NL7908205A

NL7908205A - Werkwijze en inrichting voor ultrasoon niet-destructief onderzoek.

Info

Publication number: NL7908205A
Application number: NL7908205A
Authority: NL
Original assignee: Estel Hoogovens Bv
Priority date: 1979-11-08
Filing date: 1979-11-08
Publication date: 1981-06-01
Also published as: DE3069178D1; EP0028855B1; ATE9405T1; EP0028855A1

Description

r - < !*

HO 399 SL

WERKWIJZE M IBHCEHEB VOOR ULTRASOOÏÏ HIET-DESTHÜCTIEF ONDERZOEK

Door aanvraagster wordt als uitvinder genoemd:

Hendrikus Theophiel PLOEGAERT te Castricum

De uitvinding Heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor ultrasoon niet-destructief onderzoek van metalen werkstukken, onder gebruikmaking van een elektro-magnetisch-akoestische omzetter, met tenminste één hf-zend/ontvangspoel, aangesloten op een 5 zender/ontvanger, en een magneet, welke spoel en magneet vlak over het oppervlak van het te onderzoeken werkstuk kunnen worden bewogen. Een dergelijke werkwijze en inrichting is bekend uit het blad '•Materialprüfung’', Band 20 (1978)» Hummer 2, bladzijde 62 tot 6?.

10 Bij dit zogenaamde contactloze ultrasone onderzoek, waarbij de ultrasone opwekking met behulp van een elektro-dynamische omzetter geschiedt, is de afhankelijkheid van de hoogte van de signaal-amplitude sterk afhankelijk van de afstand van de hf-spoel tot het oppervlak van het te onderzoeken werkstuk. Vergelijk fig. 7b van 15 genoemd artikel. Blijkens fig. 4 in genoemd artikel heeft men de omzetter gemonteerd op een wagentje dat over het oppervlak van het te onderzoeken werkstuk kan worden gerold. Bij een golvend of gebogen oppervlak.geeft dit evenwel geen enkele garantie voor het constant blijven van genoemde afstand.

20 Indien de hf-spoel zich verder van het oppervlak bevindt, worden in het werkstuk minder ultrasone trillingen opgewekt, waardoor de ontvangen signalen kleiner zijn en de automatische verwerking ervan in gevaar komt. Het doel van de uitvinding is een werkwijze en inrichting voor ultrasoon niet-destructief onderzoek 25 van metalen werkstukken te verschaffen, waarbij op elektronische wijze een compensatie voor variaties in de afstand wordt verschaft.

79 0 8 2 0 5 /2 2

De genoemde werkwijze is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat de koppelfactor tussen het werkstuk en de hf-spoël wordt gebruikt om de versterkingsfactor van een versterker in de ontvanger te besturen. Het is daarbij het eenvoudigste als de zend-5 spanning over de zendspoel wordt gebruikt als maat voor de koppelfactor.

Andere grootheden die als maat voor de koppelfactor kunnen worden gebruikt zijn de zendstroom door de zendspoel, het zend-vermogen, de fase-verschuiving tussen zendspanning en zendstroom, 10 de impedantie-verandering van de zend/ontvangspoel. Eventueel kan een afzonderlijke spoel wordt gebruikt, waarvan de impedantie- i verandering een maat voor de koppelfactor is. Deze afzonderlijke j ' spoelkan continu worden bekrachtigd met een hf-signaal van vaste frequentie, dat nadien uit het ontvangen signaal gefilterd wordt.

15 Een andere mogelijkheid bestaat daarin, dat de zendspoel kortstondig,· vlak voor het eigenlijke zenden/ontvangen, op een afzonderlijke bron wordt aangesloten. De afzonderlijke bron kan gebruikt worden om op een der bovenaangegeven methoden de koppelfactor te bepalen.

20 De uitvinding heeft ook betrekking op een elektro-magnetisch- akoestische omzetter voor ultrasoon niet-destructief onderzoek van metalen werkstukken, met tenminste één hf-zend/ontvangspoel aangesloten op een zender/ontvanger, en een magneet, voorzien van middelen om de afstand tot het oppervlak zoveel mogelijk con-25 stant te houden, waarbij de zender geschikt is voor het bekrachtigen van de hf-spoel met korte pulsen, en waarbij de ontvanger althans een spanningsgestuurde versterker bevat, waarna de detectie van het uitgangssignaal plaats heeft.

Volgens de uitvinding is een dergelijke omzetter daardoor 30 gekenmerkt, dat de zendspanning via een spanningsdeler toegevoegd wordt aan een snelle comparatorschakeling en c^at aan de hand van de hoogte van de gedetecteerde spanning een signaal wordt opgewekt dat dient om de spanningsgestuurde versterker dusdanig aan te passen, dat binnen het dynamische bereik het uitgangssignaal er-35 van nagenoeg constant blijft. Bij voorkeur kan bij een dergelijke omzetter een semi-digitaalfilter of correlator aan de uitgang van /3 7908205

* I

3 de detector zijn aangebracht.

De uitvinding biedt o.m. als voordeel dat de visuele beoordeling van het video-signaal op een beeldscherm wordt vergemakkelijkt, en voorts dat automatische verwerking van de meetresultaten 5 wordt verbeterd.

De werkwijze en inrichting volgens de uitvinding wordt aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld in de tekening nader toegelicht.

Pig. 1 is een elektro-magnetisch-akoestische omzetter, met halfbolvormig eindvlak van de magneetkera, waarbij de uitvinding 10 kan worden toegepast.

Pig. 2a, 2b en 2c geven een zender/ontvanger schematisch weer.

In fig. 1 bestaat de omzetter uit een magneetspoel 11 met magneetkem 12 en een hf-zend/ontvangspoel 14, beide ingekapseld in een omhulling 13, bijvoorbeeld uit kunststof. De spoel 14 is 15 tegen het half bolvormige einde van de magneetkem 12 aangebracht en bevindt zich dus tussen dit einde en het oppervlak 15 van het te onderzoeken werkstuk. Bij deze bekende omzetter (vergelijk Duitse octrooischrift 26 21 684, fig. 2) ontstaan in het materiaal van het werkstuk transversale ultrasone trillingen. Om de bekrach-20 tigingsspoel 11 voor de magneet kan op bekende wijze een afscherming 16 bijvoorbeeld uit aluminium, ter dikte van bijv. 4 mm zijn aangebracht ter bescherming en om de in de spoel 11 gedissi-peerde warmte af te voeren. De afscherming 16 kan van koelvinnen zijn voorzien. Bij een dergelijke omzetter kan de afstand van de spoel 14 25 tot het oppervlak 15 ongeveer 0,5 a 1 mm bedragen. Indien de spoel 14 en de magneet over het oppervlak 15 van het werkstuk worden bewogen, zal de afstand van de spoel 14 tot het oppervlak 15 kunnen fluctueren. Deze-fluctuaties maken dat de luchtspleet en daardoor de magnetische koppeling niet constant is. Het ontvangen signaal 30 verandert daarom in amplitude, hetgeen de beoordeling van het signaal bemoeilijkt. Als de afstand groter wordt, wordt door de zendspoel 14 minder energie overgedragen naar het werkstuk 15, zodat minder ultrasone trillingen in het werkstuk worden opgewekt.

Daardoor wordt dus de zender minder zwaar belast en is de zend-35 spanning hoger. De uitvinding berust op het inzicht, dat de koppeling met het werkstuk kan worden gebruikt als maat om de versterking 79 0 8 20 5 /4 4 τ- V.

van de ontvangversterker aan te passen. De eenvoudigste methode om de koppelfactor te bepalen is de zendspanning of een daarmee evenredige spanning te meten en afhankelijk van de belasting van de zender de versterkingsfactor vande ontvangversterker te wij zigen.

5 Uiteraard zijn er ook andere manieren om de koppelingsfactor of de belasting van de zender te meten, door de impedantie van de zendspoel te meten, en andere mogelijkheden.

De zendpuls heeft een eerste negatieve piek van ongeveer 400 volt. De absolute waarde hiervan is afhankelijk van de meet-10 spoel 14 en van de koppeling tussen de meètspoel 14 en het werkstuk. De tweede positieve piek is nog ongeveer 250 volt en daarna dempt de zendpuls nog verder uit. De pulsfrequentie is 1, 2f-, 5 of 10 MHz met een herhalingsfrequentie van 80 tot 2500 per-seconde.

Uit het werkstuk komt een gereflecteerde echo, waarbij de 15 tweede echo een lagere intensiteit heeft dan de eerste. De in de meetspoel 14 geïnduceerde echo’s worden gefilterd en versterkt en op een beeldscherm afgeheeld. Dit af geheelde signaal wordt wel het video-signaal genoemd.

De grootte van de echo’s is afhankelijk van de magnetische 20 koppeling van de omzetter en het werkstuk, alsmede omgekeerd evenredig met de afgelegde weg van de akoestische trilling in het werkstuk. Daarom is bij een dun werkstuk de echo groter. De afstand tussen twee echo’s is gelijk aan de afgelegde weg, gedeeld door de snelheid van de transversale golven, in staal is dit ongeveer 25 3000 meter per seconde. De afgelegde weg is tweemaal de dikte van het te onderzoeken voorwerp.

In fig. 2a is schematisch de zender/ontvanger met bijbehorend beeldscherm voor*het video-signaal afgebeeld, terwijl in fig. 2b en fig. 2c gedeeltelijk in blokschema de werking ervan volgens 30 de uitvinding is aangegeven. Met 20 is de zender afgebeeld, die periodiek met een bepaalde herhalingsfrequentie hoogfrequente impulsen stuurt naar de hf-spoel 14. De door deze spoel uit het werkstuk ontvangen signalen worden naar de eerste ontvangversterker 21 gevoerd en verschijnt aan de uitgang 22 ervan. Aan deze 35 uitgang 22 is een eerste spanningsgestuurde versterker 27 ver- bonden. Het zendersignaal wordt via een spanningsdeler 23 gevoerd 7908205 /5 * 5 naar een comparator 24» alwaar vergelijking met voorafingestelde waarden plaatsvindt, een geheugen 25, om de signaalhoogte te onthouden, en een digitaal-analoog-omzetter 26, om.de digitale informatie in een analoog-signaal om te zetten. De uitgang van de om-5 zetter 26 dient als stuurspanning voor de versterker 27« Bij elke zendpuls wordt deze schakeling synchroon bedreven.

De verandering van de zenderspanning ten gevolge van de zich wijzigende afstand wordt dus gebruikt om de spanningsgestuurde versterker 27 te verstellen.

10 Een tweede spanningsgestuurde versterker 28 is aangebracht, welke een uit ti jd-compensator 29 afkomstige vermenigvuldigfunctie heeft van een oplopende versterkingsfactor, welke steeds kleiner wordende echo’s in het video-signaal op een hoger niveau brengt.

Daardoor kunnen alle pulsen op een vrijwel gelijke amplitude wor-15 den gebracht. Uiteraard geschiedt ook dit wederom synchroon met de zendpulsen. Ondanks deze twee amplitude-compensaties zullen er nog fluctuaties in de amplitude zijn ten gevolge van niet-lineariteiten van de voorgaande schakelingen en de materiaaleigenschappen, kwaliteit en dikte van het werkstuk. Daarom wordt het 20 uitgangssignaal van versterker 28 gevoerd naar een spanningsgestuurde versterker 30, die via een automatische versterkings-regeling (AGC) 31 - ongeacht de ingangsamplitude - een constante uitgangsamplitude geeft. De uitgangsspanning van deze schakeling 30, 31 verschijnt op klem 32.

25 Teneinde een indruk te krijgen van de fouten en het signaal eventueel met zichzelf te correleren, wordt gebruikt gemaakt van een verdere schakeling volgens fig. 2. Kadat het signaal met behulp van een instelbare comparator 33 in digitale vorm is gebracht, wordt het in een schuifregister 34 vertraagd en gecombineerd met het 30 in tijd daarop volgende signaal, door gebruik te maken van ÏÏAND-poorten. Op deze wijze kunnen ruis en spanningspieken onderdrukt worden en zal een schoner uitgangssignaal worden overhouden. Deze combinatie wordt wel semi-digitaalfilter (35) genoemd.

Het aldus gecorreleerde signaal wordt vervolgens aangeboden aan een vergelijkschakeling 37, waarin goed/fout-beoordeling bepaald uit een groot aantal (minimaal 10) eerdere meetsignalen, /« 7908205 / 6 <r <- opgeslagen in geheugen-schakeling 36. Ook deze schakelingen lopen weer synchroon met de zendimpuls. Op de uitgangsklem 38 kan een goed/fout-detector met een alarm zijn aangesloten.

Iedere spanningsvorm achter de verschillende versterkers 21, 5 27, 28, 30 en de schakelingen 33 en 35 kunnen in principe op het beeldscherm worden zichtbaar gemaakt.

De elektrische compensatie van de fluctuaties in de afstand voor de zend/ontvangspoel 14 tot het oppervlak 15 van het te onderzoeken werkstuk kan in beginsel ook bij andere typen van 10 elektro-raagnetisch-alcoestische opwekkers dan die afgebeeld in fig.1 worden toegepast. Dergelijke opwekkers kunnen zijn die voor longitudinale trillingen, hoeksondes en plaatgolf- of wlambwaveM-sondes, zoals die in dit vakgebied bekend zijn.

7908205 v

Claims

1. Werkwijze voor ultrasoon niet-destructief onderzoek van metalen werkstukken, onder gebruikmaking van een elektromag-netisch-akoestische omzetter, met ten minste een hf-zend/ ontvangspoel, aangesloten op een zender/ontvanger, en een 5 magneet, welke spoel en magneet vlak over het oppervlak van het te onderzoeken werkstuk kunnen worden bewogen, met het kenmerk, dat de koppelfaktor tussen het werkstuk en de hf-spoel wordt gebruikt om de versterkingsfaktor van een versterker in de ontvanger te besturen.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de zend- spanning over de zendspoel wordt gebruikt als maat voor de koppelfaktor.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de zend-stroom door de zendspoel wordt gebruikt als maat voor de 15 koppelfaktor.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het zend-vermogen wordt gebruikt als maat voor de koppelfaktor.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de fase-verschuiving tussen zendspanning en zendstroom wordt gebruikt 20 als maat voor de koppelfaktor.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de impe-dantieverandering van de zend/ontvangspoel wordt gebruikt als maat voor de koppelfaktor.

7· Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat een af- 25 zonderlijke spoel wordt gebruikt waarvan de impedantie ver andering een maat voor de koppelfaktor is. 79 0 82 0 5 ' 8

8. Werkwijze volgens conclusie 7» niet het kenmerk, dat de afzonderlijke spoel continu wordt bekrachtigd met een hf-signaal van vaste frequentie dat nadien uit het ontvangsignaal gefilterd wordt. 5

9· Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de zend- spoel kortstondig op een afzonderlijke bron wordt aangesloten, in bedrijf vlak voor het eigenlijke zender/ontvanger ermee.

10. Elektro-magnetisch-akoestische omzetter·voor ultrasoon niet-destructief onderzoek van metalen werkstukken, met tenminste 10 een hf-zend/ontvangspoel aangesloten op een zender/ontvanger, en een magneet voorzien van middelen om de afstand tot het oppervlak zoveel mogelijk constant te houden; waarbij de zender geschikt is voor het bekrachtigen van de hf-spoel met korte pulsen, en waarbij de ontvanger althans een spannings-15 gestuurde versterker bevat, waarna detectie van het uitgangs signaal plaats heeft, met het kenmerk, dat de zendspanning via een spanningsdeler (23) wordt toegevoerd aan een snelle compa-ratorschakeling (24) en aan de hand van de hoogte van de gedetecteerde spanning een signaal wordt opgewekt dat dient om de 20 spanningsgestuurde versterker (27) dusdanig aan te passen, dat \ binnen het dynamische bereik het uitgangssignaal ervan na genoeg constant blijft.

11. Omzetter volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat een semi-digitaal filter of correlator (35) aan de uitgang van de detec- 25 tor is aangebracht.

12. Omzetter volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat het gecorreleerde signaal wordt toegevoerd aan een vergelijkschakeling (37) voor goed/fout-bepalingaan de hand van in een geheugen-schakeling.(36) opgeslagenaantal eerdere meetsignalen. 790820? v