DE3327526A1 - Verfahren und ultraschallmesseinrichtung zur bestimmung der wanddicke oder schallgeschwindigkeit von werkstuecken - Google Patents

Description

Krautkrämer GmbH 29. j_uli 1983

Luxemburger Str. 449 P/Cl

5000 Köln 41 B-176

VERFAHREN UND ULTRASCHALLMESSEINRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DER WANDDICKE ODER SCHALLGESCHWINDIGKEIT VON WERKSTUECKEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Wanddicke oder der Schallgeschwindigkeit von Werkstücken mit einer Ultraschall-Meßeinrichtung, die aus einem einen Sender, einen Empfangsverstärker, einer Auswerteeinheit und einer Anzeigevorrichtung enthaltendes Prüfgerät und einem SE-Prüfkopf besteht, wobei die Wandlerelemente des SE-Prüfkopfes sich auf Vorlaufkörpern unterschiedlicher Länge befinden und daß vor der eigentlichen Wanddicken- oder Schall geschwindigkeitsmessung eine Nullpunktskalibrierung durchgeführt wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen SE-Prüfkopf und ein Prüfgerät zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der Ultraschalltechnik ist es bekannt, daß in ein Werkstück eingeschallte Ultraschallenergie an Fehlern oder anderen akustischen Ungänzen, wie der Oberfläche oder der Rückwand des zu prüfenden Werk-Stückes, reflektiert wird. Durch Messung der Laufzeit eines Ultraschallimpulses zwischen dem Eintreten des Impulses in das Werkstück bis zum Empfang des Rückwandechos, kann bei bekannter Schallgeschwindigkeit die Wanddicke des Werkstückes ermittelt werden. Umgekehrt ist es auch möglich, bei bekannter Wandstärke des Werkstückes die Schal 1-geschwindigkeit zu ermitteln.

Ferner ist es bekannt zur Wanddickenmessung sogenannte SE-Prüfköpfe zu verwenden, bei denen als Sende- und Empfangswandler jeweils getrennte Schwingerelemente verwendet werden. SE-Prüfköpfe haben sich insbesondere zur Wanddickenmessung von Rohren oder Blechen bewährt, deren Wanddickenänderungen auf Korrosionserscheinungen zurückzuführen sind.

Die piezoelektrischen Wandlerelemente des SE-Prüfkopfes sind üblicherweise auf hitzebeständigen Schal!vorlaufkörpern angeordnet, die gewöhnlich aus thermoplastischen Materialien bestehen. In Bezug auf die Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes weisen die beiden Wandlerelemente eine vorgegebene Neigung auf. Die beiden Schal!vorlaufkörper für den Sende- und den Empfangswandler, die in der Regel aus dem gleichen Material bestehen, sind elektrisch und akustisch voneinander durch eine Trennschicht getrennt. Die gesamte aus Wandlerelementen, Schall vorlaufkörpern und Trennschicht bestehende Vorrichtung ist in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht.

Aus der US-PS 4.182.155 , die der DE-OS 29 53 170 entspricht, ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nullpunktskalibrierung von Ultraschall-Wanddickenmessern bekannt. Dabei werden in dem SE-Prüfkopf unterschiedlich lange Vor!aufkörper verwendet. Für die Nullpunktskalibrierung ist es allerdings erforderlich, daß der Bediener zunächst eine Justierung mit Hilfe eines Justierkörpers vornimmt. Eine automatische Kalibrierung ist mit dieser bekannten Meßeinrichtung nicht möqlich.

Aus der US 4.102.205, die der DE-OS 26 23 522 entspricht, ist es ferner bekannt, die jeweils empfangenen Ultraschallsignale entsprechend der Schall feidcharakteristik des Prüfkopfes zu korrigieren, in dem die entsprechenden Korrekturwerte aus einem Festwertspeicher abgerufen und mit den gemessenen Werten verknüpft werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Meßeinrichtung der eingangs erwähnten Art so weiter zu entwickeln, daf; eine genau und weitgehend automatische Ermittlung der Wanddicke oder Schallgeschwindigkeit von Werkstücken möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 und 2 gelöst.

