-
Verfahren zur Messung der Wanddickentoleranz an Blechen od. dgl. mit
Ultraschallimpulsen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der
Wanddickentoleranz an Blechen od. dgl. mit Ultraschallimpulsen durch Überwachung
des Laufzeit ab standes zwischen Eintrittsechosignal und Rückwandechosignal sowie
Vergleich mit einer den Wanddickentoleranzbereich bestimmenden, einstellbaren Blende,
wobei die Echosignale über eine Koinzidenzstufe auf die Anzeigestufe eines Monitors
gelangen, dem eine Multivibratorstufe zur Absonderung des Eintrittsechosignals zugeordnet
ist.
-
Die Wanddickenbestimmung an Blechen bzw.
-
Rohren und anderen, nur einseitig zugänglichen Körpern mit Ultraschallimpulsen
gewinnt eine zunehmende Bedeutung. Besonders die Verfahren zur automatischen Auswertung
der Meßergebnisse, die von der Aufmerksamkeit der prüfenden Person unabhängig sind,
ermöglichen eine rationelle Wanddickenkontrolle an Massenerzeugnissen wie Blechen.
-
So ist z. B. ein Verfahren bekannt das die Frequenz der Mehrfachechofolge
benutzt und nur feststellt, in welchem Sinne sie von einer voreingestellten Frequenz
abweicht. Dabei ist eine Mehrfachechofolge erforderlich, die sich jedoch bei Prüflingen
mit rauher, z. B. korrodierter Oberfläche häufig nicht genügend klar ausbildet.
Es ist daher vorteilhafter, Verfahren zu benutzen, die nur ein Rückwandecho benötigen.
-
Zu diesem Zweck sind vorwiegend zwei Verfahren bekannt, nämlich die
Messung mit SE-Prüfkopf (getrennter Schallsender und Empfänger) und das Tauchtechnik-Verfahren
mit nur einem Prüfkopf als Sender und Empfänger. Diese beiden bekannten Verfahren
sind an Hand der Fig. 1 bis 5 erläutert. Es zeigt Fig. 1 den Schallweg zwischen
den Prüfköpfen und dem Prüfling bei Verwendung eines getrennten Schallsenders und
eines getrennten Schallempfängers beim SE-Verfahren, Fig.2 eine zugehörige Darstellung
der Impulsamplituden in Abhängigkeit von der Laufzeit auf einem Leuchtbildschirm,
F i g. 3 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung mit einer Hilfskapazität zur
Aufnahme und Weiterleitung des Eintrittsechos, Fig. 4 die prinzipielle Anordnung
von Prüfkopf und Prüfling beim Tauchtechnikverfahren, F i g. 5 die der F i g. 4
entsprechende Darstellung der Impulsamplituden auf einem Leuchtbildschirm, in Abhängigkeit
von der Laufzeit.
-
Bei dem bekannten SE-Verfahren gemäß Fig. 1 bis 3 wird vom Schallsender
1 ein kurzer Schallimpuls ausgesendet und gelangt über eine Vorlauf-
strecke 3, einen
Prüfling 6 und eine weitere Vorlaufstrecke 4 zum Schallempfänger 2. Den Kontakt
zwischen Prüfkopf und Prüfling stellt eine dünne Flüssigkeitsschicht 5 her. Auf
dem Leuchtschirm des Impuls-Echo-Gerätes wird der Zeitpunkt des Schallaussendens
durch den Sendeimpuls 7, die Rückkehr des Echos zum Empfänger durch das Rückwandecho
9 markiert. Sind die Längen der Vorlaufstrecken 3 und 4 sowie deren Schallgeschwindigkeit
wie auch die Schallgeschwindigkeit im Prüfling 6 bekannt, so kann der Zeitmaßstab
auf dem Schirmbild durch Testkörper geeicht und aus dem Abstand Sendeimpuls 7-Rückwandecho
9 die Wandstärke des Prüflings abgelesen werden. Eine Erleichterung der Ablesung
kann dadurch geschaffen werden, daß man den Zeitpunkt des Schallübertritts aus der
Vorlaufstrecke 3 in den Prüfling 6 durch ein künstliches Eintrittsecho 10 sichtbar
macht. Dies kann beispielsweise nach Fig. 3 dadurch geschehen, daß der am Ende der
Vorlaufstrecke 3 reflektierte Anteil des Schallimpulses, der zum Sender 1 zurückgeworfen
wird, von diesem Sender wieder empfangen und über eine Hilfskapazitätll zum Empfangskanal
geleitet wird. Die richtige Markierung des Schalleintrittspunktes erfolgt allerdings
nur dann, wenn die Vorlaufstrecken 3 und 4 gleiche Schallaufzeit aufweisen, z.B.
gleiches Material und gleiche Länge haben.
