DE1005758B - Einrichtung zur zerstoerungsfreien Materialpruefung mit Ultraschall - Google Patents
Einrichtung zur zerstoerungsfreien Materialpruefung mit UltraschallInfo
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Description
DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall, die einen piezoelektrischen
Meßkopf enthält, der abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet wird. In der Sendeperiode
wird dem Meßkopf elektrische Hochfrequenzenergie im Bereich von etwa 2,5 MHz zugeführt, und der in den
Prüfling gestrahlte Ultraschallimpuls wird von der Rückseite des Prüflings bzw. von Unregelmäßigkeiten im
Material wie Lunkern oder Rissen reflektiert und vom Meßkopf empfangen, wobei das erhaltene elektrische
Empfangssignal über einen Anzeigeverstärker einer Kathodenstrahlröhre zugeführt wird, deren Zeitablenkung
jeweils durch den Sendeimpuls ausgelöst wird, so daß, wenn der Meßkopf über eine Fehlerstelle geführt wird,
ein entsprechender Lichtfleck auf dem Leuchtschirm der Kathodenstrahlröhre erscheint, wobei aus dem Abstand
des Lichtflecks vom Koordinatenursprung des Schirmbildes auf die Entfernung der Fehlerstellen von der
Oberfläche des Prüflings geschlossen werden kann.
Die bekannten Prüfeinrichtungen dieser Art haben einen wesentlichen Nachteil. Wenn nämlich dicht unter
der Oberfläche des Prüflings liegende Fehlerstellen zuverlässig angezeigt werden sollen, ist der Weg des
ausgestrahlten und reflektierten Ultraschallimpulses sehr kurz, und die Zeit, innerhalb deren der Meßkopf vom
Senden auf Empfang umgesteuert werden muß, liegt in der Größenordnung von Mikrosekunden. Die Umsteuerungszeit
wird dadurch nachteilig vergrößert, daß die für den genannten Zweck bisher verwendeten Quarzkristalle
wegen ihrer geringen Masse einen geringen Energieübergang (Fehlanpassung) in die gewöhnlich aus Metall
bestehenden Prüflinge ergeben und daß die Quarze in den bekannten Meßköpfen nicht genügend rasch ausschwingen.
Vor allem aber entsteht eine unerwünschte Verzögerung der Umsteuerung dadurch, daß der an den
Schwingquarz gekoppelte Anzeigeverstärker durch einen automatischen Schwundausgleich während der Sendeperiode
heruntergeregelt werden muß, und dieser Schwundausgleich hat eine unvermeidliche Zeitkonstante,
innerhalb deren nach Abklingen des Sendeimpulses der Anzeige verstärker noch nicht funktionsfähig ist.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Vermeidung dieser Mängel den Schwingquarz in einer Fassung aus
dämpfendem Material zu haltern und die Zeitkonstante des Schwundausgleichs durch Frequenztransformation
vor dem Anzeigeverstärker herabzusetzen. Die bisher angewandten konstruktiven Mittel zur Vergrößerung der
Dämpfung sind aber ungenügend, und auch die Verringerung der erwähnten Zeitkonstante ist trotz des
erheblichen technischen Aufwandes für die Frequenztransformation nicht ausreichend, um Fehlerstellen
zuverlässig anzuzeigen, die dicht unterhalb der Oberfläche des Prüflings liegen.
Nach der Erfindung werden diese Mängel dadurch ver-Einrichtung zur zerstörungsfreien
Materialprüfung mit Ultraschall
Materialprüfung mit Ultraschall
Anmelder:
Geoffrey Bradfield, Teddington,
Middlesex (Großbritannien)
Middlesex (Großbritannien)
Vertreter: Dipl.-Ing. A. Maxton, Köln, Bismarckstr. 31,
und Dr.-Ing. R. Meldau, Harsewinkel (Westf.),
Patentanwälte
Beansprucht© Priorität:
Großbritannien vom 28. Mai 1951
Großbritannien vom 28. Mai 1951
Geoffrey Bradfield, Teddington, Middlesex
(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
mieden, daß das piezoelektrische Element in an sich bekannter Weise aus Bariumtitanat besteht und daß es
den einen Zweig einer abgeglichenen Brückenschaltung bildet, deren benachbarter Zweig durch ein das piezoelektrische
Element nachbildendes abgleichbares Netzwerk und deren andere beide Zweige durch die symmetrisch
angezapfte Sekundärwicklung des Ausgangsübertragers eines HF-Generators gebildet sind, wobei an
diese Anzapfung das Anzeigegerät angeschlossen ist.