Der in dem erfindungsgemäßen SE-Prüfkopf vorgesehene Testreflektor hat im wesentlichen zwei Funktionen zu erfüllen. Zum einen soll mit diesem Reflektor ein für den jeweiligen Prüfkopftyp charakteristisches Signal erzeugt werden, das zur automatischen Identifizierung dieses Prüfkopfes verwendet wird. Jedem Prüfkopftyp ist deshalb ein unterschiedlicher Reflektor zugeordnet. Dadurch ist es möglich, die für den jeweiligen Prüfkopftyp charakteristischen Faktoren mit dem Auftreten des entsprechenden Testreflektor-Echosignales aus einem Speicher eines Mikroprozessors abzurufen und bei den folgenden Wanddickenmessungen automatisch zu berücksichtigen. Insbesondere kann damit der sogenannte Umwegfehler, d.h. der bei SE-Köpfen durch die Winkel anordnung der Wandler entstehende Wegfehler ("V-förmiger Weg des Ultraschall impulses) kompensiert werden.

Zum anderen dient das von dem Testreflektor erzeugte Echosignal als Startsignal für die zur Wanddickenbestimmung erforderliche Laufzeitmessung der Ultraschall impulse.

Schließlich kann dieses Echosignal auch zusätzlich zur Temperaturüberwachung des Prüfkopfes herangezogen werden. Denn sofern sich Die Temperatur der Vor!aufkörper des Prüfkopfes ändert, ändert sich auch die zeitliche Lage des von dem Testreflektor erzeugten Echosignales, überschreitet etwa dieses Signal einen vorgegebenen Wert, so erzeugt die Meßeinrichtung ein entsprechendes Warnsignal, was darauf hindeutet, daß der Prüfkopf zu heiß betrieben wird.

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Sobald der Prüfkopftyp identifiziert ist, erfolgt automatisch die Nullpunktskalibrierung der Meßeinrichtung. Hierzu wird der erfindunqsqemäße SE-PrUfkopf auf einen Kalibrierkörper bekannter Dicke T und bekannter Schallgeschwindigkeit aufgesetzt. Dann wird die Laufzeit der Ultraschallsignale, die von dem Sendewandler erzeugt und von der Rückwand des Kalibrierkörpers reflektiert werden, gemessen (2 χ ( L - X) + T). Anschließend wird dieser Laufzeitwert von dem Laufzeitwert abgezogen, der dem reflektierten Testreflektorsignal entspricht (2 χ (L - X) ). Unter Berücksichtigung des für den Prüfkopf typischen Umwegfehlers kann dann mit Hilfe der Auswerteeinheit das Korrektursignal errechnet werden, das erforderlich ist, damit der gemessene Dickenwert identisch ist mit dem angezeigten Dickenwert T. Dieser Korrekturwert wird dann später bei der Ermittlung der Wanddicke bzw. der Schallgeschwindigkeit von Werkstücken unbekannter Wanddicke bzw. Schallgeschwindigkeit verwendet.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn zur Nullpunktskalibrierung ein Kalibrierkörper verwendet wird, der fest mit der Meßeinrichtung verbunden ist und an dessen geräteseitiger Rückwand ein Ul traschall prüfkopf angeordnet ist, der als Empfangswandler verwendet wird.

In diesem Falle ist es auf einfache Weise möglich, die batteriebetriebene Meßeinrichtung leistungssparend zu betreiben. Hierzu arbeiten die in dem Mikroprozessor enthaltenen C-MOS Schaltungen zunächst mit einer niedrigeren Taktfrequenz. Der Ultraschall prüfkopf wird dabei in bestimmten vorgegebenen Zeitabständen überwacht. Sobald der Prüfkopf einige durch den Kalibrierkörper gelangenden Ul traschall signale empfängt, wird die Meßeinrichtung voll eingeschaltet.

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Nach diesem Einschalten der Hebe innen 1 ing wird der Typ des SE-Prüfkopfes automatisch identifiziert und der !Mikroprozessor errechnet einen Null punktkorrekturwert, der dafür sorgt, daß au"" der Anzeigevorrichtung der bekannte Oickenwert des Kalibrierkörpers angezeigt wird. Sowohl die Dicke als auch die S:hai!geschwindigkeit des Kalibrierkörpers sind bekannt und pergament in der Meßeinrichtung abgespeichert. Der berechnete Korrekturwert wird in allen folgenden Messungen verwendet.

