DES0029470MA - - Google Patents
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Description
Tag der Anmeldung: 25. Juli 1952 Bekanntgemacht am 16. Februar 1956
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur
Prüfung von Stoffen auf Fehler mit Ultraschall, bei welcher, insbesondere mittels eines impulsweise
erregten Senders, Ultraschallimpulse in den zu untersuchenden Stoff eingestrahlt und die aus dem
Stoff wieder austretenden Ultraschallimpulse zur Steuerung einer Einrichtung benutzt werden, die
Fehler im zu untersuchenden Stoff anzeigt.
Durch die Erfindung wird insbesondere die Aufgabe gelöst, großflächige Werkstücke, wie Bleche,
unmittelbar nach Verlassen der Walzenstraße in ihrer ganzen Breite z.B. auf Dopplungen zu prüfen,
ohne daß die Bedienungsperson durch Verschiebungen der Prüfanordnung quer zum Werkstück durch
Halten der Prüfanordnung od. dgl. von der Beobachtung der Auswerteeinrichtung für die empfangenen
Impulse abgelenkt wird.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Prüfung von, Stoffen mit Ultraschallimpulsen ist gekennzeichnet
durch mehreren über dem Stoff verteilt angeordneten und von nur einem Hochfrequenzimpulsgenerator
erregten Ultraschallsendern zugeordnete Mittel, welche den Zeitpunkt, zu dem die
elektrischen Impulse, die den empfangenen Ultraschallimpulsen entsprechen, an der Einrichtung
zur Auswertung der Empfangsimpulse eintreffen, derart verzögern, daß Empfangsimpulse, welche
durch Sendeimpulse verschiedener Sender erzeugt sind, stets nacheinander die Auswerteeinrichtung
beeinflussen.
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Es ist eine ähnliche Einrichtung zur Prüfung von Stoffen mit Ultraschallimpulsen bekannt, bei
der jeder Ultraschallsender von einem eigenen Sendekreis angeregt wird. Bei dieser Einrichtung
werden etwa hundert Entladungsröhren mit ihnen zugeordneten Resonanzkreisen benötigt, die ein
Impulsgenerator nacheinander zündet und löscht. Eine entsprechende Zahl ebenfalls von dem Impulsgenerator
gesteuerter Entladungsröhren ist zur ίο Zeilen- und Spaltenaiblenkung eines Kathodenstrahles,
der die auf einen Ultraschallempfänger treffende Schallintensität anzeigt, erfordorlich.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird die Zahl der erforderlichen Schaltelemente zur Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe entscheidend vermindert.
Weitere bekannte Einrichtungen, die Teillösungen der der Erfindung zugrunde liegenden
Aufgabe ermöglichen, erzeugen ausgedehnte Schallwellenzüge, und es werden mit ihnen Phasenverschiebungen
der durch.das zu prüfende Werkstück dringenden Ultraschallwellen ermittelt.
Diesen Phasenverschiebungen können nicht Laufzeiten zugeordnet werden, und somit sind Lokalisierungen
von Fehlstellen nach dem Ultraschallimpuls-Reflexionsverfahren
durch diese Einrichtungen nicht möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von sieben Figuren in der nachfolgenden
Beschreibung erläutert.
