DE3209838A1

DE3209838A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der wanddicke mit hilfe von ultraschallimpulsen

Info

Publication number: DE3209838A1
Application number: DE19823209838
Authority: DE
Inventors: Rolf 5030 Hürth Diederichs
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co; Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co; Krautkraemer GmbH
Priority date: 1982-02-27
Filing date: 1982-03-18
Publication date: 1983-09-29
Also published as: DE3209838C2

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DER
WANDDICKE MIT HILFE VON ULTRASCHALL IMPULSEN Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur genauen Bestimmung der Wanddicke von Prüfstücken mit Hilfe der Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen unter Verwendung von S/E-Prüfköpfen, wobei außer der Laufzeit des vom Sendeschwinger ausgehenden und von der Rückwand des Prüfstückes reflektierten und vom Empfangsschwinger empfangenen Ultraschall impulses auch die Laufzeit der vom Empfangsschwinger ausgehenden und von der dem Prüfstück zugewandten Seite des Vorlaufskörpers reflektierten Ultraschall impulses gemessen wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aufgrund der nicht zu vernachläßigen Laufzeit der Ultraschall impulse zwischen dem Empfangs- bzw. dem Sendeschwinger und der Schallaustrittsfläche des jeweiligen Prüfkopfes, muß bei herkömmlichen Wanddickenmeßgeräten eine sogenannte Nullpunkt-Kalibrierung vorgenommen werden.
Hierzu wird der Ultraschallprüfkopf auf einen Testkörper bekannter Dicke aufgesetzt und mit Hilfe eines Potentiometers, der an dem Instrument des Wanddickenmeßgerätes angezeigte Meßwert solange geändert, bis dieser Meßwert gleich dem vorgegebenen Wanddickenwert des Testkörpers ist.
Dieser Kalibrierungsvorgang muß von Zeit zu Zeit wiederholt werden, um Nullpunktsänderungen, die durch Erwärmung oder Abnutzung der Vorlaufkörper verursacht werden, zu eliminieren. Nachteilig ist bei derartigen bekannten Verfahren, daß das Meßgerät relativ häufig kalibriert werden und daher mit dem Gerät jeweils ein Testkörper mitgeführt werden muß. Außerdem kann es leicht zur unbeabsichtigten Verstellung des Eichpotentiometers kommen.
Aus der DE-PS 1 573 424 ist bereits bekannt, eine Nullpunktskalibrierung dadurch zu umgehen, daß die eigentliche Laufzeitmessung nicht bereits durch den Sendeimpuls, sondern durch das Echosignal ausgelöst wird, daß von der Grenzfläche zwischen Schallaustrittsfläche des Prüfkopfs und Prüfstück reflektiert wird. Bei dieser Vorrichtung ist besonders nachteilig, daß Abnutzungen der Empfängervorlaufstrecke nicht korrigiert werden.
Aus der Veröffentlichung DE 29 53 170, von der die vorliegende Erfindung als nächstkommenden Stand der Technik ausgeht, ist es ebenfalls bekannt, eine Nullpunktskalibrierung vorzunehmen ohne daß ein separter Testkörper zwingend erforderlich ist. Hierzu wird ein Ultraschallprüfkopf verwendet, dessen Empfängervorlaufstrecke um einen vorgegebenen Wert Al länger ist, als die Sendervorlaufstrecke.
Dem jeweiligen Prüfkopf ist dann ein bestimmter Kennwert N zugeordnet, auf den das die Wanddicke anzeigende Meßinstrument einzustellen ist.
