Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Ultraschallverfahren zum Messen der Größe irgendeines Fehlers,
der möglicherweise in unterschiedlichen Arten von
Festkörpern besteht.
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Der Begriff "Festkörper", der hier verwendet wird,
bezieht sich auf Teile oder Glieder mit irgendeiner Form,
irgendwelchen Abmessungen oder Oberflächenrauhheiten, die
zum Beispiel eine elektrische, mechanische oder chemische
Ausrüstung oder Installation usw., in unterschiedlichen
industriellen Gebieten bilden. Weiterhin umfassen die
"Festkörper", auf die die vorliegende Erfindung anwendbar
Ist, einen Metallkörper sowie einen Nicht-Metallkörper
wie zum Beispiel Glas, Keramik, Beton, synthetisches
Harz, Gummi, Holz usw., durch die die Ultraschallwelle
propagiert werden kann.
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Auch die Größe eines Fehlers, der möglicherweise
innerhalb eines Festkörpers besteht, auf die hier Bezug
genommen wird, richtet sich auf einen Fehler mit
irgendeiner Position, Form und irgendeiner Art, die innerhalb
des Festkörpers gefunden wird.
Ausgangspunkt
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Auf dem Gebiet der Technik, auf das die vorliegende
Erfindung anwendbar ist, ist es sehr wichtig und notwendig,
und zwar vom Gesichtspunkt der Festigkeit und der
Lebenszeit einer Ausrüstung oder Installation, deren Teile
oder Glieder nach irgendeinem darin befindlichen Fehler
zu untersuchen und zu wissen, wenn irgendein Fehler
innerhalb des Teils des Gliedes gefunden wurde, was der
Fehler wirklich ist, und zwar durch Messen der Position,
der Form und dessen Art und speziell dessen Größe,
wodurch genau das Ausmaß der negativen Beeinflussung des
Fehlers auf das Teil oder Glied analysiert wird.
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Eine solche Untersuchung ist unabdingbar für wesentliche
Teile oder Glieder. Zu diesem Zweck wurden bisher
unterschiedliche Techniken für Durchleuchungstests, die
Strahlungen, wie zum Beispiel Röntgenstrahlungen oder Gamma-
Strahlungen verwendeten, sowie Ultraschalltechniken eines
Fehlers verwendet, und zwar zum Detektieren irgendeines
Fehlers.
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Bei der Durchleuchtungstesttechnik wird ein Objekt oder
Gegenstand nach einem internen Fehler untersucht und
analysiert durch Beobachten eines Bildes, das erzeugt wird
mit der Strahlung, die durch das Objekt übertragen wurde,
d. h. durch Beobachten der Veränderung der Intensität der
übertragenen Strahlung, die sich mit der Form des
Gegenstands, dessen Abmessungen, Material und dem Auftreten
eines internen Fehlers verändert. Die Testergebnisse
hängen somit stark von der Qualität der so erhaltenen
Durchleuchtung ab. Da es notwendig ist, einen Röntgen- oder
Durchleuchtungsfilm auszuwählen, dessen Qualität geeignet
ist, für die Durchleuchtung eines zu testenden
Gegenstands und eine Serie von photograhischen Schritten von
der Durchleuchtung bis zur Entwicklung durchzuführen, ist
die Technik für den Durchleuchtungstest nicht einfach und
kann nicht leicht und direkt durchgeführt werden. In
einigen Fällen, wenn die Filmempfindlichkeit und die
Auflösung ungenügend sind oder sogar, wenn sie nicht
ungenügend sind, kann die Größe des Fehlers nicht gemessen
werden und es kann noch nicht einmal jeder Fehler detektiert
werden; d. h. in vielen Fällen erlaubt es die
Durchleuchtungstesttechnik
nicht, zu wissen, was der Fehler
wirklich ist.
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Weiterhin wurden Ultraschallimpulsechotechniken zur
Detektierung von internen Fehlern für eine lange Zeit
verwendet. Die typische und allgemeine dieser Techniken ist
die Direktkontakt vertikale Fehlerdetektiertechnik, bei
der eine vertikale Sonde in direktem Kontakt mit dem
Gegenstand angelegt wird (die hiernach als "vertikale
Fehlerdetektiertechnik" bezeichnet wird) unter den
Meßtechniken der Fehlergröße durch die vertikale
Fehlerdetektierung herrschen derzeitig drei Techniken vor, die die
Verwendung von (a) Impuls-Echohöhe; (b)
Sondenrichtfähigkeit oder Wirkung, und (c) Verhältnis zwischen F
(Fehlerecho) und B (Bodenecho) umfassen.
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Was die oben genannte Technik (a) betrifft, hängt die
Höhe des Echos, das auf dem Bildschirm eines
Fehlerdetektors der Ultraschallimpulsechoart der
A-Bildschirmanzeigebauart (wird nachfolgend als
"Ultraschallfehlerdetektor" bezeichnet) auftritt, ab von der Rauhheit der
Suchoberfläche eines zu testenden Gegenstandes (d. h. dem
Zustand einer Oberfläche, auf der die Sonde angelegt
wird), der Dämpfung des propagierten Ultraschalls, dem
Abstand von der oben genannten Suchoberfläche zu dem
Fehler, der möglicherweise innerhalb des Gegenstandes
existiert und der Größe des Fehlers, wenn der Gesamtgewinn
des Ultraschallfehlerdetektors konstant gehalten wird.