An Hand der Fig. 1 soll zunächst das Prinzip der Prüfanordnung näher erläutert werden. Mit
JG ist ein Generator zur Erzeugung hochfrequenter
elektrischer Impulse . bezeichnet, der die zur Erregung des Sendequarzes Qs erforderliche Spannung
abgibt. Die Impulsdauer und die Impulsfolgefrequenz der von dem Generator JG erzeugten
Impulse werden durch eine Synchronisiereinrichtung 51 bestimmt. Wird durch einen Hochfrequenzimpuls
des Impulsgenerators JG der, Quarz Qs
erregt, so werden Ultraschallschwingungen erzeugt, die über eine nicht näher veranschaulichte Flüssigkeitskoppelung
den Prüfling/3 durchdringen und auf den Empfängerquarz QE einwirken. In diesem
werden die empfangenen Ultraschallschwingungen in elektrische Spannungen umgewandelt, die in
dem Verstärker V verstärkt und auf dem Bildschirm Sch der Kathodenstrahlröhre A als Impulsbild
JE sichtbar gemacht werden. Der Ausgang des Verstärkers V ist mit dem Meßplattenpaar MP der
Kathodenstrahlröhre A verbunden, während deren
Zeitplattenpaar ZP durch Kippspannungen eines Kippgenerators K gesteuert wird. Dieser wird
ebenso wie der Impulsgenerator JG durch die Synchronisiereinrichtungo'
beeinflußt, wie durch Pfeile angedeutet ist. Um zu ermöglichen, daß auch der Sendeimpuls auf dem Schirmbild der Anzeigeröhre
A aufgezeichnet wird, können die Ausgänge des Impulsgenerators JG und der Synchronisier-
einrichtungS auch auf den Verstärker V einwirken,
wie durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist. Sobald die Synchronisiereinrichtung 6* den Impulsgenerator
JG zur Aussendung eines hochfrequenten elektrischen Impulses'. veranlaßt, der den Quarz Qs
erregt, wird zunächst der Sendeimpuls /§ auf dem Bildschirm aufgezeichnet. Trifft der bei Erregung
des Quarzes Qs erzeugte Ultraschallimpuls nach Durchdringung des Prüflings P auf dem Empfängerquarz
QE ein, so gibt der Verstärker V eine
entsprechende Impulsspannung ab und bewirkt die Aufzeichnung des Empfangsimpulses Jε auf · dem
Bildschirm. Die zeitliche Verzögerung zwischen dem auf dem Bildschirm Sch aufgezeichneten
Sendeimpuls /s und dem Empfangsimpuls JE ist
bedingt durch die Laufzeit des Ultraschallimpulses zwischen dem Sendequarz Q5 und dem Empfangsquarz QE. Je größer die Wegstrecke zwischen Q5
und QE gemacht wird, um so größer ist auch der Abstand zwischen dem Sendeimpuls /5 und dem
Empfangsimpuls JE auf dem Bildschirm.
In der Fig. 2 ist eine größere Zahl von Sendequarzen Q51 bis Q5n, veranschaulicht, die dicht
nebeneinander, aber in der Schallstrahlungsrichtung versetzt zueinander, angeordnet sind. Der
Abstand der Sendequarze Q51 bis Q5n zum Prüfling
P ist laufend größer gemacht. Dagegen sind die Empfangsquarze QEl bis Qgn in gleichbleibendem
Abstand zum Prüfling P angeordnet. Die Sendequarze Qs1 bis Qgn sind sämtlich parallel
geschaltet und mit dem Ausgang des Impulsgenerators JG verbunden. Entsprechend sind die Empfängerquarze
QEl bis QEn mit dem Eingang des
Verstärkers V verbunden, dessen Ausgang auf die Kathodenstrahlröhre A wirkt. Durch besondere
Maßnahmen können die Sendequarze QSl bis Q5n
nur auf die entsprechenden, ihnen zugeordneten Empfangsquarze QEt bis QEn einwirken. Sind die
so gebildeten Ultraschallgeber- und Ultraschallempfängerprüfgruppen
Qs^Qei bis QsJQeii dicht
nebeneinander angeordnet, so kann ein zwischen den Geber- und Empfängerprüfgruppen hindurchbewegter
Prüfling, z. B. ein auf Dopplungen zu untersuchendes Blech, über seine ganze Breite
laufend auf Fehler untersucht werden. Unter der Annahme, daß sich im Bereich der Geber-Empfänger-Gruppe
Qs3, QEs in dem Prüfling P ein
