DE1573411B2 - Ultraschall-Untersuchungsgerät zur Messung der Dicke von dünnen Werkstücken und der Tiefe von etwaigen oberflächennahen Fehlstellen - Google Patents

Description

Zur Ultraschall-Untersuchung von Werkstücken werden unter anderem Geräte verwendet, bei denen ein Sendewandler, der Ultraschallsignale in das Werkstück sendet, und ein Empfangswandler, der die von der rückwärtigen Fläche des Werkstücks bzw. von etwaigen Fehlstellen innerhalb des Werkstücks reflektierten Echosignale aufnimmt, in einem gemeinsamen Prüfkopf untergebracht sind. Da das Echosignal wesentlich schwächer ist als das ausgesendete Ultraschallsignal, ist ein möglichst empfindlicher Empfangswandler erforderlich. Bei der Messung von dünnen Werkstücken bzw. bei der Bestimmung von oberflächennahen Fehlstellen ergibt sich nun die Schwierigkeit, daß das von der Werkstückoberfläche reflektierte, verhältnismäßig starke Signal den Empfangswandler sehr stark aussteuert, so daß das kurz darauf auftretende, viel schwächere Nutzsignal in die Erholungszeit des Empfangswandlers fällt und nicht wahrgenommen wird.

Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit ist es bekannt (vgl. J. und H. Krautkrämer, »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, Berlin-Göttingen-Heidelberg 1961, S. 184 und 185), die Strahlungskeulen von Sende- und Empfangswandler derart zu gestalten, daß ihr Überlappungsbereich die vordere Werkstückoberfläche ausschließt. Dadurch wird der Echoimpuls von der vorderen Werkstoffoberfläche durch den Empfangswandler nur noch ganz schwach wahrgenommen. Andererseits wird bei der bekannten Anordnung dieses ganz schwache Echosignal von der vorderen Werkstückoberfläche dazu verwendet, die Laufzeit des Ultraschalls von der vorderen Oberfläche zur hinteren Oberfläche bzw. zu der etwa vorhandenen Fehlstelle und zurück zur vorderen Werkstückoberfläche zu ermitteln und daraus sie Dicke des Werkstücks bzw. die Tiefe der Fehlstelle zu bestimmen. Bei dem bestehenden großen Amplitudenunterschied der beiden Echosignale ist es erforderlich, die Signale auf einem Kathodenstrahl-Oszilloskop sichtbar zu machen; die dabei erreichbare Ablesegenauigkeit beeinträchtigt das Messergebnis um so stärker, je geringer die zu messende Dicke bzw. Tiefe ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatisch arbeitende Ultraschall-Meßanordnung zu schaffen, die ohne die Beobachtung eines Oszilloskopbildes auskommt, daher von der beschränkten Ablesegenauigkeit unabhängig ist und eine automatische, kontinuierliche Messung und Aufzeichnung gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach der Lehre des Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Gerät wird als Bezugsimpuls nicht das Echosignal von der vorderen Werkstückoberfläche, sondern ein künstlich erzeugter Bezugsimpuls verwendet der sich als Schaltimpuls mit ausreichender Präzision erzeugen läßt, ohne die Empfindlichkeit des Empfangswandlers oder der Empfangsschaltung zu beeinträchtigen. Der Bezugsimpuls läßt sich deshalb mit hoher Präzision erzeugen, weil die Zeitverzögerung der Vorlaufstrecke sowie die übrigen Eigenschaften des Prüfkopfes konstant und bekannt sind. Auf Grund dieser Umstände ergibt sich die Möglichkeit, sehr geringe Dicken-Schwankungen des zu messenden Werkstücks und/oder verhältnismäßig schwache und nahe der Oberfläche gelegene Fehlstellen in dem Werkstück festzustellen.

Die Verwendung elektrischer Verzögerungsglieder ist zwar bei Ultraschall-Untersuchungsgeräten an sich bekannt (vgl. die USA.-Patentschriften 3 133 438 und 3 169 393 sowie die deutsche Auslegeschrift 1 136 138). Generell wird jedoch bei derartigen bekannten Geräten im Gegensatz zur Erfindung mit variablen Abständen zwischen Untersuchungsgerät und Werkstückoberfläche gearbeitet, und die gegebenenfalls verzögerten Zeitimpulse werden aus Echosignalen von der vorderen Werkstückoberfläche oder sonstigen Teilen des untersuchten Werkstücks abgeleitet. Derartige Geräte arbeiten also nach einem anderen Prinzip und befassen sich nicht mit der obengenannten Aufgabe.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Dickenmessung von Werkstükken in Blockschaltbilddarstellung,

_F i g. 2 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 2.

