DE3685919T2 - Ultraschallpruefung von werkstoffen. - Google Patents

Ultraschallpruefung von werkstoffen.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Ultraschalluntersuchung von Materialien.
  • Eine konventionelle Ultraschalluntersuchung stellt Zeit-, Amplituden- und räumliche Informationen bereit, die durch mechanisches und elektrisches Gerät so miteinander kombiniert werden, daß sie sogenannte A-, B- und C-Abtastungen für die Erfassung und Ausmessung von Defekten oder Rissen bilden. Die am weitesten verbreitete Technik ist die Ultraschalluntersuchung nach Zeit und Amplitude oder A-Abtastung (A-scan). All diese Techniken machen Gebrauch entweder von einer kontinuierlichen Wellen- oder von einer Impulserregung und einem Zeitbezugssignal. Eine Haupteinschränkung dieser Techniken liegt darin, daß sie lediglich eine Unterscheidung nach Signal-Amplituden, Zeitauflösung oder räumlicher Auflösung ermöglichen. Diese Parameter sind unzureichend, um die Größe, Tiefe, Orientierung und Lage eines Defektes bzw. Risses festzulegen.
  • In grobkörnigen Materialien liefert die rückgestreute Ultraschallenergie an Korngrenzen ein Signal, welches während der Zeit, in welcher Pulsechos empfangen werden, kontinuierlich ist. Diese zurückgestreuten Signale können die Echos völlig unklar machen bzw. überdecken. Es ist klar, daß dann, wenn ein Defekt vorhanden ist, welcher die Ultraschallenergie reflektiert, die Phase des zusammengesetzten Echos verwendet werden kann, um die Gegenwart eines Defektes anzuzeigen, auch wenn kein über das Rauschen hervorgehobener Impuls erscheint. Das Rauschen wird im allgemeinen als "Gras" bezeichnet. Unglücklicherweise erreicht die Amplitude, wenn der Wandler, welcher für die Erzeugung und den Empfang des Ultraschalles verwendet wird, über die Oberfläche hinweggeschwenkt (gescannt) wird, einen einzelnen oder höchstens einige Spitzen (peaks), bevor sie abfällt. Dagegen würde sich die Phase kontinuierlich in einer Richtung mit der Bewegung des Wandlers ändern, würde anhalten, wenn der Wandler den Punkt der größten Annäherung erreicht hat, und wieder umkehren. Eine Einzelphasenmessung ist nicht ausreichend. Was man benötigt, ist eine Einrichtung, welche die Phasenänderung mit der Wandlerposition erfaßt. Darüber hinaus muß sie den Unterschied zwischen zufälligen Phasenunterschieden, die man lediglich aus Korngrenzenreflektionen erhält, und einem unterscheidungskräftigen Muster anzeigen, daß man mit einem Reflektor, wie z. B. einem Defekt bzw. Riß erhält.
  • Das US-Patent Nr. US-A-4 253 337 (Vase) offenbart ein Ultraschalluntersuchungsverfahren, welches Phasenmessungen und/oder Phasenverschiebungen von Ultraschallmaterialien verwendet. Es offenbart auch ein Verfahren, einen Defekt oder eine Diskontinuität in einem Gegenstand auszuwerten. Dabei verwendet die US-A-4 253 337 die Übertragung einer Ultraschallwelle in den Gegenstand und die Erfassung der Welle, nachdem sie durch die Unregelmäßigkeit bzw. Diskontinuität hindurchgetreten ist. Die Tiefe der Diskontinuität wird auch berücksichtigt in Bezug auf eine Phasen- und Amplituden-Änderung der erfaßten Welle, welche mit Werten einer Wellenfortschreitung bei Abwesenheit einer Diskontinuität verglichen werden.
  • Das US-Patent Nr. US-A-4 003244 (O'Brien et al) offenbart ein Gerät zur Dickenmessung durch Ultraschallimpulsechos, wobei ein Suchsignal und ein Echosignal so verstärkt werden, daß sie gleichgroß sind und daß sie auch so phasenverschoben werden, daß sie miteinander in Phase liegen. Auf diese Weise wird die Gesamtgenauigkeit des Systems gesteigert. Die US-A-4 003244 befaßt sich also mit der Phase des Signals.
  • Die europäische Patentanmeldung Nr. EP-A-0 150 997 offenbart ein Gerät zum Erfassen des Neigungskoeffizienten der Abschwächung eines Ultraschallwellenmediums an einer von dem Medium reflektierten Ultraschallwelle unter Verwendung eines Verschiebungsverfahrens einer zentralen Frequenz (Frequenz-Shift-Verfahren). Die Verschiebung der zentralen bzw. Mittenfrequenz wird aus der Zeitableitung der Phasendifferenz zwischen den einfallenden und reflektierten Wellen bestimmt. Ein Quadraturdetektorschaltkreis (Phasenverschiebungsdetektor) kann verwendet werden, um die Phasendifferenz zu bestimmen.