-
Bei Verwendung des Verfahrens mit künstlichem Eintrittsecho ergibt
sich die Wandstärke des Prüflings aus dem Abstand der Echos 10 und 9 auf dem Leuchtbildschirm
(Fig. 2). Das bekannte SE-Verfahren hat den Nachteil, daß die Dicke des Ankopplungsspaltes
5, die sich stets ändern kann, mit in die Messung eingeht, so daß nur durch besonders
saubere Prüfkopfführung Messungen von erwünschter Genauigkeit erzielt werden können.
Soweit es das Auflösungsvermögen
des benutzten Impuls-Echo-Gerätes
zuläßt, gibt man deshalb meist dem Tauchtechnik-Verfahren den Vorzug.
-
Bei dem bekannten Tauchtechnikverfahren gemäß Fig. 4 und 5 wirkt
der Prüfkopf 1 als Sender und Empfänger für Schallimpulse. Der Schall gelangt über
eine Vorlaufstrecke 3 a (meist Wasser) zur Vorderseite des Prüflings 6, wird dort
teilweise reflektiert und erzeugt nach Rückkehr zum Prüfkopf 1 das Eintrittsecho
10. Der durchgelassene Anteil wird an der Rückseite des Prüflings 6 reflektiert
und erzeugt so das Rückwandecho 9. Der Abstand Eintrittsecho lFRückwandecho 9 ergibt
die Prüflingsdicke.
-
Das Tauchtechnikverfahren ist aber nicht überall ausführbar und ist
operativ aufwendiger, z. B. müssen die Prüflinge in einem recht geräumigen Tauchbad
aufgenommen werden.
-
Es ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem die Unterschreitung
einer vorgegebenen Solldicke des Prüflings 6 durch Anwendung eines Monitors (Toleranzanzeiger)
automatisch angezeigt wird. Dazu wird eine vom Monitor erzeugte Blende 8 (F i g.
2 und 5) so eingestellt, daß die Rückflanke der Blende unmittelbar vor der Stelle
steht, an der ein Rückwandecho von einem Prüfling 6 erscheint, der die zulässige
Mindestwandstärke aufweist. Dann fallen nur die Rückwaadechos von dünneren Prüflingen
in die Blende und werden vom Monitor automatisch signalisiert. Weiter sind auch
Verfahren bekannt, bei denen der Blendenanfang durch das Eintrittsecho festgelegt
wird, so daß Schwankungen der Länge der Vorlaufstrecke 3 automatisch ausgeglichen
werden.
-
Diesen Verfahren haftet der Nachteil an, daß die Dicke, d. h. die
Schallaufzeit des Prüflings 6, mit einer elektronisch erzeugten Zeitspanne der Blende
8 (Rechteckspannungszug) verglichen wird, wobei deren Länge jedoch zwangläufig von
Betriebsspannung, Temperatur und Alterung von Bauelementen abhängig ist, so daß
die Meßgenauigkeit begrenzt ist.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Meßgenauigkeit gegenüber den bekannten
Verfahren erhöht ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrischen
Impuls signale des Eintrittsechos in der Multivibratorstufe in zwei Signalzweige
aufgespalten werden, von denen die Impulssignale des ersten Signalzweiges in einer
Impulsverzögerungsstrecke um eine vorbestimmte, aber konstante Laufzeit verzögert
werden und als Öffnungssignale für eine Blendenstufe dienen, während die Impulssignale
des zweiten Signalzweiges in einem Schallsender in Ultraschallimpulse umgewandelt
und diese in einer Ultraschallverzögerungsstrecke um eine vorbestimmte, aber veränderbare
Laufzeit verzögert und dann in elektrische Impulssignale umgewandelt werden, die
als Schließsignale für die Blendenstufe benutzt werden.
-
Auf diese Weise ist der zeitliche Abstand zwischen dem Eintrittsecho
und dem Ende der Blende nur noch von der Schallaufzeit (Länge und Schallgeschwindigkeit)
einer zweiten Verzögerungsstrecke in einem zweiten Signalzweig abhängig. Durch das
erfindungsgemäße Verfahren wird die Laufzeit des Schallimpulse im Prüfling nicht
mit einer Blende verglichen, sondern mit der Schallaufzeit in einer Ultraschallverzögerungsstrecke,
so daß man unabhängig von der Betriebsspannung und von der Tem-
peratur und Alterung
der Bauelemente der Blende ist, und damit die Meßgenauigkeit wesentlich verbessert
ist.
-
Die Verzögerungsstrecke ist entsprechend der zu messenden Dicke relativ
leicht veränderbar, indem sie z. B. aus auswechselbaren Metallstücken, z. B.
-
Zylindern verschiedener Dicke besteht, die von den Betriebsbedingungen
weitgehend unabhängig sind.