Fehler befindet, ergibt sich auf dem Schirmbild Sch der Kathodenstrahlröhre A das veranschaulichte
Impulsbild. Der erste Impuls ist der Sendeimpuls Js, der durch unmittelbare Einwirkung des
Impulsgenerators /G auf den Verstärker V entstanden
ist. In einem gewissen Abstand, der durch die Laufzeit des Ultraschalls zwischen dem
Geber Q51 und dem Empfänger QEl gegeben ist,
erscheint der Empfangsimpuls Zg1 dieser ersten
Geber-Empfänger-Gruppe. Unmittelbar an diesen anschließend folgt der Empfangsimpuls JE2 der
Geber-Empfänger-Gruppe Q52, QE2. Der Abstand
zwischen den auf dem Bildschirm Sch aufgezeichneten Impulsen Zg1 und JE2 ist gegeben durch die
größere Laufstrecke des Ultraschalls, da der Abstand des Sendequarzes Q52 vom Prüfling um
einen gewissen Betrag größer ist als der des Sendequarzes Q51 vom Prüfling. Die Amplitude
der beiden aufgezeichneten Impulse JEl und /£2
ist gleich groß, da die Spannungen an den beiden
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Sendequarzen QSl, Q52 gleich sind und ein Fehler
in dem Werkstück in den Bereichen dieser beiden Sende-Empfangs-Einheiten nicht vorliegt. Der
dritte Empfangsimpuls /g3 dagegen hat eine wesentlich
kleinere Amplitude, da sich im Bereich der Geber-Empfänger-Gruppe Qg3, Q^3 m dem
Prüfling P ein Fehler F befindet. Durch Beobachtung des Bildschirmes kann daher das Werkstück
trotz unter Umständen verhältnismäßig großer
ίο Durchlauf geschwindigkeit des Prüflings P auf
Fehler untersucht werden. Eicht man die horizontale Grundlinie des Bildschirmes entsprechend der
Prüflingsbreite, so kann bei einem beobachteten Fehler leicht die Stelle ermittelt werden, an der
sich der Fehler im Werkstück befindet. Durch geeignete Wahl der Zahl der nebeneinander angeordneten
Sender- und Empfängergruppen in bezug auf die Breite des Prüflings hat man es in der Hand,
die Genauigkeit der Fehlerortsbestimmung den praktischen Erfordernissen anzupassen. Anstatt
die Sendequa-rze versetzt zueinander anzuordnen, kann man selbstverständlich auch die Empfängerquarze
in Schallstrahlungsrichtung zueinander versetzen und die Sendequarze in gleichem Abstand
zum Prüfling anordnen.
Für den Fall, daß eine versetzte Anordnung der Sender Q3 oder Empfänger E unerwünscht ist,
kann.man auch sowohl die Sender als auch die
Empfänger in gleichem Abstand zum Prüfling anordnen, muß aber dann, wenn die Sender durch
den ' Impulsgenerator gleichzeitig erregt werden, für eine unterschiedliche Schallaufzeit Sorge
tragen. Man kann dann entweder den Sendern oder den Empfängern Übertragungsglieder mit
hinsichtlich ihrer Schallaufzeit unterschiedlichen akustischen Widerständen zuordnen; dabei können
diese Übertragungsglieder aus Festkörpern gleichen Materials mit in Schallstrahlungsrichtung unterschiedlicher
Ausdehnung bestehen, oder aber die Übertragungsglieder können aus Festkörpern verschiedenen
Materials mit in Schallstrahlungsrichtung gleicher Ausdehnung bestehen. Die Fig. 3 veranschaulicht
eine Anordnung, bei der den Sendequarzen 0Sl bis Qs 5 Festkörper W1 bis W5 vorgeschaltet
sind, die in Schallstrahlungsrichtung die gleiche Ausdehnung besitzen, aber aus verschiedenen Materialien bestehen, die so gewählt sind, daß
sich in ihnen verschiedene Ultraschallaufzeiten ergeben. Analog dem Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 2 hat hierbei der Festkörper W1 die kleinste,
der Festkörper W5 dagegen die größte Schallaufzeit.
Die zwischenliegenden Festkörper W2 bis W^
sind in ihren Materialeigenschaften so gewählt, daß sich in Richtung von W1 bis W5 eine größer wer-
dende Laufzeit ergibt.'