Die Technik (a) funktioniert somit so, daß der Gegenstand
mit einem Vergleichsteststück verglichen wird, das als
Bezugsteststück präpariert wurde, und zwar basierend auf
einer bekannten Fehlergröße und die Größe eines Fehlers
innerhalb des Gegenstandes wird geschätzt durch eine
Geräuschfeldkorrektur und eine Korrektur, das die Form oder
ähnliches des Fehlers in Betracht zieht. Diese Technik
ist jedoch nicht gut reproduzierbar hinsichtlich der
Korrektur
des Geräuschfeldes, der Fehlerform usw., wenn die
Fehlergröße größer ist und sie ist noch in vielen Punkten
unklar. Diese Technik ist somit auf die Größenmessung
kleiner Fehler von weniger als einigen Millimetern
beschränkt. Sie besitzt auch eine geringe Meßgenauigkeit.
Somit kann diese Technik nicht weit verbreitet bei der
Messung der Fehlergröße verwendet werden.
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Die zuvor genannte Technik (b) ist eine Dimension; die
die Richtfähigkeit der Probe verwendet. Basierend auf der
Tatsache, daß, wenn die Sonde zu einer Position versetzt
ist, wo der Mittelstrahl von irgendeinem Fehler mit einer
relativ großen Größe weg ist, zum Beispiel einer Größe,
die größer ist als der Wandler in der Sonden dann ist das
auftretende Fehlerecho gering, somit macht es diese
Technik möglich, die Fehlergröße von dem Bereich, in dem kein
Fehlerecho auftritt, zu bestimmen. Diese Technik kann
jedoch keine genaue Messung der Fehlergröße vorsehen,
infolge des Zusammenwirkens zwischen unterschiedlichen
Faktoren, wie zum Beispiel der unbestimmten Richtfähigkeit
der Reflexion, der Notwendigkeit für einen ausreichenden
Abstand der Fehlerposition von der Suchoberfläche, der
Dämpfung von Ultraschall, nicht linearer
Strahlpropagierung usw.
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Die oben genannte Technik (c) umfaßt weiterhin zwei
Techniken: F/BG-Verfahren und F/BF-Verfahren. Das erste
Verfahrens F/BG verwendet das Verhältnis zwischen der Höhe
des maximalen Echos von einem Fehler 500 (das nachfolgend
als "F-Echo" bezeichnet wird) zu dem des Echos mit einem
Schalldruck B von der Bodenoberfläche 100B eines gesamten
Bereichs, in dem kein Fehler 500 auftritt (was
nachfolgend als "BG-Echo" bezeichnet wird) ist in Fig. 10
gezeigt. Wie es in Fig. 11 gezeigt ist, verwendet das F/BF-
Verfahren das Verhältnis der Höhe des F-Echos zu dem des
F-Echos mit einem Schalldruck F vom Fehler 500 (was
nachfolgend als "BF-Echo" bezeichnet wird).
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Bei dem F/BG-Verfahren wird, wenn die Form und die
Oberflächenrauhheit der Bodenoberfläche 100B eines
Gegenstandes 100, welche das BG-Echo vorsieht, ähnlich ist zu
dem des Standard- oder Vergleichsteststücks und wenn die
Fehlergröße im Vergleich mit der Wandlergröße eher klein
ist, die Fehlergröße quantitativ bis zu einem bestimmten
Grad festgestellt mit einem Ausdruck zum Beispiel "es ist
ungefähr STB-G, V15-4" oder "es ist in der Größenordnung
von 6 mm, wenn es in einen kreisförmigen flachen Fehler
unter Verwendung des AVG-Diagramms umgewandelt wurde".
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Da die F-Echodetektierposition andererseits dieselbe ist
wie die BF-Echodetektierposition wird das F/BF-Verfahren
nicht so sehr durch die Form und Rauhheit der
Suchoberfläche 1005 beeinflußt und die Genauigkeit der
Fehlererkennung hängt nicht stark von solchen Faktoren ab. Da
rüber hinaus ist dieses Verfahren in der Praxis
vorteilhaft, da die Reduzierung der BF-Echohöhe infolge der
Existenz eines Fehlers 500, d. h. der Schatteneffekt des
Fehlers 500, auch ausgewertet werden kann. Da dieser
Schatteneffekt nur infolge der Größe des Fehlers 500
auftritt und nicht infolge dessen Form, führt jeder große
Fehler zu der Reduzierung der BF-Echohöhe. Daher kann ein
Fehler mit einer großen Größe (aber geringer als die
Größe des Wandlers) mit einer hohen Genauigkeit durch das
F/BF Verfahren ausgewertet werden durch die Auswertung
des F-Echos. Jedoch sowohl das F/BG- als auch das F/BF-
Verfahren sind nicht vorteilhaft und besitzen die nun
beschriebenen Probleme:
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1) Zuerst einmal, da das Verhältnis zwischen F- und BG-
Echos oder das Verhältnis zwischen den F- und BF-Echos
als ein Auswertungsindex genommen wird, sollte das
Reflexionsvermögen der Bodenoberfläche, das wahrscheinlich
durch die Form, Neigung und Rauhheit eines zu
untersuchenden Objektes beeinflußt wird, konstant sein.