Bei diesem Kalibrierungsvorgang wird der Empfängerschwinger im Impulsechobetrieb verwendet. Dieses bekannte Verfahren ist relativ aufwendig, denn es setzt zwingend Prüfköpfe mit unterschiedlicher Empfänger-und Sendervorlaufstrecke voraus. Zum anderen ist das Verfahren relativ ungenau, da der Kennwert N, sowohl temperaturabhängig ist als auch von der Schallgeschwindigkeit des zu prüfenden Materials abhängt. Schließlich werden unterschiedliche Abnutzungen der beiden Prüfkopfvorlaufkörper nicht automatisch bei den o.g. Kalibrierungsvorgang berücksichtigt. Vielmehr setzt das Verfahren voraus, daß die Abnutzung der Empfänger- und der Sendervorlaufstrecke identisch ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufqabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangserwähnten Art derart weiter zu entwickeln, daß auf einfache Weise eine Wanddickenmessung durchgeführt werden kann, ohne daß ein Kalibrierungskörper erforderlich ist.
Ferner sollen auch unterschiedliche Abnutzungen der Prüfkopfvorlaufkörper und Temperaturänderungen keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Wanddickenmessung haben.
Diese Aufgabe wird erfinderisch durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst. Die weiteren Ansprüche offenbaren besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Im folgenden soll die Erfindung mit anhand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
Es zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Erfindung und Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Prüfstück dessen Dicke d gemessen werden soll, mit 2 ein Ultraschall-S/E-PrUfkopf-, mit 3 eine elektronische Schaltungsvorrichtung und mit 4 eine Anzeigevorrichtung bezeichnet.
Der S/E-Prüfkopf 2 enthält den Sendeschwinger 21 und den Empfangsschwinger 22. Zwischen den Schwingern 21 und 22 und der Schallaustrittsfläche 23 des Prüfkopfes 2, sind die Vorlaufkörper 24 und 25 angeordnet, die voneinander durch eine schallundurchläßige Trennschicht 26 getrennt sind.
Die elektronische Schaltungsvorrichtung 3 enthält außer dem auch in üblichen Wanddickenmeßgerä.ten vorhandenen Sender 31 und Empfangsverstärker 32, zusätzlich einen Hilfsverstärker 33 und einen Hilfssender 34. Der Hilfsverstärker 33 ist mit der Leitung 5, über die die Sendeimpulse an den Sendeschwinger gelangen und der Hilfssender 34 ist mit der Leitung 5, über die die jeweils empfangenen Echosiqnale vom Empfangsschwinger 22 an den Empfangsverstärker 32 gelangen, verbunden, Die Ausgänge der beiden Verstärker 32 und 33 sind über die Leitungen 311 und 312 und über die UND-Gatter 321 und 331 mit dem ODER-Gatter 35 und dieses Gatter über eine Leitung 313 mit dem Reset-Eingang des Flip Flops 37 verbunden. P;n dem Set-Eingang des Flip Flops 37 ist das zweite ODER-Gatter 36 angeordnet, dessen Eingänge über die Leitungen 314 und 315 mit der Ablaufsteuereinheit 382 verbunden ist.
Ober entsprechende Zwischenleitungen 316 und 317 sind die Triggereingänge der Sender 31 und 34 ebenfalls mit den Leitungen 314 und 315 und damit mit der Ablaufsteuereinheit 382 verbunden. Die Ausgangssignale des Flip Flops 37 werden über die Leitungen 318 einer Zählvorrichtung, bestehend aus einem UND-Gatter 371, einem Taktgenerator 37 und einem Frequenzteiler 373, zugeführt, deren Ausgang mit dem Rechner 381 verbunden ist, der einen mit 3811 bezeichneten Speicher enthält. Der jeweils zweite Eingang der UND-Gatter 321 und 331 ist ebenfalls mit der Ablaufsteuereinheit 382 verbunden.
