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Verfahren und Gerät zur Messung von Wandstärken mit Ultraschallimpulsen
Die
Erfindung betrifft die Messung von Wandstärken nach dem Echolotverfahren aus den
Echos von Ultraschallimpulsen.
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Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Hilfe von Ultraschallimpulsen
nach dem Echoverfahren ist bekannt. Hierzu wird ein Ultraschallgeber, beispielsweise
ein piezoelektrischer Kristall oder ein anderer elektromechanischer Schwingungserzeuger,
von einem Hochfrequenzimpulserzeuger zu Ultraschallimpulsen erregt. Der Ultraschallgeber
wird auf den Prüfling aufgesetzt und sendet in diesen die Ultraschallimpulse hinein,
die sich in dem Werkstück mit einer für jeden Werkstoff spezifischen Schallgeschwindigkeit
fortpflanzen. Die Ultraschallschwingungen werden von der Rückwand reflektiert und
von demselben oder einem weiteren elektromechanischen Oszillator aufgenommen, der
dann wiederum Hochfrequenzimpulse erzeugt.
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Die bekannte Meßmethode zur Bestimmung der Wandstärke besteht in
der Messung der Laufzeit zwischen dem Abgang eines Impulses und der Ankunft seines
Echos. Diese Laufzeit ergibt nach Multiplikation mit der für den Prüfling spezifischen
Schallgeschwindigkeit die Weglänge, d. h. die doppelte Wandstärke.
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Da die Laufzeit klein ist, ist es bei der bekannten Meßmethode üblich,
die Laufzeit mit Hilfe einer als Zeitbasis verwandten Kathodenstrahlröhre zu messen,
wobei der Anfangsimpuls und sein Echo als Zacken auf der einen Seite der Zeitbasis
erscheinen. Es ist dabei bekannt, die hochfrequente Schwingung aus Sendeimpuls und
Echo vermittels eines Gleichrichters zu demodulieren und die
gesuchte
Wandstärke aus dem Abstand zweier benachbarter Zacken auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre
auszumessen.
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Da das Echo der Rückwand mehrfach zwischen Vorder- und Rückwand reflektiert
wird, können dann, wenn die Absorption der Schwingungen im Werkstoff gering ist,
also ihre Amplitude beim Durchgang durch den Werkstoff nicht sehr verkleinert wird,
mehrere Echos bestimmt werden, die wegen der gleichen Weglänge in gleichen Zeitabständen
ankommen. Wenn die Zeitbasis linear ist, sind die das Echo darstellenden Ablenkungen
auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre gleichmäßig verteilt. Es wäre dann
möglich, die Wandstärke mit größerer Genauigkeit dadurch zu messen, daß man den
Abstand zwischen dem Anfangsimpuls und beispielsweise seinem zehnten Echo abliest,
was der Zeit entspricht, die der Impuls benötigt, um zwanzigmal die Wandstärke der
Prüflinge zu durchlaufen. Die Genauigkeit dieser Wanddickenmeßmethode ließe sich
bei vorheriger Eichung des Maßstabs an Hand einer Probe bekannter Dicke bis auf
etwa 20/o bringen.
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Diese Meßmethode zur Bestimmung von Wandstärken nach dem Echolotverfahren
hat jedoch verschiedene Nachteile. Besonders nachteilig ist, daß sie ein Auszählen
der Echos und einige Rechenarbeit erfordert, was diese Meßmethode für die praktische
Anwendung im Betrieb ungeeignet macht. Weiterhin ist die Genauigkeit der Messung
begrenzt, wenn die Ablenkspannung nicht genau zeitlinear verläuft.
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Diese Nachteile werden durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden,
das auf einer Frequenzmessung aufbaut und eine genauere und direkte Meßmethode ohne
Abzählen der Echos und nachfolgendes Umrechnen liefert, mit der beispielsweise Wandstärken
von 4 bis über 200 mm mit weniger als IO/o Fehler direkt gemessen werden können.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren sind drei verschiedene Frequenzen
zu unterscheiden, nämlich die Impulsfrequenz, die Impulsfolgefrequenz und die Echofolgefrequenz.
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Die Impulsfrequenz ist gleich der Ultraschallfrequenz der ausgesandten
Impulse, die beispielsweise von einem der gebräuchlichen Ultraschallecholotgeräte
erzeugt werden kann. Bei den für die Materialprüfung üblichen Ultraschallecholotgeräten
liegt sie gewöhnlich zwischen 0,5 und 5 MHz (Megahertz). Zur Messung der Dicke von
blattförmigen Werkstoffen wird sie größenordnungsmäßig hoch gewählt, um kurze Impulse
und so eine genaue Messung auch von geringen Wandstärken zu ermöglichen.
