DE3327526C2 - Verfahren und Ultraschallmeßeinrichtung zur Bestimmung der Wanddicke oder Schallgeschwindigkeit von Werkstücken - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ultraschallmeßeinrichtung zur Bestimmung der Wanddicke oder der Schallgeschwindigkeit von Werkstücken (W). Erfindungsgemäß enthält die Ultraschallmeßeinrichtung einen Mikroprozessor (44) und einen SE-Prüfkopf (10) mit Wandlern (12), die sich auf Vorlaufkörpern (16, 18) unterschiedlicher Länge befinden. Der Vorlaufkörper (16), auf dem der Sendewandler (12) angeordnet ist, enthält im Abstand L-X von dem Sendewandler (12) einen Testreflektor (22), wobei L die Länge dieses Vorlaufkörpers (16) und X ein Wert zwischen 0 und L/2 (0<X<L/2) bedeutet. Der Vorlaufkörper (18), auf dem der Empfangswandler (14) angeordnet ist, besitzt die Länge L-2X. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen SE-Prüfkopfes (10) ist es möglich, ein für den jeweiligen Prüfkopftyp charakteristisches Signal abzuleiten. Dieses Signal kann mit Hilfe des Mikroprozessors (44) sowohl zur Umwegfehlerkorrektur der gemessenen Laufzeitwerte für die Wanddickenmessung als auch zur Kompensation von Temperaturänderungen in den Vorlaufkörpern herangezogen werden. Durch Verwendung des Mikroprozessors (44) kann vorteilhafterweise auch eine automatische Nullpunktskalibrierung durchgeführt werden.

Description

ίο — 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 Mikroprozessor (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

— daß die Nullpunktskalibrierung automatisch durchgeführt wird, indem die Wanddicke eine Kalibrierkörpers (50) gemessen und mit der bekannten, in das Prüfgerät vorher einprogramierten Wanddicke des

Kalibrierkörpers mit Hilfe der Auswerteeinheit (42) und des Mikroprozessors (44) verglichen wird.

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 Vorlaufkörpers (16) und X ein Wert zwischen 0 und Ul (0 < X< L/2) bedeutet, und

— daß der Vorlaufkörper (18), auf dem der Empfangswandler (14) angeordnet ist, eine Länge L— 2X aufweist.

3. Prüfgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß der Kalibrierkörper (50) auf dem Prüfgerät selbst angeordnet ist; und

— daß auf der geräteseitigen Oberfläche des Kalibrierkörpers (50) ein als Empfangswandler wirkender Ultraschallprüfkopf (52) angeordnet ist

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 wobei vor der eigentlichen Wanddicken- oder Schallgeschwindigkeitsmessung 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 Werkstückes, 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 Schallgeschwindigkeit 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 Schallvorlaufkörpern 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 Schallvorlaufkörper 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 Gehäuse untergebracht.

Aus der US-PS 41 82 155, 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 Vorlaufkörper 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 möglich.

Aus der Literatur »Sov. Inv. Ill, Week E 17« (1981), Su-S, p. 23 ist ebenfalls eine Wanddickenmeßeinrichtiing

mit einem SE-Prüfkopf bekannt wobei die Wandlerelemente sich auf Vorlaufkörpern unterschiedlicher Länge befinden. Außerdem ist der Empfangswandler mit einem Hilfssender verbunden. Durch diese Maßnahmen sollen die durch die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit bedingten Meßfehler vermieden werden.

Aus der GB 11 21 767 (DE-OS 15 73 611) ist es ferner bekannt, zur Gewinnung von Bezugswerten, die zeitlich vor dem Oberkoppelecho liegen, Hflfsschwinger auf den Vorlaufkörpern des Empfangs- bzw. Sendewandlers anzuordnen. Dabei ist der Abstand der Hilfsschwinger zur Schallaustrittsfläd'e der Vorlaufkörper kleiner als der Abstand des Empfangs- bzw. Sendewandlers zur Schallaustrittsfläche.

Zur Gewinnung von Zeitbezugswerten ist es aus der GB 11 24 898 (US 34 85 087) auch bekannt, direkt an der Schallaustrittsfläche des Vorlaufkörpers auf dem der Sendewandler angeordnet ist, eine gebohrte Nut als Testreflektor einzubringen.

Aus der US 41 02 205, die der DE-OS 26 23 522 entspricht, ist es ferner bekannt, die jeweils empfangenen Ultraschallsignale entsprechend der Schallfeldcharakteristik des Prüfkopfes zu korrigieren, in dem die entsprechenden Korrekturwerte aus einem Festwertspeicher abgerufen und mit den gemessenen Werten verknüpft werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Meßeinrichtung der eingangs erwähnten Art so weiter zu entwickeln, daß eine genaue 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 folgenen Wanddickenmessungen automatisch zu berücksichtigen. Insbesondere kann damit der sogenannte Umwegfehler, d. h. der bei SE-Köpfen durch die Winkelanordnung der Wandler entstehende Wegfehler (»V«-förmiger Weg des Ultraschallimpulses) kompensiert werden.