Der Meßkopf bildet also einen Zweig einer Brückenschaltung, die nach Größe und Phase dadurch abgeglichen
wird, daß ein Netzwerk aus einstellbaren Widerständen als benachbarter Brückenzweig hinsichtlich des Impedanzverlaufs
innerhalb des Meßbereichs der Impedanz des Meßkopfes angepaßt wird, so daß das an eine Brückendiagonale angeschlossene Anzeigegerät während der
Sendeperiode praktisch spannungslos ist, ohne daß eine Regelschaltung im Anzeigeverstärker erforderlich ist.
Die Verminderung der Ausschwingzeit des Kristalls wird durch Überziehen desselben und durch Überziehen
der ihn gegen den Prüfling abschließenden Membran mit Dichtungsmaterial sowie durch die Wahl eines besonders
gestalteten und aus besonderem Material bestehenden dämpfenden Halterungsblockes erreicht, wie weiterhin
noch ausgeführt werden wird. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Inhalt der Ansprüche 2 bis 13.
609 867/203
3 4
Die Erfindung möge an Hand der in den Figuren eingeölt und dann auf einen Sitz gesetzt wird, die Koppschematisch
dargestellten Ausführungsbeispiele weiter lung selbst unter gleichbleibendem Druck sich für eine
erläutert werden. Es zeigt kurze Zeit bei der Ultraschallprobe ändert und dann
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsart gleichförmig wird. Dieser gleichbleibende Wert kann dann
eines Meßkopfes gemäß der Erfindung, während 5 zur Prüfung verwandt werden, um die Echoanzeige des
Fig. 2 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsart Risses oder der Gußblase festzustellen,
des Meßkopfes gemäß der Erfindung darstellt; Beim Einbringen des Kristalls ist größte Sorgfalt auf-
Fig. 3 zeigt schematische Wiedergabe mit einer Anord- zuwenden. Man kann etwa in der Weise vorgehen, daß
nung, wobei die Art der Schwingungen im Prüfling man die eine Seite außer mit dem Silberüberzug auch
geändert werden kann; io noch mit einem Polyvinyl-Acetat-Binder überzieht, der
Fig. 4 ist ein Schaltschema mit einem Brückenstrom- bei 190° C 1 Stunde lang behandelt wird, und einen entkreis
gemäß der Erfindung; sprechenden Überzug auch auf der Membran vorsehen.
Fig. 5 zeigt ein Schaltschema einer anderen Aus- Die beiden Teile werden dann unter einem sehr gleichführungsform
eines Stromkreises; förmig aufgebrachten Druck miteinander vereint, der für
Fig. 6 und 7 sind Schaltschemen, um klarzulegen, in 15 den oben angegebenen Durchmesser etwa 45 bis 90 kg
welcher Weise das Maß der Kopplung zwischen dem Auf- betragen möge, und dann 1 Stunde bei 190° C erhitzt,
nahmekopf und der Probe ausgewertet werden kann. In entsprechender Weise kann die Rückseite der »Haar-
Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht der Meßkopf aus einer bürsten mit unter dem Handelsnamen »Aroldit« bedünnen
Metallmembran 1, die das piezoelektrische kanntem Harz unter Anwendung eines hohen Druckes
Element schützt und es gestattet, das Element gegen die 20 am Kristall befestigt werden.