Im folgenden wird insbesondere anhand der Figuren 2a bis 2e die Funktionsweise der Schaltungsvorrichtung nach Fig. 1 näher erläutert: Grundlage für die Bestimmung der Wanddicke d des Prüfstückes 1, gemäß der Erfindung, ist die Beziehung: d = 21 c LG-(tS + tEi wobei: c = Schallgeschwindigkeit im Prüfstück.
tG = Zeit,die ein vom Sendeschwinger ausgehender Ultraschall impuls benötigt, um nach Reflektion an der Prüfstücksrückwand zum Empfangsschwinger zu gelangen.
tS = Zeit die ein vom Sendeschwinger ausgehender Ultraschallimpuls benötigt, um nach Reflektion an der Prüfkopfunterseite wieder zum Sendeschwinger zu gelanqen.
tE = Zeit die ein vom Empfangsschwinger ausgehender Ultraschall impuls benötigt, um nach Reflektion an der Prüfkopfunterseite wieder zum Empfangsschwinger zu gelangen.
Es sei in diesem Zusammenhang daraufhingewiesen, daß gemäß dieser Beziehung, d unabhängig von der Schallgeschwindigkeit des Prüfkopfvorlaufstreckenmaterials ist.
Vorteilhafterweise sollte zur Bestimmung der Zeiten tS und tE der Prüfkopf 2 das Prüfstück 1 nicht kontaktieren, weil Anderungen der Dicke der Koppel schicht, sowie änderungen des Anpreßdruckes (Prüfkopf gegen Prüfstück) zu Lage-und Amplitudenänderungen der Echosignale führen können. Gelangt nun ein Triqgerimpuls 100 (Fig. 2a) von der Ablaufsteuereinheit 382 über die Leitung 314 und über das ODER-Gatter 36 an den Set-Eingang des Flip Flops 37, so wechselt der Ausgang dieses Flip Flops vom Low- zu einem High-Zustand. Gleichzeitig gelangt der Triggerimpuls 100 über die Leitung 316 an den Sender 31. Dieser erzeugt einen elektrischen Sendeimpuls, der über die Leitung 5 an den Sendeschwinger 21 gelangt, der einen entsprechenden Ultraschallimpuls erzeugt. Der Ultraschall impuls wird an der Schallaustrittsfläche 23 reflektiert, von dem Schwinger 21 wieder empfangen und in einen entsprechenden elektrischen Echoimpuls umgewandelt. Der Echoimpuls gelangt wieder über die Leitung 5 an den Verstärker 33, in dem dieser Impuls sowohl verstärkt wird als auch in einer Impulsformerstufe in einen Rechteckimpuls vorgegebener Größe umgewandelt wird. Dieser Rechteckimpuls 110 (Fig. 2b) gelangt über die Leitung 311 an das UND-Gatter 331, das durch einen von-der Ablaufsteuereinheit 382 über die Leitung 319 kommendes Signal durchgeschaltet ist. Der am Ausgang des UND-Gatter 331 auftretende Impuls wird über das ODER-Gatter 35 dem Reset-Eingang des Flip Flops 37 zugeführt. Am Ausgang des Flip Flops 37 erfolgt ein Wechsel von High auf Low, so daß sich auf Leitung 318 das in Fig. 2e mit 140 bezeichnete Signal ergibt. Die Breite dieses Signals entspricht der Zeit 2x tS.
Mit Hilfe der an sich bekannten, aus dem UND-Gatter 371, dem Taktgenerator 372 und der Teilerstufe 373, bestehenden Zählvorrichtung, wird dieses Signal ausgezählt und der Zählwert in dem Speicher 3811 des Rechners 381 abgelegt. Die Zählfrequenz des Taktgenerators 372 beträgt beispielsweise 30 MHz und hängt ab von der geforderten Auflösung des Gerätes. Die Frequenzteilerstufe 372 ist erforderlich, um das mit 30 MHz ausgezählte Zeittor 2xtSan die Taktfrequenz des Rechners anzupassen, die beispielsweise nur 3 MHz beträgt.
Anschließend wird zur Ermittlung der Zeit 2x tE das UND-Gatter 321 durch die Ablaufsteuereinheit 382 freigeqeben und das UND-Gatter 331 geschlossen,(d.h., es wird kein Signal über die Leitung 319 zugeführt).
