DE4124103C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Ultraschallwandler gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Elektrodynamische Ultraschallwandler werden in der zerstörungsfreien Ultraschall-Werkstoffprüfung eingesetzt. Bei dem Einsatz von elektrodynamischen Ultraschallwandlern wird der Ultraschall über ein Magnetfeld und über eine Wandlerspule, die sozusagen als Antenne arbeitet, im zu prüfenden Werkstück durch Wirbelstrominduktion erzeugt. Der Ultraschall wird damit erst in der zu prüfenden Werkstückoberfläche selbst erzeugt und nicht schon im Ultraschallwandler, wie bei der piezoelektrischen Ultraschallerzeugung. Aus diesem Grunde kann auf den Einsatz von Ultraschallkopplungsmitteln zwischen Wandler und Werkstückoberfläche bei der elektrodynamischen Ultraschallerzeugung verzichtet werden.

Aus der DE 40 16 740 C1 ist ein elektrodynamischer Ultraschallwandler der gattungsgemäßen Art bekannt, der mittlerweile sowohl in der automatisierten als auch in der handgeführten Ultraschallprüfung eingesetzt wird. Dieser bekannte elektrodynamische Ultraschallwandler weist eine sehr kompakte Bauform auf, wodurch sich das Gerät neben dem Einsatz als handgeführtes Prüfgerät auch zum vereinzelten Einbau, d. h. einer Vielzahl solcher Prüfgeräte in einer großen Prüfanlage eignet.

