DE4133648A1 - Verfahren und einrichtung zur ultraschallpruefung von staeben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ultraschallprüfung von Stäben mit massivem Querschnitt entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf rohrförmige Wandler zur Durchführung dieses Verfahrens, sowie auf Einrichtungen für den Betrieb derartiger Wandler.

Verfahren der einleitend beschriebenen Art sind grundsätzlich be­ kannt, so beispielsweise nach J.H. Krautkrämer Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 5. Auflage, Springer Verlag, Seite 159. Derartige koppelmittelfreie Verfahren haben den Vorteil, daß sie sich ohne Materialverbrauch und bei nur sehr wenig Wartung zum Prüfen von Stäben und Drähten in der Produktion eignen. Dadurch können Stäbe, Profile und Drähte im Durchmesserbereich bis etwa 25 mm auf Fehler geprüft werden, wie z. B. Risse, Eindrücke, Kernfehler, Einschlüsse und dergleichen. Die Verwendung geführter Wellen unterscheidet dieses Verfahren von den bekannten Verfahren mit freien Wellen, so daß die Schallausbreitung in axialer Richtung der Stangen und Stäbe erfolgt. Dies erlaubt im unteren Durchmesserbereich eine Prüfung auf Innenfehler und auch einzelner Prüflinge mit komplizierter Querschnittsform. Bei freien Wellen gelingen derartige Untersuchungen aber infolge zahlreich auftretender Rück­ wand- und Kantenechos unabhängig von der Art der elektroakustischen Wandler nicht. Somit konnte der Einsatz geführter Wellen zur Aus­ dehnung der Innenfelderprüfung mit Ultraschall beitragen. Wünschenswert sind jedoch hohe elektromagnetische Energiebeträge, um auch dann noch hinreichende Übertragungsmöglichkeiten zu schaffen, wenn es sich um entfernt liegende Fehler handelt, die festgestellt werden sollen.

Die in Rede gestellten Ultraschallwellen sind zweidimensional geführt, und von kleiner Wellenlänge im Vergleich zu einer oder zwei linearen Abmessungen des Prüflings, der als Wellenleiter wirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Prüfling zur Ver­ fügung stehende Energie zu steigern.

Diese Aufgabenstellung wird durch die Vorschläge der Patent­ ansprüche gelöst.

Es ist also für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich, daß eine unidirektionale Ausbreitung der Schallwellen auf Grund einer Inter­ ferenz besteht.

Dies hat zur Folge, daß der Prüfling in nur einer seiner beiden Längsrichtungen beaufschlagt ist, und zwar einerseits durch Auf­ nahme einer hohen Sendeenergie und andererseits durch Abgabe einer hinreichenden Signalenergie beim Empfang. Damit die Löschung des Magnetfeldes in der hierzu entgegengesetzten Richtung als Folge der Interferenz möglich ist, wird eine entsprechende Phasenverschiebung vorausgesetzt, so daß in der einen Richtung die Oberlagerung zur Auslöschung führt, wohingegen sie in der anderen Richtung eine Ver­ dopplung der Amplitude zur Folge hat, welch letztere eine ver­ besserte Fehlerortung gestattet.

Die Erfindung gestattet grundsätzlich die Untersuchung ferromag­ netischer Werkstoffe und nichtmagnetischer Werkstoffe, und zwar auf der Grundlage zwei verschiedener Mechanismen, die beide umkehrbar sind und daher auch zum Empfang des Ultraschallsignals genutzt werden können:

• 1. Der Lorentz-Effekt (elektrodynamische Ultraschaller­ zeugung).
• 2. Der Magnetostriktions-Effekt.