Gemäß der Zeichnung ist ein Ultraschalluntersuchungsgerät 10 zur Messung der Daten eines Werk-

Stückes 12 vorgesehen. Normalerweise weist das Werkstück 12 eine Vorder- oder Eintrittsfläche 14 sowie eine Rückfläche 16 auf. Normalerweise befinden sich diese Flächen 14, 16 im wesentlichen in gleichförmigem Abjstand gegeneinander und definieren die Dicke des !Werkstückes 12. Obgleich das Untersuchungsgerät zur Messung oder Bestimmung einer breiten Vielfalt von Daten eines Werkstückes 12 verwendbar ist, dient es in erster Linie zur Messung der Dicke eines Werkstückes |l2 und/oder Änderungen der Dicke. Obgleich jedes geeignete Anzeigeelement, beispielsweise in Form eines iKatodenstrahloszillographens, verwendet werden !kann, ist im vorliegenden Fall ein Meßinstrument 18 vorgesehen, welches zur stetigen Anzeige der Dicke geeicht ist. Auf Wunsch kann ein Aufzeichnungsindikator vorgesehen werden, um eine dauernde Aufzeichnung zu liefern. Das Untersuchungsgerät 10 kann auch zur Lokalisierung innerer Defekte und deren Tiefe innerhalb des Werkstückes 12 dienen, indem eine örtliche größere Variation in der Messung beobachtet wird.

Das Untersuchungsgerät 10 umfaßt eine Untersuchungseinheit 20, welche von Hand oder mechanisch so bedienbar ist, daß das Werkstück 12 abgefühlt werden kann. Die Untersuchungseinheit 20 umfaßt einen Materialblock mit einer glatten Fläche 22, welche in innige Berührung mit der Eintrittsfläche 14 gebracht werden kann.

Ein Paar Wandler 24, 26 ist innerhalb der Untersuchungseinheit 20 angebracht und wird von dieser getragen. Der erste Wandler 24 dient zur Aussendung von Ultraschallimpulsen, wenn immer ein entsprechendes elektrisches Signal angelegt wird. Dieser Ultraschall wird in erster Linie längs einer Strahlcharakteristik ausgesendet, welche in das Werkstück 12 verläuft, wenn die Untersuchungseinheit 20 auf dieses aufgesetzt wird.

Der andere Wandler 26 dient zur Erzeugung elektrischer Signale entsprechend darauf auffallenden Ultraschallwellen. Dieser Wandler 26 weist ebenfalls eine Strahlcharakteristik auf, bei welcher er am empfindlichsten ist. Die Untersuchungseinheit 20 bewirkt eine solche örtliche Festlegung des Wandlers 26, daß Echos der ausgesendeten Impulse, welche von Stellen innerhalb des Werkstückes 12 reflektiert werden, innerhalb der Strahlcharakteristik des empfangenden Wandlers 26 liegen.

Die Untersuchungseinheit 20 umfaßt vorzugsweise ein Material, welches Ultraschallwellen sehr stark abschwächt. Dies stellt sicher, daß die beiden Wandler 24, 26 im wesentlichen völlig voneinander isoliert sind. Obgleich somit eine sehr große Strahlungsmenge seitens des Wandlers 24 abstrahlbar ist, wird wenn überhaupt, lediglich ein sehr geringer Anteil dieser Energie unmittelbar in den Wandler 26 und/oder Empfänger gekoppelt.

Falls die Dicke eines verhältnismäßig dünnen Werkstückes 12 gemessen werden soll, können die beiden Wandler 24,26 in winkliger Anordnung zueinander angebracht sein, wobei die beiden Strahlcharakteristiken einander in einem Bereich entsprechend demjenigen der Rückfläche 16 überlappen. Dies kann bewirkt werden, indem die beiden Wandler 24, 26 stumpfwinklig zueinander sowie zu der Fläche 22 angeordnet werden.