  • Das UK-Patent Nr. GB-A-1 332898 offenbart ein Gerät zur Bestimmung der Art eines Defektes (d. h. ob ein Defekt aus einem einzelnen Einschluß oder einem Cluster (Haufen) von Einschlüssen besteht) in einem Medium durch Verändern der Frequenz einer einfallenden Ultraschallwelle und Beobachten der Änderung der Amplitude oder Phase der reflektierten Welle mit der Frequenz.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallgerät zum Untersuchen eines Materials auf das Vorhandensein einer Diskontinuität darin vorgesehen, wobei das Gerät aufweist:
  • einen Oszillator, um ein Oszillatorsignal mit einer ausgewählten Frequenz in dem Ultraschallbereich zu erzeugen,
  • einen torgesteuerten Verstärker, der mit dem Oszillator verbunden ist, um das Oszillatorsignal zu empfangen und zu verstärken,
  • eine Wandlereinrichtung, welche mit dem Oszillator verbunden ist, um ein Ultraschallsignal bei der ausgewählten Frequenz in das Material auszusenden und um ein Echosignal von dem Material zurück zu empfangen,
  • einen Sende/Empfangsschalter, der mit dem torgesteuerten Verstärker und dem Wandler verbunden ist, um abwechselnd dem Wandler Oszillatorsignale zuzuführen und um Echosignale von den Wandlern zurück zu empfangen,
  • einen Empfangsverstärker, der mit dem Sende/Empfangsschalter für den Empfang und die Verstärkung der Echosignale verbunden ist,
  • eine Phasenerfassungseinrichtung, die einen Phasenteiler bzw. Mehrfachphasenschieber aufweist, welcher mit dem Oszillator verbunden ist, um ein Signal, welches mit dem Oszillator in Phase ist und ein Quadratursignal des Oszillators (um 90º phasenverschoben) zu erzeugen, einen ersten Phasendetektor, der mit dem Phasenteiler verbunden ist, um das Signal zu empfangen, welches in Phase ist und um ein erstes Anzeigesignal zu erzeugen, und einen zweiten Phasendetektor, welcher mit dem Phasenteiler verbunden ist, um das Quadratursignal zu empfangen und um ein zweites Anzeigesignal zu erzeugen, wobei die ersten und zweiten Phasendetektoren mit dem Empfangsverstärker verbunden sind, um verstärkte Echosignale von diesem zu empfangen, und eine Anzeigeeinrichtung, welche eine Kathodenstrahlröhre aufweist, die mit den ersten und zweiten Phasendetektoren derart verbunden ist, daß die ersten und zweiten Anzeigesignale als zueinander senkrechte Signale in die Kathodenstrahlröhre eingegeben werden, wobei die Kathodenstrahlröhre ein Bild erzeugt, das dann, wenn eine Diskontinuität vorhanden ist, das Bild eines rotierenden Spiralvektors ist, dessen Drehung um das Zentrum des Displays (Anzeige) die Phasenveränderungen wiedergibt, wobei der Abstand der Spirale von dem Zentrum des Displays die Amplitude des Echosignals anzeigt.
  • Das Muster der Phasenänderung kann überwacht werden, um eine Diskontinuität zu erfassen und um die Tiefe und Lage der Diskontinuität in dem Material zu bestimmen. Diskontinuitäten können entweder diskrete Defekte oder beabsichtigte Materialvariationen sein, die die Geschwindigkeit elastischer Wellen beeinflussen.
  • Die bevorzugte Ausführungsform ist eine spezielle Anwendung eines allgemeineren Konzeptes.
  • Die Phase eines Echos relativ zur Phase des Originalimpulses ist gegeben durch die Beziehung:
  • Φ = 2kR - σ
  • wobei:
  • Φ = Größe der gemessenen Phase,
  • k = (2π/Wellenlänge des Impulses),
  • R = Abstand von einem Wandler zu einem Reflektor (Defekt), und
  • σ = Phasenverschiebung während der Reflektion (π bei einer Reflektion von einem kleineren Widerstand).
  • Die Phase ist also eine monotone Funktion von R.
  • Die bevorzugte Ausführungsform verwendet eine Kombination eines unterscheidungskräftigen Phasenverschiebungsmusters, welches man auf einem Vektorskop erhält durch Verwendung von zwei Phasendetektoren, welche Signale in Phase und Quadratursignale (90º phasenverschoben) als Bezugssignale verwenden. Die Verwendung von zwei Phasendetektoren erzeugt eine rotierende Vektoranzeige auf der Kathodenstrahlröhre des Vektorskops. Ein Muster einer Phasenänderung anstelle einer zufälligen Phasenänderung wird verwendet, um die Gegenwart eines Defektes anzuzeigen.
