DE9015615U1

DE9015615U1 - Ultraschall-Prüfkopf

Info

Publication number: DE9015615U1
Application number: DE9015615U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1990-11-14
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2000-11-15

Description

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Interatom GmbH

D-5060 Bergisch Gladbach 1

Ultraschall-Prüfkopf

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschall-Prüfkopf mit einem geschlossenen Gehäuse, das eine Vorlaufstrecke enthält, auf deren innerer ebener Oberfläche jeweils mit einem Koppelmedium dazwischen eine Transformationsschicht, darauf ein piezo-elektrischer Schwinger und darauf ein Dämpfungskörper mittels einer oder mehreren Federn aufgepreßt ist.

Dieser Prüfkopf ist geeignet für die Verwendung in aggressiven und/oder heißen Flüssigkeiten, z. B. zur Messung der Wandstärke von Aluminiumbauteilen, die in einer heißen wässerigen Lauge bis auf eine mindestzulässige Wandstärke abgeätzt werden sollen. Diese hochwertigen Bauteile z. B. in der Flugzeugindustrie werden zunächst aus dickwandigen Bauteilen von annähernd konstanter Wandstärke und mit der gewünschten Außenform hergestellt und dann aus Gewichtsgründen von innen bis auf eine minimal zulässige Wandstärke abgeätzt. Damit nun ein Bauteil nicht zu dünn wird, soll während des Abätzens und ohne wesentliche Unterbrechung des Abätzvorganges eine sehr genaue Messung der noch vorhandenen Aluminium-Wandstärke vorgenommen werden.

Weiterhin erscheint dieser Prüfkopf geeignet für die Messung von Wandstärken oder Füllständen in Behältern mit organischen oder mineralischen auch heißen Flüssigkeiten, insbesondere in Erdölderivaten, soweit diese bei Betriebstemperatur das Material der Vorlaufstrecke und des Gehäuses nicht angreifen.

In einem Bericht der Staatlichen Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart, 12. MPA-Seminar am 09. und 10.10.86, wird auf den Seiten 21.1 bis 21.25 über Ultraschallprüfung von

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Komponenten und Anlagen bei Temperaturen bis 250 "C berichtet sowie über die Verwendung mehrfacher dünner Schichten auf der Frontseite eines Ultraschall-Wandlers. Dadurch soll die Bandbreite des Ultraschall-Signals zunehmen ohne dabei die Schallenergie zu reduzieren. Mit einem Computer-Programm kann man die Ausbreitung von Ultraschallwellen durch Schichten verschiedener Dicke berechnen. Die beschriebenen Prüfköpfe haben als Vorlaufstrecke zwischen Piezokeramik und Bauteil einen sogenannten Keil. Eine Wellenwiderstands-Transformation zwischen Piezokeramik und Keil wird beschrieben und physikalisch/mathematisch begründet. Die Wellenwiderstände der front- wie auch rückseitig angekoppelten Schichten sollen danach nicht zu stark differieren, d. h. daß beide, bezogen auf die Piezokeramik entweder schallweich oder schallhart, aber nicht gemischt auftreten sollten, da dieses zu unsymmetrischen Resonanzkurven und somit zu unsauberen Impulsen führt. Bei der Konstruktion der Prüfköpfe sollen dort alle festen Verbindungen vermieden werden. Piezokeramik und Folien werden auf den Keil gepreßt und im Gehäuse von Stiften gehalten. Als Koppelmittel zwischen Heißprüfkopf und Bauteil werden einige spezielle Ultraschall-Hochtemperatur-Öle und -Fette beschrieben. Eine schalltechnisch gute Ankopplung der verschiedenen Schichten erfordert einen bestimmten Anpressdruck, der mit den schalltechnisch notwendigen sehr dünnen Schichten auf der Flüssigkeitsseite nicht realisiert werden kann, weil diese ausbeulen oder sogar abreißen.

