DE3441894C2

DE3441894C2 -

Info

Publication number: DE3441894C2
Application number: DE19843441894
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dietrich 5300 Bonn De Kleinert
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1984-11-16
Filing date: 1984-11-16
Publication date: 1987-10-01
Also published as: DE3441894A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method according to the preamble of Claim 1, and an apparatus for performing this procedure.

Um die Wandstärke von Prüflingen, beispielsweise von Blechen oder Rohren, mit Hilfe von Ultraschallimpulsen zu bestimmen, wird üblicherweise die Laufzeit der Schallimpulse gemessen, wobei mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Prüflings die vom Schall zurückgelegte Entfernung bestimmt wird. Hierfür ist es allerdings erforderlich, daß die Schallgeschwindigkeit im Prüfling bekannt sein muß.The wall thickness of test objects, for example of sheet metal or pipes, using ultrasound pulses to determine the transit time of the sound impulses is usually measured, with the help of the speed of sound within the test object the distance covered by the sound is determined. However, this requires that the speed of sound must be known in the test object.

Aus dem Aufsatz von M. V. Korolev u. a. "Ultrasonic Thickness Gauging without Standards in USSR", 10th World Conference on Non-Destructive Testing, Moscow (1982) Vol. 2, pp. 50-59 sowie aus der US-Patentschrift 43 98 421 und 44 13 517 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Schallgeschwindigkeiten bzw. Wandstärken der zu prüfenden Werkstücke nicht vorgegeben werden müssen. Neben einem für die eigentliche Dickenmessung eingesetzten ersten Meßweg, bei dem ein Schallimpuls an der Rückwand des Prüfstücks reflektiert wird, wird als zweiter Meßweg die Laufzeit von Ultraschallimpulsen entlang der Oberfläche des Werkstücks herangezogen. Dabei werden sogenannte Kopfwellen genutzt, wie sie aus der Seismik bekannt sind und an der Grenzfläche zweier Medien entstehen, wenn die Grenzwinkelbedingung für eine Totalreflexion erfüllt ist. Sie breiten sich mit der gleichen Geschwindigkeit aus wie die ins Volumen gehenden Longitudinalwellen.From the essay by M. V. Korolev u. a. "Ultrasonic Thickness Gauging without Standards in USSR ", 10th World Conference on Non-Destructive Testing, Moscow (1982) Vol. 2, pp. 50-59 as well as from US Pat. Nos. 4,398,421 and 4,413,517 a method of the type mentioned is known, in which the Sound velocities or wall thicknesses of the test items Workpieces do not have to be specified. Besides one for the actual thickness measurement used first measuring path, in which a sound pulse is reflected on the rear wall of the test piece the transit time of ultrasonic pulses is used as the second measuring path along the surface of the workpiece. So-called head waves are used, as they come from the Seismics are known and arise at the interface of two media when the critical angle condition for total reflection is fulfilled. They spread at the same speed like the longitudinal waves going into the volume.

Nachteilig bei diesen bekannten Verfahren ist vor allem, daß die ermittelte Schallgeschwindigkeit charakteristisch für einen oberflächennahen Bereich des Prüfstückes ist. Die Genauigkeit einer Wanddickenmessung hängt davon ab, wie sehr die Schallgeschwindigkeiten auf den beiden verwendeten Meßwegen voneinander abweichen. Eine Wanddickenmessung mit ausreichender Genauigkeit ist nur dann möglich, wenn die Schallgeschwindigkeit auf beiden Meßwegen identisch ist, also hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit homogene Werkstücke vorliegen. Bei mit zwei unterschiedlichen Meßwegen arbeitenden Meßverfahren ist eine völlige Übereinstimmung der Schallgeschwindigkeit auf beiden Meßwegen jedoch exakt nie zu erreichen, weil notwendigerweise die beiden Meßwege räumlich voneinander abweichen müssen.A disadvantage of these known methods is above all that the determined speed of sound is characteristic of one is near the surface of the test piece. The precision A wall thickness measurement depends on how much the speed of sound on the two measurement paths used differ. A wall thickness measurement with sufficient accuracy is only possible when the speed of sound is on the two measuring paths are identical, that is to say with regard to the speed of sound homogeneous workpieces are available. With two different ones Measuring method working is one complete agreement of the speed of sound on both Measuring paths, however, can never be reached exactly because they are necessary the two measuring paths must differ spatially.

Weiterhin sind aus den US-Patentschriften 43 98 421 und 44 13 517 Vorrichtungen zur Bestimmung der Wandstärke und/oder der Schallgeschwindigkeit von Prüfstücken bekannt, bei denen ebenfalls der zweite Meßweg entlang der Oberfläche des Werkstücks verläuft.Furthermore, from US Pat. Nos. 4,398,421 and 44 13 517 devices for determining the wall thickness and / or the speed of sound of test specimens known in which also the second measuring path along the surface of the workpiece runs.

