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Vorrichtung zur Ultrascha.llprüfung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung
mit einem Stoßwellensender, einem breitbandigen Prüfkopf und einem Anzeige- und/oder
Aufzeichnungsgerät für die reflektierten Signale, die vom Prüfkopf empfangen werden.
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Die Ultraschallprüfung ist ein verbreitetes Verfahren zur zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung. Hierbei wird die verhältnismäßig ungehinderte und bei den verwendeten
hohen Frequenzen gut ausgerichtete Ausbreitung des Ultraschalls in festen Körpern
benutzt, um Fehlstellen nachzuweisen, an denen Schallwellen reflektiert werden.
Fehlstellen können in Durchschallung oder mit Hilfe der Impuls-Echo-Technik nachgewiesen
werden. Im ersten Fall nimmt die durchgelassene Schallintensität ab und im zweiten
Fall werden zusätzliche Reflexionen zwischen dem Eintrittsecho und dem Rückwandecho
ausgewertet.
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Bei der Ultraschallprüfung werden die Ultraschallimpulse dadurch erzeugt,
daß piezoelektrische Wandler durch einen kurzen, einseitigen Spannungsstoß angeregt
werden.
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Das Verhalten der Ultraschallimpulse im Werkstoff hängt stark von
der Frequenz bzw. der Wellenlänge ab, und zwar insbesondere in bezug auf die durch
den Fokusabstand gegebene Nahfeldlänge und den Divergenzwinkel im Fernfeld, Streuung
und Absorption sowie Reflexion an Fehlstellen (Crostack u.a. "UltraschallprüSung
mit Sendeimpulsen stufenlos veränderlicher Frequenz und steuerbarer Spektralverteilung"
in der Zeitschrift "Materialprüfung", 20 (1978), Nr. 10, S. 372/377).
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Der in bekannten Vorrichtungen zur Ultraschallprüfung verwendete Stoßwellensender
erzeugt einen einseitigen negativen Impuls mit einem breitbandigen Frequenzspektrum
von beispielsweise 0 bis 14 MHz.
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Derartige Sender sind relativ einfach im Aufbau und daher preiswert.
Eine große Bandbreite ist jedoch ungünstig, weil die Definition für die Bewertung
der Prüfdaten schwierig und unter Umständen unmöglich ist. Das Prüffrequenzspektrum
hängt hierbei von der Ausbildung und Auslegung des Prüfkopfes ab.
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Um eine eindeutige Definition für die Bewertung der Prüfdaten zu erhalten,
ist es bekannt, den Sender als Schmalbandsender auszubilden, von dem schmalbandige
Ultraschallimpulse, vorzugsweise veränderlicher Frequenz, erzeugt werden. Diese
Technik ist als CS-(Control Signals)-Technik bekannt. Hierbei wird das gewünschte
schmalbandige Sendesignal durch Modulation eines monochromatischen Wechselspannungszuges
der gewünschten Prüffrequenz mit einem Dreieck- oder Sinusimpuls verschiedener Exponenten
erzeugt.
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Die Dauer der Hüllkurve muß dabei stets größer sein als die
Scklwingungsdauer
der zu modulierenden Prüffrequenz. Die mit einem solchen Schmalbandsender betriebenen
breitbandigen Prüfköpfe erzeugen akustische Impulse mit definierter Prüffrequenz
und Spektralverteilung.
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Die Realisierung eines Schmalbandsenders erfordert einen im Vergleich
zum üblichen Stoßwellensender (Breitbandsender) sehr hohen elektronischen Schaltungsaufwand,
der wiederum zu Kosten führt, die beispielsweise mehr als das 25fache der Kosten
für einen Stoßwellensender betragen, der zur Standardausrüstung eines normalen Ultraschallprüfgerätes
gehört.
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Bei der CS-Technik erfolgt die Begrenzung des Impulsspektrums bereits
im Sender des übertragungskanals "Sender-Prfkopf-Werkstück-Prüfkopf-Empfänger".
