-
Einrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschall
nach dem Ultraschallimpulsreflexionsverfahren
Bei Einrichtungen zur zerstörungsfreien
Werkstoffprüfung mittels Ultraschall nach dem Ultraschallimpulsreflexionsverfahren
werden bekanntlich die vom Empfangsschwinger abgegebenen elektrischen Impulse in
einem Verstärker verstärkt und dem Meßplattenpaar einer Kathodenstrahlröhre zugeführt.
An das gleiche Plattenpaar werden auch die Ausgangsspannungen eines Eichmarkengebers
gelegt, der in Laufzeit- bzw. Längeneinheiten geeichte Rechteckimpulse veränderbarer
Länge abgibt. Durch die auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre mitaufgezeichneten
Eichmarken hat man die Möglichkeit, den Abstand der Werkstückoberfläche von einer
Fehlstelle bzw. den Abstand votl der Werkstückoberfläche und der Werkstückunterfläche,
d. h. die Dicke des Werkstückes, dadurch zu ermitteln, daß man den Abstand des auf
dem Bildschirm aufgezeichneten Sendeimpulses von dem Fehlerechoimpuls bzw. von dem
Bodenecho durch Auszählen der Eichmarken feststellt. Zur Erleichterung der Auszählung
ist bereits vorgeschlagen worden, durch eine Vorrichtung das Echoimpulsbild gegenüber
den Eichmarkenimpulsen kontinuierlich zu verschieben, um die Möglichkeit zu haben,
eine Kante der aufgezeichneten Eichmarken mit einem der Echoimpulse zur Deckung
zu bringen. Trotz der Erleichterung, die diese Möglichkeit ergibt, sind Schwierigkeiten
in der Auswertung dadurch gegeben, daß die Formgebung der Echoimpulse eine
andere
ist als die der Eichmarken und daß die Echoimpulse mit verschieden großer Amplitude
aufgezeichnet werden. Beispielsweise ist die Amplitude des dreieckförmigen Sendeimpulses
meist sehr groß, die Amplitude des Bodenechos dagegen kleiner. Ist das zu untersuchende
Werkstück mit Fehlern behaftet, so erscheinen auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre
zwischen dem aufgezeichneten Sendeimpuls und dem Bodenecho Fehlerechos, die meist
eine sehr geringe Amplitude aufweisen. Die Einstellung der Eichmarkenkanten auf
einen solchen Impuls dreieckiger Formgebung und geringer Amplitude ist verhältnismäßig
schwierig, und die Genauigkeit der Fehlerortsbestimmung bzw. der Dickenmessung läßt
demzufolge zu wünschen übrig.
-
Bei einer Einrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels
Ultraschall nach dem Ultraschallimpulsreflexionsverfahren mit einer Kathodenstrahlröhre,
der die von einem Empfangsschwinger aufgenommenen reflektierten Impulse sowie von
einem elektronischen Eichmarkengeber Rechteckimpulse veränderbarer Länge zugeführt
werden, enthält gemäß der Erfindung der Empfangsverstärker eine Amplitudenbegrenzerstufe,
welche die elektrischen Empfangsimpulse ungleicher Amplitude in rechteckförmige
Impulse umwandelt, die in der Form mit den Impulsen des Eichmarkengebers übereinstimmen.
-
Der Amplitudenbegrenzer besteht zweckmäßig aus einer Elektronenröhre
mit flach verlaufender Gitterspannungsanodenstromkennlinie, deren Gitterkreis eine
die Röhre übersteuernde Steuerwechselspannung zugeführt ist. Statt dessen können
auch Röhrendioden oder röhrenlose Hochfrequenzgleichrichter, z.ß. Germaniumdioden,
verwendet werden.
-
Bei der Prüfung relativ dünner Werkstücke kann es vorkommen, daß
die ursprünglichen dreieckförmigen Impulse, z. B. Fehlerimpulse, auf dem Bildschirm
einander oberhalb der Basislinie überschneiden, so daß eine Auswertung auch nach
Umformung dieser Impulse in Rechtecke gleicher Amplitude nicht ohne weiteres möglich
ist. In diesem Falle müssen die Impulse zunächst in einem Hochfrequenzgleichrichter
demoduliert und erst dann die im Ausgangskreis des Demodulators auftretenden dreieckförmigen
Impulse in Rechtecke gleicher Amplitude verformt werden. Als Demodulator wird zweckmäßig
eine Elektronenröhre in Audionschaltung verwendet, weil eine derartige Röhrenschaltung
außer einer Gleichrichtung auch noch eine Verstärkung ermöglicht. Bedarf es einer
Verstärkung nicht, so genügt es, die Demodulation mittels einer Diode durchzuführen.