Ausgehend von dem vorbekannten Verfahren der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, daß die notwendigerweise vorliegenden räumlichen Abweichungen der beiden Meßwege einen möglichst geringen Einfluß auf das Meßergebnis der Laufzeitmessung haben, so daß der Einfluß von anisotroper Schallgeschwindigkeitsverteilung im Werkstück verringert und auch bei Inhomogenitäten im zu prüfenden Werkstück ein möglichst kleiner Meßfehler auftritt.Based on the previously known method of the aforementioned Art is the object of the invention, this method to develop further so that the necessarily present spatial deviations of the two measuring paths as little influence as possible on the measurement result of the transit time measurement have so that the influence of anisotropic sound velocity distribution reduced in the workpiece and also with inhomogeneities in the a workpiece to be checked if possible small measurement error occurs.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing part of claim 1 solved.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens offenbart der kennzeichnende Teil des Anspruchs 3. Die weiteren Unteransprüche offenbaren besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung.An apparatus for performing this method is disclosed the characterizing part of claim 3. The further subclaims disclose particularly advantageous embodiments of the inventive method or the inventive device.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden mit Hilfe von Zeichnungen und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.Further advantages and details of the invention are set out below with the help of drawings and examples explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 schematisch ein Ultraschallwandstärkenmeßgerät mit Prüfkopf, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet; Figure 1 shows schematically an ultrasonic wall thickness measuring device with test head, which works according to the inventive method.

Fig. 2 einen auf ein Werkstück aufgesetzten erfindungsgemäßen Prüfkopf; und Fig. 2 is a patch on a work piece test head according to the invention; and

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Ultraschallschwingers mit Vorlaufkörper. Fig. 3 is a perspective view of an ultrasonic vibrator with lead body.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Schaltung eines Wandstärkenmeßgerätes dargestellt, das über Leitungen 2, 3, 4 und 5 mit einem Prüfkopf 6 verbunden ist. Der Prüfkopf 6 befindet sich auf einem Prüfstück 7, dessen Wandstärke D ermittelt werden soll. In Fig. 1, 1 shows a circuit of a wall thickness measuring device which is connected via lines 2, 3, 4 and 5 to a test head 6 . The test head 6 is located on a test piece 7 , the wall thickness D of which is to be determined.

Das Wandstärkenmeßgerät 1 enthält einen Trigger 100, der den Ultraschallsender 101 triggert. Der Ausgang des Senders 101 ist über einen ersten steuerbaren Schalter 102 mit den Leitungen 2 und 3 verbunden. Die Leitungen 4 und 5 sind über einen zweiten steuerbaren Schalter 103 und einen Empfangsverstärker 104 mit dem Rücksetzeingang eines Flip-Flops 105, an dessen Setzeingang der Trigger 100 liegt, verbunden. Dem Flip-Flop 105 nachgeschaltet ist und ein UND-Glied 106, an dessen zweitem Eingang ein Taktgenerator 107 und an dessen Ausgang ein Zähler 108 liegt. Die Zählwerte des Zählers werden in einen Mikroprozessor 109 übertragen und dort weiterverarbeitet. Der von dem Mikroprozessor 109 berechnete Wandstärkenwert bzw. Schallgeschwindigkeitswert wird dann von einer Anzeigenvorrichtung 110 dargestellt.The wall thickness measuring device 1 contains a trigger 100 , which triggers the ultrasonic transmitter 101 . The output of transmitter 101 is connected to lines 2 and 3 via a first controllable switch 102 . Lines 4 and 5 are connected via a second controllable switch 103 and a receiving amplifier 104 to the reset input of a flip-flop 105 , at the set input of which trigger 100 is connected. The flip-flop 105 is connected downstream and an AND gate 106 , at whose second input a clock generator 107 and at the output of which there is a counter 108 . The count values of the counter are transferred to a microprocessor 109 and processed there. The wall thickness value or sound velocity value calculated by the microprocessor 109 is then displayed by a display device 110 .

Der Prüfkopf 6 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus drei elektroakustischen Wandlern 600, 601 und 602. Dabei dient der Wandler 600 zur Erzeugung von Schallwellen (Sendewandler) und der Wandler 602 zum Empfang von Schallwellen (Empfangswandler). Mit dem Wandler 601 schließlich werden sowohl Schallwellen erzeugt als auch die entsprechenden von der Rückwand 700 des Prüfstückes 7 reflektierten Echosignale empfangen. Bei allen drei Wandlern handelt es sich um Longitudinalwandler.In the exemplary embodiment shown, the test head 6 consists of three electroacoustic transducers 600, 601 and 602 . The converter 600 is used to generate sound waves (transmitter converter) and the converter 602 is used to receive sound waves (receiver converter). Finally, with the converter 601 , sound waves are generated and the corresponding echo signals reflected by the rear wall 700 of the test piece 7 are received. All three converters are longitudinal converters.