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2) Für die BG- und BF-Echos muß die Bodenoberfläche 100B
glatt oder eben sein und eine effektive Reflexionsfläche
besitzen und ein Objekt mit einer Form und Größen das die
BG-und BF-Echos nicht vorsehen kann, kann durch diese
Verfahren nicht gemessen werden.
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3) In dem Fall, daß ein Gegenstand gemessen wird, dessen
Suchoberfläche 100S rauh ist, wie zum Beispiel eine
Gußoberfläche, eine granaliengeblasene Oberfläche usw. ist
es notwendig, ein akustisches Kontaktmedium zwischen der
Suchoberfläche 100S und der Sonde 400 zu verwenden.
Sogar, wenn ein Kontaktmedium, das geeignet ist, für die
Form und Neigung der Suchoberfläche 100S ausgewählt wird
für diesen Zweck, ist es sehr wahrscheinlich, daß Luft
oder Blasen in dem Medium vorhanden sind, die die
Ultraschallübertragungscharakteristik des Mediums
verschlechtern, was bewirkt, daß sich die Echohöhe oder
größer verändert. Somit ist es nicht möglich, mit einer
hohen Genauigkeit zu messen.
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4) Diese Verfahren benötigen eine Suchoberfläche 100S
mit einer Fläche, die es der Sonde 400 ermöglicht, in
Kontakt damit zu stehen. Irgendein Objekt mit nur einer
schmalen Oberfläche, auf der die Sonde 400 nicht angelegt
werden kann, kann nicht auf Fehler durch diese Verfahren
untersucht werden.
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5) In dem Fall des F/BF-Verfahrens gibt es keine
Korrelation zwischen der F-Echohöhe und der Größe eines
Fehlers, der größer ist als die Größe des Wandlers und der
Ultraschall erreicht nicht die Bodenoberfläche 100B des
Objektes, in dem der Fehler existiert, so daß kein BF-
Echo erhalten werden kann. In einem solchen Fall kann
keine Fehlergrößenmessung durch dieses Verfahren
durchgeführt werden.
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6) In beiden dieser Verfahren ist die Gleichung zum
Bestimmen der Fehlergröße eine Funktion des vierten Grades,
dessen Lösung viel Zeit beansprucht.
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Die Verfahren der Fehlerdetektion, die diese Probleme bis
zu einem gewissen Grad beseitigen, umfassen ein Wasser-
oder Öleintauchverfahren (das nachfolgend als
"Flüssigkeiteintauchverfahren" bezeichnet wird). Bei diesem
Verfahren wird ein gesamter Gegenstand in einer Flüssigkeit
eingetaucht oder die Flüssigkeit wird nur örtlich
zwischen der Sonde und dem Gegenstand eingefüllt und
Ultraschall wird durch die Flüssigkeit in Richtung der
Suchoberfläche von der Sonde übertragen, die sich an einer
Position mit etwas Abstand von der Suchoberfläche des
Gegenstandes befindet. Dieses Verfahren kann im allgemeinen
jedoch nur das Problem (3) "die Genauigkeit der
Fehlergrößenmessung wird beeinflußt durch die Rauhheit der
Suchoberfläche" und das Problem (4) "eine Suchoberfläche
mit einer ausreichenden Fläche, so daß die Sonde an den
Gegenstand angelegt werden kann" beseitigen, aber nicht
die praktischen Probleme der Fehlergrößenmessung, die
eine große Schwierigkeit bei der Messung der Fehlergröße
sind.
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Es wird speziell auf JP-A-58-068663 hingewiesen, die sich
auf ein Verfahren zum Messen von Fehlern in einem
Gegenstand bezieht, bei dem der Gegenstand in einer
Flüssigkeit eingetaucht ist und ein Vergleich von zwei
reflektierten Ultraschallwellen durchgeführt wird (eine Welle,
die von dem Gegenstand reflektiert wird, wird verglichen
mit der Welle, die von einem Fehler reflektiert wird).
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Wie im vorgehenden beschrieben wurde, kann eine große
Anzahl von Objekten oder Gegenständen nicht direkt entlang
der Produktionslinie gemessen werden, d. h. mit anderen
Worten, sie können nicht in einer kurzen Zeit mit einer
hohen Genauigkeit und einer großen Quantität durch diese
herkömmlichen Verfahren gemessen werden.
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Die vorliegende Erfindung versucht im Grunde die zuvor
-genannten Nachteile der herkömmlichen Techniken zu
beseitigen durch Vorsehen eines Ultraschallverfahrens zum
Messen der Größe irgendeines Fehlers in einem Festkörper,
und zwar leicht, schnell, genau und mit einer hohen
Quantität und mit einer hohen Stückzahl ohne durch die
Rauhheit, Form, Neigung und Fläche der Such- und
Bodenoberflächen beeinflußt zu werden.