Damit wird die theoretisch mögliche Bandbreite dieses Übertragungskanals nicht voll
ausgenutzt, und es gehen nützliche Informationen verloren, nämlich diejenigen, die
nicht im Frequenzspektrum des Senders vorhanden sind, aber von den übrigen Gliedern
des übertragungskanals her möglich sind. Schmalbandsender sind normalerweise einstellbar
in bezug auf Frequenz und Impulsbreite. Um eine Prüfung mit verschiedenen Frequenzspektren
durchführen zu können, muß ein solcher Schmalbandsender jeweils von Schuß zu Schuß
umgeschaltet werden. Die Prüfung mit unterschiedlichen Frequenzspektren ist also
zwangsläufig seriell mit entsprechendem Zeitaufwand.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ultraschallprüfung
zu schaffen, die mit einem einfachen breitbandigen Stoßwellensender arbeitet und
die Durchführung von Ultraschallprüfungen mit definierter Spektralverteilung und
Mittenfrequenz verbunden mit hoher axialer und lateraler Auflösung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß deir.
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Prüfkopf empfangsseitig wenigstens ein Bandpaßfilter nachgeschaltet
ist, das für ein Frequenzspektrum durchlässig ist, das wesentlich schmaler ist als
das vom Sendekristall abgegebene Breitbandspektrum und daß das ausgefilterte Schmalbandspektrum.
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auf das Anzeige- und/oder Aufzeichnungsgerät geschaltet ist.
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Vorzugsweise ist ein durchstimmbares Bandpaßfilter vorgesehen.
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Zweckmäßig ist zu dem Bandpaßfilter ein Bypass für das Breitbandspektrum
vorgesehen, wobei Breitbandspektrum und Sehmalbandspektrum parallel auf ein zweikanaliges
Anzeige- und/oder Aufzeichnungsgerät geschaltet sind.
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Zweckmäßig sind Schaltmittel vorgesehen, mit denen in ausgewählten
Monitorblendenbereichen das Schmalbandfilter wirksam gemacht wird. Hiermit kann
durch exaktes Setzen von Blenden eine hohe axiale Auflösung erzielt werden.
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Bei Verwendung einer Mehrzahl von parallel geschalteten Bandpaßfiltern
ist eine Mehrfrequenzprüfung aus einem Schuß möglich, d.h. mit einem Ultraschallimpuls
kann die Amplitude der reflektierten Ultraschallwellen unterschiedlicher Frequenzen
gleichzeitig bestimmt werden.
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Soll außer einer hohen lateralen auch gleichzeitig eine hohe axiale
Auflösung erreicht werden, ist bei der automatischen Auswertung für jede Monitorblende,
d.h. für jeden selektierten Zeitbereich, eine separate Filterung notwendig. Das
breitbandige Empfangssignal wird dazu nur im Blendenbereich auf das Empfangsfilter
geschaltet. Zu diesem Zweck sind am Filtereingang Schaltmittel vorzusehen, die in
Abhängigkeit von der Monitorblende
geschaltet werden. Mit diesem
Auswerteverfahren erreicht man selbst bei schmalbandigen und damit längeren Impulsen
eine hohe axiale Auflösung.
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Ein weiterer Vorteil besteht noch darin, daß vorhandene Ultraschallprüfanlagen
mit breitbandigen Stoßwellensender mit einem Bandpaßfilter gemäß der Erfindung ohne
weiteres mit geringen Kosten nachgerüstet werden können.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht
und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Ultraschallprüfanlage mit einem Bandpaßfilter
gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt die elektrische Schaltung eines Empfängerfilters mit
schmalbandigem und breitbandigem Ausgan, wie er in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
Verwendung finden kann.
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Fig. 3 zeigt ein Standard, wie es zur Durchführung vcn Vergleichsversuchen
verwendet wurde.
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Fig. 4 zeigt einen C-Scan mit Amplitudeneinblendungen des Standards
nach Fig. 3 bei Auswertung des Breitbandsignales.
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Fig. 5 zeigt einen C-Scan mit Amplitudeneinblendung des Standard nach
Fig. 3 mit Signalbehandlung durch ein empfangsseitig angeordnetes Bandpaßfilter.
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Fig. 6 zeigt zwei Oszillogramme einer fehlerfreien Stelle - Darstellung
oben - und einer fehlerbehafteten Stelle - Darstellung unten -; wiedergegeben ist
jeweils im oberen Signal das ausgefilterte Frequenzspektrum, während im unteren
Kanal das breitbandige Frequenzspektrum erscheint.
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Fig. 7 zeigt die Schaltung eines durchstimmbaren Bandpaßfilters, wie
es zur Plattenwellenprüfung verwendet wird.