Zusätzlich erwies es sich als günstig, die Wandler 24, 26 in die Untersuchungseinheit 20 zurückzuversetzen. Im vorliegenden Fall wird dies erreicht, indem ein Paar Durchtritt 28, 30 vorgesehen sind, welche sich von der Fläche 22 der Untersuchungseinheit 20 in einem Winkel zueinander nach innen erstrecken. Durch Steigerung der Längen des Durchtrittes 28, 30 kann der Winkel zwischen den Strahlcharakteristiken reduziert werden. Dies steigert den Abstand, über weichen sich die Charakteristiken jeweils überlappen, wobei der Dikkenbereich gesteigert werden kann, welcher mit einer gegebenen Untersuchungseinheit 20 gemessen werden kann. Durch Zurückversetzung der Wandler 24, 26 in die Durchtritte 28, 30 können auf diese Weise die

ίο Wandler 24, 26 im wesentlichen völlig voneinander durch das Material in der Untersuchungseinheit isoliert werden.

Um eine wirksame Kopplung zwischen den Sende- und Empfangswandlern 24, 26 sowie der Eintrittsfläche 14 zu schaffen, können die Durchtritte 28,30 mit einem akustisch durchlässigen Material, d. h. einem Material mit einer geringen akustischen Dämpfung, gefüllt werden. Auch der Widerstand des Materials sollte etwa gleich demjenigen des Werkstückes 12 sein.

20. Ein Pulsgeber 32 ist elektrisch mit dem sendenden Wandler 24 gekoppelt, um intermittierend Triggerimpulse zuzuführen. Jedes Mal, wenn ein Impuls dem Wandler 24 zugeführt wird, erfolgt eine Abstrahlung eines Ultraschallimpulses an dem Wandler 24 sowie eine Einkopplung durch den Durchtritt 28 in das Werkstück 12. Die Wirkungsweise des Pulsgebers 32 wird durch einen Pulsgenerator 34 gesteuert, welcher mit dem Pulsgeber 32 gekoppelt ist. Der Generator 34 erzeugt eine Reihe intermittierender Synchronisierimpulse. Diese Impulse steuern in wirksamer Weise die Geschwindigkeit, mit welcher der Pulsgeber 32 arbeitet, und synchronisieren den Betrieb der verschiedenen Teile des Untersuchungsgerätes 10.

Jedes Mal, wenn der Generator 34 eine Erregung des Wandlers 24 seitens des Pulsgebers 32 bewirkt, erfolgt eine Einstrahlung eines Impulses oder eines Ultraschallstoßes durch das Material in dem Durchtritt 28. Wenn die Fläche der Untersuchungseinheit 20 sich in Berührung mit dem Werkstück 12 befindet, verläuft der Ultraschall durch die Eintrittsfläche 14 sowie in das Werkstück 12. Die Übertragung von Ultraschall durch die Fläche 14 wird von der anfänglichen Aussendung um die Laufzeit des Schalles durch den Durchtritt 28 verzögert.

Zumindest ein Teil des in das Werkstück 12 eingestrahlten Ultraschalls wird von der Rückfläche 16 reflektiert und zu der Eintrittsfläche 14 zurückgeleitet. Zumindest ein Teil dieses zurückgeleiteten Ultraschalls wird dann in das Material des Durchtritts 30 eingekoppelt und dem empfangenden Wandler 26 zugeführt, wobei ein Signal erzeugt wird. Das Signal ist normalerweise ähnlich demjenigen nach F i g. 2 A. In einem Zeitpunkt π wird der Impuls des Ultraschalls von dem Wandler 24 übertragen. Da die beiden Wandler 24, 26 vollständig oder im wesentlichen vollständig isoliert sind, entsteht kein Impuls oder lediglich ein sehr schwacher Impuls 36. Nach Durchlauf des Durchtrittes 28 seitens der Ultraschallwellen verlaufen diese durch die Fläche 14 in einem Zeitpunkt £2. Wegen der Isolation erreicht lediglich, wenn überhaupt, ein sehr kleiner Teil des Ultraschalls den Wandler 26, so daß kein oder lediglich ein sehr schwacher Impuls 38 entsteht. Der in das Werkstück 12 eintretende und von der Fläche 16 reflektierte Ultraschall erreicht den Wandler 26 zu einem Zeitpunkt ft und erzeugt einen starken Impuls 40.