IC Als besonders vorteilhaft hat es sich auch erwiesen die Meßeinrichtung mit einer Betriebsart "Minimalwert" zu betreiben. Hierbei wird in bestimmten zeitlichen Abstanden der jeweils minimal gemessene Dickenwert für einen vorbestimmten Zeitraum (einige Sekunden) angezeigt. Diese Betriebsart ist insbesondere bei der Wanddickenmessung von korrodierten Werkstücken besonders vorteilhaft. Denn bei bekannten Meßeinrichtungen wird beim Abtasten des Prüfstückes der gemessene Dickenwert an derartigen korrodierten Stellen nur für einen sehr kurzen Augenblick angezeigt. Häufig übersieht dahe>~ der Bed^re'-eines derartigen Gerätes eine entsprechende Anzeige. Die Speicherung unc

2G Anzeige des minimalen Dickenwertes für einige Sekunden erlaubt es dem Betreiber, diese Minimalwertanzeige zu erkennen und gegebenenfalls eine genaue Nachmessung an der entsprechenden Stelle des Werkstückes durchzuführen. Es kann dann eine exakte Ortung des Korrosionsfehlers erfolgen.

Vorteilhafterweise kann die Meßeinrichtung auch so programmiert werden, daß statt der wirklichen Dicke des Werkstückes die Differenz zwischen dem gemessenen Dickenwert und einem vorgegebenen Nominalwert angezeigt wird. Dieses ist insbesondere für Anwendungen in der Qualitätskontrolle nützlich.

Weitere Vorbeile und Einzelheiten der Erfindung v/erden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1: das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung mit einem SE-Prüfkopf·,

Fig. 2: die Vorderansicht eines Prüfgerätes;

Fig. 3: den Querschnitt eines Kalibrierkörpers mit Empfangswandler;

Fig. 4: die Darstellung eines Prüfkopfes, mit dem ein korrodiertes Werkstück abgetastet wird; und

Fig. 5: das Blockschaltbild eines Minimalwertdetektors.

Fig. 1 zeigt eine Meßeinrichtung gemäß der Erfindung. Ein SE-Prüfkopf 10 enthält einen Sendewandler 12, der auch als Empfangswandler verwendet wird, sowie einen Empfangswandler 14. Der Sendewandler 12 und der Empfangswandler 14 sind akustisch an die Oberfläche eines Werkstückes gekoppelt, damit das erzeugte Ultraschall signal in das Werkstück eingeschallt und die entsprechenden Echosignale empfangen werden können.

Der Wandler 12 ist an einen Vorlaufkörper 16 und der Wandler 14 an einen Vorlaufkörper 18 gekoppelt. Beide Vorlaufkörper sind aus dem gleichen Material, z.B. Lucit (Plexiglas) und sind akustisch durch eine Schallabsorptionstrennschicht (z.B. Kork) 20 voneinander isoliert. Die gesamte Anordnung befindet sich in einem Gehäuse 11.

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Der Vorlaufkörper 16 enthält eine transversal gebohrte Nut (Testreflektor) 22, die im Abstand "X" von der dem Werkstück zugewandten Oberfläche 24 des Prüfkopfes 10 angeordnet ist. Die Länge des Vorlaufkörpers 18 ist um den Wert "2X" kürzer als die Länge des Vorlaufkörpers 16. Der Abstand "X" ist für unterschiedliche Prüfkopftypen unterschiedlich. Die Unterschiede der Prüfkopftypen basieren auf Faktoren wie der Frequenz der Ultraschallsignale, dem Winkel der Wandler 12 und 14 im Bezug auf die Normale der Werkstückoberfläche, der maximal zulässigen Arbeitstemperatur des Prüfkopfes 10, der Länge L des Vorlaufkörpers usw. Die charakteristischen Faktoren jedes Prüfkopftypes sind in einem in der Meßeinrichtung enthaltenen Speicher gespeichert. Das Abrufen dieser gespeicherten Werte zwecks Ermittlung der Wandstärke oder Schallgeschwindigkeit von Werkstücken, wird im folgenden näher beschrieben.

Zur Wanddickenmessung wird von dem Sender 38 der Wandler 12 zur Abgabe eines entsprechenden Schall impulses veranlaßt. Dieser Schall-■ impuls gelangt durch den Vorlaufkörper 16 in das Werkstück W. Bei Unterbrechung des Ultraschallsignales an einer akustischen Ungänze wird ein Teil reflektiert und gelangt von dem Werkstück und dem Vorlaufkörper 18 an den Empfangswandler 14.