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Die vorliegende Erfindung versucht auch ein Verfahren des
automatischen Untersuchens einer großen Stückzahl von
Gegenständen entlang der Produktionslinie vorzusehen zum
Detektieren eines Fehlers innerhalb des Festkörpers und
Messen der Größe des Fehlers.
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Diese und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden durch die Beschreibung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung besser verstanden.
Die Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Messen einer Größe eines Fehlers mit Ultraschallwellen
gemäß dem Anspruch vorgesehen.
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Die obengenannten Ziele der vorliegenden Erfindung werden
erreicht durch Vorsehen eines Ultraschallverfahrens zum
Messen der Größe eines Fehlers, bei dem Ultraschall durch
eine Flüssigkeit in Richtung der Suchoberfläche eines
Festkörpers, der ein zu messender Gegenstand ist,
abgestrahlt wird und eine oberflächenreflektierte Welle des
Ultraschalls von der Suchoberfläche des Festkörpers wird
hinsichtlich des Schalldrucks mit einer
fehlerreflektierten Welle von einem Fehler innerhalb des
Festkörpers verglichen, wodurch die Größe des Fehlers
gemessen wird durch Nehmen des Vergleichsergebnisses als
Auswertungsindex.
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Noch spezieller verwendet die vorliegende Erfindung die
folgenden Eigenschaften des Ultraschalls. Das heißt, wenn
Ultraschall von einer Sonde abgeschaltet wird, die
vollständig oder teilweise in einer Flüssigkeit eingetaucht
ist, die im allgemeinen senkrecht zu einer Suchoberfläche
eines Festkörpers, der auch ganz oder teilweise in der
Flüssigkeit eingetaucht ist, und wenn die
oberflächenreflektierte Welle des Ultraschalls von der Suchoberfläche
des Festkörpers und die fehlerreflektierte Welle durch
die Sonde empfangen werden, gibt es eine feste
Korrelation zwischen dem Ergebnis eines Vergleichs zwischen dem
Schalldruck der zuvor genannten oberflächenreflektierten
Welle und dem der fehlerreflektierten Welle und dem
Abstand von der Suchoberfläche des Festkörpers zu dem
Fehler und der Größe des Fehlers. Dies wird im Detail unter
Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben, die das
Prinzip der vorliegenden Erfindung darstellen.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen das herkömmliche Verfahren der
Fehlerdetektierung bzw. das Echomuster in dem Verfahren.
Wie oben beschrieben, verwendet die vorliegende Erfindung
das Verhältnis des Schalldrucks zwischen der
oberflächenreflektierten Welle und der fehlerreflektierten
Welle. Die vorliegende Erfindung wird somit unter Bezugnahme
auf diese Figuren beschrieben, die vereinfacht
dargestellt sind zum besseren Verständnis der vorliegenden
Erfindung.
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In Fig. 1 zeigt das Bezugszeichen 1 einen zu
untersuchenden Gegenstand, der in einer Flüssigkeit 3, wie zum
Beispiel Wasser oder Öl (Wasser in dieser Beschreibung)
in einem Bad 2 eingetaucht ist. Das Bezugszeichen 4 zeigt
eine vertikale Sonde zur Wasser-Eintauchverwendung, die
zusammen mit dem Gegenstand 1 in dem Wasser 3 des Bades
oder der Wanne 2 eingetaucht ist.