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Fig. 8 zeigt das Prinzip der Plattenwellenprüfung anhand einer Blechverklebung
zwischen zwei Aluminiumplatten.
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Fig. 9 zeigt die Oszillogramme einer Plattenwellenprüfung ohne Klebefehler
- obere Darstellung - und mit Klebefehler - untere Darstellung.
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In Fig. 1 ist eine Anlage dargestellt, wie sie bei der Durchführung
der weiter unten zu beschreibenden Fehlerprüfungen mittels Ultraschall verwendet
wurde. Das Ultraschallgerät 2 ist von bekannter Bauart und lediglich schematisch
dargestellt. Das Prüfgerät ist mit einem breitbandigen Stoßwellensender 4 ausgerüstet.
Der Ausgang 6 des Stoßwellensenders ist über ein Kabel 8 mit dem Prüferkopf 10 verbunden.
Für die Versuche wurde ein Prüfkopf mit einem gemeinsamen Quarz zum Sender und Empfänger
verwendet (Typ H 10 MP 15 der Firma Krautkrämer GmbH, Köln). Der Prüfling 12 ist
in üblicher Weise auf zwei Trägern 14 in einem mit Flüssigkeit gefüllten Tauchbecken
16 angeordnet, in dem der Prüfkopf 10 eingetaucht wird. Der Weg des gesendeten Impuls
ist in der Zeichnung gestrichelt und der Weg des reflektierten Impuls in voller
Linie schematisch dargestellt. An das Kabel 8 ist weiter ein Filtersystem mit dem
Eingang I und zwei Ausgängen
°1 und °2 angeschlossen. Dem Eingang
I nachgeschaltet ist ein Impedanzwandler 20 vorgesehen. Das Signal wird dann einmal
über ein Bandpaßfilter 22 mit nachgeschaltetem Impedanzwandler 24 auf den Ausgang
01 und zum andern über einen Bypass 26 mit einem Impedanzwandler 28 auf den Ausgang
°2 geschaltet. Der Ausgang °2 steht über ein Kabel 30 mit dem Eingang 32 des Prüfgerätes
2 in Verbindung. Das Prüfgerät ist mit einem Oszilloskop 34 versehen, auf das die
gesendeten Impulse und die empfangenen Impulse geschaltet sind. Auf dem Schirm des
Oszilloskopen 34 sind der gesendete Impuls H, der von der Oberfläche des Werkstückes
reflektierte Impuls K, der von einem Fehler W reflektierte Impuls M, der von der
Rückseite des Werkstückes reflektierte Impuls N und der vom Boden des Tauchbeckens
bzw. einem Hilfsreflektor reflektierte Impuls P über der Zeitbasis t dargestellt.
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Die Anlage ist weiter mit einem zweikanaligen Oszilloskop 36 mit den
Eingängen y1 und y2 dargestellt. Auf y1 ist das bei Ol anstehende Ausgangssignal
und auf y2 das bei °2 anstehende Breitbandsignal geschaltet. Das Schmalbandsignal
F ist oben dargestellt, während das Breitbandsignal G unten erscheint.
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Parallel zu dem Oszilloskop kann schließlich ein Aufzeichnungsgerät
37, hier als Bandschreiber 39 schematisch angedeutet, geschaltet sein mit dem zu
y1 und y2 des Oszilloskops 36 parallelen Eingängen y1' und y2'. Zur Aufzeichnung
kann auch ein analoger oder digitaler Datenspeicher 41 vorgesehen werden. Die Ausgänge
und °2 können auch auf einen on-line betriebenen Rechner geschaltet sein, der anstatt
des Aufzeichnungsgerätes, aber auch parallel zu diesem vorgesehen sein kann.
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Die Schaltung eines Ausführungsbeispieles für das Filtersystem 18
ist in Fig. 2 wiedergegeben. In der folgenden Besehreibung werden folgende Kurzbezeichnungen
verwendet. R = Widerstand, -c = Kondensator, T = Transistor, D = Diode und L = Induktivität.
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Der dem Eingang I nachgeschaltete Impedanzwandler 20 ist zweistufig
mit den beiden Transistoren T 1 und T2 aufgebaut. Das Eingangssignal bei I gelangt
über R2 und R3 auf das Gate des als Feldtransistor ausgebildeten Transistors T1.