-
Im Ausgangskreis der Elektronenröhrenanordnung bzw. auf dem Bildschirm
der Kathodenstrahlröhre erscheinen bei Anwendung des Erfindungsgedankens der Sendeimpuls,
sämtliche Fehlerechoimpulse und der Bodenechoimpuls als rechteckförmige Impulse
gleichbleibender Amplitude. Zur Auswertung des Abstandes der Impulse voneinander
ist es lediglich erforderlich, den Sendeimpuls und den Fehler- oder Bodenechoimpuls
mit einer der Kanten der rechteckförmigen Eichmarken zur Deckung zu bringen, also
z. B. die linke Kante der Eichmarke auf die Mitte des Sendeimpulses und die rechte
Kante der Eichmarke durch Verstellen des Reglers zur Einstellung der Länge der Eichmarke
auf die Mitte des Fehlerimpulses einzustellen. Wird der Längenregler der Eichmarken
unmittelbar in Laufzeit- bzw. Längeneinheiten geeicht, so kann man unmittelbar aus
dem Verstellgrad des Reglers auf den Abstand zweier aufgezeichneter Impulse schließen,
denn die Verstellung des Eichmarkenlängenreglers ist dann ein Maß für den Abstand
eines Fehlers von der Werkstückoberfläche. Zur Messung der Dicke eines Werkstückes
kann man entsprechend verfahren und die eine Eichmarkenkante mit dem Sendeimpuls,
die andere mit dem Bodenechoimpuls zur Deckung bringen.
-
In diesem Fall entspricht dann die Verstellung an dem geeichten Eichmarkenlängenregler
der Dicke des Wesrkstückes.
-
Da die Eichung des Eichmarkenlängenreglers wegen der unterschiedlichen
Schallaufzeiten des Ultraschalls in Werkstücken verschiedener Zusammensetzung immer
nur für ein bestimmtes Material, z. B. Stahl, gelten kann, würde bei der Untersuchung
von Werkstücken anderer Zusammensetzung, z. B. bei Prüfung von Aluminiumwerkstücken,
die Eichung des Eichmarkenreglers für dieses Äjaterial nicht gültig sein. Zu diesem
Zweck ordnet man dem bekannten Eichmarkengeber, der meist einen Multivibrator als
Eichmarkengenerator enthält, einen Regler zu, der die Eichmarkenlänge zusätzlich
zu verändern gestattet und zum Schallgeschwindigkei tsausgleich dient. Ist beispielsweise
der in Laufzeiten bzw. Längeneinheiten geeichte Regler zur Änderung der Eichmarkenlänge
für Untersuchungen von aus Stahl bestehenden Werkstücken geeicht, so ist es beim
Ubergang zu Messungen an anderen Werkstücken, z. B. aus Aluminium, lediglich erforderlich,
einen Testkörper bekannter Länge aus dem zu untersuchenden Material zu prüfen, den
geeichten Eichmarkenlängenregler auf die bekannte Werkstücklänge einzustellen und
die Eichmarke mit dem Regler zum Ausgleich der Schallgeschwindigkeit so nachzustellen,
daß die eine Eichmarkenkante mit dem Sendeimpuls und die andere mit dem Bodenecho
auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre zusammenfällt. In diesem Fall ist der
geeichte Eichmarkenlängenregler nunmehr für die Prüfung von Aluminiumwerkstücken
geeicht.
-
Eine von dem geeichten Eichmarkenlängenregler unabhängige stufenlose
Längenänderung der Eichmarken zum Schallgeschwindigkeitsausgleich kann man z. B.
dadurch erreichen, daß man den Regler für den Schallgeschwindigkeitsausgleich als
Regelwiderstand ausbildet und in den Schirmgitterkreis der Röhren des die Eichmarken
erzeugenden Multivibrators einschaltet. Durch diesen Regelwiderstand wird die Schirmgitterspannung
und damit die Steilheit der Elektronenröhren des Multivibrators verändert, wodurch
sich eine zusätzliche
Längenänderung der erzeugten Kechteckmarkcn
ergibt.
-
Da es für genaue Messungen zweckmäßig ist, daß die aufgezeichneten
Eichmarken in möglichst dünnen unverwaschenen Linien aufgezeichnet werden. eine
solche einwandfreie Aufzeichnung aber bekanntlich dadurch erschwert ist, daß der
Elektronenstrahl der Kathodenstrahlröhre gleichzeitig das Impulsbild und die Eichmarken
schreiben muß, ist es vorteilhaft, beide Impulszüge getrennt schreiben zu lassen,
beispielsweise mittels einer Zweistrahlelektronenröhre, bei der der eine Strahl
ausschließlich die bei der Ultraschallwerkstoffprüfung aufzuzeichnenden Impulsbilder,
der andere Elektronenstrahl dagegen lediglich die Eichmarken schreibt. Zur Vermeidung
einer teuren Zweistrahlröhre kann man jedoch auch mit einer Einstrahlelektronenröhre
arbeiten, wenn man gemäß weiterer Erfindung durch einen vorzugsweise elektronischen
Umschalter dafür sorgt, daß der einzige Elektronenstrahl das Impulsbild und die
Eichmarken abwechselnd flimmerfrei schreibt.