Die gesamte Magnetanordnung ist bei diesem bekannten elektrodynamischen Ultraschallwandler durch seine Geometrie fest vorgegeben. Die Einschallrichtung der Ultraschallwellen ist im allgemeinen zum einen von der Magnetgeometrie und zum wesentlichen von der Spulengeometrie abhängig. Da neben einer Wanddickenprüfung auch Volumen- bzw. Innenfehlerprüfung und Oberflächenfehlerprüfung von Bedeutung sind, muß eine Anpassung zwischen Magnetanordnung und Spulengeometrie erfolgen. Ebenfalls bedingen Wellenmoden verschiedener Polarisation, die jeweils auf die gewünschte Prüfaufgabe abgestimmt sind, eine Anpassung bzw. Veränderung der Spulen- und ggf. auch der Magnetgeometrie. Die Anpassung des Ultraschallwandlers an verschiedene Spulengeometrien ist bei diesem bekannten Ultraschallwandler zwar möglich, aber aufwendig. Bei dem oben genannten Einsatz des Ultraschallwandlers zum vereinzelten Einbau in einer großen Prüfanlage entstehen je nach Art der Prüfanlage große Entfernungen zwischen Ultraschallwandler und zentraler Steuerungselektronik. Die Einsatzmöglichkeit einer Vorortelektronik am Ultraschallwandler selbst, ist bei erschwerten Einsatzbedingungen, wie z. B. bei höheren Temperaturen, bei diesem bekannten Ultraschallwandler nicht möglich. Der bekannte elektrodynamische Ultraschallwandler ist dabei so ausgelegt, daß die Arbeitstemperatur, d. h. im wesentlichen die Temperatur des zu prüfenden Werkstückes nicht mehr als ca. 80°C betragen sollte. Der bekannte Ultraschallwandler macht sich zwar die Möglichkeit der elektrodynamischen Ultraschallerzeugung auf sehr vorteilhaft kompakte Weise zunutze, eignet sich jedoch nicht für einen einfachen und schnellen Umbau der Magnet- sowie der Spulengeometrie und läßt einen Einsatz über große Distanzen zwischen Wandler und Steuerungselektronik sowie bei höheren Einsatztemperaturen nicht ohne weiteres zu.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektrodynamischen Ultraschallwandler der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß auf recht einfache Weise eine Anpassung bzw. ein Umbau des Ultraschallwandlers entsprechend der gewünschten Einsatzsituation selbst bei höheren Temperaturen und größeren Wandler-Steuerungselektronik-Entfernungen ermöglicht ist.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem elektrodynamischen Ultraschallwandler der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gehäuse aus einem unmagnetischen Material besteht und der Gehäusemantel im Bereich des darin angeordneten Magnetsystems abschnittsweise Ausnehmungen aufweist, innerhalb derer aus magnetischem Material bestehende Rückschlußplatten zur Gewährleistung eines magnetischen Rückschlusses zwischen Werkstückoberfläche und Magnetsystem angeordnet sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt im wesentlichen in der Ausgestaltung des Gehäuses aus unmagnetischem Material und des quasi nur segmentförmig ausgebildeten Rückschlußkörpers. Das unmagnetische aber elektrisch leitfähige Material des Gehäuses ermöglicht einen integrierten Einbau einer Signalverstärkerelektronik auf recht einfache Weise, bei dem das Gehäuse selbst die Abschirmung der integrierten Elektronik gegen starke magnetische und elektromagnetische Felder bewirkt, wodurch die Anordnung eines separaten Abschirmkäfigs überflüssig ist. Die Rückschlußplatten sind bei einer im Querschnitt rechteckförmigen Ausbildung des Gehäuses sich gegenüberliegend und schaffen so, nachdem die Rückschlußplatten demontiert sind, einen Zugang zum Magnetsystem und zum Wandlerspulenträger. Sowohl das Magnetsystem als auch das Spulensystem können ausgewechselt oder umgebaut werden, wobei nach Zusammenbau des Ultraschallwandlers die äußere Geometrie unverändert bleibt. Der in vorteilhaft einfacher Weise gegebene Einbau der integrierten Signalverstärkerelektronik in das Gehäuse des Ultraschallwandlers ermöglicht es, die Empfangssignale vor Ort derart aufzubereiten, daß sie über ein Kabel über weitere Entfernungen bis zur zentralen Steuerungs- und Auswerteelektronik ohne Übertragungsfehler übertragen werden können. Die Integrationsmöglichkeit beschränkt sich hierbei natürlich nicht nur auf eine Verstärkerelektronik, sondern es können beliebige elektronische Baugruppen integriert werden. Wesentlich ist dabei, daß die Kleinheit und Kompaktheit des Ultraschallwandlers erhalten bleibt. Der Einsatz einer integrierten Elektronik ist durch die Anordnung von Kühlkanälen innerhalb des Gehäuses im Mantelbereich möglich, wobei sowohl die Elektronik als auch das Magnetsystem umspült werden, so daß der Ultraschallwandler in jeder Einsatzsituation, d. h. auch bei höheren Temperaturen des zu prüfenden Werkstückes eingesetzt werden kann. Die Speisung des Kühlsystems erfolgt auf recht einfache Weise durch Druckluft, die durch das Gehäuse hindurch einspeisbar und durch den Träger des Wandlerspulensystems entlüftbar ist. Die Ausgestaltung des Magnetsystems aus mindestens zwei mit den Polflächen gleicher Polarität zugewandten Permanentmagneten, ist bei der gesamten Ausgestaltung des Ultraschallwandlers problemlos möglich. Die Auswechselbarkeit des Konzentratorkörpers je nach verwendeter Spulengeometrie schafft eine optimale Anpassung des Magnetsystems an die Spulengeometrie und somit eine optimale Ultraschallerzeugung je nach Betriebsart.