  • Alternative Techniken, welche die Beziehung zwischen dem in seiner Phase erfaßten Signal, der Erregungsfrequenz und der Reflektorposition bestimmen, sind möglich. Eindeutige Beziehungen zwischen der erfaßten Phase, der Erregungsfrequenz und der Reflektorpositionen können durch eine geeignete Kalibrierung aus Standardtestblocks abgeleitet werden.
  • Die Beziehung zwischen Frequenz, Phase und Abstand kann geschrieben werden als:
  • Diese Beziehung wird als zyklische Kettenregel bezeichnet und ist eine Folge daraus, daß die erfaßte Phase eine Funktion der Frequenz und des Abstandes zwischen dem Wandler und dem Reflektor ist: Also
  • Φ = F (f, R) wobei f die Frequenz und R der Abstand sind.
  • Der Faktor dΦ/df/R kann bestimmt werden durch Veränderung der Erregungsfrequenz f, während der Wandler sich bei einer festen Position befindet. Wenn die Frequenz f verändert wird, ändert sich die Phase des Echos, wie durch den Ausgang des Phasendetektors angezeigt wird, der zwischen Maxima und Minima oszilliert. Die Phase verläuft durch einen Zyklus, wenn die Frequenz sich um Δf ändert, wobei
  • ΔF = C/2R
  • wobei C die Schallgeschwindigkeit in dem untersuchten Material ist.
  • Hierdurch wird eine Tiefenmessung bereitgestellt, äquivalent zum Messen der Zeit t, und gegeben
  • durch: R=C/2.Δf.
  • Die Orientierung von ebenen Reflektoren relativ zu der Achse des Wandlerstrahles kann bestimmt werden. Während der Wandler kontinuierlich über die Oberfläche in einer Richtung hinwegfährt, ändert sich die Phase des reflektierten Signals zunächst in einer Richtung, hält dann an und ändert sich dann in der entgegengesetzten Richtung. Die Wandlerposition, bei welcher die Änderungsrate der Phase Null ist, ist der Punkt der nächsten Annäherung. Dieser Punkt der nächsten Annäherung des Wandlers an den Defekt muß nicht der Punkt sein, bei welchem man eine maximale Amplitude erhält. Der Unterschied in den Positionen der Nullrate der Phasenveränderung und der Maximalamplitude hängt von der Richtung der Ultraschallachse und der Richtung der reflektierenden Oberfläche ab. Dies gilt auch für an Kanten gebeugte oder modenveränderte Wellen.
  • Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die im folgenden beschrieben wird, stellt ein Gerät und ein Verfahren für das Erfassen der Größe, Tiefe, Orientierung und Lage von Defekten bzw. Rissen in Materialien bereit durch Erfassen der Phasenänderung eines Ultraschallechoimpulses und kann selbst bei grobkörnigen Materialien verwendet werden, die den Nachteil des Rückstreuungsrauschens aufweisen. Wie oben erwähnt, wird eine Änderung in der Phase eines Echoimpulses in Abhängigkeit von der Wandlerposition erfaßt, und es werden zwei Phasendetektoren verwendet, von denen einer ein in Phase liegendes Bezugssignal und der andere ein Quadraturbezugssignal verwendet. Die bevorzugte Ausführungsform stellt ein Ultraschallgerät dar, welches in seiner Ausgestaltung einfach und in seinem Aufbau robust und wirtschaftlich herzustellen ist.
  • Die Erfindung wird jetzt weiter anhand eines veranschaulichenden Beispiels unter Bezug auf die zugehörige Figur beschrieben, die ein Blockdiagramm eines phasenempfindlichen Ultraschallinstrumentes ist, welches eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Die Figur zeigt einen Oszillator 10, der ein kontinuierliches Signal bei einer Frequenz f an einen torgesteuerten Verstärker 2 abgibt, der verstärkte Impulse durch einen Sende/Empfangs(TR)- Schalter 3 durch einen Wandler 1 hindurchschickt, der an ein Testmaterial angekoppelt ist. Echos von Reflektoren innerhalb des Testmaterials werden von dem Wandler 1 erfaßt und über den TR- Schalter 3 auf einen Empfangsverstärker 4 gegeben, von welchem die verstärkten Echos auf jeden der beiden Phasendetektoren 5 und 6 gegeben werden. Die Inphase- und Quadratur- Bezugssignale bei der Frequenz f werden von einem Phasenteiler 7 abgeleitet, und jedes dieser Signale wird jeweils auf einen der beiden Phasendetektoren 5 und 6 gegeben. Die Ausgänge der Phasendetektoren 5 und 6 werden, mit zusätzlicher Verstärkung, verwendet, um einen Strahl einer Kathodenstrahlröhre (CRT 8) in zueinander senkrechten Richtungen abzulenken.