Das empfangene Ultraschallechosignal wird von dem Wandler 14 in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und dem Empfänger zugeführt. Das dem Echo entsprechende elektrische Signal gelangt anschließend zu einer Auswerteeinheit 52, in dem die Berechnung der Werkstückeiqenschaften, wie Wanddicke oder Schallgeschwindigkeit, erfolgt. Die Werkstücksdicke ist das Produkt aus der Schallgeschwindigkeit des Werkstückes multipliziert mit der halben Laufzeit des Ultraschallsignales durch das Werkstück hindurch.

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Die Laufzeit des Ultraschall signal es durch das Werkstück hindurch, wird üblicherweise durch die Messung der Zeit vom Empfang des Eintrittsechos bis zum Empfang des Rückwandechosignales ermittelt (vgl. auch US-PS 3.486.368). Es ist auch bekannt, als Startsignal für die Laufzeitmessung ein elektrisches Signal zu verwenden, daß von dem Sendesignal mit Hilfe einer Verzögerungsschaltung abgeleitet wird (vgl. US-PS 3.427.866).

Bei Verwendung von SE-Prüfköpfen ist es erforderlich, die gemessene Laufzeit der Ultraschallsignale zu korrigieren, um den "V-förmigen Signalweg (Umwegfehler) zu kompensieren. Im Gegensatz hierzu ist eine derartige Korrektur bei sogenannten Normal prüfköpfen nicht erforderlich. Denn Normal prüfköpfe besitzen lediglich ein Wandlerelement, wobei die Einschallung üblicherweise senkrecht zur Werkstücksoberfläche erfolgt. Um bei SE-Prüfköpfen den Umwegfehler zu kompensieren, wird die Auswerteschaltung 42 durch einen Mikroprozessor 44 kontrolliert. In diesem Mikroprozessor befindet sich ein PROM, der mit den charakteristischen Faktoren jedes Prüfkopftyps programmiert ist. Für nicht identifizierbare Prüfköpfe 10, enthält der PROM Durchschnittskorrekturwerte zur Durchführung der Umwegfehlerkompensation. Die Nullpunktskalibrierung erfolgt in diesem Fall in herkömmlicher Weise.

,Die Identifizierung des Prüfkopftyps wird durch die Laufzeit der Schall impulse von dem Sendewandler 12 zu dem Testreflektor 22 bestimmt. Wenn ein Sendesignal in das Werkstück eingeschalit wird, so gelangt auch ein Teil des Ultraschallsendesignals von dem Wandler 12 an den Testreflektor 22 und wird von diesem zu dem Wandler 12 reflektiert. Die Laufzeit des von dem Testreflektor stammenden Echosignals wird von der Auswerteeinheit 42 ermittelt und der Mikroprozessor 44 ordnet der gemessenen Laufzeit einen bestimmten PrüfkoöftyD zu. Nach Identifizierung des Prüfkopftyps v/erden die

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charakteristischen Faktoren des Prüfkopfes von dem in dem Mikroprozessor 44 enthaltenen PROM an die Auswerteeinheit ^2 zur Durchführuna der Wanddicken- oder SchallgeschwindigkeitSiTiessanq L'oerqeDen.

Die Verstärkung des Empfängers 40 kann stufenweise verändert werden, um das von dem Testreflektor 22 empfangene Echosignal als solches zu identifizieren. Hierzu wird nach dem Empfang des von dem Testreflektor stammenden Echos die Verstärkung des Empfängers 40 vermindert, um den Empfang des von dem Werkstück W stammenden Eintrittsechos zu erleichtern. Beim Auftreten derartiger Eintrittsechos identifiziert die Meßeinrichtung dann das zeitlich vor diesem Echo empfangene Echo als Testreflektor-Echosignal. Die Verwendung von Empfängern -nit Verstärkern, die stufenförmig oder variabel sind, ist beispielsweise aus der US 4.050.292 bekannt.

Nach dem die Korrekturwerte für den erfindungsgemäßen Prüfkopf der Auswerteeinheit 42 zugeführt wurden, wird zwecks automatischer Temperaturkompensation des Prüfkopfes 10 die Laufzeit der Ultraschallsignale vom Wandler 12 zu dem Testreflektor 22 und zurück, entlang des Weges 30 gemessen und in einem Speicher abgelegt. Der Prüfkopf wird dann an ein Werkstück bekannter Dicke T und bekannter Schallgeschwindigkeit V akustisch gekoppelt. Ein von dem Sendewandler 12 erzeuqtes Ultraschallsignal gelangt dann von diesem Wandler 12 entlang des Weges 26 durch den Vor!aufkörper 16 zu der Rückwand des Werk-Stückes, wo es reflektiert wird und qelangt dann entlang des Weges durch den Vorlaufkörper 18 an den Empfangswandler 14.