Probe durch die Membran anzudrücken, ohne ungewollte Dank der Tatsache, daß Bariumtitanat in polykristal-
Schwingungen einzuführen, die auf Echowirkung im liner Form leicht in eine nicht ebene Oberflächenform
Gehäuse selbst zurückzuführen wären. übergeführt werden kann und sich dann so polarisieren
Im Vergleich z. B. mit den bekannten Quarzkristall- läßt, daß die Polarisationsachse senkrecht zu seiner Ober-Suchgeräten
gestattet es der erfindungsgemäße Meßkopf, 35 fläche steht, kann die Anordnung nach Fig. 1 z. B. dahin
wesentlich längere und biegsamere Kabel zu benutzen. abgewandelt werden, daß eine Barium-Titanat-Scheibe von
Der Kopf besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 2, leicht zylindrischer unterer Oberfläche mit einer gebogenen
z. B. aus Stahl, das etwa in der Mitte seiner Länge eine Membran verbunden wird und durch eine ebenfalls geisolierende
Brücke 3 trägt, die über Schrauben 4 im bogene »Haarbürste« gehalten wird. Auf diese Weise
Gehäuse festgelegt ist. Das andere Ende ist durch die 30 kann die Anordnung besser an die gekrümmten Ober-Membran
1 von dünnem hochgekohltem Stahl geschlossen, flächen runder Proben angelegt werden,
die entweder mit dem Gehäuse verlötet werden kann oder Es wurde gefunden, daß verbesserte Ergebnisse dadurch
einen aufgeschraubten Klemmring 6 gehalten wird durch erhalten werden können, daß man das Barium-
und den Barium-Titanat-Schwinger gegen Kapazitäts- titanat auf solche Weise hinterlegt, daß eine zusätzliche
minderung durch etwaige Berührung mit dem Ölfilm auf 35 Dämpfung entsteht. Ein einzelner Block eines dichten
dem Prüfling schützt. Für die Benutzung bei 2V2 MHz Dämpfungsstoffes kann auf der Rückseite des Kristalls
soll eine Stärke für die Membran von 0,05 mm gewählt angeordnet werden. Indessen zeigt Fig. 2 eine besonders
werden, während für 5 MHz die Stärke 0,025 mm oder ein günstige Möglichkeit, diese Dämpfung zu erzielen. Der
wenig mehr sein möge, wobei die Stärke der Membran Kristall 21 selbst ist mit dämpfendem Werkstoff 22 verfür
1 MHz und 1I2 MHz entsprechend größer ausgelegt 40 bunden, der vorzugsweise durch eine starre oder schwere
werden muß. Auf der oberen Seite der Membran 1 wird äußere Hülle 23 gehalten ist, auf welche der Druck in der
durch ein Bindemittel ein Kristall 5 aus Bariumtitanat üblichen Weise mittels einer Schraube 24 aufgebracht
befestigt, der eine aufgebrannte, vorzugsweise doppelte werden kann, die ihrerseits in der isolierenden Brücke 25
Silberschicht aufweist. Der diesen Kristall umgebende befestigt ist; diese Brücke sitzt dann in vorbeschriebener
freie Membranring kann mit dämpfendem Werkstoff über- 45 Weise im Gehäuse 26, an dessen unterem Ende die Memzogen
sein, wodurch die Ausschwingzeit weiter ver- bran 27, mit der der Kristall 21 verbunden ist, durch
mindert wird. Der Kristall wird auf seiner Rückseite durch einen Haltering 28 gehalten ist.
eine große Anzahl dünner Hakennägel gehalten, die in Vorzugsweise soll der Stoff 22 ein spezifisches Gewicht
Spitzen 7 auslaufen und auf einer Unterlage 8 sitzen, zwischen 1, 2 und 8 haben und muß fest mit der Rückso
daß dieses Teil etwa »haarbürstenartig^ ausgebildet 50 seite des Kristalls ohne irgendwelche Lufteinschlüsse entist.
Eine im Inneren gelegene Druckschraube 9 durchsetzt weder durch unmittelbare Adhäsion oder durch einen
die isolierende Brücke 3 und liegt an dem Körper 8 an. Verbinder befestigt sein oder durch einen dünnen Öl-Das
obere Ende des Gehäuses ist z. B. durch eine Messing- oder Fettfilm od. dgl. Als geeigneten Stoff für den Körscheibe
11 verschlossen, die einen seitlich abstehenden per 22 kann man z. B. Polyvinylchlorid verwenden,
Arm 12 aufweist, welcher als Tragorgan für das biegsame 55 dessen spezifisches Gewicht und Dämpfungswirkung
koaxiale Kabel 13 dient. Die Unterseite der Messing- durch das Einlagern von gepulvertem Wolfram erhöht
scheibe weist eine Isolierscheibe 14 auf, die eine G-förmige werden kann. Die Innenfläche des äußeren Haltekörpers
Kontaktfeder 15 trägt, die mit ihrem einen Ende mit dem 23 für den Stoff 22 soll vorzugsweise eingezogen oder
Innenleiter des Koaxialkabels verbunden ist, während das stufenförmig ausgebildet sein, wie dies in der Zeichnung
andere Ende gegen die vorstehend genannte Druck- 60 dargestellt ist, wobei ein besonders günstiger Winkel etwa
schraube 9 anliegt. Für 21Z2 MHz benutzt man ein bei 48° gegenüber der Körperachse liegt. Auf diese Weise
Kristall von 1 mm Stärke und 20 mm Durchmesser, wird der Weg für die Reflektion der Energie auf einen
wobei der Durchmesser des Gehäuses etwa 32 mm sein Höchstwert gebracht, bevor die Energie reflektiert wird
möge. Wenn der Aufnahmekopf an die Probe gelegt wird, und den Kristall 21 trifft.
