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Publication number: DES0029470MA
Authority: DE

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 25. Juli 1952 Bekanntgemacht am 16. Februar 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

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 Q_s 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 Q_s erregt, so werden Ultraschallschwingungen erzeugt, die über eine nicht näher veranschaulichte Flüssigkeitskoppelung den Prüfling/³ durchdringen und auf den Empfängerquarz Q_E 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 Q_s erzeugte Ultraschallimpuls nach Durchdringung des Prüflings P auf dem Empfängerquarz Q_E 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 J_E ist bedingt durch die Laufzeit des Ultraschallimpulses zwischen dem Sendequarz Q₅ und dem Empfangsquarz Q_E. Je größer die Wegstrecke zwischen Q₅ und Q_E gemacht wird, um so größer ist auch der Abstand zwischen dem Sendeimpuls /5 und dem Empfangsimpuls J_E auf dem Bildschirm.

In der Fig. 2 ist eine größere Zahl von Sendequarzen Q₅₁ bis Q_5n, veranschaulicht, die dicht nebeneinander, aber in der Schallstrahlungsrichtung versetzt zueinander, angeordnet sind. Der Abstand der Sendequarze Q₅₁ bis Q_5n zum Prüfling P ist laufend größer gemacht. Dagegen sind die Empfangsquarze Q_El bis Qg_n in gleichbleibendem Abstand zum Prüfling P angeordnet. Die Sendequarze Qs₁ bis Qg_n sind sämtlich parallel geschaltet und mit dem Ausgang des Impulsgenerators JG verbunden. Entsprechend sind die Empfängerquarze Q_El bis Q_En mit dem Eingang des Verstärkers V verbunden, dessen Ausgang auf die Kathodenstrahlröhre A wirkt. Durch besondere Maßnahmen können die Sendequarze Q_Sl bis Q_5n nur auf die entsprechenden, ihnen zugeordneten Empfangsquarze Q_Et bis Q_En 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, Q_Es 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 Q_El gegeben ist, erscheint der Empfangsimpuls Zg₁ dieser ersten Geber-Empfänger-Gruppe. Unmittelbar an diesen anschließend folgt der Empfangsimpuls J_E2 der Geber-Empfänger-Gruppe Q₅₂, Q_E2. Der Abstand zwischen den auf dem Bildschirm Sch aufgezeichneten Impulsen Zg₁ und J_E2 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 J_El und /_£2 ist gleich groß, da die Spannungen an den beiden

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Sendequarzen Q_Sl, 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 0_Sl 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 Q_Sl 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 ^w^s Qs 5 über die aus Induktivitäten und Kapazitäten bestellende Laufzeitkette mit wachsender Verzögerung zugeführt. Entsprechend erhalten die Empfängereinheiten Q_El 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 Jg_n 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 L_Sl zerstreut, dann durch die bikonkave Linse L₃₂ P^ar~ allel gemacht und durchsetzen das Werkstück über eine zur Ausdehnung des Senders verhältnismäßig breite Strecke. Auf der Empfangsseite ist zunächst eine bikonkave Sammellinse L_El vorgesehen, die die Schallstrahlen sammelt. Durch die zweite Linse L_E2 werden die Schallstrahlen parallel gemacht und den Empfängerquarzen Q_E 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

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 Zeichnungen

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