DE3322849C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3 genannten Art.

Bei einem solchen, aus der US-PS 38 98 838 bekannten Verfahren wird der in einem Suchrohr angeordnete Ultraschallwandler mit Hilfe eines ersten Schrittmotors um eine etwa parallel zur Oberfläche des zu untersuchenden Objektes liegende erste Achse geschwenkt. Außerdem ist dieses Suchrohr mit Hilfe eines zweiten Schrittmotors um seine Längsachse drehbar. Mit Hilfe von Verknüpfungs- und Halteschaltungen werden die aufgrund eines ausgesandten Ultraschallimpulses erhaltenen Reflexionsimpulse einem Rechner zur Verfügung gestellt, der periodisch eine Einstellung des Suchrohres durch dessen Schwenken um die erste Achse und ggf. Drehen um seine eigene Achse vornimmt. Der Rechner ist dabei so programmiert, daß er ein aufgrund der Reflexionssignale gebildetes Ausgangssignal mit einem zuvor gespeicherten Ausgangssignal vergleicht. Wenn das neue Ausgangssignal größer als das zuvor gespeicherte Ausgangssignal ist, erhält der erste Schrittmotor einen Schrittimpuls zum Weiterdrehen um einen Schritt in der gleichen Richtung. Ist dagegen das neue Ausgangssignal geringer als das zuvor gespeicherte Ausgangssignal, so erhält der Schrittmotor einen Schrittimpuls zu seiner Drehung in der entgegengesetzten Richtung. Auf diese Weise wird das Suchrohr so lange ausgerichtet, bis das Ausgangssignal einen maximalen Wert annimmt.

Aus der DE-Z: Technische Forschung "Stahl"; Abschlußbericht; 3. Teil; "Ultraschallprüfung von Grobblechen bei einseitiger Ankopplung"; 1973; (eur. 5087 d), e), f)) sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, wie der Teil des bei der Ultraschallprüfung empfangenen Reflexionssignales verbessert werden kann, der Unregelmäßigkeiten in dem zu prüfenden Werkstück entspricht. Zu diesem Zweck werden Zeitfenster erzeugt, um einzelne Reflexionssignale und insbesondere die Hauptechos von der vorderen Oberfläche und der rückwärtigen Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes auszublenden. Die Verstärkung des Verstärkers der elektrischen Schaltung wird aufgrund der Reflexionssignale gesteuert. Da eine Unregelmäßigkeit in dem Werkstück dazu führen kann, daß das von der rückwärtigen Oberfläche des Werkstückes reflektierte Signal gedämpft wird, würde die Verstärkungssteuerung zu einer ungeeignet hohen Verstärkung führen. Daher wird vorgeschlagen, die von der rückwärtigen Oberfläche reflektierten Reflexionssignale während der Bewegung des Ultraschallwandlers über das zu prüfende Werkstück zu integrieren und den erhaltenen Durchschnittswert der die Reflexionssignale von der rückwärtigen Oberfläche des Werkstückes darstellenden Impulsspitzen für die Verstärkungssteuerung zu verwenden. Dieser Durchschnittswert wird dabei aus mehreren Ultraschall-Zyklen gebildet. Ein Ultraschall-Zyklus besteht dabei immer aus von einem Ultraschallwandler abgegebenen Ultraschallimpuls und aus mehreren Reflexionsimpulsen, die durch Reflexion des ausgesendeten Ultraschallimpulses an der vorderen Oberfläche und der rückwärtigen Oberfläche sowie eventuellen Unregelmäßigkeiten des zu untersuchenden Werkstückes entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß die parallele Beziehung zwischen der Schallabstrahlungsfläche des Ultraschallwandlers und der Oberfläche des zu untersuchenden Objektes schnell und genau herzustellen bzw. beizubehalten ist, um eine kontinuierliche Ultraschallprüfung von Werkstücken hoher Qualitätsanforderungen, wie Aluminiumplatten in der Flugzeugindustrie, auszuführen.

Bei einem Verfahren der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß der Ultraschallwandler um zwei Achsen schwenkbar ist, deren von ihnen definierte Ebene parallel zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes ausgerichtet ist. Durch diese Bewegungsmöglichkeit des Ultraschallwandlers relativ zur Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes ist ein senkrechter Verlauf des vom Ultraschallwandler ausgesendeten Ultraschallstrahls zur Oberfläche des Werkstückes sehr genau möglich. Durch die Integration bzw. Summierung der von den Reflexionsimpulsen definierten Flächen wird sehr schnell, d. h. während nur eines Ultraschall-Zyklus ein die reflektierte Ultraschallenergie angebendes Signal erhalten, das durch Vergleich mit einem zuvor fest eingestellten Wert oder aber einem zuvor aufgrund eines empfangenen Signals gespeicherten Wert zur genauen Einjustierung des Ultraschallwandlers benutzt wird.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben.