Der Meßverlauf entspricht dann im wesentlichen der vorstehend beschriebenen Messung von 2x tS, mit dem Unterschied, daß der Sendeimpuls durch den Hilfssender 34 und das empfangene Echo durch den Verstärker 32 verstärkt wird. Die entsprechenden auf den Leitungen 317, 312 und 318 erscheinenden Impulse sind in Fig. 2c, 2d und 2e mit 120, 130 und 141 bezeichnet.
Die vorstehend beschriebene Ermittlung der Zeitwerte tS und tE geht ausserordentlich schnell vor sich (Bruchteil einer Sekunde). Die einmal ermittelten Werte von tS und tE können von Zeit zu Zeit beispielsweise alle 10 Minuten oder jeweils nach dem Anschalten des Gerätes neu ermittelt werden.
Nach dem Abspeichern der Zeit 2x tE kann die eigentliche Wanddickenmessung, d.h., die Bestimmung des Zeitwertes, tG, erfolgen. Hierzu sperrt die Ablaufsteuereinheit 382 das UND-Gatter 331, (d.h., auf der Leitung 319 liegt kein Signal) und gibt das UND-Gatter 321 frei (über die Leitung 320 wird ein entsprechender Signalwert zugeführt).
Uber die Leitung 316 (Fig. 2a) gelangen periodisch Triggerimpulse 101, 102, 103 an den Sender (31). Die entsprechenden Ultraschallimpulse werden von der Prüfstücksrückwand reflektiert und die Echos von dem Empfangsschwinger 22 empfangen Nach Verstärkung dieser Impulse und Impulsformung in dem Verstärker 32, erscheinen auf der Leitung 312, die in Fig. 2d mit 131, 132 und 133 bezeichneten Impulse, so daß sich auf der Leitung 318 die in Fig. 2e mit 142, 143 und 144 bezeichneten Impulse ergeben. Die jeweilige Breite dieser Impulse entspricht dem Zeitwert tG. Der Rechner zieht von dem derart bestimmten Zeitwert tG die Summe der Zeitwerte tS und tE ab und multipliziert diese Differenz mit c , wobei die Schallgeschwindigkeit c beispielsweise über einen Codierschalter 8 (Fig. 1) extern eingegeben wird. Der so bestimmte Wanddickenmeßwert wird in der Anzeigevorrichtung 4 dann angezeigt.
Da bei Verwendung handelsüblicher S/E-Prüfköpfe in dem zu prüfenden Material mit Hilfe von Longitudinalwellen gemessen wird, ist bei derartigen Prüfköpfen für c die Schallgeschwindigkeit für diese Wellenart mit dem Codierschalter 8 einzustellen.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, dargestellt. Bei dieser Schaltung können der Hilfssender 34 und der Hilfsverstärker 33 entfallen. Dafür sind zwei Schalter S1 und S2 vorgesehen, wobei die jeweilige Schaltererstellung durch die Ablaufsteuereinheit 3821 festgelegt wird. Der Ausgang des Senders 31 ist über den Schalter S1 sowohl mit dem Sendeschwinger 21 als auch mit dem Empfangsschwinger 22 verbindbar. Der Eingang des Empfangsverstärkers 32 hingegen kann über den Schalter S2 sowohl mit dem Empfangsschwinger 22 als auch mit dem Sendeschwinger 21 verbunden sein.
Soll beispielsweise die Zeit 2x tE gemessen werden, so schaltet die Ablaufsteuereinheit 3821 den Sender über S1 an den Empfangsschwinger 22 und den Empfangsverstärker 32 über S2 ebenfalls an den Empfangsschwinger. Zur Messung von 2x tS wird der Sender über S1 an den Sendeschwinger 21 und der Empfangsverstärker über s" ebenfalls an den Sendeschwinger 21 geschaltet. Zur Wanddickenmessung schließlich ist der Sender 31 mit dem Sendewandler 21 und der Empfangsverstärker 32 mit dem Empfangsschwinger 22 verbunden.