Ein weiterer Vorteil ist aus der Ausgestaltung des Deckels zu entnehmen, der sowohl den Kühlmittelanschluß als auch die mit den übrigen Kühlmittelkanälen verbundenen Kühlmittelleitungen integriert enthält. Hierdurch ist insgesamt ein quasi modularer Aufbau ermöglicht, so daß nach Montage des gesamten Ultraschallwandlers die Kühlmittelleitungen bzw. -kanäle schlüssig miteinander verbunden sind, ohne daß zusätzlich Kühlmittelkanäle oder Leitungen im Gehäuse verlegt werden müssen. Das heißt, alle kühlmittelführenden Kanäle sind in den Einzelteilen wie Gehäuse, Rückschlußplatten und Wandlerspulenträger so integriert, daß nach der Montage des Ultraschallwandlers eine durchgängig kühlmittelschlüssige Verbindung zwischen allen Kühlkanälen sowie dem Kühlmittelanschluß gegeben ist. Der Vorteil der weiteren Ausgestaltung der Erfindung, bei dem die integrierte Elektronik in Etagen aufeinandersteckbar ist und bei der mindestens die dem Deckel nächstliegende Etage der Elektronik mit dem Deckel selbst mechanisch verbunden ist, ist wartungsmäßig begründet. Hierbei kann die Elektronik bei einem Störfall gewartet werden, indem einfach der Deckel aufgeschraubt und nach Abheben des Deckels die oberste Etage der Elektronik mit abgehoben wird und alle elektronischen Bauelemente zur Reparatur zugängig sind. In letzter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die werkstücknahen Längskanten des Ultraschallwandlers im Bereich der Rückschlußplatten und des Wandlerspulenträgers abzuschrägen, hat den Vorteil, daß der Ultraschallwandler in dem Fall, daß er an einem Werkstück aufgrund der hohen magnetischen Kräfte "festklebt" durch Abknicken über die Abschrägung leicht vom Werkstück gelöst werden kann.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im nachfolgenden näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 Gehäuse des elektrodynamischen Ultraschallwandlers

Fig. 2 Schnitt durch das Gehäuse mit Rundspulensystem

Fig. 3 Schnitt durch das Gehäuse mit Linienelementwandler-Spulensystem

Fig. 4 Integration der Elektronik

Fig. 5 Integration der Kühlkanäle

Fig. 1 zeigt die äußere Bauform des Gehäuses 2, bei dem ein parallel zur zu prüfenden Werkstückoberfläche gelegter Schnitt einen rechteckförmigen Querschnitt ergibt. Die Rückschlußplatten 3, 3′ sind derart geformt und in entsprechend geformte Ausnehmungen 7, 7′ des Gehäuses 2 eingelassen, daß sich eine nach außen geschlossene Oberfläche des Ultraschallwandlers ergibt. Dies erweist sich bei der Verwendung des Ultraschallwandlers in einer komplexen Prüfanlage bei der Montage stets als vorteilhaft. Ebenfalls der Wandler-Spulenträger 4 ist so ausgebildet, daß er schlüssig zwischen den Rückschlußplatten 3, 3′ in der Öffnung 8 des Gehäuses 2 angeordnet ist und somit ebenfalls die geschlossene Oberfläche des Wandlergehäuses 2 erhält. Der Deckel 1 ist mit einer Öffnung 5 zur Aufnahme des elektrischen Anschlusses versehen. Der Kühlmittelanschluß 6 ist ebenfalls an dem Deckel 1 angebracht.

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch das Gehäuse 2 des Ultraschallwandlers, bei dem auch die interne Aufteilung ersichtlich ist. Im oberen Gehäuseteil befindet sich eine Aussparung 19 in der die Elektronik 20 unterbringbar ist. Das Gehäuse selbst besteht aus einem unmagnetischen aber elektrisch leitfähigem Material, wobei stets eine gute Abschirmung gegen außen auftretende starke Felder bei der Prüfung erfolgt. Die Rückschlußplatten 3, 3′ sowie die Magnete 12, 12′ und der Konzentratorkörper 13 bilden einen geschlossenen magnetischen Kreis, bei dem nach Anlegen des Ultraschallwandlers an die Werkstückoberfläche die Magnetfeldlinien aus dem Konzentratorkörper 13 in Richtung der Wandlerspulen 18 austreten, in das Werkstück dringen und ihren Rückschluß über die Rückschlußplatten 3, 3′ wieder zum Magnet finden.

