DE1904837C3 - Ultraschall- MeBvorrichtung zur Werkstoffprüfung durch Impulslaufzeitmessung von Longitudinalwellen - Google Patents

Description

^tUnrifrclf^SAnordnung der Strahlflächen der Wandler in einen!bestimmten, im Anspruch def.merten Winkel zur „ AuSefläche des jeweiligen Prüfkopfes w.rd be. der iSngsgemäßen Ultraschall-Meßvornchtung er-

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Meßvorrichtung zur Werkstoffprüfung gemäß dem Oberbegriff des

Anspruchs 1.

Derartige Ultraschall-Meßvorrichtungen, bei denen die Schallausbreitungsgeschwindigkeit von Longitudinalwellen in dem zu untersuchenden Gegenstand gemessen wird, sind aus »J. und H. Krautkrämer: Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 2. Auflage, Berlin-Heidelberg-NewYork 1966, S. 442 bis 444« sowie aus »Elektro-Technik, Nr. 16/17-23, April 1955, S. 129 bis 132«, insbesondere für die Güteprüfung von Beton bekannt. Die Messung wird als reine Laufzeitmessung einzelner Ultraschallimpulse zwischen dem Sender-Prüfkopf und dem Empfänger-Prüfkopf durchgeführt. Im Hinblick auf einen guten Wirkungsgrad arbeiten die Ρι-Cköpfe bzw. ihre Wandler nicht punktförmig oder linienhaft, sondern haben Strahlflächen, an denen sie die Longitudinaiwellen abgeben bzw. empfangen. Mit diesen Strahlflächen werden sie an den zu untersuchenden Prüfling angelegt. Dabei ist es bei vernünftigem Aufwand unvermeidbar, daß die Strahlflächen an ihren 6c verschiedenen Stellen unterschiedlich gut mit dem Prüfling in Kontakt stehen und sich dadurch der »Schwerpunkt« der Ab- und Zustrahlung der Ultraschallenergie bei jedem Meßvorgang an einer anderen Stelle der Strahlflächen befindet.

Solange nach dem sogenannten Durchschallungsverfahren gearbeitet wird, bei welchem die beiden Prüfköpfe an einander gegenüberliegenden Flächen des ^n Anfälligkeiten des Kontaktes zwischen ung und PÄ Gängig ist. Die beiden Prüfköpfe arbeiten also trotz der vorteilhaften Beibehaltung von StraSchen als ein laienhafter Strahler bzw. EmpfängerIn Verbindung mit der gekennze.chneten gegensei-Sen Anordnung der beiden Prüfköpfe, durch welche dfe oeVden imaginären Linien parallel zueinander verlaufen wird dadurch bei der Erfindung insgesamt erreS'daß die Laufstrecke für die UltraschaUimpulse /wSen den beiden Prüfköpfen bei Vorgabe eines bestTmmten geometrischen Abstandes unter allen Ums Sn stets genau definiert ist. so daß aus der erratelten Laufzeit genaue Schlüsse auf die Werkstoffeigeschahen des jeweiligen Prüflings gezogen werden

Murder »Zeitschrift für Metallkunde, Bd 56 (1965), Heft8, S. 569 und 570«. ist es zwar im Rahmen der Werkstoffprüfung schon bekannt, einen Schall-Prufkopf gegenüber einem Prüfling so anzuordnen, daß eine Strahlfläche des Prüfkopfes mit einer Flache des Prüflings einen Winkel einschließt, dessen Sinus dem Verhältnis der Schallausbreitungsgeschwmdigkeiten im Medium des Keils zwischen Prüfkopf und Prüfling: und im Werkstoff des Prüflings entspricht. Jedoch soH m t dieser bekannten Anordnung keine l.nienhafte Arbeitsweise des Prüfkopfes erreicht werden. V.elmehr dient die bekannte Anordnung zur Erzeugung von Plattenwellen in zu prüfenden Blechen. Derartige Plattenwelr_en sind von den bei der Erfindung verwendeten Longitudinalwellen grundsätzlich verschieden; sie haben insbesondere unterschiedliche Ausbreitungsgeschwmd.g-

keiten. Mit Hilfe der Plattenwellen werden bei der bekannten Anordnung Reflexionsuntersuchungen durchgeführt, bei denen im Gegensatz zur Erfindung die ausgesandten Ultraschallwellen nich*. zu einem zweiten Empfänger-Prüfkopf gelangen, sondern nach einer s eventuellen Reflexion an Oberflächenfehlern wieder vom einzigen Schall-Prüfkopf registriert werden. Bei einer derartigen Arbeitsweise kommt es natürlich auf einen bestimmten, wohldeFinierten wirksamen Abstand zwischen zwei Prüfköpfen überhaupt nicht an.