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Die Sonde 4 wird so durch einen Träger (nicht gezeigt)
gehalten, daß sie Ultraschall im wesentlichen senkrecht
in Richtung der Suchoberfläche 1S des Gegenstandes 1
abstrahlt. Der abgestrahlte Ultraschall von der Sonde 4
bewegt sich im wesentlichen senkrecht in Richtung der
Suchoberfläche durch das Wasser 3 und kommt an der
Suchoberfläche 1S an. Der Ultraschall wird durch die
Suchoberfläche 15 mit einem Reflexionsgrad reflektiert, der
teilweise abhängt von dem Abstand L zwischen der Sonde 4
und der Suchoberfläche 1S, aber fast vollständig auf dem
Unterschied der akustischen Impedanz zwischen dem
Gegenstand oder Objekt 1 und Wasser 3 basiert und wird
teilweise empfangen durch die Sonde 4 als eine reflektierte
Welle 6, und zwar mit einem Schalldruck S. Der andere
Teil des Ultraschalls geht in den Gegenstand 1 und in dem
Fall, daß kein Fehler innerhalb des Gegenstandes 1
existiert, geht der Ultraschall zu der Bodenoberfläche 1B
des Gegenstands 1 und wird durch die Bodenoberfläche 1b
reflektiert, nachdem er dort angekommen ist. Dieser
Ultraschall wird durch die Sonde 4 als eine
bodenreflektierte Welle 7 mit einem Schalldruck B empfangen. Wenn
jedoch irgendein Fehler 5 innerhalb des Gegenstandes 1
existiert, werden eine reflektierte Welle 8 mit einem
Schalldruck F von dem Fehler 5 sowie die reflektierte
Welle 6 und die bodenreflektierte Welle 7 durch die Sonde
4 empfangen. Wenn sie auf einem Bildschirm eines
Kathodenstrahlrohrs (CRT) einer A-Schirmanzeige angezeigt
werden,
ergeben diese Schalldrucksignale ein Echomuster, wie
es in Fig. 2 gezeigt ist. Das heißt, ein übertragener
Impuls des Ultraschalls T wird angezeigt an der Position
des Ursprungs O der CRT-Zeitbasis, das Echo S der
reflektierten Welle 6 wird angezeigt an einer Position
eines Produktes L.CM/CW, wobei L der Abstand von der
Position des übertragenen Ultraschallimpulses T ist, CW die
Geschwindigkeit des Ultraschalls in dem Wasser 3 ist und
CM die Geschwindigkeit des Ultraschalls innerhalb des
Gegenstands 1 ist,
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das Echo F der fehlerreflektierten Welle 8 wird angezeigt
als eine Position verzögert mit einer Zeit X, die
äquivalent ist zu dem Abstand zwischen der Suchoberfläche 1S
und dem Fehler 5, d. h. der Tiefe des Fehlers X von der
Position des Echos S und
das Echo B der bodenreflektierten Welle 7 wird angezeigt
an einer Position, die verzögert ist um eine Zeit t, die
äquivalent zu der Dicke D des Gegenstandes 1 von einer
Position des Echos S ist. Sie werden alle zur selben Zeit
angezeigt. Die reflektierten Wellen 6, 7 und 8, die
erhalten werden durch das Durchführen des in Fig. 1
gezeigten Eintauchverfahrens, sind als die Echomuster auf
dem CRT, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, angezeigt zum
Detektieren eines Fehlers innerhalb des Gegenstandes.
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Das Fehlerdetektierverfahren, das oben beschrieben wurde,
ist ein herkömmliches, welches die Parameter (a), (b) und
(c) verwendet, die in der Beschreibung des
Ausgangspunktes beschrieben wurden und besitzt somit verschiedene
Probleme, die zuvor beschrieben wurden.
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Das Fehlerdetektierverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist jedoch recht unterschiedlich zu der zuvor
genannten herkömmlichen Technik insofern, daß sie das
Verhältnis F/S der Echohöhe zwischen der reflektierten
Welle 8 von dem Fehler 5 und der reflektierten Welle 6
von der Suchoberfläche 1S des Gegenstandes 1 verwendet,
d. h. das Schalldruckverhältnis F/S. Noch spezieller
verwendet die vorliegende Erfindung den Wert von hF/S = 20
log FIS, wobei das in dB dargestellte Echohöhenverhältnis
der Vergleichswert der Höhe zwischen den Echos F und S
ist. Somit kann der Einfluß verschiedener Faktoren, die
die Probleme des herkömmlichen Fehlerdetektierverfahrens
sind, alle eliminiert werden. Auch die Werte des hF/S, x
und t können auf dem CRT angezeigt und leicht bestimmt
werden. Somit kann die Größe des Fehlers innerhalb des
Gegenstandes leicht, schnell, genau und mit einer hohen
Stückzahl gemessen werden, und zwar aus der Korrelation
zwischen dem Wert von hF/S und der Tiefe und Größe des
Fehlers und auch eine große Anzahl von Objekten oder
Gegenständen können auf einen Fehler leicht und automatisch
untersucht werden.
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Da das Fehlerdetektierverfahren der vorliegenden
Erfindung das Schalldruckverhältnis zwischen der reflektierten
Welle von der Suchoberfläche des Gegenstandes und der
reflektierten Welle vom Fehler verwendet, ist das Ergebnis
der Fehlerdetektierung konstant, ohne daß es durch die
Oberflächenrauhheit beeinflußt wird. Dies wird
nachfolgend unter Verwendung der Ergebnisse der Experimente
des Erfinders bewiesen.
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Der Gegenstand 1, der in dem Experiment verwendet wurde,
besitzt eine quadratische Form, wie es in Fig. 3 und 4
gezeigt ist, dessen Länge A 100 mm beträgt, dessen Länge
A' 50 mm beträgt und dessen Dicke D 50 mm beträgt. Der
Gegenstand 1 besitzt in dessen Mitte der Bodenoberfläche
1B ein rundes, einen flachen Boden aufweisendes Loch,
dessen Durchmesser d 2 mm beträgt und dessen Abstand von
der Suchoberfläche 1S zu der flachen Bodenoberfläche 5'
des Loches, d. h. die Tiefe des Fehlers, beträgt 15 mm.