Im folgenden soll die Wirkungsweise der dargestellten Schaltungsvorrichtung näher erläutert werden:
Der Trigger 100 des Ultraschallwandstärkenmeßgerätes 1 erzeugt in vorgegebenen zeitlichen Abständen Impulse, die einerseits den Sender 101 veranlassen, entsprechende elektrische Sendeimpulse zu erzeugen und andererseits das Flip-Flop 105 setzen. Über den Schalter 102, der sich in einer ersten Stellung befindet (ausgezogene Schalterstellung), gelangt der Sendeimpuls an den Wandler 601, der einen entsprechenden Ultraschallimpulse erzeugt. Dieser Ultraschallimpuls gelangt in das Prüfstück 7 und trifft auf den Bereich 701 der Rückwand 700. Der Impuls wird von dieser Rückwand reflektiert und wiederum von dem Wandler 601 in einen entsprechenden elektrischen Impuls umgewandelt. Dieser elektrische Impuls gelangt über den zweiten Schalter 103 und nach Verstärkung durch den Empfangsverstärker 104 an den Rücksetzeingang des Flip-Flops 105. Am Ausgang des Flip-Flops 105 ergibt sich also ein Torsignal, dessen Breite proportional ist zur Laufzeit der Ultraschallimpulse zwischen der Oberfläche 702 und der Rückwand 700 des Prüfstückes 7. Dieses Torsignal wird in bekannter Weise mit Hilfe des Taktgenerators 107, des UND-Gatters 106 und des Zählers 108 ausgewählt und der entsprechende Zählwert in den Mikroprozessor 109 übertragen.The mode of operation of the circuit device shown is to be explained in more detail below:
The trigger 100 of the ultrasonic wall thickness measuring device 1 generates pulses at predetermined time intervals, which on the one hand cause the transmitter 101 to generate corresponding electrical transmission pulses and on the other hand set the flip-flop 105 . Via the switch 102 , which is in a first position (extended switch position), the transmission pulse arrives at the transducer 601 , which generates a corresponding ultrasound pulse. This ultrasound pulse arrives in the test piece 7 and strikes the area 701 of the rear wall 700 . The pulse is reflected by this rear wall and in turn converted by converter 601 into a corresponding electrical pulse. This electrical pulse reaches the reset input of the flip-flop 105 via the second switch 103 and after amplification by the reception amplifier 104 . At the output of the flip-flop 105 , a gate signal thus results, the width of which is proportional to the transit time of the ultrasonic pulses between the surface 702 and the rear wall 700 of the test piece 7 . This gate signal is selected in a known manner with the aid of the clock generator 107 , the AND gate 106 and the counter 108 and the corresponding count value is transmitted to the microprocessor 109 .

Würde der Schallgeschwindigkeitswert cw des Prüfstückes 7 bekannt sein, so könnte der Mikroprozessor sofort die entsprerchende Wandstärke D des Prüfstückes 7 aufgrund der Beziehung:If the sound velocity value cw of the test piece 7 would be known, the microprocessor could immediately determine the corresponding wall thickness D of the test piece 7 based on the relationship:

D = ½cw · tw (1) D = ½ cw · tw (1)

ermittelt, wobei tw die Laufzeit der Ultraschallimpulse durch das Prüfstück bedeutet.determined, where tw is the transit time of the ultrasonic pulses through the test piece.

Es ist aber gerade der Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß der Schallgeschwindigkeitswert cw nicht bekannt zu sein braucht bzw. durch dieses Gerät ebenfalls ermittelt werden kann.However, it is precisely the advantage of the present invention that the sound velocity value cw need not be known or can also be determined by this device.

Um dieses zu erreichen, wird eine zweite Laufzeitmessung durchgeführt. Hierzu veranlaßt der Mikroprozessor 109 die Schalter 102 und 103 zur Umschaltung in ihre zweite (gestrichelte) Stellung. Der nächste elektrische Sendeimpuls gelangt dann über die Leitung 2 an den Sendewandler 600 und erzeugt einen entsprechenden Ultraschallimpuls. Sende- und Empfangswandler 600 und 602 sind nun so ausgelegt, daß es sich bei diesen Wandlern um Senkrechtprüfköpfe handelt, bei denen also die Einschallung in Richtung der Normalen des Prüfstückes erfolgt. Andererseits sind der Abstand a der Wandler 600 und 602 voneinander und der Divergenzwinkel ω des Schallbündels 606 des Sendewandlers 600 und der dem Schallbündel entsprechenden Empfangscharakteristik 607 des Empfangswandlers 602 so gewählt, daß sich das Schallbündel 606 und die Empfangscharakteristik 607 im Reflektionsbereich 701 der Rückwand 700 des Prüfstückes 7 überlappen. Der entsprechende Überlappungsbereich ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt und mit 608 bezeichnet. Der Schallstrahl mit dem kürzesten Weg zwischen Sende- und Empfangswandler ist mit 609 gekennzeichnet.To achieve this, a second runtime measurement is carried out. For this purpose, the microprocessor 109 causes the switches 102 and 103 to switch to their second (dashed) position. The next electrical transmission pulse then reaches the transmission transducer 600 via line 2 and generates a corresponding ultrasound pulse. Transmitter and receiver transducers 600 and 602 are now designed in such a way that these transducers are vertical probes, which means that the sound is applied in the direction of the normal to the test piece. On the other hand, the distance a between the transducers 600 and 602 from each other and the angle of divergence ω of the sound beam 606 of the transmitting transducer 600 and the corresponding the sound beam reception characteristic 607 of the receiving transducer 602 selected so that the acoustic beam 606 and the reception characteristic 607 in the reflection area 701 of the rear wall 700 of the Overlap test piece 7 . The corresponding overlap area is shown in dashed lines in FIG. 1 and designated 608 . The sound beam with the shortest path between the transmitting and receiving transducers is marked with 609 .