Eine für die Erfindung bevorzugte bauliche Ausgestaltung der beiden Prüfköpfe ist im Anspruch 2 gekennzeichnet In Verbindung mit dem dort angegebenen Kunstharz beträgt der Winkel zwischen Strahlfläche und Auflagefläche für die mit der neuen Ultraschall-Meßvorrichtung besonders gut durchführbare Untersuchung von Beton-Prüflingen gemäß Ansprach 3 etwa 42.5°.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung des Sender- und des Empfänger-Prüfkopfes einer Ultraschall-Meßvorrichtung an einem Beton-Prüfling,
F i g. 2 eine Seitenansicht des Sender-Prüfkopfes, F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 111-111 in F i g. 2,
F i g. 4 ein Schaltbild des Sender-Prüfkopfes,
F i g. 5 eine Seitenansicht des Empfänger-Prüfkopfes, F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie Vl-Vl in F i g. 5.
Die in F i g. 1 dargestellte Ultraschall- M eßvorrichtung umfaßt einen Sender-Prüf kopf A und einen Empfänger-Prüfkopf B, die beide mit einer Zeitmeßschaltung M verbunden sind. Der Sender-Prüf kopf Λ besitzt einen elektro-mechanischen Wandler 1 zur Erzeugung von Ultraschallwellen, während der Empfänger-Prüfkopf B einen mechanisch-elektrischen Wandler 3 besitzt, der im Ultraschallbereich anspricht. Beide Prüfköpfe stehen jeweils an einer Auflagefläche 2 bzw. 4 mit einer gleichen Fläche eines Beton-Prüflings C in Berührung. Dabei sind die beiden Prüfköpfe in einem bestimmten, geometrischen Abstand voneinander angeordnet, der durch eine zwischen den beiden Prüfköpfen gespannte Schnur 20 definiert ist.

Die beiden Wandler t bzw. 3 der beiden Prüfköpfe A bzw. B haben jeweils eine Strahlfläche 12 bzw. 20, die auf Grund einer geneigten Lage der Wandler in den Prüfköpfen jeweils einen bestimmten Winkel mit der Auflagefläche 2 bzw. 4 des jeweiligen Prüfkopfes einschließt. Vergleiche auch F i g. 3 und 6. Durch eine entsprechende gegenseitige Ausrichtung der beiden Prüfköpfe ist dafür gesorgt, daß die gefachten Schnittlinien der Strahlflächen 12 bzw. 20 mit der Fläche des Prüflings C parallel zueinander verlaufen. Der Sinus des Winkels zwischen Strahlfläche und Auflagefläche ist bei jedem Prüfkopf gleich dem Verhältnis der Schallausbreitungsgeschwindigkeiten in dem Medium zwischen Strahlfläche und Auflagefläche des Prüfkopfes und Werkstoff des Prüflings. Das Medium ist bei beiden Prüfköpfen des Ausführungsbeispiels Kunstharz, woraus sich in Verbindung mit dem Werkstoff Beton des Prüflings ein Winkel von 424° ergibt

Beim Betrieb der Vorrichtung gibt der Sender-Prüfkopf A mittels seines Wandlers 1 einen Ultraschallimpuls ab, welcher sich im Prüfling CaIs Longitudinalwel-Ie ausbreitet, die am Enipfänger-Prüfkopf B mittels des Wandlers 3 empfangen und deren Laufzeit zwischen den beiden Prüfköpfen mittels der Zeitmeßschaltung M bestimmt wird. Auf Grund des Winkels zwischen Strahlfläche und Auflagefläche ist die am Sender-Prüfkopf A abgestrahlte Ultraschallenergie an der Fläche des Prüflings C zeitlich und örtlich auf einer imaginären Linie konzentriert, die durch einen bestimmten Punkt der Auflagefläche 2 senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 1 verläuft Das gleiche gilt sinngemäß für die am Empfänger-Prüfkopf B empfangene Ultraschallenergie. Dadurch ist eine Laufstrecke L für den Ultraschallimpuls definiert, deren Länge stets gleich ist und von einem schlechten Kontakt, z. B. auf Grund von Rauheit oder Inhomogenität des Betons zwischen den Prüfköpfen und dem Prüfling nicht beeinflußt wird. Aus der mittels der Zeitmeßschaltung M ermittelten Laufzeit des Ultraschallimpulses läßt sich deshalb dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit im Prüfling, die Rückschlüsse auf die Werksioffeigenschaften wie den Eiastizitätsmod'il oder die Festigkeit zulaßt, sehr genau bestimmen.