drückt eine von einem starren Haltearm getragene Druck- 65 So tritt eine nur geringe Störung des Wellenzuges durch
schraube axial gegen die Oberfläche der Messingscheibell. solche unerwünschten Signale ein. Man kann Einlaß- und
Wenn ein Brückenstromkreis benutzt wird, wie dies Auslaßlöcher in dem Haltestück 23 vorsehen, so daß das
nachstehend beschrieben ist, sichert der Druckarm den Dämpfungsmaterial 22 gegen den Kristall 21 unmittelbar
ständigen Kontakt, während die Brücke abgeglichen wird. im Spritzgießverfahren zur Anlage gebracht werden kann.
Die Erfahrung hat gelehrt, daß, wenn ein Aufnahmekopf 7° Eine Feder 29 kann ebenfalls vorgesehen werden, um den
Kontakt zwischen der Rückfläche des Kristalls 21 und dem Haltestück 23 zu sichern, die aber ihrerseits auch die
Rückseite des metallisierten Kristalls nahe dessen Kante berühren kann.
Der Vorzug, den Kristall mechanisch auf seiner Rückseite
zu dämpfen, ist ein doppelter. Einerseits wird die Energie so vom erregten Kristall abgelenkt, daß die
Schwingungen des letzteren schneller gedämpft werden und auf diese Weise die Ausschwingzeit vermindert wird.
Andererseits ist es auch besonders in dem Fall, wo man den Kristall benutzt, um Nahechos zu suchen, von Wichtigkeit,
daß die besondere Dämpfung bis zu einem gewissen Ausmaß alle Kopplungsänderungen zwischen dem
Kristall und der Probe unterdrückt und den genauen Abgleich der Netzelemente überflüssig macht, wo diese
benutzt werden. Die Wirkung auf die Netzelementwerte wird in der Hauptsache beschränkt auf Rm (s. unten),
das im Werte heraufgesetzt wird, während z. B. das Q des Systems vermindert wird.
In Fig. 3 ist ein Meßkopf 31 dargestellt, der etwa gemäß Fig. 1 oder 2 ausgebildet sein kann und in an sich bekannter
Weise mit einem Keil 32 von einem Werkstoff verbunden ist, durch welchen die Schwingungsart bzw. -form
verändert wird. Ein geeigneter Werkstoff ist z. B. PoIymethyl-Methacrylat.
Der Kopf und der Keil können in einem Gehäuse 33 miteinander vereint sein, und die Gesamtanordnung
kann mit der Probe in der Weise verbunden werden, daß die Grundfläche des Keils an der
Probe anliegt, etwa in gleicher Weise, wie man den Aufnahmekopf unmittelbar an die Probe anlegt, d. h. zum
Beispiel durch einen starren Arm und eine Druckschraube. Naturgemäß kann der Brückenstrom den Kontakt
zwischen dem Keil und der Probe nicht berücksichtigen.