Aus der Forderung, daß sich das Schallbündel 606 und die Empfangscharakteristik 607 im Bereich 701 überlappen müssen, ergibt sich, daß ein von dem Sendewandler 600 erzeugtes und an der Rückwand 700 im Bereich 701 reflektiertes Ultraschallsignal vom Empfangswandler 602 auch empfangen wird. Dieses Signal wird dann wiederum über den Schalter 103 dem Verstärker 104 zugeführt. Anschließend wird mit Hilfe des Flip-Flops 105 ein Torsignal erzeugt, das mittels des UND-Gatters 106, des Taktgenerators 107 und des Zählers 108 ausgezählt wird. Der entsprechende Zählwert wird in den Mikroprozessor 109 übertragen und dann die Wanddicke, wie nachfolgend beschrieben, ermittelt:
Bezeichnet man den Weg eines Schallimpulses vom Sendewandler 600 zum Empfangswandler 602 über den Rückwandbereich 701 mit s und seine Laufzeit mit ts, so gilt:From the requirement that the sound beam 606 and the reception characteristic 607 must overlap in the area 701 , it follows that an ultrasound signal generated by the transmission transducer 600 and reflected on the rear wall 700 in the area 701 is also received by the reception transducer 602 . This signal is then in turn fed to amplifier 104 via switch 103 . A gate signal is then generated with the aid of flip-flop 105 and is counted by means of AND gate 106 , clock generator 107 and counter 108 . The corresponding count is transferred to the microprocessor 109 and then the wall thickness is determined as described below:
If one designates the path of a sound pulse from the transmitter converter 600 to the receiver converter 602 via the rear wall region 701 with s and its transit time with ts , the following applies:

cw = s/ts (2) cw = s / ts (2)

Außerdem folgt aus der geometrischen Zuordnung von s, D und a:It also follows from the geometric assignment of s, D and a :

(s/ 2)² = (a/ 2)² + D² (3) (s / 2) ² = (a / 2) ² + D ² (3)

Gleichungen (2) und (3) in (1) eingesetzt ergibt:Equations (2) and (3) inserted in (1) result in:

Bei bekanntem Abstand a des Sende- und Empfangswandlers 600 und 602 bzw. bei bekanntem Abstand zwischen Schalleintrittsfläche 703 und Schallaustrittsfläche 704 der Oberfläche 702 des Werkstückes 7 kann daher die Wandstärke D alleine aufgrund der Laufzeitmessungen tw und ts ermittelt werden.If the distance a between the transmitter and receiver transducers 600 and 602 is known or if the distance between the sound entry surface 703 and the sound exit surface 704 of the surface 702 of the workpiece 7 is known , the wall thickness D can be determined solely on the basis of the transit time measurements tw and ts .

Allerdings ist der Abstand a mit mechanischen Hilfsmitteln nur relativ ungenau meßbar, weil die Ein- und Austrittsflächen nicht punktförmige Flächen darstellen, sondern einen mehr oder weniger großen Bereich umfassen. Als besonders vorteilhaft hat es sich daher erwiesen, nicht den mittleren mechanisch gemessenen Abstand zwischen den beiden Wandlern zu verwenden, sondern von einem effektiven Abstand a _eff auszugehen. Dazu wird ein Kontrollkörper bekannter Dicke und beliebiger Schallgeschwindigkeit verwendet und aus Gleichung (4) a _eff ermittelt, indem D vorgegeben und die Laufzeiten tw und ts gemessen werden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß a _eff praktisch unabhängig von der Dicke D des jeweiligen Werkstückes ist, so daß Gleichung (4) ersetzt werden kann durch:However, the distance a can only be measured relatively inaccurately with mechanical aids, because the entry and exit surfaces do not represent punctiform surfaces, but rather encompass a more or less large area. It has therefore proven to be particularly advantageous not to use the mean mechanically measured distance between the two transducers, but to assume an effective distance a _eff . For this purpose, a control body of known thickness and any speed of sound is used and determined from equation (4) a _eff by specifying D and measuring the transit times tw and ts . It has been shown that a _{eff is} practically independent of the thickness D of the respective workpiece, so that equation (4) can be replaced by:

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich allerdings nur auf den Fall, daß die Schwinger der Wandler 600, 601 und 602 direkt - oder über eine nicht dargestellte Schutzschicht - mit dem Prüfstück 7 in Berührung stehen. Vorteilhafterweise werden aber häufig die Schwinger des Sende- bzw. Empfangswandlers über Vorlaufkörper an das Prüfstück 7 angekoppelt. Dadurch ist es u. a. möglich, Schallbündel mit relativ großem Divergenzwinkel ω in dem Prüfstück zu erzeugen, was die Messung geringer Wandstärken D ermöglicht. Einen entsprechenden Prüfkopf 60 zeigt Fig. 2.However, the exemplary embodiment described above relates only to the case in which the transducers of the transducers 600 , 601 and 602 are in direct contact with the test piece 7 or via a protective layer (not shown). Advantageously, however, the transducers of the transmitter or receiver transducer are often coupled to the test piece 7 via lead bodies. This makes it possible, among other things, to generate sound bundles with a relatively large divergence angle ω in the test piece, which enables the measurement of small wall thicknesses D. A corresponding test head 60 is shown in FIG. 2.

