DE3426182A1

DE3426182A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von risstiefen mittels ultraschalles

Info

Publication number: DE3426182A1
Application number: DE19843426182
Authority: DE
Inventors: Horst-Artur Prof. Dr.-Ing. 5860 Iserlohn Crostack; Wolfram Dr.-Ing. 5000 Köln Oppermann
Original assignee: CROSTACK HORST ARTUR PROF DR I
Current assignee: CROSTACK HORST ARTUR PROF DR I
Priority date: 1984-07-16
Filing date: 1984-07-16
Publication date: 1986-01-23

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von
Rißtiefen mittels Ultraschalles.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Tiefe von Rissen in Werkstüeken, Bauteilen, Anlagen, Apparaten und anderen Gegenständen mittels Ultraschalles nach der ImFuls-Echo- oder Durchschallungstechnik, wobei Ultraschall-Impulse in den zu prüfenden Gegenstand eingeleitet und nach Reaktion mit dem Riß empfangen, gewandelt, verstärkt und bewertet werden.- Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorric-htung-- zur Ausübung dieses Verfahrens mit einem Sendprüfkopf zum Einleiten von Ultraschall-Impulsen in den zu prüfenden Gegenstand und einem Empfängerprüfkqpf zum Empfangen, Wandeln und Verstärken der reflektierten bzw. durchgelassenen Impulse.
Es kann sich hierbei auch um eine Vorrichtung handeln, die mit einem Ultraschallsender mit vorgebbarem Frequenzspektrum ausgerüstet ist.
Die Erfindung ist auf jedem Gebiet anwendbar, auf dem aus dem Übertragungsuerhalten einer Fehlstelle auf die Größe des Fehlers geschlossen werden kann.
Bei der Fertigung von Anlagen und Komponenten sowie -während des späteren Betriebes können Fehler und insbesondere Risse entstehen, die z-um Versagen des Bauteiles führen können. Für einen Austausch der Teile ist es daher erforderlich, die Tiefe dieser Risse und ihren Zuwachs in vorgegebenen zeitlichen Intervallen bestimmen zu können, da hiervon die verbleibende Lebensdauer abhängt.
Eine zerstörungsfreie Bestimmung der Rißtiefe ist mit den bekannten Techniken der Ultraschallprüfung nicht mit hinreichender Genauigkeit möglich. Dies gilt nicht nur für Volumenweilen (Longitudinal- und Transversalwellen), sondern auch für Oberflächenwellen, die eingesetzt werden können, wenn der Riß von der zugänglichen Oberfläche ausgeht. Die unzureichenden Ergebnisse werden noch schlechter, wenn Streuung im Material auftritt, wenn der Riß schräg liegt oder wenn der Riß mit anderen Medien (z.B. Flüssigkeiten oder auch Korrosionsprodukten.) gefüllt ist. In diesen Fällen ändert sich der Reflexionsfaktor zusätzlich zu den anderen Größen (Lage, Form und Größe) der Risse, so daß selbst bei schmalbandigen optimierten Prüfdaten eine Zuordnung zwischen Ultraschallbefund und tatsächlicher Rißgröße nicht möglich ist.
Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen es möglich ist, in einfacher Weise auch bei nicht bekannter Form, Breite und Schräglage des Risses sowie nicht bekanntem Medium im Riß (Reflexions-und Durchlässigkeitsfaktor) die Rißtiefe sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite und an nicht zugänglichen Oberflächen mittels Ultraschalles zu bestimmen.