Ein Empfänger 42 ist mit dem Wandler 26 gekoppelt, um das elektrische Signal gemäß F i g. 2A, welches

durch den Wandler 26 erzeugt wird, aufzunehmen und/oder anzuzeigen. Das resultierende Signal ist sehr ähnlich dem Signal des Wandlers 26. Impulse mit einer Form entsprechend der Enveloppe des Wandlersignals werden demgemäß erzeugt.

Wie vorangehend erwähnt, liegen keine oder sehr schwache Impulse in den Zeitpunkten /i, te entsprechend der Aussendung des Ultraschalls sowie dessen Eintritt in das Werkstück 12 vor.

Zum Zeitpunkt ö liegt indessen ein starker Impuls entsprechend dem Echo von der Rückfläche 16 vor. Um die Dicke des Werkstückes 12 zu bestimmen ist es notwendig, die Zeit zwischen dem Zwischenflächenimpuls (oder der Zeit fc, bei welcher der Impuls auftreten sollte) und dem Echoimpuls zum Zeitpunkt /3 zu messen. Wenn somit eine derartige Messung durchzuführen war, würde es sich als notwendig erweisen, eine visuelle Anzeige an einem Oszillographen zu erzeugen, welche in ihrer Auswertung davon abhängt, ob ein Laborant die Anzeige für jede Messung genau interpretiert.

Das Ausgangssignal des Empfängers 42 ist mit Bauelementen zur stetigen und automatischen Messung des vorangehenden Zeitintervalls (fi-ii) ohne jegliche von Hand erfolgenden Vorgänge oder Auswertungen gekoppelt. Im vorliegenden Fall umfaßt dies einen Flip-Flop 44, welcher mit dem Empfänger 42 durch ein Gatter 46 gekoppelt ist, das einen Signaleingang 48 sowie einen Steuereingang 50 aufweist. Der Steuereingang 50 ist mit dem Impulsgenerator 32 durch einen Verzögerungskreis 52 gekoppelt. Normalerweise bleibt das Gatter 46 geschlossen und verhindert den Durchtritt irgend eines empfangenen Signals. Zu jedem Zeitpunkt jedoch, wenn der Impulsgenerator 34 den Pulsgeber 32 in Betrieb setzt, wird der Verzögerungskreis 52 betätigt. Der Verzögerungskreis 52 erzeugt ein Bezugssignal 54 um ein bestimmtes Zeitintervall nach der Aussendung des Ultraschalls. Wenn dieser Bezugsimpuls 54 dem Steuereingang 50 zugeführt wird, öffnet sich das Gatter 46 und bleibt über eine vorbestimmte Zeit offen. Diese Zeit endigt normalerweise etwas vor dem nachsten Synchronisationsimpuls, welcher in einem Zeitpunkt t\ von dem Impulsgenerator 34 abgegeben wird.

Der Ausgang 56 des Gatters 46 ist mit einer Seite 58 des Flip-Flop 44 verbunden, wobei der erste Echoimpuls 40, welcher nach öffnung des Gatters 46 auftritt, in den Flip-Flop 44 gekoppelt wird und dessen Rückstellung bewirkt. Die andere Seite 60 des Flip-Flop 44 ist mit dem Verzögerungskreis 52 gekoppelt und nimmt hiervon den Bezugsimpuls 54 auf. Somit öffnet das Gatter 46 jedes Mal dann, wenn der Bezugsimpuls 54 gleichzeitig den Flip-Flop 44 einstellt.

Demnach ist das Ausgangssignal des Flip-Flop 44 ein Rechteckimpuls 62, welcher gleichzeitig mit dem Bezugsimpuls 54 beginnt und mit dem ersten Echoimpuls 40 endigt.

Die Dauer der Verzögerung des Verzögerungskreises 52 stellt einen festen Wert dar und ist normalerweise gleich der Laufzeit (d. h. fi-ii), welche erforderlich ist, daß die übertragene Energie den Durchtritt 28 durchsetzt.