Die Dioden D 1 bis D3 und D4 bis D6 bilden einen Überspannungschutz gegen die vom
Sender mit einer Spannung von ca. 300 V abgegebenen Impulse. Über den Widerstand
R1 wird das Gatepotential auf 0 V eingeste;'t. Die Betriebsspannung der Transistoren
T1 und T2 wird mit Hilfe der Zener-Dioden D7 und D8 von der Betriebsspannung +-
1S V auf 7,5 V herabgesetzt. Die Zener-Dioden 7 und 8 sind uber die Induktivitäten
L1, L2 an die Betriebsspannungsquelle + 15 V angeschaltet.
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Am Ausgang 0' des Impedanzwandlers 20 wird das Signal in einen breitbandigen
Zweig 26 und einen schmalbandigen Zweig 22 aufgeteilt.
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Der breitbandige Zweig 26 ist über den Impedanzwandler 28 mit einem
Verstärker IG1, der in bekannter Weise beschaltet ist, auf den Ausgang °2 geschaltet.
Dem Impedanzwandler 28 ist ein Hochpaßfilter (2,3 KHz) mit C3 und R8 vorgeschaltet,
der die an 0, anstehende Gleichspannung abtrennt und die weit außerhalb des Ultraschallfrequenzbandes
(1 - 14 MHz) liegenden Störungen unterdrückt. Mit R30 und R33 sowie C5 und G6 wird
die Betriebsspannung für den Verstärker IG1 gesiebt. Der Kondensator C7 schützt
den Verstärker IG1 gegen Zerstörung durch Gleichspannungen, die von außen auf den
Ausgang E2 gelangen können.
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Der zweistufig ausgebildete Bandpaßfilter 22 weist einen als spannungsgesteuerte
Stromquelle geschalteten ersten Transistor T3 auf, an dessen Basis das bei 0' anstehende
Empfangssignal über und R14 angeschaltet ist. Uber R13 wird die Vorspannung auf
0 V
eingestellt. R15 bildet eine starke Signalkopplung, um eine
Ubersteuerung der ersten Stufe zu vermeiden. Der Emitter von T3 ist über R15 und
R16 mit der negativen Spannungsquelle - 15 V verbunden. R16 ist mit C20 wechselspannungsmäßig
überbrückt und stellt zusammen mit R1S den Ruhestrom ein. An den Kollektor ist ein
Schwingkreis angeschaltet, der aus L3 und C8 gebildet ist.
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Dieser Schwingkreis hat eine Resonanzfrequenz von 10 MHz und wird
mit R17 bedämpft. Das Signal gelangt über C10 und R18 auf die zweite Filterstufe
mit dem Feldeffekttransistor T4, von dem Source und Drain in gleicher Weise beschaltet
sind wie Emitter und Kollektor bei T3. Der Schwingkreis mit L4 und Cg ist hier durch
R23 bedämpft. R19 und R20 dienen in Verbindung mit den Kondensatoren C11 und C12
der Betriebsspannungsentkopplung in den beiden Filterstufen.
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Dem Ausgang der zweiten Filterstufe ist der Impedanzwandler 24 nachgeschaltet,
der wie der Impedanzwandler 28 des breitbandigen Zweiges zur Impedanzanpassung eines
50-Ohm-Koaxialkabels an den Ausgang °1 dient. Der Impedanzwandler 24 weist wiederum
einen Verstärker IC2 auf, der in gleicher Weise. beschaltet ist wie der Verstärker
IG1 des Impedanzwandlers 28. Der Ausgang hat eine Bandbreite von 3 dB entsprechend
400 kHz bei einer Mittenfrequenz des Bandpaßfilters von 10 MHz.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, können in dem Filtersystem 18 parallel
zueinander mehrere Schmalbandfilter vorgesehen sein, die jeweils auf unterschiedliche
Frequenzbänder abgestimmt sind. Diese parallelen Schmalbandfilter 21, 23 sind eingangsseitig
an den Ausgang 0' des Impedanzwandlers 20 angeschlossen und ausgangsseitig jeweils
an einen Impedanzwandler 25, 27 mit Ausgängen 03 und 04. 03 und 04 sind in der Zeichnung
mit Verbindungen zu von y1, und y2, gesonderten Eingängen y3 und y4 des Aufzeichnungsgerätes
37 dargestellt, das für die Signale an y3 und y4 mit gesonderten Aufzeichnungsspuren
versehen ist.