Anstatt die Sendequarze Q3 gleichzeitig durch
den Impulsgenerator JG zu erregen, kann man auch eine. Anordnung wählen, wie sie in Fig. 4 veranschaulicht
ist, bei der der Impulsgenerator JG über Verzögerungsnetzwerke VN mit den einzelnen
Sendequarzen QSl bis Q55 verbunden ist. In diesem
Fall kann man wie in dem zuvor betrachteten Ausführungs'beispiel sowohl die Sender als auch
die Empfängereinheiten mit gleichem Abstand zum Prüfling nebeneinander anordnen, benötigt aber
keine akustischen Übertragungsglieder unterschiedlicher Schallaufzeit. Bei der Anordnung nach
.Fig. 4 wird der von dem Impulsgenerator abgegebene elektrische Hochfrequenzinipuls zunächst
dem Sender Qs1 unmittelbar und dann den weiteren
Sendern Qs2 ^ws Qs 5 über die aus Induktivitäten
und Kapazitäten bestellende Laufzeitkette mit wachsender Verzögerung zugeführt. Entsprechend
erhalten die Empfängereinheiten QEl
bis Qg5 die Ultraschallimpulse nacheinander, so
daß auch die elektrische Anzeige auf dem Bildschirm, wie in Fig. 2 veranschaulicht, nacheinander
erfolgt.
Anstatt die Verzögerungszeit so zu bemessen, daß der nächste Impuls erst eintrifft, wenn der vorhergehende
vollständig aufgezeichnet bzw. abgeklungen ist, kann man die Verzögerung auch so
wählen, daß sich die übertragenen Impulsbilder noch teilweise überschneiden, wie dies in der Fig. S
veranschaulicht ist. Der Sendeimpuls J3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht mit aufgezeichnet
und ist links außerhalb des Bildschirmes gestrichelt dargestellt. Selbst bei der dargestellten
Überschneidung der einzelnen Empfangsimpulse/£l
bis Jgn ist noch eine einwandfreie Trennung der
einzelnen Impulsspitzen voneinander möglich. Im Bedarfsfall kann man die elektrische 'Einrichtung
des Verstärkers V so wählen, daß lediglich die Impulsspitzen angezeigt werden. Im Fall eines Fehlers
im Werkstück wird dann nur die Spitze des entsprechenden amplitudenschwächeren Impulses oder
gar nichts angezeigt. Selbst bei Fehlen der Impulsspitze kann man aus der im Impulsbild entstandenen
Lücke noch hinreichend auf eine Fehlstelle im Werkstück schließen.
Wie schon zuvor zum Ausdruck gebracht, kann es im Bedarfsfall zweckmäßig sein, eine sehr große
Anzahl von Sender- und Empfängereinheiten nebeneinander anzuordnen, um eine möglichst fein
unterteilte Anzeige zu erhalten. Es ist aber auch ebenso gut möglich, nur relativ wenige Sender- und
Empfängereinheiten über die gesamte Breite des zu prüfenden Werkstückes anzuordnen und zwischen
den einzelnen Prüfgruppen einen größeren Abstand zu belassen, wenn man dafür sorgt, daß durch ein
Schallinsensystem alle nebeneinanderliegenden Werkstückstellen von der Prüfung erfaßt werden.
Eine derartige Anordnung veranschaulicht die Fig. 6. Der Impulsgenerator JG speist, wie zuvor
dargelegt, über Verzögerungsnetz werke VN die Sendequarze Q5. Die von diesen ausgehenden
Ultraschallstraihlen werden in einer Linse LSl zerstreut,
dann durch die bikonkave Linse L32 Par~
allel gemacht und durchsetzen das Werkstück über eine zur Ausdehnung des Senders verhältnismäßig
breite Strecke. Auf der Empfangsseite ist zunächst eine bikonkave Sammellinse LEl vorgesehen, die
die Schallstrahlen sammelt. Durch die zweite Linse LE2 werden die Schallstrahlen parallel gemacht
und den Empfängerquarzen QE zugeführt. Ultraschallinsen sind an sich bekannt. Die erfin-
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dungsgemäße Linsenanordnung ist jedoch besonders für den vorliegenden Zweck, wie beschrieben^
ausgebildet. . . ■
Um die gestreuten Schallstrahlen beim Durchtritt durch die Flüssigkeit und das Werkstück un-'wirksam
zu machen — wodurch eine Beeinflussung der benachbarten Empfängereinheiten erfolgen
würde —\ ist, wie in Fig. 7 veranschaulicht, den
Empfängereinheiten eine Lochgitterplatte G vorgeschaltet, die nur die direkten, senkrecht. auf
die Empfängerquarze auffallenden Schallstrahlen durchläßt, schräg einfallende Strahlung — die z. B.