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Die Impulsfolgefrequenz ist die Anzahl der pro Sekunde ausgesandten
Impulse, von denen jeder von Ultraschallfrequenz, also von Impulsfrequenz ist. Bei
Verwendung einer Kathodenstrahlröhre muß sie mit dem Zyklus der Zeitbasis, also
der Zahl der Bildwechsel auf der Kathodenstrahlröhre, übereinstimmen und kann gleich
der Netzfrequenz, beispielsweise 50 Hz (Hertz), sein.
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Die Echofolgefrequenz ist die Anzahl der Mehrfachechos, dile in I
Sekunde aufgefangen würden, wenn die Folge der Mehrfachechos I Sekunde lang anhalten
würde und nicht schon vorher abgeklungen wäre. Sie hängt von der Wandstärke der
Prüflinge und der für das Prüfmaterial spezifischen Schallgeschwindigkeit ab und
wird nachfolgend auch als Echofrequenz oder Frequenz der Mehrfachechos bezeichnet.
Zum Beispiel ergibt ein Stahlblech von 10 mm Stärke, für das die Schallgeschwindigkeit
6 km/sec beträgt, Echos mit einem Abstand von 3,3 ,sec, wobei der Einzelabstand
einer Echofrequenz von etwa 300 kHz (Kilohertz) entspricht.
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Die Erfindung baut auf der Echofrequenz auf, und zwar wird die Frequenz
der Mehrfachechos von Ultraschallimpulsen gemessen, deren Impulsfolgefrequenz so
klein gewählt wird, daß die Mehrfachechos des einen Impulses vor dem Einsetzen des
nächsten Impuls es abgeklungen sind.
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Die Echofrequenz wird elektrisch gemessen, wobei die vom Echo herrührenden
elektrischen Schwingungen von Ultraschallfrequenz gewöhnlich verstärkt werden. Die
Verstärkung kann beispielsweise in einem eine Ausgangsschwingung gleicher Frequenz
liefernden Geradeausverstärker oder in einem als Ausgangsschwingung eine Zwischenfrequenz
liefernden Transponierungsverstärker (Superheterodynverstärker) erfolgen.
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Zum Zweck der Frequenzmessung werden die sich aus den Mehrfachechos
ergebenden Schwingungen, also bei Verstärkung die Verstärkerausgangsschwingung,
von der Trägerfrequenz demoduliert und die Ausgangs schwingungen des Demodulators
zum Anstoßen eines auf die Echofrequenz oder auf eine Oberwelle derselben abstimmbaren
Schwingkreises benutzt.
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Der Schwingkreis besteht gewöhnlich aus einer veränderlichen Reaktanz,
z. B. einem Drehkondensator, und einer Reihe fester Reaktanzen, z. B.
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Induktionsspulen, die einzeln oder zu mehreren vermittels eines Umschalters
an die verändelrliche Reaktanz angeschlossen werden können; auf diese Weise kann
ein weiter Bereich von Frequenzen erfaßt werden.
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Für die Bestimmung der Resonanz kann irgendeine übliche Vorrichtung
benutzt werden. Wenn beispielsweise die Erfindung in ihrer vorzugsweisen Ausführungsart
auf ein bereits vorhandenes Echolotgerät angewandt wird, kann die Resonanz mit Hilfe
der Kathodenstrahlröhre des auch die Ultraschallimpulse liefernden Ultraschallecholotgerätes
festgestellt werden, denn ihre Auslenkungen nehmen an Größe in dem Maße zu, wie
der Schwingungskreis in Resonanz gebracht wird. Der Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre
zeigt dann im wesentlichen das übliche stehende Bild eines kurz angestoßenen und
gedämpft ausschwingenden Schwingkreises, das durch Abstimmung des Schwingkreises
auf Maximalausschlag gebracht werden kann.
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Das veränderliche Abstimmelement des Schwingkreises kann mit Skala
und Zeiger ausgerüstet werden, und die Skala kann entweder auf Frequen-
zen
oder für irgendein bestimmtes Material (etwa Eisen) auf Wandstärken geeicht werden.
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Die Mindeststärke, die nach dieser erfindungsgemäßen Methode gemessen
werden kann, wird durch die Länge des benutzten Hochfrequenzimpulses bestimmt, denn
die Mehrfachechos müssen von dem Impuls und voneinander so weit getrennt sein, daß
sie eine Echofolgefrequenz von angemessener Amplitude ergeben. Für die Messung geringer
Wandstärken ist es deshalb zweckmäßig, sehr kurze Ultraschallimpulse und eine hohe
Impulsfrequenz anzuwenden. Praktisch ist die Wandstärkenmessung von beispielsweise
4 mm Stahl leicht zu erreichen.