Insbesondere ist eine Schaltung vorgesehen, um das Ausgangssignal des Wandlers zu empfangen und zu verstärken, und um ein Videosignal für ein Oszilloskop zu bilden, so daß das von dem Wandler empfangene Signal visuell beobachtet werden kann. Das Videosignal hat die Form von einzelnen Spitzen oder Pulsen, die integriert werden, um ein analoges Signal zu bilden, 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 Verfahren eine parallele Beziehung zwischen dem Wandler und dem Werkstück, wodurch wiederum eine vollständige und genaue Überprüfung des Werkstückes sichergestellt ist.

Das Verfahren ist insbesondere bei der Prüfung von Aluminiumplatten für die Flugzeugindustrie nützlich. Die Flugzeugindustrie benötigt für ihre Flugzeuge Platten mit hoher Qualität. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt sicher, daß die Prüfung der Platten genau, schnell und wirkungsvoll ist. Die Genauigkeit 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 verwendet wird, wird der Wandler über das Testobjekt gebracht und die Verstärkung der Schaltung eingestellt, damit das 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 demjenigen, 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 Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

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

Fig. 2 jeweils eine Kette von aufeinanderfolgenden Videopulsen, und eine Kurve, die das Ergebnis der Integration und Summation der Flächen der Pulse darstellt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Prüfsystems der Erfindung, bei dem das obige integrierte Videosignal sowie 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

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 werden.

Bezugnehmend auf Fig. 1 der Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen schematisch dargestellten Schallwandler, der elektrisch mit einer Pulse erzeugenden Schaltung 12 und mit einem Radiofrequenzverstärker 14 verbunden ist. Die Pulse erzeugende und die verstärkende Schaltung sind elektrisch in bekannter Weise isoliert. Wenn das Bezugszeichen 10 zwei Wandler bezeichnet, die gleichzeitig mit Energie versorgt werden, kann als Pulse erzeugende und verstärkende Anordnung eine bekannte Anordnung verwendet werden.

Der Ausgang des Verstärkers 14 ist an den Eingang eines Videoverstärkers 16 angeschlossen. Der Ausgang der Schaltung 16 ist mit einer Detektorschaltung 17 und mit einer integrierenden Schaltung 18 über einen veränderbaren 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 Eingängen, Verstärkungssteuerungswiderständen und Rückkopplungselementen. Diese 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 bilden.

Das Ausgangssignal des Video-Integrators ist mit dem Eingang einer Schaltung 22 verbunden, die, wie nachfolgend detailliert beschrieben wird, das integrierte Ausgangssignal der Schaltung 18 hält.

Die Verstärker 14 und 16, der Video-Integrator und die Abtast- und Halte-Geräte 18 und 22 gemäß Fig. 1 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 Pulse erzeugende Schaltung 12 versorgt den Wandler 10 mit Energie, indem sie ihn mit sich wiederholenden Pulsen elektrischer Energie versorgt. Aufgrund der Pulse vibriert der Wandler mit seiner Resonanzfrequenz, 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 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 Verstärkungseinrichtung 30 verstärkt (Fig. 3), 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 24 weitergeleitet. Die Schaltungen 30 und 14 bilden Verstärkungsstufen, die für die 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.

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 Wandler 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 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 Wandler 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 und am Wandler ankommt.

Neben dieser Kette von Videopulsen ist in Fig. 2 eine Kurve B dargestellt, die das Ausgangssignal 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, welcher 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. 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 bilden. 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 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 richtigem 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 Verfügung stehen. 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 Eingangssignale 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 kann. Darüber hinaus erlaubt eine derartige Multiplexbetriebsweise das Kalibrieren eines jeden Wandlers in einer nachfolgend erörterten Weise.

Fig. 3 zeigt schematisch ein System, das das integrierte Videosignal gemäß Fig. 1 und 2 verwendet, um den Winkel einer Sucheinheit mit zwei Wandlern 10A und 10B, 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 dem Werkstück zu halten. Das System gemäß Fig. 3 sorgt hierfür in der nachfolgend beschriebenen Weise.

Das Ausgangssignal von lediglich einem Wandler B in Fig. 3 wird dem Instrument 24 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 10B 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 Winkelsteuerungs-Computerschaltung 34 ist ein Schaltungsgerät, wie eine Einsteck-Computerkarte, welches das analoge Ausgangssignal des Integrators 18 empfängt, dieses in digitale Form umwandelt und eine Veränderung in dem Winkel der Übertrager 10A und 10B (bezüglich des Werkstückes 26) befiehlt, wenn die Schaltung 34 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, dargestellt.

Eine Verminderung in der Signalstärke tritt beispielsweise auf, wenn der Winkel des Wandlers derart ist, daß ein Teil der Reflexion von der vorderen und hinteren Oberfläche des Werkstückes verlorengeht. In Fig. 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 Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet sind, um die beiden Winkelverstellmotoren 42 und 44 und einen Vertikal-Verstellmotor 46 in Fig. 3 zu steuern. Die Schaltungseinrichtung 40 kann eine kleine Einsteckkarte sein, die Komponenten aufweist, um die Ausgangssignale der Schaltung 34 zu nutzen, und derart angeschlossen ist, um eine schrittweise Bewegung der Motoren zu befehlen. Die Einsteckkarte und die Motoren sind im Handel verfügbar. Wie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, sind die Wandler 10 an dem unteren Ende einer senkrechten Welle 48 befestigt, dessen oberes Ende mit einer Halterung 50 verbunden ist, die die Motoren 42 und 44 trägt. Das untere Ende der Welle 48 trägt die Wandler A und B auf einer Plattform 51 derart, daß deren winkelmäßige Bewegung um zwei, gegenseitig senkrechte (xy-)Achsen ermöglicht wird, 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 Spindel-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.