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In Fig. 1 und 2 ist am Eingang des/der Schmalbandfilter jeweils eine
elektronische Schaltanordnung 19, 19' und 19" schematisch angedeutet. Diese Schaltanordnungen
sind über das Kabel 1? vom Prüfgerät 34 steuerbar, und zwar so, daß das Schmalbandfilter
im Monitorblendenbereich des Prüfgerätes geschaltet wird. Auf diese Weise ist exaktes
Setzen von Blenden möglich, durch die eine hohe axiale Auflösung auch im Schmalbandsignal
erzielbar ist. Die Blende kann dabei so gesetzt werden, daß nur Signale zwischen
Oberflächen- und Rückwandecho auf den Schmalbandfilter gelangen.
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In Fig. 3 ist ein Fehlerstandard 38 wiedergegeben, wie es für Vergleichsversuche
verwendet worden ist. Das dargestellte Standard hat eine Breite von 30 mm und eine
Länge von 100 mm. Es besteht aus dem Prepreg-System CFK T300/914C und ist in Form
eines Laminats mit einer Gesamtdicke von 2 mm ausgebildet mit einem Lagenaufbau
(O8)s Als Fehler wurden durch eine Doppeltrennfolie aus PTFE mit einer Dicke von
80 um in der Mittelebene lokale Delaminationen erzeugt, deren Form in Fig. 3 wiedergegeben
ist. Es handelt sich hier in einer ersten Reihe B1 um länglich ausgebildete Delaminationen
mit einer Länge von jeweils 10 mm. In einer Reihe B2 darunter sind kreisförmige
Delaminationen angeordnet. In der Reihe B1 ist die linke Delamination als Dreieck
mit einer Basisbreite von 5 mm ausgebildet. Die daneben liegenden Delaminationen
sind rechteckförmig mit nach rechts steigender Breite von 0,3, 0,5, 1,0 und 2,0
mm. Die in der Reihe B2 liegenden kreisförmigen Delaminationen haben jeweils einen
Durchmesser entsprechend der Breite der Delaminationen in der Reihe B1.
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Von dem Fehlerstandard 38 wurden C-Scans hergestellt und diese mit
eingeblendeter Ultraschallamplitude aufgezeichnet. Ein pen-lift erfolgt hierbei
bei einem Amplitudeneinbruch um 6 dB beim Hilfsreflektorecho und um 14 dB beim Oberflächenecho.
Das Hilfsreflektorecho wurde durch eine Glasplatte erzeugt, die in 3 mm Abstand
unter der Probe angeordnet war. Die Einblendung der
Amplitude gibt
weitere Informationen über den Verlauf der Fehlerränder, der durch die hier gewählte
Ausbildung der lokalen Delaminationen mit Hilfe einer Doppeltrennfolie besonders
steil erfolgen sollte.
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Bei der Messung mit breitbandigem Empfangssignal werden die Ränder
der Delaminationen unscharf, wie aus der Darstellung in Fig. 4 ersichtlich. Hier
sind insbesondere die kreisförmigen Delaminationen mit 0,3 und 0,5 mm Durchmesser
nicht zu erkennen.
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Ein C-Scan, der unter Verwendung des erfindungsgemäßen Filtersystems
hergestellt wurde, ist in Fig. 5 dargestellt. Hier sind die Fehlerränder entsprechend
ihrer Ausbildung mit steilem Verlauf wiedergegeben und auch die kreisförmigen Fehler
mit 0,3 und 0,5 mm Durchmesser sind gut aufgelöst dargestellt. Durch den steilen
Verlauf der Ränder aller Fehler heben sich die Delaminationen deutlich aus den fehlerfreien
Gebieten ab.
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Bei dieser hohen lateralen Auflösung wird die axiale Auflösung durch
die breiteren Echos infolge der Filterung schlechter. Da am Ausgang E2 des Filtersystems
18 gleichzeitig das breitbandige Ultraschallempfangssignal zur Verfügung steht,
kann dieses zur Fehlertiefenbestimmung benutzt werden. Fig. 6 zeigt Schirmbilder
eines entsprechend Fig. 1 angeschlossen zweikanaligen Oszilloskops. Es ist jeweils
in der oberen Hälfte des Schirmbildes das gefilterte Ultraschallsignal F dargestellt,
während im unteren Bereich das ungefilterte breitbandige Ultraschallsignal G wiedergegeben
ist. Dargestellt ist die Amplitude A über der Zeit t.