In der DE-PS 33 15 649 wird ein Ultraschall-Prüfkopf zur zerstörungsfreien Prüfung heißer Prüfstücke beschrieben, der im Dauerbetrieb sogar Temperaturen um 300° C annehmen kann. Eine Prüfung innerhalb einer aggressiven Flüssigkeit ist allerdings nicht vorgesehen. In einem gasdichten Gehäuse wird ein elektroakustischer Wandler über ein flüssiges Ankoppelmittel in einem spaltförmigen Zwischenraum an eine als metallische Schutzschicht wirkende Schalldurchtrittswand angekoppelt. Eine schraubenlinienartige Druckfeder und ein Druckstück sollen den

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für das Ankoppelmittel notwendigen Mindestdruck erzeugen. Dieser Ultraschall-Prüfkopf hat aber noch herstellungstechnische und auch akustische Nachteile. Die für den Schalldurchgang vorgesehene dünne Wand ist ein Teil des Gehäuses und daher auf ihrer Innenseite nur mit erheblichem Aufwand völlig eben zu bearbeiten, was für einen einwandfreien akustischen Übergang zum piezo-elektrischen Wandler notwendig ist. Akustisch betrachtet hat dieser Prüfkopf zwar eine mechanisch und thermisch hoch belastbare Schalldurchtrittsflache aber keine mit dem Prüfkopf fest verbundene Vorlaufstrecke, so daß bei der Prüfung in mit Flüssigkeit gefüllten Behältern die vorhandene Flüssigkeit als Vorlaufstrecke benutzt werden muß. Bei den oben erwähnten wässerigen ätzenden Flüssigkeiten sind aber einerseits abgeätzte Metallteile und andererseits bei der Zersetzung dieser Flüssigkeiten entstehende Wasserstoffblasen zu erwarten, die beide zu einer schalltechnisch äußerst unerwünschten Dämpfung des Ultraschalls führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschall-Prüfkopf mit einem geschlossenen Gehäuse, mit einer festen Vorlaufstrecke, einem piezo-elektrischen Schwinger und einem Dämpfungskörper zur Verwendung in aggressiven und/oder heißen Flüssigkeiten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Ultraschall-Prüfkopf vorgeschlagen mit einem Gehäuse, das in einer nach außen enger werdenden konischen Bohrung eine konische Vorlaufstrecke aus Kunststoff enthält, auf deren innerer ebener Oberfläche jeweils mit einem flüssigen oder pastenförmigen Koppelmedium dazwischen eine Transformationsschicht, darauf ein piezo-elektrischer Schwinger und darauf ein Dämpfungskörper mit einer oder mehreren Federn aufgepreßt ist. Die konische Vorlaufstrecke in der nach außen enger werdenden konischen Bohrung des Gehäuses läßt sich mit wenig Aufwand bearbeiten und montieren und bei mäßigem Druck von innen abdichten. Mit einem Konuswinkel von

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ungefähr sin alpha = 1,08 &khgr; C/F &khgr; D (c = Schallgeschwindigkeit, F = Frequenz, D = Durchmesser) vermeidet diese Vorlaufstrecke störende Reflexionen an der Konusfläche. Die Höhe dieser Vorlaufstrecke ergibt sich aus der gegebenen Schallgeschwindigkeit in der Vorlaufstrecke und in dem zu prüfenden Material. Ein geeigneter Kunststoff läßt sich mit seinem akustischen Wellenwiderstand entsprechend der gewünschten Prüffrequenz an die gegebenen Werte des Prüfkopfes, des Mediums und des zu prüfenden Materials anpassen. Die Transformationsschicht hat einen akustischen Wellenwiderstand, der zwischen dem des Schwingers und dem der Vorlaufstrecke liegen soll und begünstigt damit in erwünschter Weise den Durchgang eines Schallsignals. Die Feder oder die Federn, die sich zweckmäßigerweise auf einen im Gehäuse einstellbaren Gewindering abstützen, pressen Dämpfungskörper, Schwinger, Transformationsschicht und Vorlaufstrecke zusammen, wobei das dazwischen aufgebrachte flüssige oder pastenförmige Koppelmedium zwar weitgehend herausgedrückt aber in einer ausreichend dünnen Schicht durch Oberflächenkräfte festgehalten wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung zur Messung von Wandstärken innerhalb einer wässerigen, aggressiven und/oder heißen Flüssigkeit wird vorgeschlagen, daß die Vorlaufstrecke aus Polyether-Etherketon (PEEK) besteht. Dieser aromatische Polyether ist ein hochwertiger technischer Kunststoff, der durch Extrudieren oder Spritzgießen verarbeitet werden kann. Er ist beständig gegen eine Vielzahl von Lösungsmitteln und spezifischen flüssigen Medien. PEEK hat nur eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme, einen Schmelzpunkt von 334° C und eine Glasübergangstemperatur von 143" C. Lösbar ist dieses Material anscheinend nur in konzentrierter Schwefelsäure.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die auf beiden Seiten von einem flüssigen oder pastenförmigen Koppelmedium umgebene Transformationsschicht aus Kupfer, Nickel