-
Vorteilhafterweise wird die Vergrößerungsstrecke aus dem gleichen
Material wie der Prüfling hergestellt, so daß in diesem Fall wegen der Gleichheit
der Schallgeschwindigkeit ein direkter, vereinfachter Dickenvergleich möglich ist.
-
Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand der F i g. 6 bis 8 veranschaulicht.
Es zeigt F i g. 6 ein Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fit;. 7 die verwendete Torschaltung, Fig. 8 eine Verzögerungsstrecke aus piezoelektrischem
Material mit besonderer Anordnung der Elektroden.
-
Einem Ultraschallimpuls-Echogerät 12 üblicher Bauart werden die Echosignale
entnommen und gelangen über eine Koinzidenzstufe 21 auf die Anzeigestufe 22 eines
normalen Monitors. Der Monitor enthält einen meist bistabilen Multivibrator mit
einer Multivibratorstufe 13 zur Absonderung des Eintrittsechosl0. Seine Blendenstufe
20 ist eine Torschaltung mit getrenntem Eingang für das Öffnungs-und das Schließsignal
(Sperrsignal). Mit der Öffnung der Torschaltung wird auch die Koinzidenzstufe 21
für die Weiterleitung der Echosignale an die Anzeigestufe 22 geöffnet, während die
Koinzidenzstufe 21 die Echosignale in der übrigen Zeit sperrt. Als Offnungsimpuls
für die Blendenstufe 20 dient das durch die Multivibratorstufe 13 ausgesonderte
Eintrittsecho 10 (vgl. Fig.2 und 5), das über eine erste Impulsverzögerungsstrecke
15 (erstes Impulssignal I) zur Blendenstufe20 gelangt. Die Verzögerungszeit der
Impulsverzögerungsstrecke 15 (z. B. ein elektrisches Verzögerungskabel) ist mindestens
so groß wie die Breite des Eintrittsechos 10, so daß das Eintrittsecho selbst durch
die noch gesperrte Koinzidenzstufe 21 nicht durchgelassen wird. Zur Gewinnung des
Schließsignals für die Blendenstufe 20 wird das ausgesonderte Eintrittsechosignal
der Multivibratorstufe 13 abgezweigt (zweites Impulssignal II), gegebenenfalls über
eine Verstärkerstufe 14 verstärkt und einem Schallsender 16 zugeführt, der beispielsweise
aus einer piezoelektrischen Kristallplatte bestehen kann.
-
Der erzeugte Ultraschallimpuls gelangt über eine zweite Ultraschallverzögerungsstrecke
17 zum Schallempfänger 18, beispielsweise ebenfalls einer Piezoplatte, und wird
dort in ein elektrisches Impulssignal (drittes Signal III) umgewandelt. Dieses wird
bei Bedarf in einen Empfänger-Verstärkter 19 so weit verstärkt, daß es die Blendenstufe
20 schließen kann.
-
Die Torschaltung zur Blendenerzeugung in der Blendenstufe 20 kann
eine bekannte bistabile Multivibrator-Schaltung sein, wie sie z. B. in F i g. 7
gezeigt ist.
-
Die Funktion des Senders 16, der Ultraschallverzögerungsstrecke 17
und des Empfängers 18 läßt sich auch in einer Einheit vereinigen, wenn man die Ultraschallverzögerungsstrecke
17 aus einem piezoelektrischen Material herstellt, z. B. aus Quarz, und entsprechend
F i g. 8 mit Elektroden 23, 24 und 25 versieht. Das Sendesignal erzeugt dann zwischen
den Elektroden 23 und 25 ein elektrisches Feld, welches
Schallwellen
im Piezomaterial hervorruft, die zur Elektrode 24 laufen und dort durch den inversen
Effekt ein elektrisches Signal als Empfangssignal hervorrufen. Analoge Verzögerungsstrecken
aus magnetostriktivem Material erhält man, wenn statt der Elektroden Spulen verwendet
werden.
-
Eine weitere Abwandlung gestattet das Einsparen der Impulsverzögerungsstrecke
15. Hierzu wird die Verzögerungsstrecke 17 durch eine weitere Elektrode bzw. Spule
angezapft. Das Meßverfahren wird in diesem Fall so ausgeführt, daß die elektrischen
Impulssignale des Eintrittsechos, bevor sie zwecks Vergleichs in zwei Zweige aufgeteilt
werden, zuerst in Ultraschallimpulse umgewandelt und die Ultraschallimpulse in einen
ersten und einen zweiten Ultraschallzweig aufgespalten werden, und dann ihre Folgeimpulse,
nämlich die vierten (auf der Zeichnung nicht angegeben) und die dritten (Fig.6)
Impulssignale als Öffnungs- bzw. Schließsignale verwendet werden.