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In Fig. 6 oben ist die Signalabbildung eines fehlerfreien Bereiches
des Prüflings wiedergegeben, während in Fig. 6 unten eine Signalabbildung mit einer
Fehleranzeige erscheint. In Fig. 6 oben ist klar erkennbar das Oberflächenecho X,
das Rückseitenecho Y
und das Hilfsreflektorecho Z. Den Impulsen
X, Y und Z, die aus dem breitbandigen Empfangssignal aufgezeichnet werden, können
jeweils die gefilterten schmalbandigen Signale klar zugeordnet werden.
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Im unteren Bild ist in der Wiedergabe des breitbandigen Signales zwischen
dem Oberflächenecho X und dem Rückwandecho Y das Fehler echo zeitlich U klar erkennbar.
Das Hilfsreflektorecho nicht mehr erkennbar. Im unteren Kanal ist die hohe axiale
Aulösung erkennbar, durch die das Fehlerecho in der Mitte zwischen dem Oberflächen-
und dem Rückwandecho klar erkennbar und damit der Fehler in der Probenmitte lokalisierbar
ist. Anhand der Wiedergabe des schmalbandigen Signales wird eine genaue laterale
Bestimmung des Fehlers erreicht.
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Hieraus ergeben sich die Vorteile des Verfahrens: das Schmalbanfilter
im Empfänger definiert die Prüffrequenz von 10 MHz mit einer Bandbreite von 400
KHz. Dadurch ist eine Punktfokussierung von wenigen Zehntel Millimetern möglich,
die eine hohe laterale Auflösung ergibt. Gleichzeitig kann die Fehlertiefe genau
gemessen werden, wenn das breitbandige Signal, welches eine hohe axiale Auflösung
erlaubt, ausgewertet wird.
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Bei Metallklebverbindungen von Blechen, wie sie beispielsweise in
der Luftfahrtindustrie verwendet werden, kann eine Fehlerfeststellung durch eine
Plattenwellenprüfung mittels Ultraschall durchgeführt werden. Plattenwellen werden
mit Hilfe von winkelförmigen Prüfköpfen erzeugt, über die Longitudinal- oder Transversalwellen
in eines der Bleche im Bereich der Verklebung eingeschallt wird. Eine Versuchsanordnung
für eine Plattenwellenprüfung ist in Fig. 8 schematisch dargestellt. Hier sind zwei
Aluminiumbleche 45, 46 mit einer Dicke von 1,6 mm überlappend angeordnet und im
Uberlappungsbereich a, der eine Breite von 20 mm hat, über eine Klebschicht 54 miteinander
verbunden. Der Sendequarz 50 ist im Prüfkopf 51 so angeordnet, daß der Schall unter
einem Winkel a in das obere Blech eingestrahlt wird. Der Weg der Schallwellen in
dem Blech 46 ist durch die Zickzacklinie 52 angedeutet.
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Unterschiedliche Wellenmoden lassen sich durch unterschiedliche Einschallwinkel,
aber uch bei konstantem Einschallwinkel durch Anderungen der Prüffreguenz erzeugen
(Buch Krautkrämer, "Werkstoffprüfung mit Ultraschall", Springer-Verlag, Berlin-Göttingen-Heidelberg,
1980).
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Werden mehrere Wellenmoden gleichzeitig angeregt, so treten Mehrfachechos
auf, die leicht als zusätzliche Fehler interpretiert werden. Um dies zu vermeiden,
ist es bekannt, die Plattenwellenprüfung mit einem Schmalband-Ultraschallsender
durchzuführen, wobei ein definiertes, schmalbandiges Frequenzspektrum einen einzigen
Wellenmode anregt (Crostack u.a. "Ultraschallprüfung mit Sende impulsen stufenlos
veränderlicher Frequenz und steuerbarer Spektralverteilung" in der Zeitschrift "Materialprüfung",
20 (1978), Nr. 10, S.372/377).
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In gleicher Weise wie bereits oben beschrieben, lassen sich definierte
Prüfverhältnisse auch bei breitbandiger Anregung erreichen, wenn die vom Prüfkopf
empfangenen Signale durch ein Schmalbandfiltersystem geleitet werden. Der Vorteil
besteht auch hier darin, daß vorhandene Ultraschallprüfgeräte leicht mit einer preiswerten
Filterschaltung nachgerüstet werden können.