Die Weglänge des an dem Testreflektor reflektierten Signals entlang des Weges 30 ist:

2 χ (L - X) = 2L - 2X (Gl. 1}

wobei mit L die Länge des Vorlaufkörpers bezeichnet ist.

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Die Weglänge des, entlang der Wege 26 und 28, laufenden Ultraschallsignales in den Vorlaufkörpern 16 und 18 ist:

L + L - 2X = 2L - 2X (61. 2)

Dieser Wert wird dadurch ermittelt, daß zunächst die Laufzeit gemessen wird, die zwischen der Erzeugung eines Ul traschall impulses durch den Sendewandler und dem Empfang dieses an der Rückwand des Kalibrierkörpers reflektierten Impulses vergeht. Anschließend wird von diesem gemessenen Laufzeitwert dann die Dicke T abgezogen.

Die durch die Gleichungen 1 und 2 bestimmten Werte sind gleich und sollten für alle Messungen gleich bleiben. Bei Durchführung der Wanddickenmessung an Werkstücken unbekannter Dicke, wird deshalb das von dem Testreflektor stammende Echosignal als Startsignal für die eigentliche Laufzeitmessung verwendet, üblicherweise wird daher mit diesem Signal ein Flip-Flop gesetzt. Das Zurücksetzen dieses Flip-Flops erfolgt dann mit dem von der Rückwand des zu prüfenden Werkstückes stammenden Echos. Die Torbreite des Ausgangssignals des Flip-Flops, die automatisch Temperatur kompensiert ist, entspricht der Dicke des Werkstückes. Die Ermittlung der am Ausgang des Flip-Flops liegenden Torbreite mit Hilfe von Ultraschallmesseinrichtungen ist seit langem bekannt. Anschließend wird der Umwegfehler und die Nullpunktsfehlerkorrektur für die Ermittlung der Wand- dicke durchgeführt. Während der nachfolgenden Messungen vergleicht die Auswerteeinheit 42 die anfänglich gemessenen und von dem Testfehler stammenden Echosignale mit den entsprechenden nachfolgenden Signalen, um eine Temperaturbeeinflussung auf die Vorlaufkörper zu ermitteln. Sofern der von den Testreflektoren stammende Echo-Signallaufzeitwert von dem ursprünglichen Laufzeitwert um einen bestimmten vorgegebenen Betrag abweicht, ist der Prüfkopf zu heiß geworden. In diesem Falle erzeugt die Messeinrichtung ein Warnsignal (z.B. Aufleuchten der Lampe 41 (Fig. 2)), so daß keine Fortsetzung

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der Messung erfolgt und der Prüfkopf 10 nicht zerstört wird.

Die Temperaturkompensation bei der vorstehend beschriebenen Laufzeitermittlung, wobei das Flip-Flop mit dem von dem Testreflektor stammenden Signal gesetzt und mit dem von dem Werkstück verursachten Rückwandecho zurückgesetzt wird,- ist so lange genau wie sichergestellt ist, daß die Abnutzung der Prüfkopfunterseite 24 für beide Vor! auf körper 16 und 18 gleich ist. In diesem Fall bleibt die VJegdifferenz der Vor!aufkörper von 2X erhalten.

Sofern die Meßeinrichtung nicht sowohl das von dem Testfehler stammende Echo als auch das von der Oberfläche des Werkstückes stammende Echosignal empfängt, zeigt eine Lampe 43 (Fig. 2) an, daß ein Spezial prüfkopf und nicht ein erfindungsgemäßer Prüfkopf mit Testreflektor verwendet wird. In dem PROM sind sogenannte mittlere Umwegfehlerkorrekturfaktoren gespeichert, die von der Auswerteeinheit abgerufen werden. Sofern diese Korrekturfaktoren verwendet werden, erfolgt die Kalibrierung der Meßeinrichtung in herkömmlicher Weise mit Hilfe eines stufenförmigen Kalibrierkörpers. Die in herkömmlicher Weise ermittelten Korrekturwerte werden dann in dem Mikroprozessor 44 für die nachfolgenden Wanddicken- oder Schallgeschwindigkeitsmessungen gespeichert.