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

Schließlich kann dieses Echosignal auch zusätzlich zur Temperaturüberwachung des Prüfkopfes herangezogen werden. Denn sofern sich die Temperatur der Vorlaufkörper 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.

Sobald der Prüfkopftyp identifiziert ist, erfolgt automatisch die Nullpunktskalibrierung der Meßeinrichtung. Hierzu wird der erfindungsgemäße SE-Prüfkopf 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 Ultraschallprüf kopf angeordnet ist, der als Empfangswandler verwendet wird.

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

Nach diesem Einschalten der Meßeinrichtung wird der Typ des SE-Prüfkopfes automatisch identifiziert, und der Mikroprozessor errechnet einen Nu'.lpunktkorrekturwert, der dafür sorgt, daß auf der Anzeigevorrichtung der bekannte Dickenwert des Kalibrierkörpers angezeigt wird. Sowohl die Dicke als auch die Schallgeschwindigkeit des Kalibrierkörpers sind bekannt und permanent in der Meßeinrichtung abgespeichert. Der berechnete Korrekturwert wird in allen folgenden Messungen verwendet.

Als besonders vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, die Meßeinrichtung mit einer Betriebsart »Minimalwert« zu betreiben. Hierbei wird in bestimmten zeitlichen Abständen 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 AuiaSicii dc» Prüfstücke» der gemessene Dickcnweri an derartigen korrodierten Stellen nur für einen sehr kurzen Augenblick angezeigt. Häufig übersieht daher der Bediener eines derartigen Gerätes eine entsprechende Anzeige. Die Speicherung und 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 Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mil Hilfe von Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. I das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung mit einem SE-Prüfkopf; F i g. 2 die Vorderansicht eines Prüfgerätes;

F i g. 3 den Querschnitt eines Kalibrierkörpers mit Empfangswandler;

F i g. 4 die Darstellung eines Priifkopfes, mit dem ein korrodiertes Werkstück abgetastet wird; und F i g. 5 das Blockschaltbild eines Minimalwertdetektors.

Fig. 1 zeigt eine Meßeinrichtung gemäß der Erfindung. Ein SE-Prüfkopf 10 enthält einen Sendewandler 12, ίο 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 UltraschaUsignal 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. Luck (Plexiglas), und sind akustisch durch eine Schallabsorptionstrennschicht (z. B. Kork) 20 voneinander isoliert Die gesamte Anordnung befindet sich in einem Gehäuse U.

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 Priifkopfes 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 Wandstücke oder Schallgeschwindigkeit von Werkstücken wird im folgenden näher beschrieben.

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

Das empfangene Ultraschallechosignal wird von dem Wandler 14 in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt und dem Empfänger 40 zugeführt Das dem Echo entsprechende elektrische Signal gelangt anschließend zu einer Auswerteeinheit 52, in dem die Berechnung der Werkstückeigenschaften, 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. Die Laufzeit des Ultraschallsignales 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 34 86 368). Es ist auch bekannt als Startsignal für die Laufzeitmessung ein elektrisches Signal zu verwenden, das von dem Sendesignal mit Hilfe einer Verzögerungsschaltung abgeleitet wird (vgl. US-PS 34 27 866).

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 Normalprüfköpfen nicht erforderlich. Denn Normalprüfköpfe besitzen lediglich ein Wandlerelement, wobei die Einschaltung 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 charakteristisehen 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 Schallimpulse von dem Sendewandler 12 zu dem Testreflektor 22 bestimmt Wenn ein Sendesignal in das Werkstück eingeschallt wird, so gelangt auch ein so 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 Restreflektor stammenden Echosignals wird von der Auswerteeinheit 42 ermittelt und der Mikroprozessor 44 ordnet der gemessenen Laufzeit einen bestimmten Prüfkopftyp zu. Nach Identifizierung des Prüfkopftyps werden die charakteristischen Faktoren des Prüfkopfes von dem in dem Mikroprozessor 44 enthaltenen PROM an die Auswerteeinheit 4 zur Durchführung der Wanddikken- oder Schallgeschwindigkeitsmessung übergeben.

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 mit Verstärkern, die stufenförmig oder variabel sind, ist beispielsweise aus der US 40 50 292 bekannt.

Nachdem 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 10 wird dann an ein Werkstück bekannter Dicke Tund bekannter Schallgeschwindigkeit V akustisch gekoppelt Ein von dem Sendewandler 12 erzeugtes Ultraschallsignal gelangt dann von diesem Wandler 12 entlang des Weges 26 durch den Vorlaufkörper 16 zu der Rückwand des Werkstückes, wo es

reflektiert wird, und gelangt dann entlang des Weges 28 durch den Vorlaufkörper 18 an dem Empfangswandler 14.
Die Weglänge des an dem Restreflektor reflektierten Signals entlang des Weges 30 ist:

2 χ (L-X) = 2 L- 2 X (Gl. 1)

wobei mit L die Länge des Vorlaufkörpers bezeichnet ist.