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oder einem anderen Material besteht, dessen akustischer Wellenwiderstand zwischen dem der Vorlaufstrecke und dem des Schwingers liegt. Damit wird ein Ultraschallsignal in erwünschter Weise nahezu ungestört weitergeleitet. Diese Transformationsschicht sollte bei einer Prüffrequenz von 12 MHz eine Dicke von ungefähr 10 mü haben.

In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der piezo-elektrische Schwinger aus Bleimetaniobat (PMN) besteht. Dieses Material hat sich für den vorliegenden Anwendungsfall bewährt und ist bis 250° C beständig. Dieser Schwinger kann einen Durchmesser von 10 mm haben, wobei das Gehäuse dann einen Durchmesser von 28 mm und eine Höhe von etwa 45 mm haben kann.

In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, daß der Dämpfungskörper aus einer Keramik als Gemisch von Aluminiumoxiden, Titanoxiden, Siliciumoxiden und Eisenoxiden besteht. Dieses Material wird beispielsweise als Präzisions-Keramik 9900 von der KAGER GmbH, Frankfurt am Main, geliefert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das Koppelmedium aus Silikon-Öl besteht. Solche Koppelmittel sind in der Ultraschall-Prüftechnik bekannt. Zusammen mit der oben erwähnten Transformationsschicht haben sie schon bei einer Dicke von 5 my gute schalltechnische Eigenschaften.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Federn Tellerfedern sind. Gegenüber den bekannten schraubenlinienartigen Druckfedern haben Tellerfedern für den vorliegenden Anwendungsfall günstige konstruktive und mechanische Eigenschaften. Ihre Bauhöhe ist gering, ihr Anpreßdruck verteilt sich gleichmäßig über den Umfang und ihre Federkraft läßt sich exakt einstellen. Für den vorliegenden Fall und im Zusammenhang mit der bereits beschriebenen

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Koppelschicht erscheint eine Federkraft von 1 bis 2 Kp/cm² ausreichend.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zwischen Vorlaufstrecke und Gehäuse ein O-Ring aus einem beständigen Material, z. B. Viton, angeordnet ist. Mit diesem O-Ring wird sichergestellt, daß die Verbindung zwischen Vorlaufstrecke und Gehäuse dicht bleibt auch bei einem Temperaturschock, wenn beispielsweise der Prüfkopf von Raumtemperatur in eine heiße Lauge von ca. 120" C eingetaucht wird.

Die Figur zeigt als ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung in vergrößerter Darstellung einen senkrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Prüfkopf. Das innen mit einem Gewinde versehene Gehäuse 1 enthält an seinem unteren Ende eine konische Bohrung mit einer ebenfalls konischen Vorlaufstrecke 2, die gegen das Gehäuse 1 abgedichtet ist. Innen trägt diese Vorlaufstrecke 2 zunächst eine dünne Transformationsschicht 3 aus einer Kupfer-Folie, die zusammen mit dem Koppelmedium die akustische Transformation zwischen der Vorlaufstrecke 2 und dem piezo-elektrischen Schwinger A bildet, der aus Bleimetaniobat besteht und an seiner Oberseite von einem Dämpfungskörper 8 gedämpft wird, der von einem zylindrischen Isolierrohr 9 umgeben und mit einer Isolierscheibe 10, z. B. aus AL₂O,, abgedeckt ist. Darüber liegt eine Tellerfederplatte 11, die von Tellerfedern 12 angepreßt wird, die sich über ein an der Oberseite kugeliges Ausgleichsstück 13 auf einen in der Höhe einstellbaren Gewindering 14 abstützen. Die oberhalb des Dämpfungskörpers 8 angeordneten Teile haben in einer zentrischen Bohrung ein Isolierrohr, z. B. aus ALjO-,, durch das ein Signalleiter 16 isoliert nach außen herausgeführt ist. Das den Dämpfungskörper 8 umgebende Isolierrohr 9 ist einseitig geschlitzt, um einen Masseanschluß 17 der Transformationsschicht 3 mit einem metallischen Gewindering 18