  • Während der Wandler 1 über das Testmaterial hinwegbewegt wird, welches keine Reflektoren (d. h. keine Defekte, Risse oder Grenzflächen) enthält, wird ein Zufallsmuster auf dem CRT 8 angezeigt bzw. dargestellt. Wenn jedoch der Wandler 1 über einen Reflektor hinwegläuft, wird ein Spiralmuster angezeigt. Die Drehung um das Zentrum des Displays gibt Phasenveränderungen wieder, und der Abstand der Spirale von dem Zentrum des Bildschirms zeigt die Echoamplitude an.

Claims (3)

1. Ultraschallgerät zum Überprüfen eines Materials bezüglich des Vorhandenseins einer Ungleichmäßigkeit bzw. Diskontinuität in dem Material, wobei das Gerät aufweist:
einen Oszillator (10), um ein Oszillatorsignal mit einer ausgewählten Frequenz im Ultraschallbereich zu erzeugen,
einen Verstärker (2) mit Torschaltung, der mit dem Oszillator (10) verbunden ist, um das Oszillatorsignal zu empfangen und zu verstärken,
eine Wandlereinrichtung (1), die an den Oszillator (10) angeschlossen ist, um ein Ultraschallsignal mit der ausgewählten Frequenz in das Material hinüberzuleiten und um ein Echosignal von dem Material zurück aufzunehmen,
einen Sende-Empfangsschalter (3), der mit dem torgesteuerten Verstärker (2) und dem Wandler (1) verbunden ist, um abwechselnd Oszillatorsignale dem Wandler (1) zuzuführen und Echosignale zurück von dem Wandler zu empfangen,
einen Empfangsverstärker (4), der mit dem Sende-Empfangsschalter (3) verbunden ist, um die Echosignale zu empfangen und zu verstärken,
eine Phasendetektoreinrichtung (5,6,7), die einen Phasenschieber bzw. Phasenteiler (7) aufweist, welcher mit dem Oszillator (10) verbunden ist, um ein Signal, das in Phase mit dem Oszillatorsignal ist, sowie ein Quadratursignal (um 90º phasenverschobenes Signal) des Oszillators zu erzeugen, einen ersten Phasendetektor (5), der mit dem Phasenschieber (7) verbunden ist, um das in Phase liegende Signal zu empfangen und um ein erstes Anzeigesignal zu erzeugen, sowie einen zweiten Phasendetektor (6), der mit dem Phasenschieber (7) verbunden ist, um das Quadratursignal zu empfangen und um ein zweites Anzeigesignal zu erzeugen, wobei die ersten und zweiten Phasendetektoren (5,6) mit dem Empfangsverstärker (7) verbunden sind, um von diesem die verstärkten Echosignale zu empfangen, und
Anzeigeeinrichtungen, welche eine Kathodenstrahlröhre (8) aufweisen, die mit den ersten und zweiten Phasendetektoren (5, 6) in der Weise verbunden ist, daß die ersten und zweiten Anzeigesignale als orthogonale Signale in die Kathodenstrahlröhre (8) eingegeben werden, wobei die Kathodenstrahlröhre (8) ein Bild erzeugt, das, wenn eine Ungleichmäßigkeit vorhanden ist, das Bild eines sich drehenden bzw. gedrehten Spiralvektors ist, dessen Verdrehung um den Mittelpunkt der Anzeige Phasenveränderungen entspricht, wobei der Abstand der Spirale von dem Zentrum der Anzeige die Amplitude des Echosignals anzeigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, einschließlich einer Frequenzdurchlaufeinrichtung, die mit dem Oszillator (10) verbunden ist, um die ausgewählte Frequenz des Oszillatorsignals über einen ausgewählten Bereich von Frequenzen hinweg zu durchlaufen, wobei die ersten und zweiten Anzeigesignale sich mit der Frequenz verändern und die Gestaltung des von der Kathodenstrahlröhre (8) erzeugten Bildes sich entsprechend verändert, wobei die Veränderungen der Gestaltung verwendbar sind, um die Tiefe einer Ungleichmäßigkeit bzw. Diskontinuität in dem Material zu bestimmen, welches das Echosignal erzeugt.
3. Verwendung eines Ultraschallgerätes nach Anspruch 1 oder 2, um ein Material auf die Anwesenheit einer Ungleichmäßigkeit bzw. Diskontinuität darin zu überprüfen, wobei der Wandler (1) über eine Oberfläche des Materials hinwegbewegt wird, um das Echosignal von einer festen Ungleichmäßigkeit in dem Material zu verändern, wobei der Punkt der dichtesten Annäherung des Wandlers (1) an die Ungleichmäßigkeit durch eine Nullrate der Änderung der Phase des Echosignals angezeigt wird.
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