Fig. 3 zeigt die Verwendung des elektrodynamischen Ultraschallwandlers mit einer Wandlerspule 18, welches als Linienelement-Wandlersystem bezeichnet wird. Das Magnetsystem ist hierbei in der besonderen Ausgestaltung des Konzentratorkörpers 13, der an der wesentlichen Austrittsstelle der Magnetfeldlinien zum Spulensystem hin konisch verjüngt ist. Die Rückschlußplatten 3, 3′ sind dabei demontierbar, so daß ein Zugang zum Magnetsystem ermöglicht ist, wobei entweder nur der Konzentratorkörper 13 oder Konzentratorkörper mit den Magneten 12, 12′ austauschbar sind. Der Spulenträger 4 ist insgesamt in seinen Abmessungen so ausgestaltet, daß die verschiedenen Wandlersysteme darin Platz finden können, ohne daß sich die äußeren Dimensionen des Spulenträgers ändern. Der Ultraschallwandler besitzt dadurch nach Umbau wieder die gleichen äußeren Gehäusedimensionen wie vor dem Umbau.

Fig. 4 zeigt detailliert die Einbaumöglichkeit einer Signalverstärkerelektronik 20, die vor Ort, d. h. innerhalb des Gehäuses 2 des Ultraschallwandlers angeordnet ist. Somit kann eine Aufbereitung des Signals schon "vor Ort" erfolgen, so daß das aufbereitete Signal ohne Fehlübertragung über weitere Entfernungen zu einer zentralen Steuerungselektronik übertragen werden kann. Durch die Ausbildung des Gehäuses aus unmagnetischem aber elektrisch leitfähigem Material ist damit ebenfalls eine gute Abschirmung gegeben, ohne daß zusätzliche Abschirmelemente, beispielsweise Käfig und dergleichen nötig sind. Der etagenweise Aufbau der Elektronik 20 läßt sich über elektrische Steckverbindungen zur elektrischen Kontaktierung von einer "Etage" zur anderen realisieren. Die mechanische Verbindung der dem Deckel 1 am nächsten liegenden "Etage" mit dem Deckel selbst macht diese Anordnung wartungsfreundlich, da nach entfernen des Deckels sofort alle elektronischen Baugruppen getrennt und damit zugänglich sind.

Fig. 5 zeigt die Anordnung von Kühlkanälen 9, die insgesamt dann selbst die Ausgestaltungsmöglichkeit einer integrierten Elektronik 20 auch im Einsatzbereich höherer Temperaturen ermöglicht. Der Schnitt in Fig. 5 ist so durch den Ultraschallwandler gelegt, daß die quasi als Bohrungen bzw. als integrierte Leitungen ausgestalteten Kühlkanäle offenliegen. Die Kühlkanäle 9 verlaufen im Bereich des Gehäusemantels und umspülen sowohl den Gehäuseteil, der die Elektronik 20 trägt, als auch den Gehäuseteil, der das Magnetsystem 12, 12′, 13 und das Spulensystem 18 aufnimmt. Dabei werden sowohl Rückschlußplatten als auch die Magnete sowie das Spulensystem 18 vom Kühlmittel umspült. Die Kühlkanäle 9 verlaufen entsprechend an den Magneten 12, 12′ vorbei durch den Wandlerspulenträger 4 hindurch und werden im Bereich der Wandlerspulen 18 durch den Wandlerspulenträger 4 hindurch entlüftet. Dabei sind die Kühlkanäle 9 in vorteilhafter Weise so ausgestaltet, daß sie in die einzelnen Segmente, d. h. Gehäuse 2, Rückschlußplatten 3, 3′ und Spulenträger 4 derart integriert sind, daß zum einen keine zusätzlichen Leitungen gelegt werden müssen und zum anderen der sozusagen segment- oder modulförmige Aufbau des Gehäuses unverändert bleibt. Die Kühlkanäle sind dabei durch Bohrungen oder durch Ausnehmungen im Gehäuse und in den Rückschlußplatten und dem Spulenträger gebildet. Diese sind im montierten Zustand kühlmittelschlüssig miteinander verbunden. Der letztendliche Kühlmittelanschluß 6 ist über im Deckel 1 integrierte Kanäle 9′ im montierten Zustand des Ultraschallwandlers mit den übrigen Kühlkanälen 9 verbunden.