Das Material des Gegenstandes 1 ist FCD45 (sphärisches
Graphitgußeisen gemäß JIS G5502). Elf
Oberflächenrauhheitsarten der Suchoberfläche 1S wurden in einem
Bereich von 6 um bis 200 um (mit Schritten von 20 um)
einer 10-Punktdurchschnittsrauhheit (gemäß JIS B0601)
präpariert. Der Schalldruck wurde als 0 dB gemessen in dem
Fall, daß die Genauigkeit der Endbearbeitung bei 6 im
lag. Die Sondenfrequenz betrug 5 MHz. Die Ergebnisse der
Messungen sind in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Figur zeigt
die vertikale Achse das Höhen- oder Größenverhältnis
zwischen den Echos F und S in Dezibel, während die
horizontale Achse die Rauhheit der Suchoberfläche 1S (10-Punkt
Durchschnittsrauhheit in um) zeigt. Wie es durch Fig. 5
verdeutlicht wird, bleibt, sogar wenn die Genauigkeit der
Endbearbeitung in der Größenordnung von 200 um liegt, was
ungefähr der Gußoberfläche und der granaliengeblasenen
Oberfläche entspricht, das Höhenverhältnis zwischen den
Echos F und S fast unverändert. Dies beweist, daß, wenn
der F/S-Wert als Auswertungsindex genommen wird, daß das
Fehlerdetektierverfahren gemäß der vor liegenden Erfindung
nicht durch die Rauhheit der Suchoberfläche beeinflußt
wird.
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Da das Fehlerdetektierverfahren der vorliegenden
Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß es überhaupt nicht
beeinflußt wird durch die Form, die Abmessungen und
Rauhheit der Bodenoberfläche des Gegenstandes, werden die
Werte hF/S und x, die auf dem CRT angezeigt werden,
verwendet und dadurch, daß es wenig durch die Rauhheit der
Suchoberfläche beeinflußt wird, kann die vorliegende
Erfindung eine hohe Genauigkeit und Quantität erreichen,
die nicht durch die herkömmlichen Techniken erreicht
werden können, und zwar für die Detektierung von folgendem:
irgendwelchen eingemischten Blasen, einem Hohlraum (oder
Blasloch), das darinnen ausgebildet ist und Abscheidungen
in Eisengüssen, Stahlgüssen usw. deren Oberflächen rauh
sind, irgendwelchen Sandmarkierungen, Sandeinschlüssen,
Zusammenschlüssen usw. in den Stahlschmieden und
irgendwelche Ausscheidungen, Brüchen usw. in den Rohren.
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Die Korrelation zwischen den Werten hF/S, X und der
Fehlergröße wird in weiterer Einzelheit unter Bezugnahme auf
die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in
der detaillierten Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels beschrieben.
Figurenbeschreibung
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In der Zeichnung zeigt
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Fig. 1 eine Zeichnung zur Erklärung des Grundprinzips des
Ultraschallverfahrens zum Messen der Größe eines
-
Fehlers in einem Festkörper gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 eine erklärende Zeichnung der Echomuster, die auf
einem CRT angezeigt sind und die durch das in
-
Fig. 2 gezeigte Verfahren erhalten wurden;
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Fig. 3 eine Draufsicht auf den Gegenstand, der verwendet
wurde, um die vorliegende Erfindung zu beweisen;
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Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in
Fig. 3;
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Fig. 5 graphisch die Beziehung zwischen der Rauhheit der
Suchoberfläche und der Veränderung in dem Wert
des Verhältnisses zwischen dem Fehlerecho F und
dem Suchoberflächenecho S;
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Fig. 6 eine schematische erklärende Zeichnung, die ein
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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Fig. 7 eine Kurve der Korrelation zwischen der
Fehlertiefe und der Differenz in der Höhe des F/S-
Echos, die durch das in Fig. 6 gezeigte Verfahren
erhalten wird;
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Fig. 8 die Korrelation zwischen dem Durchmesser d des
eines einen flachen Boden aufweisenden Loches, das
in dem Gegenstand gebildet ist und der
Proportionskonstanten a, die den Grad der
Regressionsgleichung anzeigt;
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Fig. 9 die Korrelation zwischen dem Durchmesser d des
einen flachen Boden aufweisenden Lochs, das in
dem Gegenstand ausgebildet ist und der Konstante
b der Regressionsgleichung;
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Fig. 10 eine erklärende Zeichnung, die das Prinzip des
F/BG-Verfahrens zeigt, das ein herkömmliches
Verfahren der Fehlerdetektion ist, und
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Fig. 11 auch eine Zeichnung, die das Prinzip des
herkömmlichen F/BF-Verfahrens erklärt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele.
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Gemäß den Fig. 2 bis 4 und 6 bis 9 wird das bevorzugte
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
nachfolgend beschrieben.
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In Fig. 6 zeigt das Bezugszeichen 1 einen Gegenstand oder
ein Objekt, das wie das Empfindlichkeitsstandardteststück
präpariert ist und es wird in das Wasser 3 in der Wanne
oder dem Bad 2 eingetaucht. Der Gegenstand 1 besitzt eine
gleiche Form und Außenseitenabmessungen, wie die in den
Fig. 3 und 4 gezeigte, und es ist eine quadratische dicke
Platte, dessen Dicke D = 50 mm und dessen Länge einer
Seite A = 100 mm beträgt. Der Gegenstand 1 besitzt ein
rundes, einen flachen Boden aufweisendes Loch, das in der
Mitte der Bodenoberfläche 1B davon ausgebildet ist.