Fig. 4 zeigt einen Brückenstromkreis gemäß der Erfindung für die Verwendung eines kombinierten Sende-
und Aufnahmekopfes 34 unter Benutzung von Bariumtitanat. Bei Anwendung dieser Brückenschaltung besteht
die Möglichkeit, als hauptsächliche Elemente einen kapazitiven und einen induktiven Widerstand in Reihe zusammen
mit einer Kapazität Ce zu verwenden. Für einen Meßkopf gemäß Fig. 1 oder 2 und für eine Messung bei
2,5 MHz besteht die Hauptkomponente der Schaltung in einem veränderlichen Kondensator Ce, der einen Bereich
von etwa 2500 bis ungefähr 3700 pF aufweisen soll. Die
Eingangsklemmen der Schaltung werden mit dem EIement Ce über ungefähr 3/4 Ohm verbunden. Parallel mit
den Eingangsklemmen der Schaltung liegt eine Reihenkombination veränderlicher Kapazitäten Cm in Reihe
mit einer veränderlichen Induktivität Lm und einem veränderlichen Widerstand Rm. Der letztere kann gegebenenfalls
parallel mit einem einstellbaren Kondensator Cmc liegen. Läßt man diesen Kondensator Cmc fort,
dann kann die Größenordnung der einzelnen Steuermittel etwa wie folgt sein: Cm — 120 bis 36OpF; Lw = IO
bis 36 μΗ; Rm = 20 bis 180 Ω. Wenn man Cmc mit einem Bereich von ungefähr 0,0003 bis 0,003 μΡ vorsieht,
dann kann der Einstellwert von Rm beträchtlich geringer sein, als oben angegeben, und der von Cm sogar noch geringer.
Die Verwendung des Kondensators Cmc hat den Vorteil, daß nur eine Einstellung nötig ist (z. B. die von
Cmc), wenn die Oberflächenbedingungen sich ändern, wobei die Änderungen sowohl von Rm als auch von Cm
nur sehr gering zu sein brauchen, vorausgesetzt, daß die Oberfläche nicht vollständig unregelmäßig ist. Weiterhin
erlaubt die Verwendung von Cmc einen besseren Ausgleich über einen größeren Frequenzbereich.
Dieses aus Widerständen von gebräuchlicher Größe aufgebaute Netzwerk ergibt eine einfache Nachbildung
des Impedanzverlaufes des Barium-Titanat-Schwingers im benötigten Frequenzbereich zwischen 2,5 und 5 MHz, so
daß ohne Anwendung einer selbsttätigen Steuerung die Sendeimpulse von der an die eine Brückendiagonale angeschlossenen
Anzeigevorrichtung ferngehalten werden.
Die ausgezeichnet hohe, praktisch reflexionsfreie elektromechanische
Kopplung von Bariumtitanat zum Prüfling erlaubt eine hervorragende Feststellung von Rissen,
Lunkern und Gußblasen durch Ultraschall selbst ohne Ausgleichsschaltungen und Brückensysteme für die Aussendung
und Aufnahme, um die Einschwingzeit des Empfangsverstärkers in einem gewöhnlichen Sender-Empfänger
zu vermindern, und zwar auf Grund des hohen Sendeimpulses; z. B. kann der Sendeimpuls bei Benutzung
eines Kopfes von 20 mm Durchmesser und 2,5 MHz unter Verwendung von Bariumtitanat gemäß Fig. 1 oder 2 in
der in Fig. 5 dargestellten Weise ausgesandt und empfangen werden, indem man den letzteren an ein Potentiometer
41 schaltet, das z. B. 500 Ω mit einer Anzapfung bei 100 Ω aufweist, wobei dieses Element vorzugsweise in
Nebenschluß zu einer Induktivität von ungefähr 1,5 nH gelegt wird, um eine zweckentsprechende Bandbreite zu
ergeben, deren Mittelwert bei 2,5 MHz liegt. Es ergibt sich hieraus ein reflektiertes Signal von einer etwa 50 mm entfernt
liegenden Grenze, das nur ungefähr 18 db unterhalb des übertragenden Impulses liegt (gemessen am Kristall).
Die unter Bezug auf Fig. 4 beschriebene Schaltung ist von größerer Bedeutung bei der Untersuchung von Rissen
oder Gußblasen, die sich nahe der Oberfläche befinden, wo es bei der Verwendung der üblichen Sender und Empfänger
nötig ist, die Einschwingzeit des Verstärkers soweit wie möglich zu verkürzen. Für Untersuchungen in großem
Abstand werden nur wenige oder gar kein Netzelement nachgestellt werden müssen, während man von einer
Meßstelle zur anderen übergeht, mit Ausnahme dort, wo es erwünscht ist, die Echoanzeige, die von der Gußblase
herrührt, zu messen.