Der Schwinger des nicht in allen Einzelheiten wiedergegebenen Sendewandlers ist mit 610, der des Empfängers mit 611 und der des Sendeempfangswandlers mit 612 bezeichnet. Die Schwinger 610 und 611 sind jeweils auf Schallvorlaufkörpern 613 und 614 angeordnet, welche beispielsweise aus Plexiglas bestehen können und die die gleiche Dicke aufweisen sollten. Der Schwinger 612 berührt während des Meßvorganges direkt das Prüfstück 7. Durch die akustischen Trennschichten 615, 616 wird sichergestellt, daß die von dem Schwinger 610 erzeugten Schallimpulse nicht direkt, d. h. über den Bereich, in dem sich der Sendeempfangsschwinger 612 befindet, zu dem Empfangsschwinger 611 gelangen.The transducer of the transmitter transducer, which is not reproduced in every detail, is designated 610 , that of the receiver 611 and that of the transceiver transducer 612 . The vibrators 610 and 611 are each arranged on sound lead bodies 613 and 614 , which can be made of plexiglass, for example, and which should have the same thickness. The oscillator 612 directly touches the test piece 7 during the measuring process. The acoustic separating layers 615, 616 ensure that the sound pulses generated by the vibrator 610 do not reach the receive vibrator 611 directly, ie over the area in which the transmit / receive vibrator 612 is located.

Die Schaltung des entsprechenden Wandstärkenmeßgerätes entspricht im wesentlichen derjenigen des in Fig. 1 dargestellten Gerätes. Lediglich die Schalter 102 und 103 sind durch neue, jeweils drei Schaltstufen aufweisende Schalter 1020 und 1030 ersetzt worden. Die Bedeutung dieser Schalter wird weiter unten noch näher erläutert. The circuit of the corresponding wall thickness measuring device corresponds essentially to that of the device shown in FIG. 1. Only switches 102 and 103 have been replaced by new switches 1020 and 1030 , each having three switching stages. The meaning of these switches is explained in more detail below.

Zur Ermittlung der unbekannten Wandstärke 6 des Prüfstückes 7 wird wiederum Gleichung (1) herangezogen. Es wird also die Laufzeit tw ermittelt, die ein Ultraschallimpuls vom Schwinger 612 bis zur Rückwand 700 des Prüfstückes und zurück zum Schwinger 612 benötigt.Equation (1) is again used to determine the unknown wall thickness 6 of the test piece 7 . The transit time tw that an ultrasonic pulse requires from the oscillator 612 to the rear wall 700 of the test piece and back to the oscillator 612 is thus determined.

Bei der zweiten Laufzeitmessung, bei der die Laufzeit ermittelt wird, die die vom Sendeschwinger 610 erzeugten Impulse benötigen, um über den Reflektionsbereich 701 des Prüfstückes 7 zu dem Empfangsschwinger 611 zu gelangen, ist zu berücksichtigen, daß die Schallimpulse nicht nur das Prüfstück 7, sondern auch die Vorlaufkörper 613 und 614 durchlaufen. Im folgenden soll näher auf die entsprechenden funktionellen Zusammenhänge zwischen den Laufzeiten tw und ts sowie dem Abstand a zwischen dem Sende- und Empfangsschwinger 610 und 611 und der Wandstärke D eingegangen werden:
Dazu ist in Fig. 2 ein Schallstrahl 617 dargestellt, der von dem Sendeschwinger 610 ausgeht und über den Bereich 701 der Rückwand 700 des Prüfstückes 7 zu dem Empfangsschwinger 611 gelangt. Dieser Strahl möge unter einem Einfallswinkel α auf die Schallaustrittsfläche des Vorlaufkörpers 613 fallen und aufgrund der unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten in dem Vorlaufkörper (cv) und in dem Prüfstück (cw) einen Einschallwinkel β besitzen, der sich aufgrund der Beziehung:In the second transit time measurement, in which the transit time is determined, which the pulses generated by the transmit oscillator 610 need to reach the receive oscillator 611 via the reflection area 701 of the test piece 7 , it must be taken into account that the sound pulses not only the test piece 7 , but also also run through the lead body 613 and 614 . In the following, the corresponding functional relationships between the transit times tw and ts and the distance a between the transmit and receive transducers 610 and 611 and the wall thickness D will be discussed in more detail:
For this purpose, a sound beam 617 is shown in FIG. 2, which emanates from the transmitting oscillator 610 and reaches the receiving oscillator 611 via the area 701 of the rear wall 700 of the test piece 7 . This beam may fall onto the sound exit surface of the leading body 613 at an angle of incidence α and, due to the different speeds of sound in the leading body (cv) and in the test piece (cw), have an insonification angle β , which is due to the relationship:

errechnet. calculated.