Die vorliegende Erfindung enthält auch erfindungsgemäß Mittel zur Aktivierung der Meßeinrichtung. Hierzu ist auf der Vorderseite des Prüfgerätes ein Kalibrierkörper 50 bekannter Wanddicke und bekannter Schallgeschwindigkeit angeordnet (vgl. Fig. 2). Wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist, befindet sich auf der geräteseitigen Oberfläche des Kalibrierkörpers 50 ein Empfangswandler 52, der ständig akustisch an den Kalibrierkörper' 50 gekoppelt ist. Im normalen Betrieb der Meßeinrichtung arbeitet das Prüfgerät mit einer hohen Frequenz, die typischer Weise 2 MHz beträgt. Wenn die Meßeinrichtung nicht aktiv ist wird das Prüfgerät mit einer niedrigeren Frequenz, z.B. mit 1 KHz,betrieben. Der Mikroprozessor 44 und die Auswerteeinheit 42 enthalten C-MOS-Bauelemente, die einen geringen Leistunqsver-

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] brauch besitzen, so daß die Batterie!ei stung minimiert werden kann. Der Ausgang des Wandlers 52 wird periodisch z.B. jede halbe Sekunde überwacht um festzustellen, ob ein Ul traschall signal an den Wandler gelangt ist. Sofern keine Signale von dem Wandler empfangen wurden, bleibt die Meßeinrichtung ausgeschaltet. Empfängt der Wandler 52 ein Signal, so wird das Zeitintervall zwischen dem Sendeimpuls des Senders 38 und dem Empfang des Ultraschall signals durch den Wandler 52 gemessen. Wenn mehrere nacheinander durchgeführte Messungen anzeigen, daß das Zeitintervall gleich derjenigen Zeitdauer entspricht, die ein Ultraschal!signal benötigt, um von dem Prüfkopf 10 durch den Kalibrierkörper 50 zu dem Wandler 52 zu gelangen, wird die Meßeinrichtung aktiviert. Der Prüfkopftyp wird bestimmt und der Hochfrequenztaktgenerator aktiviert. Die Meßeinrichtung ist fertig zur Wanddickenmessung.

Diese Inbetriebnahmeprozedur der Meßeinrichtung veranlaßt auch die automatische Nullpunktskalibrierung der Meßeinrichtung. Sobald ein Signal von dem Wandler 42 empfangen wird, mißt das Prüfgerät die bekannte Dicke des Kalibrierkörpers 50' unter Verwendung der in dem Mikroprozessor 44 gespeicherten Schallgeschwindigkeit des Kalibrierkörpers. Zur automatischen Nullpunktskalibrierung wird eine Korrekturzeit (Nullpunktskompensation) unter Verwendung der folgenden Gleichung ermittelt:

Bekannte Dicke des Kalibrierkörpers 50 = bekannte

akustische Geschwindigkeit des Kalibrierkörpers χ (gemessene Laufzeit + Korrekturzeit) (Gl. 3)

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Dicke und die Schallgeschwindigkeit des Kalibrierkörpers 50 permanent in einem PROM, der sich in dem Mikroprozessor 44 befindet, gespeichert. Aus aer gemessenen Impuls-Echolaufzeit des Ultraschall signals, das zur Wanddickenbestimmung des Kalibrierkörpers 50 verwendet wird, be-

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rechnet die Auswerteeinheit 42 den entsprechenden Wandstärkenwert. Wenn der Prüfkopftyp bereits ermittelt wurde, wird eine Umwegfehlerkorrektur während der eigentlichen Wanddickenmessung durchgeführt. Um sicher zu stellen, daß eine gute Ankopplung des Prüfkopfes 10 an den Kalibrierkörper 50 vorhanden ist und sich ein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat, werden die Laufzeitwerte mehrmals nacheinander gemessen. Unter Verwendung dieser Laufzeitwerte wird Gleichung 3 nach der Korrekturzeit (Nullpunktskorrektur) aufgelöst. Der berechnete Korrekturzeitwert wird in dem Speicher des Mikroprozessors 44 gespeichert und für alle folgenden Messungen als Nullpunktskorrekturwert für die Kalibrierung dieser Meßeinrichtung verwendet. Es ist ebenfalls möglich eine Nullpunktskalibrierung der Meßeinrichtung mit Hilfe eines Werkstückes bekannter Dicke und bekannter Schallgeschwindigkeit vorzunehmen. Die Dicke und Schallgeschwindigkeit werden in den Speicher des Mikroprozessors mit Hilfe einer Tastatur 80 (oder anderer Eingabemittel) eingegeben. Nach Identifizierung des Prüfkopftypes wird unter Verwendung der eingegebenen Dicke und Schallgeschwindigkeit die Korrekturzeit durch entsprechende Auflösung der Gleichung 3 ermittelt. Die Meßeinrichtung ist dann zur Ultraschallwanddickenbestimmung unter Verwendung des speziellen Prüfkopfes bereit. Die Umwegfehlerkorrektur, die Nullpunktskalibrierung und die Temperaturkompensationen können automatisch und schnell durchgeführt werden.

