekt Schallenergie von dem Wandler (10) empfängt, und zum Verändern der Verstärkung des Verstärkers (30) in Reaktion auf jegliche Abweichung, die zwischen dem Ausgangssignal des Verstärkers (30) und dem kalibrierten Antwortsignal des Testobjektes (53) auftritt.