Neben Gleichung (6) müssen noch die Bedingungen über die Gesamtlaufzeit des Schallstrahles 617 vom Punkt 618 über dem Bereich 701 zu dem Punkt 619 auf dem Empfangsschwinger sowie die Bedingungen über die geometrische Lage der Punkte 618, 701 und 619 erfüllt sein. Diese Bedingungen werden durch die Gleichungen (7) und (8) beschrieben:In addition to equation (6), the conditions over the total transit time of the sound beam 617 from point 618 over the area 701 to point 619 on the receiving transducer and the conditions over the geometric position of points 618, 701 and 619 must also be fulfilled. These conditions are described by equations (7) and (8):

ts′ = tv/cos (α) + tw′/cos (β) (7) ts ′ = tv / cos ( α ) + tw ′ / cos ( β ) (7)

a = 2 · tv · cv · tan (α) + 2 · tw′ · cw · tan (β) (8) a = 2 · tv · cv · tan (α) + 2 · tw '· cw · tan (β) (8)

Dabei bedeuten:
ts′= Halbe Schallaufzeit von Punkt 618 über Punkt 701 zu Punkt 619. (ts′ = ½ ts). tv= Halbe Schallaufzeit für die Senkrechteinschallung in den Vorlaufkörper 606 bzw. 607. tw′= Halbe Schallaufzeit für die Senkrechteinschallung in das Werkstück (tw′ = ½ tw). a= Abstand der Punkte 618 und 619.Mean:
ts ′ = half the sound propagation time from point 618 via point 701 to point 619 . (ts ′ = ½ ts) . tv = half the sound propagation time for vertical insonification in the lead body 606 or 607 . tw ′ = half the sound propagation time for vertical insonification into the workpiece (tw ′ = ½ tw) . a = distance between points 618 and 619 .

Durch Auflösen der Gleichungen (6) und (8) nach cw und Gleichsetzen können mit Hilfe von Gleichung (7) α und β berechnet werden. Gleichung (6) liefert dann bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit im Vorlaufkörper die Schallgeschwindigkeit im Prüfstück 7. Bei bekanntem Abstand a und bekannter Schallgeschwindigkeit im Vorlauf kann also die Schallgeschwindigkeit im Werkstück allein aus den drei Zeitmessungen ts′, tw′ und tv ermittelt werden. Mit der berechneten Schallgeschwindigkeit cw im Werkstück und der gemessenen Zeit tw ist damit auch die Dicke des Werkstückes gemäß Gleichung (1) bekannt. By solving equations (6) and (8) for cw and equating them, equations (7) can be used to calculate α and β . Equation (6) then provides the speed of sound in test piece 7 when the speed of sound in the lead body is known. If the distance a is known and the speed of sound is known in advance, the speed of sound in the workpiece can be determined solely from the three time measurements ts ' , tw' and tv . With the calculated speed of sound cw in the workpiece and the measured time tw , the thickness of the workpiece according to equation (1) is also known.

Wie in dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel auch ist der Abstand a mit mechanischen Hilfsmitteln relativ ungenau meßbar. Es hat sich daher auch bei diesem Ausführungsbeispiel als besonders vorteilhaft erwiesen, nicht den mittleren mechanisch gemessenen Abstand zwischen den beiden Schwingern 610 und 611 zu verwenden, sondern von einem berechneten effektiven Abstand a _eff auszugehen. Dazu wird wiederum ein Kontrollkörper bekannter Dicke und beliebiger Schallgeschwindigkeit verwendet.As in the first exemplary embodiment described above, the distance a can be measured relatively inaccurately with mechanical aids. It has therefore also proven to be particularly advantageous in this exemplary embodiment not to use the mean mechanically measured distance between the two oscillators 610 and 611 , but to start from a calculated effective distance a _eff . A control body of known thickness and any speed of sound is again used for this.

Zur Berechnung von a _eff werden die drei Schallaufzeiten ts, tw und tv an dem Kontrollkörper gemessen. Aus der Dicke des Kontrollkörpers kann mit Hilfe der Laufzeit tw die Schallgeschwindigkeit des Kontrollkörpers berechnet werden. Mit diesen Werten kann nun der Abstand a _eff ermittelt werden, indem aus den Gleichungen (6) und (7) α und β berechnet werden. Gleichung (8) - in der a durch a _eff ersetzt wurde - liefert dann a _eff.To calculate a _eff , the three sound propagation times ts, tw and tv are measured on the control body. The speed of sound of the control body can be calculated from the thickness of the control body with the aid of the travel time tw . With these values, the distance a _eff can now be determined by calculating α and β from equations (6) and (7). Equation (8) - in which a was replaced by a _eff - then yields a _eff .