Die Erfindung besteht darin, daß die Anschallung des Risses mit einer bestimmten Wellenart erfolgt und aus der erhaltenen Rißanzeige die Transferfunktion als Funktion der Frequenz durch Erstellung eines Amplitudenspektrums erfaßt wird und hieraus die Übergangsfrequenz (uon Reflexion zu Streuung) bestimmt und aus dieser die Rißtiefe t berechnet wird nach K.c der Gleichung t = Kfc, wobei c die Schallgeschwindigkeit und K eine von der gewählten Wellenart abhängige Konstante ist, Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der [Jnteransprüche.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Z-eichnungen erläutert. Diese zeigen: Fig. 1: eine graphische Darstellung der Frequenz abhängigkeit einer Reflektoranzeige und Fig. 2: ein Blockschaltbild einer beispielsweisen Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Der Erfindung lieg-en fo.l-9ende Gedanken -zugrunde.: Jeder Fehlertyp weist bei der Ultraschallprüfung zwei charakteristische Bereiche-auf, die in Fig. 1 schematisch wiedergegeben sind: Sind- die eingesetzten Wellenlängen deutlich größer als die Fehlerabmessungen, so tritt ungerichtete Ultraschallstreuung auf. In diesem Bereich steigt die empfangene Amplitude mit einem Exponenten der Frequenz um n = 2,5 an. Wird die Wellenlänge mit wachsender Frequenz gering.er, so setzt nach einem Ü-bergangsbereich, in dem Resonanzen auftreten, Reflexion am Fehler ein. Der Exponent der Frequenz in der Echoamplitude verringert sich hier auf Werte von 2 oder weniger, je nach Fehlerart. Bei Schräglagen kann im Reflexionabereich dieser Faktor sogar negativ werden wie in Fig. 1 durch die gestrichelte Gerade wiedergegeben. Der Frequenzbereich fü, in dem sich der Übergang von Streuung zu Reflexion vollzieht, wobei im Impuls-Echo-Betrieb die Resonanzen vernachlässigt werden können, stellt eine charakteristische Kenngröße des Fehlers dar.
Sie hängt nur vom Verhältnis Fehlergröße t zu Wellenlänge ab, wobei- noch eine Konstante K zu berücksichtigen ist, die abhängig ist- von der gewählten Wellenart. Ist die Wellenlänge-der eingesetzten Ultraschallschwingung und auch deren Konstante K bekannt, so kann aus der Übergangsfrequenz fü die Riß tiefe K c t ermittelt werden nach der Gleichung t = Eine Vorrichtung, um die Übergangsfrequenz für einen Riß zu messen und aus diesem Meßwert die Rißtiefe zu bestimmen, ist in Fig. 1 im Blockschaltbild wiedergegeben. Sie weist einen Ultraschallsender 4 für die Erzeugung von Ultraschallimpulsen einer bestimmten Wellenart auf, der an einen breitbandigen Prüfkopf 3 angeschlossen ist, welcher den Ultraschall in das Werkstück 1 einleitet und dabei den darin befindlichen Riß 2, dessen Tiefe bestimmt werden soll, anschallt.
Der Prüfkopf 3 kann im Impuls-Echo-Betrieb gleichzeitig als Empfänger dienen, während beim Durchschallungs-Betrieb ein getrennter Empfängerprüfkopf verwendet wird. Im als Empfänger arbeitenden Prüfkopf 3 wird das nach Reaktion mit dem Riß 2 empfangene Ultraschall-Signal gewandelt und verstärkt. Sodann wird es einer Empfangseinheit 5 zugeführt. Diese besteht entweder aus mehreren (mehr als zehn) parallelen Filtern 6a oder einer durchlaufenden Filtereinheit und dazugehörenden Spitzenwertmessern 6b sowie zwei getrennten Speichern 7.1 und 7.2. An die Speicher 7.1 und 7.2 ist eine Vergleicher-Vorrichtung 8 angeschlossen, die ein Dividierer oder'ein Logarithmierer mit Subtrahierer sein kann. Zwei Ausgänge 9, ein analoger und ein digitaler, dienen der Meßwerteausgabe. Extern ist ein programmierbarer Mikroprozessor 10 mit einem Eingang 11 für externe Größen an einen Ausgang 9 angeschlossen. Die Ausgabe der Werte kann jedoch auch auf einem an einen Ausgang 9 angeschlossenen (nicht dargestellten) Schreiber oder Bildschirm erfolgen. Ein Stellglied 12 dient zur Einstellung der Filter 6a.
Wenn als Ultraschallsender 4 ein schmalbandiger, durchstimmbarer Sender gemäß der Patentschrift 27 20 966 verwendet wird, ist in der Empfangseinheit 5 statt der Filter 6a ein vom Sender 4 gespeister Demodulator erforderlich und ein einziges schmalbandiges Filter mit einem Spitzenwertmesser. Außerdem ist in diesem Fall das Stellglied 12 sowohl an den S-ender 4 als auch an die beiden Speicher 7.1, 7.2 anzuschließen.
Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Der Sender 4 stößt mit einem kurzen elektrischen Impuls den Prüfkopf 3 an, der daraufhin einen Ultraschall-Impuls erzeugt und in das Werkstück 1 einleitet. Der Ultraschall-Impuls durchläuft das Werkstück 1, reagiert mit dem Riß 25, durchläuft erneut das Werkstück 1 und wird von einem Empfanqsprüfkopf 3 empfangen, gewandelt und verstärkt. Das so erhaltene Signal wird der Empfangseinheit 5 zugeleitet. Hier spalten die- verschiedenen Filter 6a den Meßbereich in eine entsprechende Anzahl von Abschnitten auf. Bei durchlaufendem Filter meß der Sendeimpuls entsprechend oft wiederholt werden.
Die einzelnen Meßbereichsabschnitte werden dem ihnen jeweils zugeordneten Spitzenwertmesser 6b zugeführt und die damit erhaltenen Spitzenwerte werden im Speicher 7.1 abgespeichert.
Danach oder evtl. auch vorher wird der gleiche Meßvorgang an einem bekannten Referenzfehler, z.B.
einer Querbohrung, mit bekannter Charakteristik, der sich im gleichen Feldbereich des Prüfkopfes 3 (Nah- oder Fernfeld) befindet, durchgeführt. Die bei diesem Meßvorgang erhaltenen Spitzenwerte werden jedoch in den Speicher 7.2 eingelesen. Dabei ist darauf zu achten, daß der Referenzfehler so groß ist, daß er selbst keine Übergangsfrequenz im Meßbereich besitzt.
Anschließend werden die zu gleichen Filtern 6a bzw.
gleichen Meßbereichsabschnitten gehörenden Werte der Speicher 7.1 und 7.2 miteinander verglichen, in der Weise daß entweder die Werte des Speichers 7.1 durch die entsprechenden Werte des Speichers 7.2 dividiert und die logarithmischen Werte ausgegeben werden oder daß die logarithmierten Werte des Speichers- 7.2 von den entsprechenden logarithmierten Werten des Speichers 7.1 subtrahiert werden. Die Werteausgabe über einen Ausgang 9 kann entweder auf einem (nicht dargestellten) Schreiber oder Bildschirm erfolgen, an dem ein Prüfer die Übergangsfrequenz fü ermittelt oder es können die Werte auf einen Mikroprozessor 10 gegeben werden, welcher durch die einzelnen Meßpunkte im Bereich der Streuung und der Reflexion jeweils eine Ausgleichsgerade legt (z.B. nach dem Verfahren der linearen Regression), den die Übergangsfrequenz f.. angebenden Schnittpunkt dieser u Geraden (vergl. Fig. 1) ermittelt und hieraus sowie aus der über den Eingang 11 getrennt eingegebenen Schallgeschwindigkeit c die Rißtiefe bestimmt. Diese sowie die Steigung der beiden Geraden werden zur Anzeige gebracht. Ist im Meßbereich keine Übergangsfrequenz vorhanden, so muß der Meßbereich über das Stellglieg 12 sowie ggf. durch einen Prüfkopfwechsel verschoben werden.
Dies geschieht in dem Sinne, daß, wenn die Ausgleichsgerade mit niedrigen Frequenzen steil abfällt, der Meßbereich zu höheren Frequenzen verschoben wird, während, wenn die Ausgleichsgerade flach abfällt oder gar ansteigt, eine Verschiebung des Meßbereichs zu niederen Frequenzen hin erfolgen muß.
Der durch die Erfindung gegebene Fortschritt besteht darin, daß - die Rißtiefe mit Ultraschall bestimmbar ist, wowohl für innen als auch für außen liegende Fehler und - daß die Messung weitgehend unabhängig.wird von: a) der Schräglage der Risse, b) der Breite der Risse, c) eventuell im Riß vorhandenen Medien (z.B. Korrosionsprodukten) und d) der genauen Form (z.B. der Oberflächenrauhigkeit der Risse).
Außerdem läßt sich durch die Ermittlung der Ausgleichsgeraden der log-arithmischen Werte eine möglicherweise vorhandene Ultraschallschwächung im Werkstück eliminieren.