Beim Lorentz-Effekt wird mit Hilfe einer HF-Spule an einem Volumen­ element eines Prüflings ein Wirbelstrom induziert, auf den zu­ sätzlich ein statisches Magnetfeld einwirkt, so daß die resul­ tierende Kraft dem Produkt der beiden Größen entspricht. Diese Lorentz-Kräfte werden von den freien Elektronen auf das Metall­ gitter übertragen und regen auf Grund ihrer räumlichen und zeitlichen Periodizität eine Ultraschallwelle an, deren Wellenlänge durch die Wandlergeometrie und deren Frequenz durch den Wechsel­ strom vorgegeben sind.

Im Falle des Magnetostriktionseffektes erzeugt ein Wechselstrom ein magnetisches Wechselfeld, das sich einem eingeprägten magnetischen Gleichfeld additiv überlagert. Die lokale Magnetisierungsänderung erzeugt Ultraschallwellen mit vorgegebener Frequenz und Wellen­ länge.

In beiden Fällen ist, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, zunächst ein statisches Magnetfeld durch Gleichstrombeaufschlagung erforder­ lich, welches sich dem magnetischen Wechselfeld, wie es durch Wechselspannung erzeugt wird, überlagert.

Eine unbeabsichtigte Löschung von Magnetfeldern wird erfindungs­ gemäß dadurch vermieden, daß der Prüfling der Einwirkung eines Mag­ netfeldes auf Grund wechselnder Stromrichtungen im Bereich des Wandlers ausgesetzt wird.

Für die vorgesehene Wellenlänge ist maßgeblich, daß der Abstand be­ nachbarter Wicklungen des rohrförmigen Wandlers der halben Wellen­ länge, die zu generieren ist, entspricht. Zur Fixierung und Aus­ nützung des vorhandenen Raumes sind die Wicklungen zweckmäßig in Nuten eingelegt. Somit läßt sich zuverlässig durch die Geometrie des Wandlers dem Schallfeld eine bestimmte Wellenlänge aufprägen. Mit der zusätzlich vorgegebenen Frequenz werden somit Ultraschall­ wellen generiert, wobei die Öffnungsweite des Wandlers im wesent­ lichen durch den Durchmesser des Prüflings fixiert bzw. vorgegeben ist, und zwar derart, daß der Stab frei ohne Berührung durchgeführt werden kann. Um die Wellen sicher führen zu können, wird auch der Durchmesser des Prüflings berücksichtigt, indem die Wellenlänge halb so groß bis doppelt so groß wie der Durchmesser sein sollte.

Erfindungsgemäß wird vermieden, daß die erzeugte Energie in den beiden Längsrichtungen des Prüflings abfließt, ohne genutzt zu werden. Dies geschieht dadurch, daß der Wandler unidirektional ar­ beitet. Der Wandler trägt zu diesem Zweck zwischen jeweils zwei Wicklungen noch eine weitere Wicklung, die der ersten Wicklung genau entspricht, jedoch getrennt anzusteuern ist. Die neue, hinzu­ getretene Wicklung besitzt also einen Abstand von λ/4 von den vorhandenen Wicklungen. Sie wird mit 90° Phasenverschiebung ge­ steuert, so daß es auf der einen Seite zur Auslöschung der Wellen kommt, während auf der anderen Seite eine Abstrahlung mit Ober­ lagerung eintritt, die eine Verstärkung mit dem Faktor 2 aufweist. Im Ergebnis bleibt also der eingebrachte Energieumsatz erhalten, jedoch kommt er ausschließlich der Seite zugute, die für die Messung vorgesehen ist.

Für die geometrische Ausgestaltung des Wandlers ist zu berück­ sichtigen, ob der Werkstoff des Prüflings magnetisierbar ist, oder ob er nichtmagnetisierbar ist. Für unmagnetisches Material sieht die Erfindung Wicklungen vor, die jeweils bis zum halben Umfang der Mantelfläche eines Rohrkörpers reichen, der die Wicklungsanordnung trägt. Die gegenüberliegende Seite wird zweckmäßig in gleicher Weise ausgestaltet, so daß dann parallele und zur Prüflingsrichtung senkrechte Spulenströme fließen.