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

10 L+ L-2X=2L- 2X (G1.2)

Dieser Wert wird dadurch ermittelt, daß zunächst die Laufzeit gemessen wird, die zwischen der Erzeugung eines Ultraschallimpulses 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 Echo. Die Torbreite des Ausgangssignals des Flip-Flops, die automatisch temperaturkompensiert ist, entspricht der Dicke des Werkstückes. Die Ermittlung der am Ausgang des Flip-Flops liegenden Torbreite mit Hilfe von Ultraschallmeßeinrichtung ist seit langem bekannt. Anschließend wird der Umwegfehler und die Nullpunktsfehlerkorrektur für die Ermittlung der Wanddicke durchgeführt. Während der nachfolgenden Messungen vergleicht die Auswerteeinheit 42 die anfänglieh 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 Echosignallaufzeitwert 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 (F i g. 2)), so daß keine Fortsetzung 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 Vorlaufkörper 16 und 18 gleich ist. In diesem Fail bleibt die Wegdifferenz de^r Vorlaufkörper von 2Xerhalten.

Sofern die Meßeinrichtung nicht sowohl das von dem Testfehler stammende Echo als auch das von der Oberfläche des Werkstückes stammende Echosginal empfängt, zeigt eine Lampe 43 (F i g. 2) an, daß ein Spezialprüfkopf und nicht ein erfindungsgemäßer Prüfkopf mit Testreflektor verwendet wird. In dem PROM sind sogenannte mittlere Umwegfehlerkorrekturfaktoren gespeichert, die von der Auswerteeinheit abgerufen werden. Sofern dkse 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. F i g. 2). Wie aus F i g. 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 typischerweise 2 MHz beträgt Wenn die Meßeinrichtung nicht aktiv ist, wird das Prüfgerät mit einer niedrigeren Frequenz, z. B. mit 1 KH2; betrieben. Der Mikroprozessor 44 und die Auswerteeinheit 42 enthalten C-MOS-Bauelemente, die einen geringen Leistungsverbrauch besitzen, so daß die Batterieleistung minimiert werden kann. Der Ausgang des Wandlers 52 wird periodisch z. B. jede halbe Sekunde überwacht um festzustellen, ob ein Ultraschallsignal 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 Ultraschallsignals durch den Wandler 52 gemessen. Wenn mehrere nacheinander durchgeführte Messungen anzeigen, daß das Zeitintervall gleich derjenigen Zeitdauer entspricht die ein Ultraschallsignal 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 der gemessenen Impuls-Echolaufzeit des Ultraschallsignals, das zur Wanddickenbestimmung des Kalibrierkörpers 50 verwendet wird, berechnet die Auswerteeinheit 42 den entsprechenden Wandstärkenwert. Wenn der Prüfkopftyp bereits ermittelt wurde, wird eine Umwegfehlerkorrektur während der eigentlichen Wanddickenmessung durchgeführt. Um sicherzustellen, 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 ίο 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 Uitraschaliwanddickenbestimmung 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-(NulIpunkts-)wert, der während des Einschaltvorganges berechnet wurde, wird aus dem Speicher abgerufen. Gleiches gilt auch für die im PROM für den entsprechenden Prüfkopftyp abgespeicherten Umwegfehlerkorrekturwerte.

Die Wanddicke des Werkstückes kann daher durch Lösung der folgenden Gleichung ermittelt werden:

Wanddicke des Werkstückes = Vorgegebene Schallgeschwindigkeit des Werkstückes

χ (Pulsecholaufzeit + Korrekturzeit -I- 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 F i g. 4 ersichtlich ist, wird der Prüfkopf 10 während der Prüfung über die Oberfläche 60 eines korrodierten Werkstückes geführt Das in F i g. 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 (F i g. 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. F i g. 5 ist ein vereinfachtes 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 gespeicherte Wert ist, (der entsprechende Teil des Werkstückes also dünner ist als die vorher kontrollierten WerkstOcksteile), so wird der Speicher 72 und die Anzeigevorrichtung 46 auf den niedrigeren gemessenen Dickenwert neu eingestellt. Nach einem vorgegebenen Zeitintervall, das üblicherweise einige Sekunden beträgt, wird der Speicher und die Anzeigevorrichtung (durch Mittel, die nicht gezeigt sind) zurückgesetzt

Im Gegensatz zur F i g. 5, in der Schaltungselemente zur Bestimmung und Speicherung des minimalen Dickenwertes dargestellt sind, ist es auch möglich, eine Minimalwertbestimmung mit Hilfe des Mikroprozessors 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 F i g. 2) auslösen, wenn das Werkstück einen vorgegebenen minimalen Dickenwert unterschreitet und damit den Bediener des Gerätes entsprechend alarmieren.
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, 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Wanddicke oder der Schallgeschwindigkeit 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 wobei vor der eigentlichen Wanddicken- oder Schallgeschwind-gkeitsmessung eine Nullpunktskalibrierung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet,