VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DER DICKE EINES PRÜFKÖRPERS MITTELS ZWEI UNTERSCHIEDLICHER ULTRASCHALLMODEN METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE THICKNESS OF A TEST BODY BY MEANS OF TWO DIFFERENT ULTRASOUND MODES
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke eines Prüfkörpers mittels Ul¬ traschall, insbesondere Blech oder Rohr, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for determining the thickness of a test specimen by means of ultrasound, in particular sheet metal or tube, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out this method.
Bei der zerstörungsfreien Wanddickenmessung mittels Ultraschall, z. B. an Blechen, werden in der Wand nach dem Puls-Echoverfahren ausgehend von dereinen Seite der Bfechober- ffäche Uftraschalfϊmpufse in der Wand angeregt und die von der gegenQberfϊegenden Bfechoberfläche reflektierten Signale wieder empfangen. Aus der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Impulses und der Empfangszeit und aus der Schallgeschwindigkeit im zu prüfenden Material lässt sich die Dicke des Bleches berechnen.In the non-destructive wall thickness measurement by means of ultrasound, z. For example, on sheets, Uftraschalfϊmpufse in the wall are excited in the wall after the pulse-echo method starting from one side of the Bfechober- surfaces and the signals reflected from the against bausch surface again received signals. From the transit time between the emission of the pulse and the reception time and from the speed of sound in the material to be tested, the thickness of the sheet can be calculated.
Bekannt sind z. B. aus der EP 1 396720 A2 zwei Möglichkeiten die Uftraschafftechnik für die zerstörungsfreie Prüfung an Werkstücken zu verwenden. Im Normalfall werden piezoelektri¬ sche Ultraschalfwandfer eingesetzt, die Ultraschaifwellen erzeugen, die in das Werkstück, häufig unter Verwendung eines Einkoppelmediums, wie z. B. Wasser, eingekoppeff werden.Are known z. B. from EP 1 396720 A2 two ways to use the Uftraschafftechnik for non-destructive testing of workpieces. Normally, piezoelectric ultrasonic converters are used which generate ultrasonic waves which are introduced into the workpiece, frequently using a coupling-in medium, such as e.g. As water, be eingekoppeff.
Grundsätzlich können mit einem piezoelektrischen Ultraschallwandler Longitudinalwellen, vertikal- und horizontal polarisierte Trahsversälwellen (letztere nur unter Verwendung eines zähflüssigen Koppetmittels) und Rayfeigh-Wellen angeregt werden.In principle, with a piezoelectric ultrasonic transducer longitudinal waves, vertical and horizontal polarized Trahsversälwellen (the latter only using a viscous Koppetmittels) and Rayfeigh waves are excited.
Bei handelsüblichen tragbaren Messgeräten für Wanddickenmessungen an Stahlwerkstoffen werden jedoch vorzugsweise Longitudinalwellen angeregt, da hier die Einkoppfung in den Prüfkörper am einfachsten zu realisieren ist.In commercially available portable measuring devices for wall thickness measurements on steel materials, however, longitudinal waves are preferably excited, since the introduction into the test body is the easiest way to realize this.
Es können auch elektromagnetische Ultraschallwandler (EMUS) eingesetzt werden, die durch eine berührungslose Energieübertragung die Bildung von Ultraschallwellen als hori¬ zontal- und vertikal polarisierte Transversafweffen innerhalb des Prüfkörpers ermöglichen. Da die Uffraschaffanregung hierbei direkt im Prüfling erfolgt, ist ein Koppelmedium nicht erfor¬ derlich. Die Grundlagen hierzu sind in der DE 196 37 424 A1 beschrieben.
Maßgebend für eine exakte Ermittlung derWanddicke mittels Ultraschall ist u. a. die Kennt¬ nis der Geschwindigkeit der Schallausbreitung im Prüfkörper. Als physikalische Gesetzmä¬ ßigkeit ist bekannt, dass die effektive Schallgeschwindigkeit eine deutliche Abhängigkeit von der Temperatur des durchschallten Prüfkörpers aufweist. Bekannt ist auch, dass die ver¬ schiedenen angeregten Wellenarten unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten sowie eine unterschiedliche Abhängigkeit von der Temperatur des Prüfkörpers besitzen.It is also possible to use electromagnetic ultrasound transducers (EMUS) which enable the formation of ultrasonic waves as hori zontally and vertically polarized transversal veins within the test specimen by contactless energy transmission. Since the Uffraschaffanregung done here directly in the test specimen, a coupling medium is not neces sary. The basics for this purpose are described in DE 196 37 424 A1. Decisive for an exact determination of the wall thickness by means of ultrasound is, inter alia, the knowledge of the speed of sound propagation in the test specimen. As a physical regularity, it is known that the effective speed of sound has a clear dependence on the temperature of the sonicate penetrated through. It is also known that the different excited wave types have different speeds of sound as well as a different dependence on the temperature of the test piece.
Bei der Wanddickenmessung ist jedoch nicht die im Regelfall gut zu ermittelnde Oberflä¬ chentemperatur maßgebend sondern die Temperatur bzw. die Temperaturverteilung inner¬ halb des Prüfkörpers. Bei inhomogener Temperaturverteilung im Prüfkörper durchläuft der Ultraschall in der jeweils angeregten Wellenart verschiedene Temperaturbereiche, so dass sich auch deren Ausbreitungsgeschwindigkeit jeweils ändert.In the case of wall thickness measurement, however, it is not the surface temperature which is generally well ascertainable that is decisive, but the temperature or the temperature distribution within the test specimen. In the case of inhomogeneous temperature distribution in the test specimen, the ultrasound in the respectively excited wave type passes through different temperature ranges, so that their propagation velocity also changes in each case.
Grundlegende Untersuchungen von F. Richter („Magnetic and other physical properties of X52, X60, X70 and X80 grade line pipe steels", Steel research No. 9/89, S. 417-424, Verlag Stahleisen mbH, Düsseldorf und „Physikalische Eigenschaften von Stählen, insbesondere von waimfesten Stählen", Thyssenforschung, 2. Jahrgang, 1979, Heft 2) haben gezeigt, dass für die untersuchten Stähle zum Einen eine nahezu lineare Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit im Temperaturbereich von 20 - 3000C unabhängig vom Werkstoff vorhanden ist. Die effektive Schallgeschwindigkeit z. B. für einen X60/X70-Stahl ergab ca. 3210 m/s bei 200C und ca. 3060 m/s bei 3000C.Fundamental investigations by F. Richter ("Magnetic and other physical properties of X52, X60, X70 and X80 grade line pipe steels", Steel research No. 9/89, pp 417-424, Verlag Stahleisen mbH, Dusseldorf and "physical properties of steels, in particular waimfesten steels ", Thyssen research, 2nd year, 1979, Issue 2) have shown that for the investigated steels on the one hand a nearly linear temperature dependence of the speed of sound in the temperature range of 20 - 300 0 C regardless of the material is present. The effective speed of sound z. B. for a X60 / X70 steel yielded about 3210 m / s at 20 0 C and about 3060 m / s at 300 0 C.
Zum Anderen ergaben die Untersuchungen, dass bei konstanter Temperatur die effektive im Prüfkörper vorhandene Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls für verschiedene Wel¬ lenarten oder unterschiedlich polarisierte (Transversal-) Wellen ebenfalls unterschiedlich ist.On the other hand, the investigations showed that at constant temperature, the effective propagation velocity of the sound present in the test specimen for different wave types or differently polarized (transversal) waves is likewise different.
Nur bei Kenntnis und Berücksichtigung der Temperatur bzw. Temperaturverteilung im Prüf¬ körper lässt sich demzufolge eine korrekte Messung der Wanddicke vornehmen.Only with knowledge and consideration of the temperature or temperature distribution in the Prüf¬ body can therefore make a correct measurement of the wall thickness.
Während die Temperaturkoeffizienten bei linearer Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur bei homogener Temperaturverteilung für die Schallwellen in den zu messenden Stahlwerkstoffen leicht ermittelbar sind und in den Auswerteeinheiten der Mess¬ vorrichtungen mit entsprechenden Korrekturparametern berücksichtigt werden können, kann die konkrete Temperatur bzw. die Temperaturverteilung innerhalb des Prüfkörpers wenn überhaupt dann nur mit erheblichem messtechnischen Aufwand ermittelt werden.
Damit ist auch die Berücksichtigung des Temperatureinflusses auf die Schallgeschwindigkeit und damit auf das Messergebnis sehr viel schwieriger.While the temperature coefficients in the case of a linear dependence of the speed of sound on the temperature at homogeneous temperature distribution for the sound waves in the steel materials to be measured can be easily determined and taken into account in the evaluation of Mess¬ devices with appropriate correction parameters, the actual temperature or the temperature distribution within the Test specimens, if any, can then only be determined with considerable metrological effort. Thus, the consideration of the temperature influence on the speed of sound and thus on the measurement result is much more difficult.
Relevant ist diese Problematik- bei der Wanddickenmessung beispielsweise bei während der Herstellung von Blechen oder Rohren auftretenden Oberflächenfehlern am Prüfkörper. Diese können oftmals nur durch Nachschleifen beseitigt werden, wobei jedoch die Einhaltung der vorgeschriebenen Mindestwanddicke zu beachten ist.This problem is relevant in wall thickness measurement, for example, in the case of surface defects occurring on the test specimen during the production of metal sheets or pipes. These can often only be removed by regrinding, but the observance of the prescribed minimum wall thickness is to be observed.
Um eine etwaige Unterschreitung der Mindestwanddicke frühzeitig, d. h. vor der Weiterver¬ arbeitung zu erkennen, wird unmittelbar im Anschluss an den Schleifvorgang die Wanddicke des Prüfkörpers ermittelt und dieser bei einer Unterschreitung der Wanddicke aus dem Pro- duktionsprozess aussortiert.In order to avoid any undershooting of the minimum wall thickness early, d. H. Before further processing, immediately after the grinding process, the wall thickness of the test specimen is determined and, if the wall thickness is undershot, it is sorted out of the production process.
Durch den Schleifvorgang wird aber je nach Intensität der Bearbeitung Wärme in das Werk¬ stück eingebracht, die sich abhängig von Wanddicke und Werkstoff unterschiedlich schnell im Werkstück ausbreitet und je nach Umgebungsbedingungen unterschiedlich schnell wieder abkühlt, wodurch im Werkstück eine inhomogene Temperaturverteilung entsteht.However, depending on the intensity of the processing, heat is introduced into the workpiece as a result of the grinding process, which propagates at different speeds depending on wall thickness and material and cools down again at different speeds depending on the ambient conditions, as a result of which an inhomogeneous temperature distribution arises in the workpiece.
Eine unmittelbar an den Schleifvorgang folgende Wanddickenmessung führt ohne Kenntnis der aktuellen Temperatur und der Temperaturverteilung im Werkstück zwangsläufig zu Fehlmessungen unterschiedlichen Ausmaßes. Da der Wärmeeintrag durch das Schleifen zu einer geringeren Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im Prüfkörper führt und so ein zu großer nicht vorhandener Wert für die Wanddicke ermittelt wird. Bei entsprechenden Tole¬ ranzvorgaben kann dies zur Folge haben, dass noch ausreichende Wanddicken angezeigt werden, obwohl tatsächlich die Toleranzvorgabe schon unterschritten wurden.A wall thickness measurement immediately following the grinding process, without knowledge of the current temperature and the temperature distribution in the workpiece, inevitably leads to incorrect measurements of varying degrees. Since the heat input by grinding leads to a lower propagation speed of the sound in the test specimen and thus a too large non-existing value for the wall thickness is determined. With corresponding tolerance specifications, this can mean that sufficient wall thicknesses are still displayed, although in fact the tolerance has already been exceeded.
Ein beschleunigtes Abkühlen der Schleifstellen, insbesondere bei TM-gewalzten Stählen ist jedoch nicht möglich, weil die Werkstoffeigenschaften dadurch negativ beeinflusst würderr. Andererseits unterbricht langsames Abkühlen an ruhender Luft vor der Messung die Ferti¬ gungskette und ist damit produktionstechnisch unwirtschaftlich.However, an accelerated cooling of the grinding points, especially in TM-rolled steels, is not possible because the material properties would be adversely affected by this. On the other hand, slow cooling in still air interrupts the production chain before the measurement and is thus uneconomical in terms of production technology.
Die mit handelsüblichen Messgeräten zu messende Temperatur der Werkstückoberfläche ist wenig aussagekräftig, da hiermit die maßgebliche Temperatur bzw. die Temperaturverteilung im Prüfkörper nicht zu ermitteln ist.The temperature of the workpiece surface to be measured with commercially available measuring instruments is not very meaningful, as it does not allow determining the relevant temperature or the temperature distribution in the test specimen.
Ebenfalls relevant ist diese Problematik z. B. bei Wanddickenmessungerr an im Betrieb be¬ findlichen Rohrleitungen, die gegenüber der Umgebungstemperatur wärmere oder kältere
Medien transportieren. Auch hier stellt sich in der Rohrwand ein für die Wanddickenmessung mittels Ultraschall zu berücksichtigender Temperaturgradient in der Rohrwand ein.Also relevant is this problem z. B. in Wanddickenmessungerr on be¬ in operation be¬ sensitive piping, which is warmer or colder to the ambient temperature Transport media. Here too, a temperature gradient to be taken into account for the wall thickness measurement by means of ultrasound in the tube wall arises in the tube wall.
In der EP 0 202497 A1 wird eine temperaturkompensierte Ultraschall-Wanddickenmessung für extrudierte Kunststoffe offenbart, die eine genauere Erfassung der Temperaturverteilung in der Wand und damit eine exaktere Ermittlung der Wanddicke ermöglichen soll. Hierbei werden durch Messung verschiedener Prozessparameter wie Kühlwassertemperatur, Extru¬ dertemperatur, Abzugsgeschwindigkeittjnd der Verweilzeiten des extrudierten Materials an der Luft oder im Wasser über ein mathematisches Modell Rückschlüsse auf die Wanddicke des extrudierten Materials vorgenommen.EP 0 202497 A1 discloses a temperature-compensated ultrasonic wall thickness measurement for extruded plastics which is intended to enable a more accurate detection of the temperature distribution in the wall and thus a more exact determination of the wall thickness. In this case, conclusions are drawn about the wall thickness of the extruded material by measuring various process parameters such as cooling water temperature, extruder temperature, take-off rate and the residence times of the extruded material in air or in water via a mathematical model.
Mit diesem Verfahren lässt sich die Temperatur und deren Verteilung in der Wand des Prüf¬ körpers nur mit erheblichem messtechnischen Aufwand und auch nur punktuell erfassen, was ebenfalls nur eine eingeschränkte Aussagegenauigkeit zur Folge hat. Außerdem ist die¬ ses Verfahren für eine Wanddickenmessung an Stahlwerkstofferr ungeeignet.With this method, the temperature and its distribution in the wall of the Prüf¬ body can be detected only with considerable metrological effort and only selectively, which also has only a limited statement accuracy result. In addition, this method is unsuitable for wall thickness measurement on Stahlwerkstofferr.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke eines Prüfkörpers, insbesondere Blech oder Rohr, mittels Ultraschall bei einer von der Raumtemperatur abwei¬ chenden Temperatur des Prüfkörpers zu entwickeln, welches eine Dickenbestimmung auch bei einer über die Dicke ungleichmäßigen Verteilung der Temperatur des Prüfkörpers ohne genaue Kenntnis der Temperatur, bzw. deren Verteilung im Prüfkörper, ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine entsprechende Prüfvorrichtung anzugeben.The object of the invention is to develop a method for determining the thickness of a test specimen, in particular a sheet or tube, by means of ultrasound at a temperature deviating from the room temperature of the test specimen, which determines a thickness even with an uneven distribution of the temperature of the specimen over the thickness Test specimen without precise knowledge of the temperature, or their distribution in the specimen allows. Another object is to provide a corresponding test device.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass unter Berücksichtigung des Werkstoffes und dessen Eigenschaften im Prüfkörper zwei sich signifikant in der Tempera¬ turabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit unterscheidende Ultraschallwellenarten er¬ zeugt werden und die getrennt gemessenen Laufzeiten der jeweiligen Ultraschallwellen in Beziehung gesetzt werden zur als Faktor oder Funktion ausdrückbaren Temperaturabhän¬ gigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit.According to the invention, this object is achieved in that, taking into account the material and its properties in the test specimen, two ultrasound wave types differing significantly in the temperature dependence of the propagation velocity are generated and the separately measured transit times of the respective ultrasound waves are related to the factor or function Expressable Temperaturabhän¬ speed of the propagation speed.
Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mit einem sehr ge¬ ringen Messaufwand und einfachen in der Auswerteeinheit des Messgerätes durchführbaren Rechenoperationen der Einfluss der Temperaturverteilung auf die Ausbreitungsgeschwindig¬ keit und damit auf das Messergebnis eliminiert werden kann, wodurch die bei den bekannten Messsystemen vorhanden Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der realen Wanddicke bei ei¬ nem über die Wanddicke ungleichmäßig erwärmten Prüfkörper beseitigt werden.
Die Temperatur bzw. die Temperaturverteilung im Prüfkörper muss für eine exakte Wand¬ dickenmessung nicht mehr bekannt sein, da bei dem beschriebenen Verfahren mit zwei im Prüfkörper erzeugten und sich in der Temperaturabhängigkeit signifikant unterscheidenden Ultraschallwellenarten die reale Wanddicke allein über einfache mathematische Beziehun¬ gen der physikalischen Gesetzmäßigkeiten vollständig unabhängig von der Temperatur bzw. deren Verteilung dargestellt wird.The great advantage of the method according to the invention is that the influence of the temperature distribution on the speed of propagation and thus on the measurement result can be eliminated with a very low measurement effort and simple calculation operations that can be carried out in the evaluation unit of the measuring device Any inaccuracies in the determination of the real wall thickness in ei¬ nem over the wall thickness unevenly heated specimen can be eliminated. The temperature or the temperature distribution in the test specimen no longer needs to be known for an exact wall thickness measurement, since in the method described with two ultrasound wave types generated in the test specimen and significantly different in temperature dependence, the actual wall thickness is determined by simple mathematical relationships of the physical Regularities completely independent of the temperature or their distribution is shown.
Nachfolgend werden die mathematisch-physikalischen Beziehungen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Dickenmessung an einem Stahlblech näher be¬ schrieben.The mathematical-physical relationships for carrying out the method according to the invention in the thickness measurement on a steel sheet will be described in more detail below.
Koppelt man einen Ultraschall-Puls in ein plan paralleles Blech der Dicke dein und misst bei bekannter linearer Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur die Laufzeit t des rückkehrenden Echos des Schallsignals, so gilt für die Schallgeschwindigkeit v bzw. de¬ ren Abhängigkeit von der Temperatur T.If an ultrasound pulse is coupled into a plane-parallel plate of thickness d you and if the speed of sound is known to depend on the temperature, the transit time t of the returning echo of the sound signal is v or de depending on the temperature T ,
V = Y = V(I-^O V = Y = V (I- ^ O
Dabei ist k der von der Temperatur unabhängige Temperaturkoeffizient und V0 die Schallge¬ schwindigkeit bei der Temperatur T=O. Der Temperaturnullpunkt bzw. Referenzpunkt (T=O) kann wegen der Linearität willkürlich, z. B. auf Raumtemperatur, gelegt werden.Here k is the temperature coefficient independent of the temperature and V 0 is the speed of sound at the temperature T = 0. The temperature zero or reference point (T = O) can arbitrarily, for. B. to room temperature, are placed.
Die Annahme der Linearität ist streng physikalisch - insbesondere bei sehr tiefen Temperatu¬ ren - nicht gegeben.The assumption of linearity is strictly physical - especially at very low temperatures - not given.
Untersuchungen an verschiedenen Stahlsorten zeigen jedoch eine sehr gute lineare Abnah¬ me der Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur. Sämtliche Abweichungen von der Linea¬ rität liegen im Bereichr von 2O0C bis 1000C unter 1 %o und im Bereich von 20°C bis 2000C unter 2 %o.However, investigations on various types of steel show a very good linear reduction of the speed of sound with temperature. All deviations from the Linea¬ rity be in the range R of 2O 0 C to 100 0 C under 1% o and in the range of 20 ° C to 200 0 C under 2% o.
Benutzt man unterschiedliche Wellenarten, so ergeben sich unterschiedliche Ausbreitungs- eigenschaften mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten für unterschiedliche Ultra¬ schallwellen.If different wave types are used, different propagation properties result with different temperature coefficients for different ultrasonic waves.
Diesen Umstand macht man sich zunutze, um die unbekannte Temperatur bei bekannten Temperaturabhängigkeiten zu eliminieren. Da in einem inhomogenen Temperaturfeld beide Wellenarten die selbe Verteilung durchlaufen, ist dieses Verfahren auch dort anwendbar.
Die mathematische Beziehung für die mit einer unterschiedlichen beispielsweise für Stahl li¬ nearen Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeiten behafteten Wellen, lautet zu¬ nächst unter der Annahme einer unbekannten aber homogenen Temperatur T:This circumstance is exploited to eliminate the unknown temperature at known temperature dependencies. Since both types of waves undergo the same distribution in an inhomogeneous temperature field, this method is also applicable there. The mathematical relationship for the different with an example for steel li¬-linear temperature dependence of the sound velocities affected waves is to ¬ next, assuming an unknown but homogeneous temperature T:
V 2 = ^ = V 01 -(I-W V 2 = ^ = V 01 - (IW
Die Wanddicke c/ist zwar strenggenommen selbst auch temperaturabhängig, aber der Ein- fluss der Temperatur auf die elastischen Eigenschaften und damit auf die Schallgeschwin¬ digkeiten ist bei Stahl etwa um einen Faktor 20 größer als die thermische Ausdehnung. Die Schallgeschwindigkeit ändert sich bei Erwärmung um 1000C bei Stahl um ca. 2%, wohinge¬ gen sich die Wanddicke um 1%o ändert. Sie bleibt bei der weiteren Berechnung unberück¬ sichtigt, obwohl sie leicht mit implementiert werden kann.Strictly speaking, the wall thickness c / is itself temperature-dependent as well, but the influence of the temperature on the elastic properties and thus on the speed of sound is approximately 20 times greater for steel than the thermal expansion. The speed of sound changes when heated to 100 0 C in steel by about 2%, wohinge¬ the wall thickness gen o changes by 1%. It remains unaffected in the further calculation, although it can easily be implemented with it.
Betrachtet man die Ergebnisse unter dieser Nichtbeachtung, so lässt sich für eine Wanddik- ke von z. B. 10 mm ermitteln, dass der Einfluss unterhalb von 1/100 mm wäre.If one considers the results under this disregard, then for a Wanddik- ke of z. B. 10 mm determine that the influence would be below 1/100 mm.
Aus den beiden oben genannten Gleichungen muß nun Teliminiert werden. Umstellen ergibt zunächstFrom the two equations above must now be teliminiert. Switching initially results
Es bietet sich hier an die Dicke di bzw. d2 einzuführen als dλ = 1A-V0J1 bzw. d2 = Va-V0 12 dieIt lends itself here to introduce the thickness di or d 2 as d λ = 1 AV 0 J 1 or d 2 = Va-V 0 1 2 the
Wanddicken, die sich ohne Berücksichtigung des Temperatureinflusses aus den Laufzeiten und den Schallgeschwindigkeiten bei T=O ergeben würden.Thicknesses that would result from the running times and the sound velocities at T = O without taking into account the temperature influence.
Multiplizieren mit Ar* bzw. , Zr2 und Gleichsetzen ergibtMultiply by Ar * or, Zr 2 and Equate returns
und schließlich die unbekannte Dicke d
and finally the unknown thickness d
Berücksichtigt man im Folgenden die thermische Ausdehnung des Werkstoffes d = dQ -(l + a.T)Considering in the following the thermal expansion of the material d = d Q - (l + aT)
wobei d0 die Dicke bei der Temperatur T=O und a der thermische Ausdehnungskoeffizient ist, so ergibt sich für die Dicke d0 des Prüfkörpers dxd Z -Jk1 -Jc2) dn =where d 0 is the thickness at the temperature T = O and a is the coefficient of thermal expansion, the result for the thickness d 0 of the test specimen is d x d Z -Jk 1 -Jc 2 ) d n =
0 a-(dι -d2) + kxdx - k2d2 0 a- (d ι -d 2) + k x d x - k 2 d 2
Das Ergebnis ist vollständig unabhängig von der Temperatur und muss nicht weiter nachkor¬ rigiert werden, wenn Schallgeschwindigkeiten bei T=O (v0) und die Temperaturkoeffizienteπ k bekannt sind. Diese sind alle materialabhängig und müssen jeweils bestimmt werden.The result is completely independent of the temperature and does not need to be further corrected if sound velocities at T = O (v 0 ) and the temperature coefficients k are known. These are all material-dependent and must be determined in each case.
Die Daten können bei der Messung vorteilhaft entweder einer Datenbank entnommen wer¬ den oder vor der Messung am Objekt durch eine geeignete Kalibriermessung bestimmt wer¬ den, wie das bei konventionellen Wanddicken-Messgeräten auch möglich ist.During the measurement, the data can advantageously either be taken from a database or determined before the measurement on the object by a suitable calibration measurement, as is also possible with conventional wall thickness measuring devices.
Wegen der Temperaturunabhängigkeit des Ergebnisses ist dieses Kompensationsverfahren auch für inhomogene Temperaturverteilungen geeignet. Man kann sich eine solche Vertei¬ lung als geschichtet homogene Verteilung denken, die beide Wellen in gleicher Art erfahren. Die Kompensation findet dann mit jeweils einer anderen Temperatur schichtweise statt.Because of the temperature independence of the result, this compensation method is also suitable for inhomogeneous temperature distributions. One can think of such a distribution as a stratified homogeneous distribution, which experiences both waves in the same way. The compensation then takes place with a different temperature layer by layer.
Die hier dargestellte lineare Abhängigkeit ist sicher für viele Materialien in den oben be¬ schriebenen Temperaturbereichen eine gute Näherung, betrachtet man jedoch zusätzlich auch quadratische Terme, so lässt sich die Abhängigkeit von Schallgeschwindigkeit und Temperatur beispielsweise für die meisten Stähle so gut beschreiben, dass Abweichungen nur noch innerhalb der Messungenauigkeiten liegen. Die analytische Lösung ist umfangrei¬ cher und wird hier nicht näher beschrieben.The linear dependence shown here is certainly a good approximation for many materials in the above-described temperature ranges, but considering quadratic terms, the dependence on sound velocity and temperature can be so well described for most steels that deviations only still within the measurement inaccuracies. The analytical solution is more extensive and will not be described in detail here.
Auch weitere funktionale Zusammenhänge zwischen Schallgeschwindigkeit und Temperatur sind möglich. Schließlich ist auch ein numerisches Verfahren möglich und leicht zu realisie¬ ren, bei dem die gesuchte Wanddicke durch Eliminierung der Temperatur direkt aus den aus Kalibrierungsmessungen gewonnenen Daten ohne explizite Annahme einer analytischen Funktion bestimmt wird.
Unabdingbare Voraussetzung für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist je¬ doch in jedem Fall, dass im Prüfkörper zwei Ultraschallwellenarten erzeugt werden, die si¬ gnifikant unterschiedliche effektive Ausbreitungsgeschwindigkeiten und unterschiedliche Temperaturkoeffizienten aufweisen. Diesen Umstand kann man sich dann zunutze machen, um die unbekannte Temperatur bei bekannten Temperaturabhängigkeiten der Schallwellen zu eliminieren.Further functional relationships between the speed of sound and temperature are possible. Finally, a numerical method is also possible and easy to implement, in which the sought wall thickness is determined by eliminating the temperature directly from the data obtained from calibration measurements without explicitly assuming an analytical function. In any case, it is essential for the application of the method according to the invention that two ultrasound wave types are generated in the test specimen, which have significantly different effective propagation velocities and different temperature coefficients. This circumstance can then be used to eliminate the unknown temperature at known temperature dependencies of the sound waves.
Insbesondere in einem inhomogenen Temperaturfeld ist dieses Verfahren vorteilhaft an¬ wendbar, wenn beide Wellenarten dieselbe Verteilung durchlaufen, die physikalischen Ab¬ hängigkeiten also vergleichbar sind. Vorteilhaft ist es deshalb, die Wellen räumlich möglichst nah beieinander liegend in den Prüfkörper einzukoppeln bzw. im Prüfkörper anzuregen.In particular in an inhomogeneous temperature field, this method can be used advantageously if both types of waves undergo the same distribution, ie the physical dependences are comparable. It is therefore advantageous to couple the waves spatially as close as possible to one another in the test specimen or to excite them in the test specimen.
Als zu erzeugende Wellenarten im Prüfkörper kommen z. B. eine horizontal- und eine verti¬ kal polarisierte Transversalwelle oder auch eine Longitudinal- und eine Transversalwelle in Betracht.As to be generated wave types in the specimen come z. B. a horizontal and a verti¬ kal polarized transverse wave or a longitudinal and a transverse wave into consideration.
Hierbei spielt es keine Rolle auf weiche Art die Wellen im Prüfkörper erzeugt werden. Die Anregung dieser Wellen im Prüfkörper kann beispielsweise über elektrodynamische Ultra¬ schallwandler (EMUS) erfolgen, da hiermit die Anregung der unterschiedlichen Wellen im Prüfkörper in einfacher Weise in einem engen Wirkbereich erfolgen kann.It does not matter in a soft way, the waves are generated in the specimen. The excitation of these waves in the test specimen can be carried out, for example, by means of electrodynamic ultrasonic transducers (EMUS), since in this way the excitation of the different waves in the specimen can be effected in a simple manner in a narrow effective range.
Grundsätzlich lässt sich die Einkopplung der verschiedenen Ultraschallwellen aber auch mit piezoelektrischen Prüfköpfen erreichen. Auch die Anregung verschiedener Wellenarten in nur einem piezoelektrischen oder EMUS- Prüfkopf ist ebenfalls vorstellbar.In principle, the coupling of the various ultrasonic waves can also be achieved with piezoelectric probes. The excitation of different types of waves in only one piezoelectric or EMUS probe is also conceivable.
Ein weiterer großer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass dieses Verfahren an sich für alle Werkstoffe bei denen die Wanddicke durch Ultraschall ermittelbar ist, angewendet werden kann, so z. B. auch bei Kunststoffen.Another major advantage of this method is that this method can be applied per se for all materials in which the wall thickness can be determined by ultrasound, such. B. also in plastics.
Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ledig¬ lich, dass die grundsätzlichen Temperaturabhängigkeiten der Schallausbreitung der unter¬ schiedlichen anzuregenden Wellen in dem jeweiligen Werkstoff, z. B. über vorab durchge¬ führte Referenz- oder Kalibriermessungen, bekannt sind.The only prerequisite for the successful application of the method according to the invention is that the fundamental temperature dependencies of the sound propagation of the different waves to be excited in the respective material, eg. B. on pre durchge performed reference or calibration measurements are known.
Eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße Prüfvorrichtung ist in der Anlage darge¬ stellt.
Als mögliche für die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung verwendbare Anreger- Konfigurationen im Prüfkopf kommen grundsätzlich elektromagnetische Ultraschallwandler (EMUS) oder piezoelektrische Schwing ungsartreger in Betracht.A schematically illustrated test device according to the invention is shown in the appendix. As possible for the tester according to the invention usable exciter configurations in the probe are basically electromagnetic ultrasonic transducer (EMUS) or piezoelectric vibration ungsartreger into consideration.
EMUS-Prüfköpfe können dabei im Prüfkörper Transversal- und/oder Longitudinalwellen mit unterschiedlicher Polarisation oder Schwingungsmoden anregen. Vorteilhaft werden die mit unterschiedlichen Temperaturabhängigkeiten im Prüfkörper angeregten Wellen mit nur ei¬ nem EMUS- Prüfkopf erzeugt a).EMUS probes can excite transversal and / or longitudinal waves with different polarization or vibration modes in the test specimen. The waves excited with different temperature dependences in the test specimen are advantageously produced with only one EMUS test head a).
Geometrisch unterschiedlich angeordnete piezoelektrische Anreger-Konfigurationen in einem Prüfkopf zur Erzeugung der unterschiedlichen Wellen zeigen die Darstellungen b), c), d).Geometrically different arranged piezoelectric exciter configurations in a test head for generating the different waves show the representations b), c), d).
Vorteilhaft werden die Anreger im Prüfkopf geometrisch so angeordnet, dass die erzeugten Wellen die Wand des Prüfkörpers möglichst nah beieinanderliegend durchschallen, um auch bei inhomogener Temperaturverteilung ein möglichst genaues Messergebnis zu erhalten.Advantageously, the exciters are geometrically arranged in the test head so that the waves generated by the wall of the test body as close as possible durchschallen through as closely as possible to obtain the most accurate measurement even with inhomogeneous temperature distribution.
Die von den Anregem von einer Oberflächenseite im Prüfkörper angeregten unterschiedli¬ chen Ultraschallwellen breiten sich über die Wanddicke aus und werden an der gegenüber¬ liegenden Oberflächenseite reflektiert.The different ultrasonic waves excited by the exciters from a surface side in the test specimen propagate over the wall thickness and are reflected on the opposite surface side.
Die von denselben Prüfköpfen empfangenen Signale werden dann einer Auswerteeinheit zugeführt, die mit dem beschriebenen mathematischen Verfahren eine vollständige Tempe¬ raturkompensation der Messsignale in Verbindung mit vorab durchgeführten Referenz- oder Kalibriermessungen durchführt.The signals received by the same probes are then fed to an evaluation unit which, with the described mathematical method, performs a complete temperature compensation of the measuring signals in conjunction with previously carried out reference or calibration measurements.
Das temperaturkompensierte Messergebnis wird anschließend in einer Anzeigeeinheit dar¬ gestellt.
The temperature-compensated measurement result is then displayed in a display unit.