Der 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 bestimmen, welches der Reihe nach von dem Wandler weitergeleitet wird. Wenn der Wandler 10B 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 gebildet 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 22 empfangen wird, wiederum den maximalen Wert erreicht. Wenn dies auftritt, hört die Schaltung 34 auf, Befehle der 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 auf 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 kann die Entfernung des Wasserweges zwischen dem Wandler und dem 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 Größe, so daß ebenfalls die Entfernung bzw. Länge des Wasserweges für eine optimale Betriebsweise des Systemes eine bekannte Größe ist. Die letztgenannte Größe, die vorzugsweise in der Form einer festen Zeitdauer vorliegt, 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 periodisch 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 Wasser gelaufen ist (zum Wandler hin und vom Wandler weg), mit der Größe, die die optimale Laufzeit angibt. Wenn eine Differenz zwischen diesen beiden Größen 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 Größe für die optimale Zeit ist. Wenn dies auftritt, hört die Schaltung 34 damit auf, dem Motor 46 Befehle zuzuführen.

Das System kann unter Verwendung eines Standards oder eines Testobjektes 53 gemäß Fig. 4 mit einer bekannten Dicke und Zusammensetzung kalibriert werden, welches dem Material des zu untersuchenden Werkstückes entspricht. Die Genauigkeit des Testobjektes wird behördlich festgelegt, wie z. B. durch das National Bureau of Standards.

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 der Fig. 3 angeordnet, wobei der Schlitz 54 von den vier Wandlern abgewandt 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 34 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 Pulse 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 Antwortsignal des Testobjektes vergleicht, wobei die Größe dieses Antwortsignales in der Schaltung 58 gespeichert wird. Wenn die Amplitude des Pulses, die von dem Detektor 17 geliefert wird, nicht mit der gespeicherten Größe des Testobjektes übereinstimmt, befiehlt die Schaltung 58 eine Anpassung der Verstärkung des Verstärkers 30, bis das Ausgangssignal der Schaltung 16 mit der gespeicherten Größe 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 bewirkt der Computer 58 eine innere Analog-Digital- Wandlung für das Ausgangssignal der Schaltung 16 und 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 Systems, falls mehr als ein Wandler oder eine Sucheinheit verwendet wird, einzeln ausgeführt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Einstellen einer parallelen Beziehung zwischen der Schallabstrahlungsfläche eines Ultraschallwandlers und der Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts, bei dem der Ultraschallwandler mit periodischen Impulsen beaufschlagt wird und der von dem Objekt reflektierte Ultraschall empfangen wird, wobei der Ultraschallwandler um zwei zueinander senkrecht stehende Achsen über Stellmotoren drehbar ist und wobei der reflektierte Ultraschall in einer an den Wandler angeschlossenen elektrischen Schaltung derart verarbeitet wird, daß das von einem Ultraschallimpuls erhaltene Reflexionssignal festgehalten wird, anschließend eine vorgegebene Drehung um eine der Achsen durchgeführt wird und das dann von einem weiteren Ultraschallimpuls erhaltene Reflexionssignal wiederum festgehalten wird, um den Ultraschallwandler schrittweise um die jeweiligen Achsen bis zum Erhalten eines maximalen Reflexionssignales zu drehen, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Achsen aufgespannte Ebene zur Oberfläche des zu untersuchenden Objekts parallel liegt und daß die von einem Ultraschallimpuls während einer bestimmten Zeitdauer erhaltenen Reflexionsimpulse hinsichtlich ihrer Fläche integriert werden, um das jeweilige zu nur einem Ultraschallimpuls gehörende Reflexionssignal zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich mit einem voreingestellten festen Wert durchgeführt wird.

3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Ultraschallwandler, der über zwei Stellmotoren um zueinander senkrechte Achse drehbar ist, einer an den Ultraschallwandler angeschlossenen elektrischen Schaltung, der die von dem Objekt reflektierten Signale zuführbar sind, und die eine Speicherschaltung und einen Vergleicher aufweist, in denen die nacheinander erhaltenen Reflexionssignale festhaltbar und vergleichbar sind, um die Stellmotoren in vorgegebenen Schritten so lange zu bewegen, bis ein maximales Reflexionssignal erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Achsen aufgespannte Ebene zur Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts parallel ausgerichtet ist und daß die elektrische Schaltung einen Integrator aufweist, der die von einem ausgesandten Ultraschallimpuls erhaltenen Reflexionsimpulse integriert.