Für magnetisches Material werden die Wicklungen konzentrisch zur Förderrichtung gewickelt, wobei sie einen Abstand von λ/2 voneinander haben.

Die zusätzlich vorgeschlagenen Wicklungen zur Interferenz lassen sich bezüglich der übrigen Wicklungen bei Platzmangel ineinander verschachteln, so daß sie sich teilweise überdecken.

Die Einrichtung für den Betrieb des Wandlers besteht im wesent­ lichen aus der Sendeelektronik und der Empfangselektronik. Ihre prinzipielle Funktionsweise bei einer Drahtprüfanlage folgt aus der nachstehenden Beschreibung:

Hardware-Beschreibung der Drahtprüfanlage Beschreibung der Elektronik

Die Hardware der Drahtprüfanlage läßt sich einmal in die Sendeelektronik und zum an­ deren in die Empfangselektronik unterteilen. Die Sendeelektronik umfaßt alle Teile von der Sendesignalerzeugung bis zu Ansteuerung des Ultraschallsendewandlers. Die Empfangselektronik reicht von der Verstärkung des Signals am Empfangswandler bis zur Übergabe des digitalisierten Signals an den VME-Bus-Rechner, der die weitere Ver­ arbeitung der Signale übernimmt.

Prinzipielle Funktionsweise der Sendeelektronik

Der Sollwert der Frequenz des Sendesignals wird der Drahtprüfanlage über einen Da­ tenbus vom Rechner aus übertragen und dort in einem Register gespeichert. Über eine Frequenzregelung wird dann ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO = voltage con­ trolled oscillator) auf diesen Sollwert geregelt. Je nachdem, ob eine Mehrmodenprüfung mit unterschiedlichen Frequenzen gefordert ist, ist diese Frequenzregelung mehrfach vorhanden, um eine hohe Sendeimpulswiederholrate zu gewährleisten, da die Fre­ quenzregelung eine relativ große Zeitkonstante besitzt. Die jeweils benötigte Sendefre­ quenz wird dann über einen Multiplexer weitergeschaltet. Aus dieser kontinuierlichen Impulsfolge wird dann der sogenannte Burst erzeugt. Der Burst besteht aus einer Puls­ folge der Sendefrequenz mit einer vorgebbaren Anzahl der Pulse. Die Anzahl der Pulse wird vom Rechner vorgegeben und liegt zwischen O bis 15. Die Pulse in der Drahtprüf­ anlage haben Rechteckform.

Da die Drahtprüfanlage mit einem unidirektionalen Ultraschallwandler arbeitet, muß der Sendeimpuls für jede der beiden Sendewicklungen getrennt erzeugt werden. Dabei be­ sitzt der zweite Sendeimpuls eine Phasenverzögerung von 90° zum ersten Sendeim­ puls.

Nachdem das Burstsignal dann in die beiden verschiedenen Kanäle aufgespalten ist, wird es über je einen Leistungsverstärker auf die nötige Signalenergie gebracht. An die­ se Sendeverstärker werden die einzelne Elemente des Wandlers geschaltet.

Die Sendewicklung des Ultraschallwandlers stellt eine induktive Belastung für den Sen­ der dar. Deshalb wird wird zur Leistungsanpassung eine Kapazität mit der Sendewicklung in Serie geschaltet und dieser Serienschwingkreis in Resonanz betrieben. Dieses erfordert eine digital abstimmbare Serienkapazität um den Serienkreis bei einer vorge­ gebenen Frequenz auf Resonanz abstimmen zu können.

Prinzipielle Funktionsweise der Empfangselektronik

Der Empfangswandler ist ebenfalls als unidirektionales Wandlersystem aufgebaut. So mit wird für jede Empfängerwicklung ein separater Vorverstärker benötigt.