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Für die Plattenwellenprüfung ist ein durchstimmbares Filter erforderlich,
damit die Isolierung des für die speziellen Prüfbedingungen optimalen Wellenmodes
möglich ist. Ein hierfür geeignetes Filtersystem entspricht grundsätzlich dem nach
Fig. 2.
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Eine zweckmäßige Schaltung eines durchstimmbaren Schmalbandfilters
22', das an die Stelle des Schmalbandfilters 22 in Fig. 1 tritt, ist in Fig. 7 wiedergegeben.
Das am Eingang I' anstehende Signal gelangt über R40 auf den als spannungsgesteuerte
Stromquelle arbeitenden Transistor T5. R41 erzeugt eine starke Gegenkopplung, um
eine Übersteuerung zu vermeiden. Das aus den Spulen L7 und L8 bestehende Bandfilter
ist mit Kapazitätsdioden Dg, D10
durchstimmbar. Die Prüffrequenz
ist abhängig von der an den Dioden anliegenden Spannung, die über einen Wendelpotentiometer
R38 einstellbar ist. Die übrigen Schaltelemente dienen in bekannter Weise zur Entkopplung
von Gleich- und Signalspannungen.
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Das Filtersystem ist hier so ausgelegt, daß die Prüffrequenz im Bereich
von 1,0 bis 2,2 MHz wählbar ist. Bei der Durehführ.ng einer Plattenwellenprüfung
mit der Anordnung nach Fig. 8 wurde ein S/E Winkelprüfkopf, bei dem Sende- und Empfangsquarz
getrennt sind, (2 MHz, 35C der Firma Chen & Lehmann, Erftstadt) verwendet.
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Am Schmalbandfilter nach Fig. 7 war eine Prüffrequenz von 2,06 MHz
eingestellt. Bei der Plattenprüfung ergibt das Breitbandsignal, das bei der oben
unter Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Prüfung für die axiale Auflösung zusätzlich
ausgewertet wird, keine brauchbare Zwischeninformation. Es wurde daher nur der Ausgang
des Schmalbandfilters 22' auf das Oszilloskop 36 geschaltet.
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In Fig. 9 ist oben mit der Amplitude A über der Zeit t das Oszillogramm
einer einwandfreien Klebung dargestellt. Hier tritt nur ein Echo auf. Bei einer
fehlerhaften Verbindung, von der das Oszillogramm in Fig. 9 unten wiedergegeben
ist, treten klar erkennbar zwei Echos auf. Mit einem dem Empfänger nachgeschalteten
Schmalbandfilter der beschriebenen Art, das auf einen optimalen Wellenmode abgestimmt
ist, lassen sich somit eindeutig identifizierbar und reproduzierbar fehlerhafte
Klebeverbindungen feststellen. Bei Vergleichsversuchen, die mit einem Breitbandsystem
bekannter Art durchgeführt werden, ließen sich keine eindeutigen Unterschiede zwischen
fehlerhaften und fehlerfreien Bereichen ermitteln.
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Liste der in den Schaltungen nach Fig. 2 und 7 verwendeten Bauteille
Widerstand R Kondensator C Transistor Diode D Induktivität L # F Typ Typ µH 1 10
K 4.7 p BF 245 A 1N4148 22 2 470 4.7 p BF 241 22 3 100 4.7 n BF 241 2.5 4 47 1.7
n BF 245 B 2.5 5 3,9 K 4.7 n 47 6 47 4.7 µ 1N4148 47 7 680 1 p C7V5 160 8 15 K 100
p C7V5 160 9 47 n BB113 10 1.7 n BB113 11 47 n 12 47 n 13 15 K 4.7 n 14 22 47 n
Amplifier IC1 and IC2 15 15 K 1 µ Type LH 0002 16 3,9 K 4.7 µ 17 1,5 K 4.7 µ 18
47 4.5 µ 19 150 4.7 µ 20 150 4.7 p 21 120 1.7 µ 22 6.8 K 3/10 p 23 1,5 K 47 n 24
47 47 n 25 10 K 3/10 p 26 47 27 47 28 47 29 47
Widerstand R Kondensator
C # F 30 47 31 10 K 32 47 33 3.9 K 34 1.5 K 35 100 K 36 100 37 100 K 38 10 K 39
100 K 40 47 41 1.5 K
- Leersreuite -