Sofern die unbekannte Wandstärke eines Werkstückes ermittelt werden soll, muß die Schallgeschwindigkeit des Werkstückes mit Hilfe der Tastatur 80 oder anderer Eingabemittel in den Speicher des Mikroprozessors 44 eingegeben werden. Der Korrektur-(Nullpunkts-) wert, der während des Einschaltvorqanges berechnet wurde, wird aus dem Speicher abgerufen. Gleiches gilt auch für die im PROM für den entsprechenden Prüfkopftyp abgespeicherten Umwegfehlerkorrekturwerte.

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Die Wanddicke de.s Werkstückes kann daher durch Lösung der folgenden Gleichung ermittelt werden:

Wanadicke des Werkstückes = Vorgegebene Schall geschwindigkeit des Werkstückes χ (Pulsecholauf

zeit + Korrekturzeit + Umwegfehlerkorrektur) (Gl. 4)

Ist es umgekehrt erforderlich die Schallgeschwindigkeit eines Werkstückes zu ermitteln, so wird die bekannte Dicke dieses Werkstückes über den Mikroprozessor 44 in den Speicher einprogrammiert und Gleichung 4 nach der unbekannten Schallgeschwindigkeit aufgelöst.

In einem Ausführungsbeispiel der Meßeinrichtung sind Mittel zur Speicherung des minimalen Wanddickenwertes enthalten. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, wird der Prüfkopf 10 während der Prüfung über die Oberfläche 60 eines korrodierten Werkstückes geführt. Das in Fig. 4 im Querschnitt dargestellte Werkstück zeigt drei Fehler 62, 64 und 66 mit unterschiedlicher Weite und Tiefe. Der gefährlichste Fehler ist der Fehler 64, weil die verbleibende Wanddicke zwischen dem Fehler und der Oberfläche 60 ein Minimum annimmt. Wenn der Prüfkopf 10 von links nach rechts über das Werkstück in Richtung des Pfeiles 68 bewegt wird, wird die Dicke des Werkstückes kontinuierlich gemessen und die entsprechenden Signalwerte einem Komparator 70 (Fig. 5) und dem Eingang eines Speichers 72 zugeführt.

Der andere Eingang des Komparators 70 ist mit dem Ausgang des Speichers 72 verbunden. Dem Ausgang des Speichers 72 ist außerdem die Anzeigevorrichtung 46 zur Anzeige des kleinsten Dickenwertes nachgeschaltet. Fig. 5 ist ein vereinfachtest Blockschaltbild, bei dem entsprechende Puffer und Zwischenspeicher weggelassen wurden. Wenn der Prüfkopf 10 über die Oberfläche des Werkstückes bewegt wird, wird der jeweils letzte Dickenmesswert in dem Komparator 70 mit dem vorher gemessenen minimalen Wanddickenwert verglichen. Falls der neue Messwert kleiner als der gespeicherter Wert ist, (der entsprechende Teil des Werkstückes also dünner ist als die vorher kontrollierten Werkstücks-

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teile), so wird der Speicher 72 und die Anzeigevorrichtung 46 auf den niedrigeren gemessenen Dickenwert neu eingestellt. Nach einem vorgegebenen Zeitintervall, das überlicherweise einige Sekunden beträgt, wird der Speicher und die Anzeigevorrichtung (durch Mittel die nicht gezeigt sind) zurückgesetzt.

Im Gegensatz zur Fig. 5, in der Schaltungselemente zur Bestimmung und Speicherung des minimalen Dickenwertes dargestellt sind, ist es auch möglich, eine Minimal Wertbestimmung mit Hilfe des Mikro-Prozessors 44, d.h. mit Hilfe eines Softwareprogrammes vorzunehmen.