Die Abstimmung auf die Sendefrequenz erfolgt durch einen Parallelschwingkreis, bei dem die Empfangswicklung die Induktivität darstellt und die Kapazität durch Kapazitäts­ variationsdioden gebildet wird. Mittels der Kapazitätsvanationsdioden kann dann über eine Steuerspannung durch Resonanzabgleich der Empfänger auf die Sendefrequenz abgestimmt werden.

Die je Empfängerwicklung gewonnenen Signale müssen dann entsprechend der ge­ wollten Empfangscharakteristik überlagert werden, das heißt, sie müssen entsprechend zeitverzögert addiert werden.

Das so erhaltene Signal wird demoduliert und logarithmisch verstärkt.

Es besteht die Möglichkeit sowohl das HF-Signal in linearem Maßstab als auch das de­ modulierte NF-Signal in logarithmischem Maßstab auf einem Oszillographenschirm dar­ zustellen.

Das demodulierte Signal wird dann analog/digital gewandelt und in den Rechner zu ei­ ner weiteren Signalverarbeitung übertragen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den zur Veranschaulichung dienenden Zeichnungen offenbart. Darin zeigen:

Fig. 1 den neuen Wandler für magnetisches Material,

Fig. 2 den neuen Wandler für nichtmagnetisches Material,

Fig. 3 eine Teilansicht gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine weitere Teilansicht gemäß Fig. 2,

Fig. 5 Amplitudenverläufe bei der Erzeugung einer einseitigen Abstrahlung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild der Einrichtung für den Betrieb des Wandlers,

Fig. 7 den zeitlichen Verlauf von Sendeimpulsen,

Fig. 8 das Prinzip der Senderesonanz-Abstimmung und

Fig. 9 das Prinzip der Empfangsresonanz-Abstimmung.

Fig. 1 zeigt die auf dem Rohrkörper 20 angeordneten Wicklungen 2, 3, deren Abstand voneinander λ/2 ist. Zwischen den beiden Wick­ lungen 2, 3 erkennt man die mit gleicher Windungszahl ausgeführte Wicklung 4, die nach Maßgabe der zu erzielenden Interferenz ange­ steuert wird. Sie hat von den beiden für die Sendung vorgesehenen Wicklungen 2 und 3 jeweils einen Abstand von λ/4.

Betrieben wird sie über einen eigenen Anschluß 7, 7′ mit 90° ver­ setzter Phase gegenüber dem übrigen Spulenstrom, der über die An­ schlüsse 6 und 6′ eingespeist wird. Das Prüfgut wird in Richtung seiner Längsachse 13 durch die Wicklungsanordnung geführt.

Fig. 2 zeigt einen für nichtmagnetisches Material vorgesehenen Wandler. Der Rohrkörper 12 wird dabei nicht, wie sonst, von den Wicklungen umschlossen, sondern letztere liegen lediglich jeweils bis zur Hälfte seiner Umfangsfläche auf. Die Begrenzung der Um­ fangsfläche zeigt Fig. 3 mit den Bezugszeichen 10 und 11. Fig. 4 veranschaulicht die Lage der zusätzlichen Wicklung 9, die aus Gründen der vorgesehenen Interferenz aufgebracht ist. Da die Platz­ verhältnisse je nach Wellenlänge unterschiedlich sind, kann man zur Anpassung die Wicklungen 8 und 9 auch ineinander verschachteln, was jedoch aus Gründen der zeichnerischen Erkennbarkeit nicht wiederge­ geben wurde. Fig. 4 zeigt lediglich die Lage, welche die weiteren Wicklungen 9 in Bezug auf die ursprüngliche Wicklung 8 einnimmt.

Die Amplitudenverläufe gemäß Fig. 5 sind zunächst den Wicklungen 2, 3 einerseits und 4 andererseits zugeordnet. Demnach sind die mit S1 und S2 bezeichneten Darstellungen nur um 90° gegeneinander ver­ schoben, im übrigen aber gleich. Eine Rückverschiebung führt zu den übereinstimmenden Verläufen S1 und S2, die in Richtung b zur Ver­ doppelung führt. Die Summenbildung in der entgegengesetzten Richtung a führt zu einer teilweisen Auslöschung und zum teilweisen Rest von S1, da die Phasenverschiebung noch nicht behoben war.