Das Lösen des genannten Gleichungssystems ist sehr aufwendig. Häufig kann aber aufgrund der konkreten Aufgabenstellung an die erfindungsgemäße Vorrichtung das erwähtne Gleichungssystem wesentlich vereinfacht werden. Vor allem vier Fälle lassen sich unterscheiden:Solving the system of equations mentioned is very complex. Often, however, due to the specific task device according to the invention the mentioned system of equations be significantly simplified. There are four main cases differentiate:

1. Only workpieces with a significantly higher sound speed than in the lead should be measured. Then the following applies: cv «cw, i.e. with equation (6) sin ( α ) / sin ( β )« 1If a is chosen appropriately depending on the thickness range to be measured, β is not greater than approx. 20 degrees. In this case, α can be set to 0 in sufficient approximation. This simplifies the system of equations above: ts ′ = tv-tw ′ / cos ( β ) (7 ′) a eff = 2 · tw ′ · cw · tan ( β ) (8 ′) equation (9) in equation (10 ) used delivers: a eff = 2 · cw · (9)
As described above, the equation is used to determine a eff in an adjustment process. However, the a eff calculated in this way does not exactly match the a eff calculated according to the general system of equations. Rather, a smaller value is determined. Nevertheless, under the above-mentioned limitation there are still very precise values for the speeds of sound.
If equation (9) is solved for cw , it is used to calculate cw from the three transit time measurements ts ′, tw ′ and tv : cw = a eff / (2 · (10)
2. Only workpieces of greater thickness should be measured so that lead bodies 613, 614 - apart from a thin protective layer - can be dispensed with. In this case, the example described above for FIG. 1 results.
3. Only workpieces whose sound velocities are in the same order of magnitude as the speed of sound in the lead bodies 613, 614 should be measured.
In this case the system of equations changes to: sin ( α ) / sin ( b ) ≈ 1 or sin ( α ) = sin ( β ) (6 ′ ′) and thus applies: ts ′ = (tw ′ + tv) / cos ( b ) (7 ′ ′) a eff = 2 · tan ( β ) · (tv · cv + tw ′ · cw) (8 ′ ′) It follows from the two equations (7 ′ ′) and (8 ′ ′) : This equation again serves to determine a eff using the measurements of the transit times ts ′, tw ′ and tv on a control body of known thickness or speed of sound. Equation (11) converted to cw is used to calculate the thickness or speed of sound in the workpiece:
4. Only workpieces whose wall thicknesses should be measured are of the same order of magnitude.
In the cases described so far, oscillators 610, 611 are used, the width b of which is substantially smaller than the width B of the lead bodies 613, 614 on which the oscillators are arranged. Such lead bodies have the advantage that the sound curve adapts to the wall thickness. This means that the distance from the sound entry point to the sound exit point on the test piece surface 702 is greater for large wall thicknesses than for small wall thicknesses. This achieves a higher measuring accuracy. If only test pieces 7 with wall thicknesses of the same order of magnitude are measured, this advantage can be dispensed with by choosing a suitable distance a .
In this case, if you use a separate lead body for each transducer that has the same width and length dimensions as the transducer, the evaluation is carried out as described in Case 1. The height h of the lead body should preferably correspond to the near field length of the transducer. An exemplary embodiment is shown in FIG. 3. An oscillator with the width b and the length l is designated with 6100 and the corresponding lead body, which is adapted to the dimensions of the oscillator, is designated with 6130 . Equation (6) cannot be satisfied by such a lead body. Here the fastest way of the sound pulse is the one that runs vertically through the lead body 6130 . The system of equations given in case 1 applies.

Hinsichtlich der Wandlerform haben sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor allem rechteckige Strahler, wie sie Fig. 3 zeigt, bewährt. Dabei sollte die schmale Seite der Schwinger 610, 611 (Fig. 2) auf der beide Schwinger direkt verbindenden Linie (Z-Achse) liegen. Dadurch wird in dieser Richtung ein großer Divergenzwinkel ω erzielt. In der Richtung senkrecht zur Z-Achse hat das Schallbündel dagegen eine wesentlich geringere Divergenz, wodurch sich eine Erhöhung der Empfindlichkeit ergibt. With regard to the shape of the transducer, rectangular radiators, as shown in FIG. 3, have proven particularly useful in the device according to the invention. The narrow side of the transducers 610, 611 ( FIG. 2) should lie on the line directly connecting the two transducers (Z axis). A large divergence angle ω is achieved in this direction. In contrast, in the direction perpendicular to the Z axis, the sound beam has a significantly lower divergence, which results in an increase in sensitivity.

Die große Divergenz in Richtung der Z-Achse kann durch die Wahl einer niedrigen Frequenz noch erhöht werden.The large divergence in the direction of the Z axis can be increased by choosing a low frequency.

Allerdings ist dabei darauf zu achten, daß die starken Nebenkeulen (sowohl Transversal- als auch Longitudinalwellenanteile), die bei großen g/D Verhältnissen entstehen, keine Oberflächen- oder Kriechwellen auf der Werkstückoberfläche erzeugen können. Da diese Nebenkeulen direkt am Wandler entstehen, genügt es zur Vermeidung störender Einflüsse, die Seiten des Vorlaufkörpers mit einem Dämpfungsmaterial zu versehen, so daß diese Nebenkeulen nicht durch Reflexion in das Werkstück gelangen können.However, care must be taken to ensure that the strong side lobes (both transverse and longitudinal wave components) that arise at large g / D ratios cannot generate surface or creeping waves on the workpiece surface. Since these side lobes are formed directly on the transducer, it is sufficient to avoid disturbing influences by providing the sides of the lead body with a damping material, so that these side lobes cannot get into the workpiece by reflection.