auch durch das Auftreten von Transversalwellen beim Durchgang von Longitudinalwellen durch
Festkörperlinsen entsteht — jedoch absorbiert und damit unwirksam macht. Die Lochgitterplatte G
kann aus einem schalläbsorbierenden Kunststoff bestehen, der Löcher von einem Durchmesser aufweist,
der kleiner oder gleich ist dem der Empfängerquarze. Lochblenden zur Begrenzung von
Ultraschall'bündeln sind an sich bekannt. Die erfindungsgemäße Anordnung mehrerer Blenden hat jedoch
die Wirkung, daß die vor einem Ultraschallempfänger stehende Blende nur die Ultraschallimpulse
des diesem Ultrasdiallempf anger zugeord-.
neten Ultraschallgebers hindurchläßt, die der anderen Ultraschallgeber jedoch nicht. Bei den bekannten
Einrichtungen werden nur einfache Lochblenden verwendet, und" es tritt bei diesen daher
auch die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Bieradenanordnung nicht auf.
An Stelle von Sende- und Empfangsschwingern mit kreisförmigem Querschnitt kann man vorteilhaft
auch Schwinger mit rechteckigem Querschnitt verwenden, deren kleinste Ausdehnung in der
Breite vorteilhaft nur wenige Wellenlängen beträgt.
Claims (5)
- PATENTANSPRÜCHE:i. Anordnung zur Prüfung von Stoffen mit Ultraschallimpulsen, gekennzeichnet durch mehreren über dem Stoff verteilt angeordneten, von nur einem Hochfrequenz-Impulsgenerator erregten Ultraschallsendern zugeordnete Mittel, welche den Zeitpunkt, zu dem die elektrischen Impulse, die den empfangenen Ultraschallimpulsen entsprechen, an der Einrichtung zur Auswertung der Empfangsimpulse eintreffen, derart verzögern, daß Empfangsimpulse, welche 'durch Sendeimpulse verschiedener Sender erzeugt sind, stets nacheinander die Auswerteinrichtung beeinflussen.
- 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsmittel aus akustischen Übertragungsgliedern mit voneinander unterschiedlicher Schallauf zeit bestehen, von denen jedem Sender je ein Glied zugeordnet ist. __
- 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsmittel aus elektrischen Übertragungsgliedern mit voneinander unterschiedlicher elektrischer Laufzeit bestehen, von denen jedem Sender je ein Glied zugeordnet ist. .
- 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der aus einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger bestehenden Prüfgruppe Blenden für die Schallstrahlung zugeordnet sind, welche die Erregung der Empfänger durch eine Streustrahlung benachbarter Prüfgruppen verhindern.
- 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang jeder Prüfgruppe Schallinsen eingeschaltet sind, die derart ausgebildet sind, daß sie die Schallstrahlung des Senders jeder Prüf gruppe streuen, danach die gestreute Schallstrählung in ein gegenüber der Senderfläche vergrößertes Bündel paralleler Schallstrahlen umwandeln, das den Stoff durchsetzt, worauf das gegenüber der Senderfläche vergrößerte Bündel der Schallstrahlung durch Umwandlung in eine konvergierende Strahlung der Größe der Empfängerfläche angepaßt und vor Auftreffen auf diese Fläche wieder in eine parallele Schallstrahlung umgewandelt wird.Angezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 674 235, 638 285; USA.-Patentschrift Nr. 2 431 862;
deutsche Patentschriften Nr. 711 872, 741 335; »Der Maschinenschaden« (1951), Heft 3/4, S. 29 usw.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 509 658/300 2. 56
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