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zu verbinden, der die Vorlaufstecke 2 im Gehäuse 1 festhält. Nach der Montage und nach dem Einstellen der Tellerfedern 12 wird das Gehäuse 1 an seinem oberen Ende mit einem Deckel 19 verschlossen, der einen kleinen Stutzen 20 zur Befestigung eines aufgeschrumpften Schutzschlauches 21 aus Teflon für den Signalleiter 15 trägt. Die Vorlaufstrecke 2 ist mit einem O-Ring 22 im Gehäuse 1 abgedichtet.

Dieser Prüfkopf kann für die bei den zerstörungsfreien Prüfungen üblichen bzw. notwendigen Frequenzen ausgelegt und gebaut werden. Er ist bei entsprechender Auswahl seines Materials gegen das Medium resistent und temperaturbeständig.

Die Laufzeit des Schalls in der Vorlaufstrecke 2 sollte etwa 10 % größer sein als die Laufzeit im Prüfobjekt, um eine falsche Zuordnung der Echo-Signale zu vermeiden. Dies kann man durch die Wahl der Länge der Vorlaufstrecke einstellen.

Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Prüfkopf kann man beispielsweise in heißer Lauge bei Temperaturen zwischen 100 und 120° C die Wandstärke von Aluminiumbauteilen mit einer Auflösung von 10 mü ungefähr messen. Zu diesem Zweck wird der Prüfkopf mit seiner Vorlaufstrecke in unmittelbare Nähe des zu prüfenden Materials gebracht, so daß der Schallübergang möglichst nicht durch eventuelle Gasblasen oder Metallteilchen gestört werden kann. Dies ist ein besonderer Vorteil einer festen Vorlaufstrecke.

Claims

90G858 6DE Schutzansprüche

1. Ultraschall-Prüfkopf mit einem geschlossenen Gehäuse (1), das in einer nach außen enger werdenden konischen Bohrung eine konische Vorlaufstrecke (2) aus Kunststoff enthält, auf deren innerer ebener Oberfläche jeweils mit einem flüssigen oder pastenförmigen Koppelmedium dazwischen eine Transformationsschicht (3), darauf ein piezo-elektrischer Schwinger (4) und darauf ein Dämpfungskörper (8) mit einer oder mehreren Federn (12) aufgepreßt ist.

2. Ultraschall-Prüfkopf zur Messung von Wandstärken innerhalb mit einer wässerigen, aggressiven und/oder heißen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlaufstrecke (2) aus Polyether-Etherketon (PEEK) besteht.

3. Ultraschall-Prüfkopf nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf beiden Seiten von einem flüssigen oder pastenförmigen Koppelmedium umgebene Transformationsschicht (3) aus Kupfer, Nickel oder einem anderen Metall besteht, dessen akustischer Wellenwiderstand zwischen dem der Vorlaufstrecke (2) und dem des Schwingers (A) liegt.

4. Ultraschall-Prüfkopf nach Anspruch 1, 2 und /oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Schwinger (4) aus Bleimetaniobat (PMN) besteht.

5. Ultraschall-Prüfkopf nach Anspruch 1, 2, 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungskörper (8) aus einer Keramik als Gemisch von Aluminiumoxiden, Titanoxiden, Siliciumoxiden und Eisenoxiden besteht.

6. Ultraschall-Prüfkopf nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das

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&iacgr; ^&igr; _&tgr; -S &Lgr; ^ V'? Koppelmedium aus Silikon-Öl besteht.

7. Ultraschall-Prüfkopf nach Anspruch 1, 2, 3, A, 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder oder die Federn (eine) Tellerfeder(n) (12) ist (sind).

8. Ultraschall-Prüfkopf nach Anspruch 1, 2, 3, A, 5, 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Vorlaufstrecke (2) und Gehäuse 1 ein O-Ring aus einem beständigen Material angeordnet ist.