Andererseits zeigt der Empfänger in entsprechender Anordnung zwei um 90° verschobene Amplitudenverläufe E1 und E2, bei denen eine In­ vertierung zum Verlauf E1 führt, so daß eine nochmalige Phasenver­ schiebung zum Verlauf E2 führt. Die Addition führt wiederum nach Phasenverschiebung um 90° zur Amplitudenverdoppelung, wohingegen vor der Invertierung die Summe von E2 und E1 null ist. Für die Einstrahlrichtung b besteht mit den anderen Amplituden Ver­ doppelung, wohingegen für die Summe der Einstrahlrichtung a eine völlige Auslöschung erzielt wird.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 6 zeigt den Sender 50 und den Em­ pfänger 51 sowie den zwischen beiden liegenden Prüfkopf, als wel­ cher der Wandler bezeichnet ist.

Die Funktion der Elemente des Blockschaltbildes ist bereits weiter oben beschrieben worden. Ergänzt sei dies nachfolgend unter Bezug­ nahme auf Fig. 7 im Hinblick auf die Impulsdarstellungen. Die Im­ pulse haben dabei eine Spannung von 5 Volt, während für das Sende­ signal 300 Volt bestehen.

Der oberste Amplitudenverlauf veranschaulicht die Impulskette, die der Oszillator 31 erzeugt. Aus dieser Impulsreihe entnimmt der Burst-Generator 32 Burstimpulsgruppen mit jeweils 3 Impulsen, die mit dem Bezugszeichen 33 einerseits zum Sendeverstärker 37 und andererseits mit dem Bezugszeichen 34 zum Verzögerungsblock T/4 führen. Man erkennt in der dritten Impulsfolge, daß eine Ver­ schiebung erfolgt ist, als deren Folge für den Burst-Impuls zwei Impulsserien mit unterschiedlicher Phasenlage zur Verfügung stehen. In dem Sendeverstärker 37 nimmt das Sendesignal das Aussehen der Impulsdarstellung in der vierten Reihe von oben an, wohingegen das letztgenannte Signal, welches für die Aussteuerung der Interferenz­ wicklungen vorgesehen ist, nach Behandlung im Verstärker 38 das in der letzten Zeile dargestellte Aussehen angenommen hat. Beide Sig­ nale, also dasjenige der vorletzten und der letzten Reihe, werden benötigt, um in der erfindungsgemäßen Weise eine einseitige Ab­ strahlung zu erzielen.

Die für die vorliegende Erfindung wesentliche Steuerung der richtigen Phasenlage wird für die Empfangskreisabstimmung getrennt von der Sendekreis-Abstimmung vorgenommen. Die Fig. 8 und 9 zeigen dies schematisch. In Fig. 8 erkennt man für die Sende­ kreis-Resonanzabstimmung einen in Serie geschalteten Abstimmkon­ densator, der zwischen den Sendewicklungen und dem Ersatzwiderstand des Senders liegt. Für den Empfangskreis zeigt Fig. 9 eine Anordnung, bei welcher die Abstimmkapazität parallel zur Empfangs­ spule geschaltet ist, so daß eine Resonanzabstimmung ermöglicht ist. Die Darstellung wurde auf den schematischen Überblick be­ grenzt, weil dem Fachmann die genannten Bauteile bekannt sind und zur Verfügung stehen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Ultraschallprüfung von Stäben mit vollen, insbe­ sondere runden Querschnitten, aus Metallen, die koppelmittelfrei von einem Spulenkörper umgeben sind, der mit der Maßgabe be­ trieben wird, daß sich Stabwellen ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Prüfling 2dimensional geführte Stabwellen ergeben, wobei er einem nur in einer seiner Längs­ richtungen wirksamen Magnetfeld ausgesetzt ist, indem das Magnetfeld in der anderen Längsrichtung durch Interferenz ausgelöscht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Maßgabe der Nutzung des Lorentz-Effektes oder des Magnetostriktions-Effektes die Wandlerspulen durch Gleichstrombeaufschlagung ein statisches Magnetfeld und durch Beaufschlagung mit Wechselspannung ein mag­ netisches Wechselfeld aufweisen, welche beiden Magnet­ felder sich überlagern.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfling der Einwirkung eines Magnetfeldes auf Grund wechselnder Stromrichtungen im Bereich des Wand­ lers ausgesetzt ist.