Beide Prüfköpfe sind jeweils als eine Einheit unter Verwendung von Kunstharz hergestellt, mit welchem sämtliche Bauteile zur Bildung eines Kunstharzblockes umgössen sind. Im einzelnen ist beim Sender-Prüf kopf Λ vgl. F i g. 2 und 3, ein geneigt angeordneter, magnetostriktiver Kern 5 vorgesehen, der Teil des Wandlers 1 ist und mit seiner einen Stirnfläche die Strahlfläche 12 des Wandlers definiert, welche mit der Auflagefläche 2 den genannten Winkel von 42,5° einschließt. Zum Wandler 1 gehören ferner ein Kondensator 6, ein Thyristor 7, ein SlarUransfwrmator 8. eine Diode 9 und zwei Wicklungen 10 und 11 auf dem Kern 5. Die Auflagefläche 2 ist mittels eines Glasfasergewebes 13 verstärkt. Der elektrische Anschluß erfolgt mittels eines Steckers 14 an der Stirnseite 18.

Die elektrische Schaltung des Wandlers 1 im Sender· Piüfkopf A ist in F i g. 4 gezeigt. Der Wandler arbeitet wie folgt: Zunächst wird der Kondensator 6 an einer Klemme S über einen hochohmigen Widerstand mit einer Spannung von etwa 150 V aufgeladen. Ein Startimpuls »n einer Klemme R induziert über den Starttransformator 8 in einer Wicklung 15 desselben ein Signal, welches den Thyristor 7 zünden und sich den Kondensator 6 über die Wicklung 10 entladen läßt. Dadurch wird in der Wicklung 11 ein synchroner Impuls induziert, der über eine Klemme X der Zeitmeßschaltung M zugeführt wird. Die Diode 9 dient zur Unterdrückung von Resonanzerscheinungen.

Einzelheiten des Empfänger-Prüfkopfes ßsind in den F i g. 5 und 6 gezeigt. Sein mechanisch-elektrischer Wandler 3 ist an der Strahlfläche 20 empfindlich, welche mit der mit einem Glasfasergewebe 16 verstärkten Auflagefläche 4 den genannten Winkel von 42,5° einschließt. Der elektrische Anschluß erfolgt über einen Stecker 17 an der Stirnseite 19.

Hierau 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   t. Ultraschall-Meßvorrichtung zur Werkstoffprüfung durch Impulslaufzeitmessung von Longitudinalwellen mittels einer Zeitmeßschaltung, bei welcher ein mit einem elektro-mechanischen Wandler versehener Sender-Prüfkopf einem mit einem mechanisch-elektrischen Wandler versehenen Empfänger-Prüfkopf zustrahlt, der an der gleichen Fläche des Prüflings wie der Sender-Prüfkopf und in bestimmtem Abstand davon angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlflächen (12; 20) der Wandler (1:3) in dem Sender- und dem Empfänger-Prüfkopf (A; ß) in einem Winkel zur Auflagefläche (2; 4) angeordnet sind, r.üt der die Prüfköpfe mit der Fläche des Prüflings (C) in Berührung kommen, daß der Sinus dieses Winkels jeweils gleich dem Verhältnis der Schallausbreitungsgeschwindigkeiten in dem zwischen der Strahlfläche des Wandlers und der Auflagefläche des Prüfkopfes befindlichen Medium und im Werkstoff des Prüflings ist und daß der Sender- und der Empfänger-Prüfkopf so angeordnet sind, daß die Schnittlinien ihrer Strahlflächen mit der Fläche des Prüflings parallel zueinander verlaufen.
2. 2. Ultraschall-Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfköpfe (A; B) als eine Einheit aus einem Kunstharzblock hergestellt sind, in welchem der Wandler (1; 3) unter dem angegebenen Winkel eingebettet ist.
3. 3. Ultraschall-MeßvorrJchtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel für die Untersuchung von Beton-Prüflingen etwa 42,5° beträgt.

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   ^PrÜfli H^gSJnS^kchSkeken. Häufig ist es jedoch kerne besonderen icnw g ^ _Straßendeck

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   -Meßvorrichtung für Messungen an e des Prüflings mit einfachen Mittel daß trotz eines von Fall Fall unterzwischen den Prüfköpfen und