Claims

Patentanspriiche Verfahren zur genauen Bestimmung der Wanddicke von Prüfstücken mit Hilfe der Laufzeitmessung von Ultraschall impulsen unter Verwendung von S/E-Prüfköpfen, wobei außer der Laufzeit, tG, des vom Sendeschwinger ausgehenden, von der Rückwand des Prüfstücks reflektierten und vom Empfangsschwinger empfangenen Ultraschall impulses, auch die Laufzeit, tE, des vom Empfangsschwinger ausgehenden und von der dem Prüfstück zugewandten Seite des Vorlaufkörpers (Empfängervorlaufstrecke) reflektierten Ultraschall impulses, gemessen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - daß der Laufzeitwert, tE, den die Ultraschall impulse zum Durchlaufen der Empfängervorlaufstrecke benötigen, gespeichert wird; - daß die Laufzeit, tS, des vom Sendeschwinger (21) ausgehenden und von der dem Prüfstück (1) zugewandten Seite des Vorlaufkörpers (Sendervorl aufstrecke) reflektierten Ultraschall impulses gemessen und dann gespeichert wird und - daß dann die Wanddicke, d, des Prüfstücks (1) mit Hilfe der Beziehung 2 c iG - (tS + tEg bestimmt wird, wobei c die Schallgeschwindigkeit im Prüfstück bedeutet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Laufzeitwerte, (tE und tS) die die Ultraschall impulse zum Durchlaufen der Empfänger- und Sendervorlaufstrecke benötigen, automatisch jeweils nur nach dem Anschalten des Gerätes oder in zeitlichen Abständen, die wesentlich größer sind, als die einzelnen Meßperioden, tG, zur Bestimmung der Wanddicke (d) des Prüfstücks (1), ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Laufzeitwerte (tE und tS), die die Ultraschall impulse zum Durchlaufen der Empfänger- und Sendervorlaufstrecke benötigen, gemessen werden, wenn der Prüfkopf (2) das Prüfstück (1) nicht berührt.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sendeschwinger (21) außer mit dem Sender (31) auch mit dem Eingang eines Hilfsverstärkers (33) und der Empfangsschwinger (22) außer mit dem Empfangsverstärker (32), zusätzlich mit dem Ausgang eines Hilfssenders (34) verbunden ist, daß die Ausgänge des Empfangsverstärkers (32) und des Hilfsverstärkers (33) über jeweils ein UND-Gatter (321, 331) mit einem ersten ODER-Gatter (35) und das ODER-Gatter (35) mit dem Reset-Eingang eines Flip Flops (37 ) verbunden sind und daß der Set-Eingang des Flip Flops (37) mit dem Ausgang eines zweiten ODER-Gatters (36) verbunden ist, dessen beide Eingänge über Leitungen (314, 315) mit einer Ablaufsteuereinheit (382) verbunden ist, die die Triggerimpulse zur Ansteuerung des Senders (31) und Hilfssenders (34) erzeugt und daß der Ausgang des Flip Flops (37) über eine Zählvorrichtung (371, 372, 373) mit einem einen Speicher (3811) enthaltenden Rechner (381) verbinden ist.
5. Vorrichtung zur Durchführuno des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jeweils nur ein Sender (31) und ein Empfangsverstärker (32) vorgesehen sind; daß der Ausgang des Senders (31) über einen ersten Schalter (S1), sowohl mit dem Sendeschwinger (21) als auch mit dem Empfangsschwinger (22) und daß der Eingang des Empfangsverstärkers (32) über einen zweiten Schalter (S2), sowohl mit dem Empfangsschwinger (22) als auch mit dem Sendeschwinger (21) verbindbar sind.