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Claims

BEtRIFFT: Patentansprüche: l.-Verfahren zur'-Bentimmung der Tiefe von Rissen in Werkstücken, Bauteilen, Anlagen, Apparaten und anderen Gegenständen mittels Ultrasohalles nach der Impuls-Echo-oder Durchschallungstechnik wobei Ultraschall-Impulse in den zu prüfenden Gegenstand eingeleitet und nach Reaktion mit dem Riß empfangen, gewandelt, verstärkt und bewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschallung des Risses mit einer bestimmten Wellenart erfolgt und aus der erhaltenen Rißanzeige die Transferfunktion als Funktion der Frequenz durch ErstelLung eines Amplitudenspektrums erfaßt.wird und hieraus 'die Übergangsfrequenz -f. (von Reflexion zu Steuung) bestimmt u und aus dieser die R-ißtiefe-t berechnet wird nach der K.c Gleichung t = F, wobei c die Schallgeschwindigkeit und K eine von der gewählten Wellenart abhängige Konstante ist.
2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Rißanzeige in mehrere, vprzugsweise mehr als zehn, Spektralbereiche aufgespalten wird, deren Spitzenwerte in einem Amplitudenspektrum festgehalten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ampiltudenspektrum aus der Rißanzeige des hinsichtlich seiner Tiefe zu bestimmenden Risses und der Rißanzeige für einen bekannten Referenzfehler, dessen Übergangs frequenz f.. außerhalb des Meßbereiches u liegt, erstellt wird, daß die Transferfunktion durch Vergleich der beiden Amplitudenspektren ermittelt und aus den dabei erhaltenen Werten die Überganysfrequenz f.. sowie die Rißtiefe t ermittelt wird.
u 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich durch Division der Werte des Spektrums der Anzeige für den zu bestimmenden Riß durch die Werte für gleiche Frequenzbereiche des Spektrums der Anzeige für den Referenzfehler erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich durch Subtraktion der logarithmierten Werte des Spektrums der Anzeige für den Referenzfehler von den logarithmierten Werten für gleiche Frequenzbereiche des Spektrums der Anzeige für den zu bestimmenden Riß erfolgt.
6. Vorrichtung zur Bestimmung der Tiefe von Rissen mittels des Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Ultras-challsender, einem Sendeprüfkopf zum Einleiten von Ultraschall-Impulsen in den zu prüfenden Gegenstand und einem Empfängerprüfkopf zum Empfangen, Wandeln und Verstärken der reflektierten bzw, durchgelassenen Impulse, gekennzeichnet durch eine dem Empfängerprüfkopf (3) nachgeschaltete Empfangseinheit (5), die aus mehreren, vorzugsweise mehr als zehn, parallelen Filtern (6a) oder einer durchlaufenden Filtereinheit mit dazugehörenden Spitzenwertmessern (6b) sowie zwei getrennten Speichern (7.1, 7.2) und einem an diese angeschlossenen Vergleicher (8) mit analogem oder digitalen Ausgang (9) besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Stellglied (12) für die Einstellung der Filter (6a).
8. Vorrichtung zur Bestimmung der Tiefe von Rissen mittels des Verfahrens mach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 his 5, mit einem Ultraschallsender mit vorgebbarem Frequenzspektrum, einem Sendeprüfkopf zum Einleiten von Ultraschall-Impulsen in den zu prüfenden Gegenstand und einem Empfänger prüfkopf zum Empfangen, Wandeln und Verstärken der reflektierten bzw. durchgelassenen Impulse, gekennzeichnet durch eine dem Empfängerprüfkopf (3) nachgeschaltete Empfangseinheit (5), die aus einem vom Sender (4) gespeisten Demodulator, einem schmalbandigen Filter mit einem Spitzenwertmesser sowie zwei getrennten Speichern (7.1, 7.2) und einem an diese angeschlossenen Vergleicher (8) mit analogem oder digitalem Ausgang (9) besteht,
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein sowohl an den Sender (4) als auch an die beiden Speicher (7.1, 7.2) angeschlossenes Stellglied (12) für die Meßbereichseinstellung.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (8) eine Dividierer ist.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, adß der Vergleicher (8) ein Logartihmierer mit Subtrahierer ist.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch einen an den Ausgang (9) angeschalteten bzw. anschaltbaren Schreiber.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch einen an den Ausgang (9) angeschalteten bzw. anschaltbaren Bildschirm.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 13, gekennzeichnet durch einen an den Ausgang (9) angeschalteten programmierbaren Mikroprozessor (10), der durch die einzelnen Meßpunkte im Bereich der Streuung und der Reflexion jeweils eine Ausgleichsgerade legt, den Schnittpunkt dieser Geraden ermittelt und hieraus sowie aus der getrennt eingegebenen Schallgeschwindigkeit c die Rißtiefe t ermittelt.