-
Diese Art der Aufzeichnung ist nicht nur bei Dickenmessungen von Werkstücken
vorteilhaft, sondern hat auch allgemein bei Ultraschallprüfgeräten mit Anzeige durch
eine Kathodenstrahlröhre zur Fehlerortsbestimmung wesentliche Bedeutung, da es durch
diese Maßnahme möglich ist, eine Aufzeichnung der Impulsbilder sowie der Längen-
bzw. Zeitmarken in feinen dünnen Linien erfolgen zu lassen, wodurch eine geringere
Meßunsicherheit erreicht wird.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der nachfolgenden
Beschreibung erläutert.
-
Fig. I veranschaulicht ein Blockschaltbild eines Ultraschallimpulsgerätes.
Mit I ist die Synchronisiereinrichtung und mit 2 der Hochfrequenzimpulsgenerator
bezeichnet, der den an das Werkstück.S angekoppelten Ultraschallschwinger 7 speist.
Die von diesem in das Werkstück eingestrahlten Ultraschall impulse werden an der
Bodenfläche des Werkstückes reflektiert und veranlassen bei der Rückkehr zur Werkstückoberfläche
den Schwinger 7 während der Empfangsperiode zur Abgabe eines elektrischen Impulses,
der in dem Verstärker 3 verstärkt und über die Umschalter 14 und 15 dem Meßplattenpaar
der Kathodenstrahlröhre 6 zugeführt werden. Mit 5 ist der EEZippschwingungsgenerator
zur Horizontalauslenkung des Kathodenstrahles und mit 4 der Eichmarkengeber bezeichnet.
Durch den Umschalter I5 werden abwechselnd dem Meßplattenpaar der Kathodenstrahlröhre
die von dem Schwinger 7 abgegebenen und durch den Verstärker 3 verstärkten Impulse
und die von dem Zeitmarkengeber 4 erzeugten Rechteckimpulse zugeführt. An Stelle
eines mechanischen Umschalters, der beispielsweise von einem Relais gesteuert sein
kann, kann selbstverständlich eine elektronische Umschaltvorrichtung, z. B. ein
Multivibrator, vorgesehen sein. Auf dem Bildschirm werden dann, wie dies die Fig.
2 veranschaulicht, sowohl die rechteckförmigen Eichmarken I6 als auch die dreieckförmigen,
in elekrische Impulse umgeformten Ultraschallimpulse abwechselnd aufgezeichnet,
von denen mit I7 der Sendeimpuls, mit rS ein Fehlerechoiinpuls und mit 19 das Bodenecho
bezeichnet ist.
-
Wird der direkte Weg zwischen dem Verstärker 3 und der Braunschen
Röhre 6 in Fig. I unterbrochen und der Schalter 14 in seine andere Betriebsstellung
umgeschaltet, so werden die im Ausgang des Verstärkers auftretenden Impulse zunächst
dem mit g bezeichneten Demodulator zugeführt, der die ankommenden Impulse demoduliert,
und alsdann auf den Begrenzer IO gegeben, dessen Ausgang auf das Meßplattenpaar
der Kathodenstrahlröhre 6 wirkt. Der Begrenzer 10 formt die dreieckförmigen Impulse
ungleicher Amplitude in rechteckförmige Impulse gleicher Amplitude um, wie dies
in der Fig. 3 veranschaulicht ist, in der die Eichmarkenimpulse wieder mit I6, der
Bodenedioimpuls mit 17', der Fehlerechoimpuls mit I8' und der Bodenechoimpuls mit
I9' bezeichnet sind.
-
Die Fig. 4 veranschaulicht ein Prinzipschaltbild des Demodulators
9 und des Begrenzers IO. Der Demodulatorg besteht aus einer Röhre, in Audionschaltung
mit dem GitterkondensatorC und dem Gitterableitwiderstand R, während die Begrenzerstufe
10 eine Verstärkerröhre V2 mit flach verlaufender Gitterspannungs - Anodenstroinkennlinie
enthält. Gelangen hohe dreieckförmige Impulse an das Gitter V.) der Begrenzerstufe,
so werden diese in Reciteckimpulse konstanter Amplitude umgeformt, die über den
Koppelkondensator Ct dem Äl' Meßplattenpaar der I(athodenstrahlröhre 6 (Fig. z)
zugeführt werden.
-
Die Fig. 5 schließlich veranschaulicht ein Schaltungsbeispiel für
einen Eichmarkengeber, der in der Fig. I mil: 4 bezeichnet ist. Der Eichmarkengenerator
besteht aus den Röhren V3 und V4 in Nilultivibratorsdialtuiig. Die Länge der Eichmarken
ist durch die gekuppelten Potentiometer P und P2 regelbar. Das Einstellglied der
Regler ist unmittelbar in Längeneinheiten geeicht. Zum Schallgeschwindigkeitsausgleich
bei der Prüfung von Werkstücken verschiedenen Materials dienen die Regler P3 und
P4, die ebenfalls miteinander gekuppelt sind und ein gemeinsames Einstellglied aufweisen.
Durch Verändern der Widerstandswerte der Regler P3 und P4 werden die Schirmgitterspannungen
für die Röhren V3 und V4 vergrößert bzw. verkleinert und dadurch unabhängig von
der Einstellung der Regler P1 und P2 eine Längenänderung der von dem Eichmarkengeber
erzeugten Rechteckmarken bewirkt.