Zum Verbessern der Bandbreite ist es bei der Messung oft von Vorteil, den Kristall in Nebenschluß mit einer
Induktivität Lee von 1,5 H (für 21J2 MHz) und diese Kombination
in Nebenschluß zu einem verhältnismäßig niedrigen Widerstand zu legen, der etwa die Größenordnung
von 40 Ohm haben möge, und entsprechend bemessene Elemente in den Netzzweig zu legen. Durch geeignetes
Auslegen des Ausgleichtransformators können die Induktivitäten bzw. die Widerstände als ein Teil des
Transformators selbst vorgesehen werden oder als ein Teil des Eingangsstromkreises.
Den Fig. 4 und 5 entsprechende Schemen können für andere Frequenzen entworfen werden, und da es naturgemäß
im allgemeinen vorzuziehen ist, den Durchmesser des Aufnahmekopfes im umgekehrten Verhältnis zur
Frequenz zu erhöhen (denn dadurch wird der Divergenzwinkel der Ausstrahlung konstant gehalten), ist in
solchen Fällen die Eichung der Meßelemente auf die neue Frequenz lediglich in der Weise durchgeführt, daß
man alle Elemente (mit Ausnahme von Rm und Re, die unverändert bleiben) im Verhältnis
alte Frequenz
neue Frequenz
vervielfacht.
vervielfacht.
Wie oben angegeben, ermöglicht es die Erfindung, das Ausmaß der Kopplung zwischen dem Aufnahmekopf und
der Probe auszuwerten. Es versteht sich, daß, abgesehen von den Vorteilen, die das Bariumtitanat hinsichtlich der
höheren Intensität und besseren Unterscheidung der Echos bietet, die Möglichkeit einen Ausgleichstromkreis
zu verwenden, welcher eine unmittelbare Anzeige der Streubedingungen geben kann und auf diese Weise die
Angabe der Größe eines Risses oder einer Gußblase ermöglicht, einen weiteren sehr beachtlichen Vorteil dar-
7 8
stellt. Die mathematische Grundlage dieser Verbesserung Auf diese Weise entsteht eine Leerlaufspannung nach
stellt sich wie folgt dar: der Formel (7) von der Größe
Unter Bezugnahme auf Fig. 6, welche das einfachste
Ersatzschaltbild für den Übertrager darstellt, ergibt eine ,p ^2 2r λ· 10~7
Eingangsspannung von Vtexp (i ω t) am (Cm—Lm)-Re- 5 Vr = PrM— g (af λ)
sonanzkreis eine Strahlungskraft Wt von der Größe r Vt\l\ " I +
1 T73
η yt vr Απα* , „, IU
(vgl. z.B. Morse, McGraw-Hill, 1948, »Vibration and Da alle diese Werte mit Ausnahme von g (af, λ) bekannt
Sound«, S. 328) und demgemäß einen Druck Ptr pro sind oder leicht gemessen werden können, kann der Wert
exp (i ω t) im Abstand r von der Achse (Fraunhofer- 15 g (af, λ) leicht erhalten werden, vorausgesetzt, daß Rm
Bereich) bei hoher Frequenz und Ce gemessen werden.
In der Praxis ist der entsprechende Stromkreis des
~ivou a2 Meßkopfes etwa so wie in Fig. 7 dargestellt. Da aber die
PiT =
— . (2) zusätzlichen Elemente bekannt oder meßbar sind, kann
r 20 trotzdem die Berechnung der Merkmale der Fehlerstelle
g (af, λ) nur mit etwas größerem Arbeitsaufwand erfolgen.
Hierin ist i = ]/—1, γ die Frequenz in Hz, ρ die Dichte, Eine Weiterentwicklung besteht darin, daß der
U0 die Anfangsgeschwindigkeit der Teilchen und α der Brückenstromkreis durch die Benutzung eines Servo-Strahlungsradius.