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Die maximale Wandstärke, die nach der erfindungsgemäßen Methode gemessen
werden kann, hängt unter anderem vom Absorptionsverlust im Material ab, denn je
größer die Absorption ist, desto kleiner sind Amplitude und Zahl der Mehrfachechos
und um so weniger scharf ist die Abstimmung des Schwingungskreises auf Resonanz.
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In nur wenig absorbierenden Metallen, z. B. in Stahl und Leichtmetall,
ist die Absorption so klein, daß sie nicht als beschränkender Faktor in Erscheinung
tritt. In solchen Fällen wird die obere Meßgrenze vielmehr durch die Oberflächenglätte,
die Oberflächen form und die Oberflächenparallelität bestimmt. Aber selbst unter
ungünstigsten Bedingungen liegt diese Grenze über 100 mm, also oberhalb der praktisch
interessierenden Wandstärken.
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Vorzugsweise wird der Schwingungskreis eingestellt, bis seine Frequenz
gleich der Echofrequenz ist, denn dann erhält man den maximalen Ausschlag. Zur Kontrolle
kann das veränderliche Abstimmelement auf die Hälfte der an Hand der Skala gemessenen
Wandstärke eingestellt werden, worauf sich ein schwächeres Resonanzmaximum mit der
I. Harmonischen ergeben muß. Man kann daher auch die Messung ganz allgemein und
insbesondere bei größeren Wanddicken mit Hilfe einer Harmonischen der Echofrequenz
durchführen, wobei man bei völlig unbekannter Wanddicke eine Kontrollmessung mit
einer weiteren Harmonischen durchführen kann.
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Die Impulsfolgefrequenz muß so niedrig sein, daß die Mehrfachechos
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen albklingen, so daß sich die einzelnen
Anstoßvorgänge nicht gegenseitig stören.
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Statt der Kathodenstrahlröhre kann für die Messung der am Schwingungskreis
herrschenden Spannung auch in Verbindung mit einem Gleichrichter ein Gleichstrominstrument,
beispielsweise ein Gleichstromvoltmeter, benutzt werden, dessen Ausschlag durch
Abstimmung des Schwingkreises auf ein Maximum gebracht wird. Statt eines Parallelresonanzkreises
kann auch ein Serienresonanzkreis verwandt werden, wobei dann die Resonanzanzeigevorrichtungen
sinngemäß zu ändern sind.
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Ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmtes
Gerät weist somit eine Einrichtung zur Messung der Frequenz der Mehrfachechos von
Ultraschallimpulsen auf. Zur elektrischen Messung besitzt das erfindungsgemäß ausgebildete
Gerät eine Einrichtung zur Demodulierung der sich aus den Mehrfachechos ergebenden,
vorzugsweise verstärkten Schwingungen. Dem Demodulator ist insbesondere ein auf
die Demodulatorausgangsfrequenz abstimmbarer Schwingkreis nachge schaltet.
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Zur leichteren Anpassung an verschiedene Frequenzbereiche kann das
erfindungsgemäß ausgestaltete Gerät einen diesbezüglichen Schalter aufweisen.
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Zur Resonanzanzeige ist eine entsprechende Einrichtung vorhanden,
die vorzugsweise eine Kathodenstrahlröhre ist.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, von einem bereits vorhandenen,
an sich bekannten Ultraschallecholotgerät auszugehen und die die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichenden zusätzlichen Einrichtungen in Form eines
Wanddickenzusatzaggregats zum Ultraschallecholotgerät zusammenzufassen und das Zusatzgerät
beispielsweise vermittels einer Steckerverbindung an das Echolotgerät anzuschließen.
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Dieses Zusatzaggregat kann die Einrichtung zur Demodulation der Hochfrequenzimpulse
und den nachgeschalteten, abstimmbaren Resonanzkreis enthalten, wobei etwa die Kathodenstrahlröhre
des Echolotgerätes zur Anzeige der Resonanz dient.
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Zweckmäßig weist das Zusatzaggregat auch den Umschalter für mehrere
Frequenzbereiche und das Abstimmelement des Resonanzkreises und eine Einstellskala
auf, an der die Frequenz und/oder die Wandstärke unmittelbar ablesbar ist.
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Falls erwünscht, können eine oder mehrere Verstärkerstufen vor oder
hinter den Schwingkreis geschaltet werden, um auf der Anzeigevorrichtung, beispielsweise
der Kathodenstrahlröhre, einen genügend großen Ausschlag zu erhalten.