Da in den oben erwähnten mit 1, 3 und 4 bezeichneten Ausführungsbeispielen die Zeit tv bekannt sein muß, während der die Schallimpulse die Vorlaufkörper durchlaufen, sind in Fig. 2 zwei dreistufige Schalter 1020 und 1030 vorgesehen.Since in the above-mentioned exemplary embodiments designated 1, 3 and 4 the time tv must be known during which the sound pulses pass through the lead body, two three-stage switches 1020 and 1030 are provided in FIG .

Befindet sich Schalter 1020 in der Schaltstellung (a) und Schalter 1030 in Stellung (c) bzw. Schalter 1020 in Stellung (c) und Schalter 1030 in Stellung (a), so kann der jeweilige Wert tv mit dem Wandstärkenmeßgerät 1 (Fig. 1) ermittelt werden. Dabei erfolgt das Rücksetzen des Flip-Flops 105 durch das an der Unterseite des jeweiligen Vorlaufkörpers 613, 614 reflektierte Echosignal.If switch 1020 is in switch position (a) and switch 1030 is in position (c) or switch 1020 is in position (c) and switch 1030 is in position (a) , then the respective value tv can be measured with the wall thickness measuring device 1 ( Fig. 1 ) be determined. The flip-flop 105 is reset by the echo signal reflected on the underside of the respective lead body 613, 614 .

Sind die Schalter 1020 und 1030 jeweils in Stellung (a), kann ts, und sind beide Schalter jeweils in Stellung (b), kann tw ermittelt werden.If switches 1020 and 1030 are each in position (a) , ts , and if both switches are each in position (b) , tw can be determined.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch ähnliche, einem Durchschnittsfachmann naheliegende Ausführungsformen. So ist es insbesondere naheliegend, zur Messung von oberflächennahen Fehlern auch den Schwinger 612 des Prüfkopfes 60 (Fig. 2) auf einem Vorlaufkörper anzuordnen.The invention is of course not limited to the exemplary embodiments described above, but also encompasses similar embodiments that are obvious to one of ordinary skill in the art. Thus, it is particularly obvious to also arrange the vibrator 612 of the test head 60 ( FIG. 2) on a lead body for the measurement of defects near the surface.

Claims

1. A method for determining the wall thickness and the speed of sound of test pieces ( 7 ) with ultrasonic pulses, the transit times of which are measured in the test piece ( 7 ), with the aid of a first transmitter and receiver transducer ( 601 ) the transit time tw of the corresponding ultrasonic pulses between the sound entrance surface of the Test piece ( 7 ) and a reflection area ( 701 ) on the rear wall ( 700 ) of the test piece ( 7 ) opposite this sound entry surface is determined and with the aid of an additional transmit transducer ( 600 ) and an additional receive transducer ( 602 ), which are symmetrical to the first transducer ( 601 ) are arranged, a second transit time measurement t _{s is} carried out, and then the wall thickness and the speed of sound of the test piece ( 7 ) are calculated from the transit time values tw and ts and the distance a between the additional transmitter converter ( 600 ) and the additional receiver converter ( 602 ) is characterized in that the distance a of the additional Chen transmission transducer ( 600 ) from the additional reception transducer ( 602 ), the divergence angle ω of the sound beam ( 606 ) of the additional transmission transducer ( 600 ) in the test piece ( 7 ) and the reception characteristic ( 607 ) of the additional reception transducer ( 602 ) corresponding to the sound bundle are selected that the sound beam ( 606 ) and the reception characteristic ( 607 ) for workpieces with a greater thickness than the minimum thickness to be measured overlap on the rear wall ( 700 ) of the test piece ( 7 ), and that volume waves are also used in the second transit time measurement, the Running time ts is determined, which the corresponding ultrasound pulses need, in order from the transmitter transducer ( 600 ) over the same reflection area ( 701 ) of the rear wall ( 700 ) to which the sound beams of the first transmitter and receiver transducer ( 601, 612 ) are reflected Receive converter ( 602 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that the distance a between the additional transmitter converter ( 600 ) and the additional receiver converter ( 602 ) is determined with the aid of a control body of known wall thickness, by measuring the corresponding transit time values tw and ts on this control body, that an effective distance a _{eff is} calculated from these transit time values and the known wall thickness value D of the control body, and that this effective distance is then used to determine the wall thickness of test pieces ( 7 ).

3. Device for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that the additional transmit and receive transducers ( 600, 602 ) are vertical probes.

4. The device according to claim 3, characterized in that between the additional transmit and receive transducers ( 600, 602 ) and the test piece surface ( 702 ) sound lead body ( 606, 607 ) are arranged.

5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the additional transmit and receive transducers ( 600, 602 ) are designed as rectangular radiator elements ( 610, 611 ).