Ferner ist mechanismus ausgeglichen wird, der in an sich bekannter
25 Weise durch ein Signal in Tätigkeit gesetzt wird.
π Es bestehen praktische Ausführungen hierfür, in denen
Wt = -=■ Q ca2 U0 , (3) aufeinanderfolgende Impulse einer Impulsgruppe be
nutzt werden, um verschiedene Funktionen ohne gegen-
rr——— seitige Störung zu ermöglichen. Zweckmäßig wird bei
u — . I / . * j (4) 30 den im Anmeldungsgegenstand verwandten Impulsgebern
2 y π QC und Servomechanismen jeweils nur einer von mehreren
aufeinanderfolgenden Impulsen benutzt, um die Energie
worin c die mittlere Wellengeschwindigkeit darstellt. Aus für die Untersuchung der Probe zu übertragen (Sendediesem
Grunde ist impuls), und die anderen, die als »Einstellimpulse« be-
35 zeichnet werden sollen, dienen dazu, dem Servomechanis-
· · -, / mus den Empfang entsprechender Signale zu gestatten,
Ptr = ]/2 Wt ρ c π = γ- Vt \ ~S~· (5) welche die elektrischen Werte der Ersatzschaltung zur
r r λ y Km Aufrechterhaltung der Brückenabgleichung so einstellen,
daß sie der Kopplung und den Eigenschaften des Prüflings
Auf Grund des Reziprozitätsgrundsatzes besteht nun 40 entsprechen. So kann beispielsweise ein »Einstellimpuls« A
eine Beziehung zwischen dem Druck je Einheit des bei r mit langer Impulsdauer und niedriger Frequenz verzugeführten
Stromes (auf Grund der als Sender wirkenden wendet werden, als nächster ein Impuls B mit einer
Vorrichtung) und der Empfindlichkeit M (als Mikrophon) Frequenz, die ein wenig unterhalb der Resonanz liegt, als
in Volt/Dyn (bei offenem Stromkreis), so daß nächster ein langer Impuls C mit einer Frequenz, die ein
45 wenig oberhalb der Resonanz liegt, und schließlich ein
l2rXotr\ langer Impuls D mit einer Frequenz, die nahe bei der
M = I—ψ—^-J · 10-7, (6) Kristallresonanz liegt. Für A muß eine Schaltmöglichkeit
\ ·* t Q C / vorgesehen werden, um in der Hauptsache Ce (Fig. 4)
einzustellen, während die Bedingungen für B und C so
worin If der in die piezoelektrische Anordnung eingege- 50 verglichen werden müssen, daß eine Phasenverschiebung
bene Strom ist, dessen Vektor sich wie folgt errechnet: für B und C aufrechterhalten wird, wobei hauptsächlich
Lm und Cm (Fig. 4) in der Weise eingestellt werden, daß
7 die Höhe der größeren nicht ausgeglichenen Spannung in
7? 2 2—r~ä~' ^ ^en auieinan(ierfolgenden Zyklen A B C D E (E = Ver-
Km -J-O)-G6 gg suchsobjekt) leicht herabgesetzt wird, um so eine Gleich
heit mit der anderen nicht ausgeglichenen Spannung zu
Betrachtet man nun eine kleine Fehlerstelle im Ab- erzielen. Dies ist wesentlich leichter durch Anordnen von
stand r, die mit einem Druckfeld Ptr bestrahlt wird, dann Cmc und Einstellen allein dieses Wertes zu erreichen; tatstrahlt
diese auf die Strahlenquelle eine Welle zurück, sächlich kann man B und C vielfach völlig entbehren und
die dort einen Druck PT aufweist, der errechenbar ist 60 während des Impulses die Haupteinstellung (die bei
nach der Formel Fehlen von Cm durch Rm gegeben sein kann) von Cm
durchführen, wobei Cm naturgemäß vorzusehen ist,
p _ Ptr . „ ia . χ\ „, während Rm auf einen geeigneten Wert fest eingestellt
r r f ' ' wird, der durch Erfahrung für den betreffenden Werkstoff
65 festgelegt ist.
Hierin ist g eine Funktion der Abmessungen der Fehler- Es sei darauf hingewiesen, daß im allgemeinen die
stelle af, ihrer Form und Anordnung und der Wellenlänge λ Länge des Impulses während der Prüfungs- oder Unter-(für
Flüssigkeiten findet man die charakteristischen suchungsperiode E kurz bemessen sein soll und während
Merkmale dieser Funktion bei Morse, McGraw-Hill, der Einstellimpulse lang sein sollte. Es ist wünschenswert,
1948, »Vibration and Sound«, 354). 70 daß der Abgleich bei mindestens zwei verschiedenen Fre-
"V-
quenzen vorgenommen wird, wenn ein Servomechanismus benutzt wird.