Da die Länge des Durchtrittes 28 konstant bleibt, tritt der Bezugsimpuls 54 gleichzeitig mit dem Eintritt des Ultraschalls in das Werkstück 12 auf, wenn die Untersuchungseinheit 20 auf dieses gesetzt wird. Der Bezugsimpuls 54 bildet ein genaues Zwischenflächensignal, und die Zeit zwischen dem Bezugsimpuls 54 sowie dem Echoimpuls 40 ist eine genaue Funktion der Werkstückdicke. Durch Messung der Dauer des Rechteckimpulses 62 des Flip-Flop 44 kann die Dicke des Werkstückes bestimmt und an entsprechenden Bauelementen, beispielsweise einem Instrument 18, angezeigt werden.

Die Dauer des Rechteckimpulses 62 kann durch geeignete Bauelemente gemessen werden. Im vorliegenden Fall ist ein Sägezahngenerator 64 mit dem Flip-Flop 44 gekoppelt und spricht auf den Rechteckimpuls 62 an. Der Sägezahngenerator 64 erzeugt ein Sägezahnsignal 66, welches einen linearen Anstieg aufweist, so lange der Rechteckimpuls 62 an dem Eingang des Generators 64 vorliegt. Daher erreicht das Signal 66 einen Scheitelwert, welcher eine Funktion der Zeitdauer des Rechteckimpulses 62 ist.

Ein Spitzendetektor 68 ist mit dem Sägezahngenerator 64 gekoppelt und zeigt den Scheitelwert der Amplitude des Sägezahns 66 an. Der Ausgang des Spitzendetektors 68 ist ein stetiger Wert 70, welcher mit geeigneten Anzeigeelementen, beispielsweise dem gezeigten Instrument 18 oder einem Aufzeichnungsgerät, verbunden werden kann. Diese Geräte können so geeicht werden, daß sie die Dicke eines Werkstückes 12 anzeigen.

Das Untersuchungsgerät 10 ermöglicht somit, daß zwei Wandler 12, 14 völlig voneinander isoliert sind, wobei der Empfänger 42 sehr empfindlich ausgelegt werden kann, ohne daß er durch die Übertragung eines Impulses im Zeitpunkt π blockiert wird. Gleichzeitig wird jedoch ein genaues Zwischenflächenbezugssignal 54 erzeugt, wobei die Dicke sehr dünner Glieder gemessen werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Untersuchungsgerät zur Messung der Dicke von dünnen Werkstücken und der Tiefe von etwaigen oberflächennahen Fehlstellen, bei dem ein Sendewandler und ein Empfangswandler in einer gemeinsamen Sonde winklig zueinander ausgerichtet sind, so daß ihre Strahlungskeulen einander in einem die vordere Werkstückoberfläche nicht umfassenden Bereich in der Umgebung der hinteren Werkstückoberfläche überlappen, bei dem ferner mindestens der Sendewandler mit einer festen Vorlaufstrecke versehen und der Empfangswandler mit einer Meßschaltung verbunden ist, die die Werkstückdicke aus der Laufzeit eines Ultraschallsignals durch das Werkstück ermittelt, d a durch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (44, 64 68) von einem an sich bekannten Verzögerungsglied (52) einschaltbar ist, an dessen Eingang der Sendeimpuls liegt und dessen Verzögerungszeit gleich ist der Laufzeit des Ultraschallimpulses vom Sendewandler (24) zur vorderen Werkstückoberfläche und zurück zum Empfangswandler (26).

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (52) ausgangsseitig ein Bezugssignal (54) abgibt, das ein mit dem Empfangswandler (26) verbundenes Gatter (46) ansteuert.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (52) und der Sendeimpulsgeber (32) von einem gemeinsamen Taktgenerator (34) synchronisiert sind.

4. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung einen mit dem Verzögerungsglied (52) und dem Empfangswandler (26) verbundenen Sägezahngenerator (64) umfaßt, der eine bei Auftreten des Bezugssignals (54) beginnende und bei Auftreten des Ultraschallsignals am Empfangswandler (26) endende Sägezahnflanke (66) erzeugt.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Sägezahngenerator (64) ein Spitzendetektor (68) angeschlossen ist, der ein dem Endwert der Sägezahnflanke (66) proportionales stetiges Signal (70) zur Beaufschlagung eines Meßgerätes (18) und/oder eines Aufzeichnungsgeräts abgibt.