4. Rohrförmiger Wandler zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (1) benachbarter Wicklungen (2, 3) auf die halbe Wellenlänge, die generiert werden soll, einge­ stellt ist.

5. Rohrförmiger Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (2, 9) in Nuten eingelegt sind.

6. Rohrförmiger Wandler nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach Maßgabe der Erzeugung einer Interferenz zwischen zwei Wicklungen (2, 3) eine weitere Wicklung (4) aufgenommen ist, die den zuvor vorhandenen Wicklungen (2, 3) entspricht, jedoch getrennt ansteuerbar ist, wobei der Abstand (5) der weiteren Wicklung von den vorhan­ denen λ/4 beträgt und die Ansteuerung mit einer Phasenverzögerung von 90° erfolgt.

7. Rohrförmiger Wandler nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er Wicklungen (8, 9) an seiner Mantelfläche aufweist, die sich jeweils bis zum halben Umfang (10, 11) der Mantelfläche erstrecken.

8. Rohrförmiger Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (8, 9) beidseitig des rohrförmigen Wandlers (12) mit der Maßgabe aufgebracht sind, daß zu­ einander parallele und zur Prüflingsrichtung (13) senk­ rechte Spulenströme fließen.

9. Rohrförmiger Wandler nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (2, 3) konzentrisch zur Förderrichtung (13) gewickelt sind, und im Abstand von λ/2 aufeinan­ der folgende Wicklungen (2, 3) zueinander entgegengesetzt verlaufen (Fig. 1).

10. Rohrförmiger Wandler nach den Ansprüchen 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendewicklungen (8) und die Interferenzwick­ lungen (9) derart ineinander verschachtelt sind, daß sie sich teilweise überdecken (Fig. 2, 3 und 4).

11. Einrichtung für den Betrieb der Wandler nach den Ansprüchen 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Sendung die Steuerung (30) mit vorgegebener Sollfrequenz (49) einen spannungssteuerbaren Oszillator (31) je nach vorgegebenen Moden regelt,
und daß diese Sendefrequenz mit kontinuierlicher Impuls­ folge auf einen Burst-Generator (32) weitergeleitet wird, um einen Burst mit bis zu 15 Impulsen für die Sen­ dung zu erzeugen, die auf zwei Kanälen (33, 34) aufge­ teilt werden, von denen der eine Sendeimpuls einer Ver­ zögerung (36) um 90° zum anderen Sendeimpuls unterliegt,
und daß diese Sendeimpulse über je einen Sendeverstärker (37, 38) auf die Wicklungen (2, 3, 4, 8, 9) des Wandlers ge­ schaltet sind.

12. Einrichtung für den Betrieb des Wandlers nach den Ansprüchen 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß für den Empfang der Signale beider Wicklungen (2, 3, 4; 8, 9) je ein Vorverstärker (39,40) vorgesehen ist,
und daß das eine Signal einer Verzögerung (41) um T/4 und das andere Signal einer Inversion ausgesetzt sind,
und daß sie daraufhin zur Überlagerung addiert (43) werden,
und daß dieses Signal in einem logarithmischen Ver­ stärker (44) und in einer Demodulation (45) verarbeitet wird, indem es neben einer analogen Anzeige (46) über eine A/D-Wandlung (47) in einen Rechner (48) übertragen wird.