Es möge erwähnt werden, daß dort, wo die Vorteile aus der besonderen Eignung des Aufnahmekopfes gemäß
der Erfindung benutzt werden, d. h. wo ein langes biegsames Kabel zwischen dem Aufnahmekopf und den
übrigen Stromkreiselementen gewählt wird, es wünschenswert ist, ein ähnliches Kabel in Reihe mit dem Abgleichstromkreis
zu schalten oder in Reihe bzw. parallel geschaltete Elemente anzuordnen, welche dieses Kabel
nachbilden. Es versteht sich weiterhin, daß der Aufnahmekopf durch irgendeinen geeigneten Röhrenkreis erregt
werden kann, so daß seine Ausgangswerte in einen geeigneten Röhrenverstärker gegeben werden können,
dessen Ausgangssignal ζ. B. an eine Kathodenstrahlröhre gelegt werden kann, die mit einer Zeitablenkung versehen
ist, welche es ermöglicht, die ausgesandten und aufgenommenen Impulse auseinanderzuhalten und die Zeitintervalle
zwischen ihnen und demgemäß die entsprechenden Abstände in der Probe zu messen.
Claims (13)
1. Einrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall, die einen piezoelektrischen
Meßkopf enthält, der abwechselnd als Sender und Empfänger geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das piezoelektrische Element in an sich bekannter Weise aus Bariumtitanat besteht und daß es den
einen Zweig einer abgeglichenen Brückenschaltung bildet, deren benachbarter Zweig durch ein das piezoelektrische
Element nachbildendes abgleichbares Netzwerk und deren andere beide Zweige durch die symmetrisch
angezapfte Sekundärwicklung des Ausgangs-Übertragers eines HF-Generators gebildet sind, wobei
an diese Anzapfung das Anzeigegerät angeschlossen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung einer an sich bekannten selbsttätigen
Abstimmvorrichtung zur Aufrechterhaltung des Brückenabgleichs während des Prüf Vorganges.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Anwendung eines an sich bekannten Servomechanismus
zur Herbeiführung des Brückenabgleichs unter Benutzung eines Signals des HF-Generators.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der zeitlich aufeinanderfolgenden
HF-Impulse, die von dem Oszillator der Brückenschaltung zugeführt werden, an die selbsttätige Abstimmvorrichtung
geschaltet ist, während jeweils nur ein Impuls aus einer Impulsfolge zur Übertragung
von Energie für die Untersuchung des Prüflings vorgesehen ist, wobei das Schaltkriterium die Dauer und
oder Frequenz der Impulse sein kann.
5. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das aus Bariumtitanat bestehende piezoelektrische Element an der dem Prüfling abgewandten Fläche
über einen Block aus gegossenem Material gehaltert ist, in das Schwermetalle, vorzugsweise Wolfram, in
pulverisierter Form eingebettet sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Block durch einen starren oder
schweren, seine freie Oberfläche umschließenden Körper fixiert ist, auf welchen der Druck zum Anpressen
des piezoelektrischen Elementes an die Probe wirkt.
7. Piezoelektrischer Meßkopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsfläche
zwischen dem Körper und dem Block stufenförmig ausgebildet ist, derart, daß der Reflexions weg der
vom piezoelektrischen Element gegen den Körper gestrahlten Energie vergrößert ist.
8. Piezoelektrischer Meßkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das piezoelektrische Element mit einer dämpfenden Schicht überzogen ist.
9. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das piezoelektrische Element gegen den Prüfling durch eine Membran abgeschlossen ist, die aus dünnem,
hochgekohltem Stahl besteht und bei Verwendung einer Prüffrequenz zwischen bzw. 2x/2 und 5 MHz
eine Stärke von bzw. 0,05 bis 0,025 mm aufweist.
10. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Membran mit dem anliegenden piezoelektrischen Element leicht zylindrisch gebogen ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Randteil der Membran zwischen
dem piezoelektrischen Element und dem Gehäuse des Meßkopfes mit einem dämpfenden Überzug versehen
ist.
12. Piezoelektrischer Aufnahmekopf mit einem Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein veränderlicher Ohmscher Widerstand in Nebenschluß zu einem veränderlichen Kondensator
liegt.
13. Einrichtung mit einem Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische
Element in Nebenschluß zu einem induktiven Widerstand gelegt ist.
In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 283 285, 2 398 701;
Electronics, Bd. 21, 1948, S. 128 bis 130.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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