Insgesamt ist der erfindungsgemäß vorgeschlagene Elektrodynamische Ultraschallwandler universeller einsetzbar und eignet sich sowohl für die Werkstoffprüfung heißer Werkstücke als auch für den Einsatz in Prüfanlagen, bei denen eine große Entfernung zwischen jeweiligem Ultraschallwandler und der zentralen Steuerungselektronik besteht.

Claims (12)

1. Elektrodynamischer Ultraschallwandler, bestehend aus einem an eine zu prüfende Werkstückoberfläche anzulegenden Gehäuse mit einem darin in der Nähe der zu prüfenden Werkstückoberfläche angeordneten Magnetsystem, und einem zwischen Magnetsystem und zu prüfender Werkstückoberfläche angeordneten Wandlerspulensystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) aus einem unmagnetischen, elektrisch leitfähigen Material besteht und der Gehäusemantel im Bereich des darin angeordneten Magnetsystems (12, 12′, 13) abschnittsweise Ausnehmungen (7, 7′) aufweist, innerhalb deren aus magnetischem Material bestehende Rückschlußplatten (3, 3′) zur Gewährleistung eines magnetischen Rückschlusses zwischen Werkstückoberfläche und Magnetsystem demontierbar angeordnet sind.

2. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) bezogen auf einen parallel zur zu prüfenden Werkstückoberfläche gelegten Schnittes einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist.

3. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (7, 7′) sowie die darin angeordneten Rückschlußplatten (3, 3′) an den Schmalseiten des rechteckförmigen Gehäusequerschnittes angeordnet sind.

4. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) mit einer werkstückoberflächenseitigen Öffnung (8) versehen ist, die sich zwischen den Rückschlußplatten (7, 7′) erstreckt, und innerhalb deren ein auswechselbarer aus einem unmagnetischen Material bestehender Wandlerspulenträger (4) demontierbar angeordnet ist.

5. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuse (2) im Bereich der der zu prüfenden Werkstückoberfläche abgewandten Gehäusehälfte eine Signalverstärkerelektronik (20) integriert angeordnet ist.

6. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses (2) der Mantelbereich mit Kühlkanälen (9) versehen ist, die sowohl den die Elektronik (20) aufnehmenden Gehäuseteil als auch den das Magnetsystem (12, 12′, 13) tragenden Gehäuseteil durchspülen.

7. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (9) durch einen Anschluß (6) durch das Gehäuse (2) hindurch mit Druckluft einspeisbar und durch mindestens eine werkstückseitige Entlüftungsöffnung (11) im Wandlerspulenträger (4) entlüftbar sind.

8. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem (12, 12′, 13) aus mindestens zwei mit den Polflächen gleicher Polarität zugewandten Permanentmagneten (12, 12′) und einem dazwischen angeordneten Konzentratorkörper (13) besteht.

9. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentratorkörper (13) zur Anpassung an die jeweils verwendete Spulengeometrie auswechselbar ist.

10. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) an der der Werkstückoberfläche abgewandten Seite mit einem Deckel (1) verschließbar ist, in dem Kanäle (9′) integriert angeordnet sind, die eine kühlmittelschlüssige Verbindung zwischen Kühlmittelanschluß (6) und den übrigen Kühlmittelkanälen (9) schafft.

11. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverstärkungselektronik (20) etagenweise im Gehäuse (2) angeordnet ist, derart, daß mindestens die dem Deckel nächste Etage der Elektronik (20) mechanisch mit dem Deckel (1) verbunden ist und die einzelnen Etagen der Elektronik (20) über Steckverbindungen untereinander elektrisch kontaktierbar sind.

12. Elektrodynamischer Ultraschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlußplatten (3, 3′) sowie der Wandlerspulenträger (4) entlang der Längsseiten des rechteckförmigen Querschnittes abgeschrägt ausgebildet sind.