Der Vorteil einer Speicherung der Minimalwertanzeige besteht darin, daß der Bediener der Meßeinrichtung in der Lage ist, auch minimale Wanddickenwerte des Werkstückes während der kontinuierlichen Abtastung der Werkstückoberfläche 60 zu sehen. Falls erforderlich kann der Bediener das Werkstück erneut abtasten, um den minimalen Wanddickenbereich genau zu lokalisieren. Außerdem ist es möglich aufgrund der Minimalwertanzeige das Werkstück nachzubessern.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Prüfgerät einen hörbaren oder sichtbaren Alarm (Anzeige erfolgt z.B. durch die Lampe 45 in Fig. 2) auslösen, wenn das Werkstück einen vorgegebenen minimalen Dickenwert unterschreitet und damit den Bediener des Gerätes entsprechend alamieren.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zusätzlich die Betriebsart "Differenzdickenwert" vorgesehen. Eine derartige Meßeinrichtung eignet sich vor allem für die Qualitätskontrolle. In dieser Betriebsart wird über die Tastatur 80 ein Wanddickenwert vorgegeben und in den Mikroprozessor einprogrammiert. Die Meßeinrichtung bestimmt dann die Differenzdicke, d.h. die Differenz zwischen dem vorgegebenen Wert und dem tatsächlich gemessenen Wanddickenwert. Der Differenzdickenwert wird dann angezeigt. Bei Verwendung einer Alarmvorrichtung

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die anzeigt, daß der Differenzdickenwert größer ist als ein vorgegebener Toleranzbereich, kann das Werkstück je nach Aufgabenstellung entfernt oder sehr genau noch einmal geprüft werden.

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Claims (3)

1. 332752S

   Krautkrämer GmbH 29. Juli 1983

   Luxemburger Str. 449 P/Cl

   Köln 41 B-176

   Patentansprüche

   "/TT) Verfahren zur Bestimmung der Wanddicke oder der Schallgeschwindig- ~"~~ ' keit von Werkstücken mit einer Ultraschallmeßeinrichtung, die aus einem einen Sender, einen Empfangsverstärker, einer Auswerteeinheit und einer Anzeigevorrichtung enthaltendes Prüfgerät und einem SE-Prüfkopf besteht, wobei die Wandlerelemente des SE-Prüfkopfes sich auf Vorlaufkörpern unterschiedlicher Länge befinden und daß vor der eigentlichen Wanddicken- oder Schall geschwindigkeitsmessung eine Nullpunktskalibrierung durchgeführt wird,
   dadurch gekennzeichnet,

   - daß das von einem in dem SE-Prüfkopf (10) angeordneten Testreflektor (22) reflektierte Signal von dem Sendewandler (12) des SE-Prüfkopfes (10) empfangen und als für diesen Prüfkopftyp charakteristisches Signal zur automatischen Identifizierung des Prüfkopfes einem in dem Prüfgerät enthaltenen und mit der Auswerteeinheit (42) verbundenen Mikroprozessors (44) zugeführt wird,

   - daß nach Identifizierung des SE-Prüfkopfes (10) aus einem.

   in dem Mikroprozessor (44) enthaltenen Speicher, die für den Prüfkopf (10) charakteristischen Korrekturwerte, insbesondere Umwegfehlerkorrekturwerte ausgelesen und die mit dem Empfangswandler (14) des SE-Prüfkopfes (10) empfangenen Ultraschallechosignale, in der Auswerteeinheit (42) entsprechend korrigiert werden; und

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   - daß die Nullpunktskalibrierung automatisch durchgeführt wird, in dem die Wanddicke eines Kalibrierkörpers (50) gemessen und mit der bekannten in das Prüfgerät vorher einprogrammierten Wanddicke des Kalibrierkörpers mit Hilfe der Auswerteeinheit

   (42) und des Mikroprozessors (44) verglichen wird.
2. 2. SE-Prüfkopf zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß in dem Vorlaufkörper (16) auf dem der Sendewandler (12) angeordnet ist, sich im Abstand L-X von dem Sendewandler (12) ein Testreflektor (22) befindet, wobei L die Länge des Vor!aufkörpers (16) und X ein Wert zwischen 0 und L/2 (O-^X-^L/2) bedeutet, und

   - daß der Vorlaufkörper (18) auf dem der Empfangswandler (14) angeordnet ist, eine Länge L - 2X aufweist.
3. 3. Prüfgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß der Kalibrierkörper (50) auf dem Prüfgerät selbst ange<ordnet ist; und

   - daß auf der geräteseitigen Oberfläche des Kalibrierkörpers (50) ein als Empfangswandler wirkender Ul traschall prüfkopf (52) angeordnet ist.

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