Gegenstände werden wie folgend präpariert: sie sind mit
drei Arten eines einen flachen Boden aufweisendes Loch
versehen, deren Durchmesser d 2, 4 bzw. 6, betragen
und auch mit elf Abstandarten von der Suchoberfläche 1S
zu der flachen Bodenoberfläche 5' des Loches, d. h. die
Fehlertiefe X ist 5, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 und
50 mm für jeden Durchinesser d des einen flachen Boden
aufweisenden Loches
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Die Genauigkeit der Endbearbeitung des Gegenstandes 1 ist
eine 10-Punktdurchschnittsrauheit von ungefähr 6 Bin bis
15 Bin (gemäß JIS B0601). Das Material des Gegenstandes 1
ist ein sphärisches Graphitgußeisen FCD4S (gemäß JIS
G5502). Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Sonde der
Tauchbauart und sie wird auch in das Wasser 3 in der
Wanne 2 eingetaucht. Die Sonde 4 wird durch einen
ausreichend starren Träger (nicht gezeigt) gehalten, und
zwar in einer solchen Art und Weise, daß der Ultraschall
von einer Position mit einem Abstand L = 100 mm nahezu
senkrecht in Richtung der Suchoberfläche 1S des
Gegenstandes 1 abgestrahlt wird. Die Sonde wird auch so
gehalten, daß sie in Richtungen senkrecht zueinander in
einer Ebene parallel zu der Suchoberfläche 1S bewegt werden
kann, ohne den Winkel bezüglich des Gegenstandes 1 zu
verändern und so, daß der Winkel fein eingestellt werden
kann. Das Wasser 3 ist nicht irgendein frisches Wasser,
das Wasser ist einmal auf eine Temperatur von 60 bis 70ºC
erhitzt, um übersättigte Luft von dein Wasser
auszustoßen und dann wird es vor der Verwendung gekühlt, wodurch
die Verminderung der Empfangsempfindlichkeit (Gewinn)
verhindert wird. Die Sonde 4 besitzt eine 5 MHz Frequenz
und besitzt einen Wandler aus Porzellan aus
Zirkonbleititanat (5Z10i gemäß JIS Z2344) und mit einem Durchinesser
von 10 mm. Die Sonde 4 ist mit einem
Ultraschallfehlerdetektor 10 mittels eines Hochfrequenzkabels
verbunden. Die Sonde 4 gibt Ultraschall in Richtung der
Suchoberfläche 1S ab. Ein Teil des Ultraschalls wird an
der Suchoberfläche 1S reflektiert, um eine reflektierte
Welle mit einem Schalldruck F zu bilden. Der andere Teil
des Ultraschalls dringt in den Gegenstand 1 ein und
erreicht die flache Bodenoberfläche 5'. Dann wird er
teilweise reflektiert, um eine reflektierte Welle 8 mit einem
Schalldruck S zu bilden. Der andere Teil des Ultraschalls
bewegt sich weiter und erreicht die Bodenoberfläche 1B
und wird dort reflektiert, um eine bodenreflektierte
Welle 7 mit einem Schalldruck B zu bilden. Diese
reflektierten Wellen 6, 7 und 8 werden durch die Sonde 4
empfangen und dann als Echos S, F und B zusammen mit dein
übertragenen Impuls T in der Größenordnung von T, S, F
und B auf dein CRT des Ultraschallfehlerdetektors 10
angezeigt. Diese Impulse und Echos bilden die Echomuster,
die unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben wurden. Das
Größen- oder Höhenverhältnis zwischen den Echos F und S,
die auf dein CRT angezeigt sind, wurden festgestellt für
jede der oben genannten Objektarten und die Ergebnisse
sind in Fig. 7 gezeigt. Die vertikale Achse des in Fig. 7
gezeigten Graphs zeigt den Wert hF/S in dB des
Höhenverhältnisses zwischen den Echos F und S, während die
horizontale Achse den logarithmischen Wert des Abstandes
von der Suchoberfläche 1S zu der flachen Bodenoberfläche
5', d. h. die Fehlertiefe X (in mm) zeigt. Der Paraineter
ist der Durchmesser d des einen flachen Boden
aufweisenden Lochs und die gemessenen Werte des Lochs mit einem
Durchinesser von 2 mit einem Durchmesser von 4 und mit
einem Durchinesser von 6 werden mit den Zeichen , Δ bzw.
bezeichnet. Der Graph gemäß Fig. 7 zeigt deutlich, daß es
eine lineare Korrelation zwischen dein Wert hF/S und der
Fehlertiefe X gibt.
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Durch die Verwendung der oben genannten gemessenen Werte
in der folgenden Regressionsgleichung und durch das Lösen
der Gleichung durch das Verfahren der kleinsten
Fehlerquadrate für den Durchmesser d jedes einen flachen Boden
aufweisenden Lochs ergibt sich folgendes:
-
hF/S = -a log X-b (1)
-
Durchmesser d des einen flachen bodenaufweisenden Lochs Regressionsgleichung
-
2 mm hF/S = -5.4 log X - 27.03
-
4 mm hF/S = -4.9 log X - 19.18
-
6 mm hF/S = -4.5 log X - 16.05
-
In der Gleichung (1) ist der Begriff a eine
Proportionskonstante und b ist eine Konstante; der Wert von b ist in
jeder Regressionsgleichung der Wert von hF/S, wenn die
Fehlertiefe X = 1 ist.
-
Als nächstes wird durch Inbezugsetzen der
Proportionskonstante a (a in der Gleichung (1)) in jeder der
Regressionsgleichungen in der obigen Tabelle mit dem
Durchinesser d des einen flachen Boden aufweisenden Lochs der
in Fig. 8 gezeigte Graph erhalten. Die Vertikalachse
dieses Graphs nimmt den lograrithmischen Wert der
Proportionskonstante a ein, während die Horizontalachse den
Durchinesser d (in mm) des einen flachen Boden
aufweisenden Lochs in einem logarithmischen Wert einnimmt.
Weiterhin wird in Fig. 8 eine lineare Korrelation zwischen
diesen beiden Parametern hergestellt, d. h. desto größer
der Durchinesser d des einen flachen Boden aufweisenden
Lochs, desto kleiner wird der Wert der
Proportionskonstante
a. Durch Lösen dieser Regressionsgleichung
durch das Verfahren des kleinsten Fehlerquadrats ergibt
sich folgendes
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a = 10-0,164 log d + 0,78 (2)
-
Andererseits wird durch Inbeziehungsetzen der Konstante b
(b in der Gleichung (1)) jede der Regressionsgleichungen
in der obigen Tabelle mit dem Durchmesser d des eigen
flachen Boden aufweisenden Lochs der Graph gemäß Fig. 9
erhalten. Bei diesem Graph nimmt die vertikale Achse den
logarithmischen Wert der Konstante b ein, während die
horizontale Achse den logarithmischen Wert des Durchmessers
d (in mm) des einen flachen Boden aufweisenden Lochs
zeigt. Auch dieser Graph deutet darauf hin, daß eine
lineare Korrelation zwischen diesen beiden Parametern
besteht, desto größer der Durchmesser d des einen flachen
Boden aufweisenden Lochs, desto geringer wird der Wert
der Konstante b. Durch Lösung dieser Regressionsgleichung
durch das Verfahren des kleinsten Fehlerquadrats ergibt
sich folgenden:
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b = 100,47 log d + 1,57 (3)
-
Durch Verwendung der Gleichungen (2) und (3) in der
Gleichung (1) wird folgendes erhalten:
-
hH/S = -10-0,164 log d + 0,78·log X - 100,47 log d + 1,57 (4)
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Wenn der Wert von hF/S und die Fehlertiefe aus der
Gleichung (4) bekannt sind, ist die Größe des Durchmessers d
des einen flachen Boden aufweisenden Lochs quantitativ
bekannt. Da der Wert von hF/S und der Wert der
Fehlertiefe X einfach und leicht aus dein Höhenverhältnis aus
den Echos F und S und der Zeitverzögerung x
der
Zeitbasis, die auf dein CRT des Ultraschallfehlerdetektor
angezeigt ist, zu erkennen ist, ist die Größe des Fehlers
schnell, leicht, genau und quantitativ zu erkennen.
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Die Proportionskonstante a und die Konstante b in der
Gleichung (1) werden bestimmt durch die akustische
Charakteristik des Materials des Gegenstandes. Durch die
Bestimmung solcher Konstanten, die unterschiedliche Arten
von Festkörpern betrifft, und zwar durch Experimente,
kann die Größe des Fehlers extrem einfach und leicht
erkannt werden, wie in dem zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiel.
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Wie zuvor beschrieben wurde, ist das Verfahren zum Messen
der Größe eines Fehlers innerhalb eines Festkörpers so,
daß Ultraschallechos auf einem CRT angezeigt werden und
die Größe visuell aus den Echomustern, die durch die
Echos gebildet werden, zu erkennen ist. Jedoch ist es
auch möglich, die analogen Größen der Echohöhe und den
Fehlerdetektierabstand entlang der Zeitbasis mittels
herkömmlicher Mittel zu digitalisieren und diese analogen
Größen zu berechnen, unter Verwendung eines
Bezugsausdrucks, der mit der Größe des Fehlers korreliert, wodurch
digital diese Werte zusammen mit der Fehlergröße
angezeigt werden. Darüberhinaus ist es möglich, solche Werte
in einem Speicher zu speichern zum Vergleich mit
Bezugswerten, wodurch eine Ausrüstung oder ein Element
diagnostiziert werden kann auf Fehler oder Ärger und diese
verhindert werden können und wodurch eine große Anzahl von
Gegenständen oder Objekten leicht aufirgendwelche Fehler
oder Defekte untersucht werden können mittels der
automatischen Fehlerdetektion entlang der Produktions- oder
Herstellungslinie oder -reihe.