DE2901818C2

DE2901818C2 - Verfahren zur Fehleranalyse in Werkstoffen mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE2901818C2
Application number: DE19792901818
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 6680 Neunkirchen Gebhardt; Volker Dr. 6600 Saarbrücken Schmitz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1979-01-18
Filing date: 1979-01-18
Publication date: 1986-02-20
Also published as: DE2901818A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verringerung des Quantisierungsfehlers. Bei mit einer durch den Quarz (42) vorgegebenen Taktfrequenz digital angesteuerten Klasse-D-Endstufe wird mit Hilfe des Speichers (45), des Multiplexers (43) und des Zählers (40) am Ausgang des Oder-Gliedes (41) ein Impuls erzeugt, welcher mit Hilfe des D-Multiplexers (44) an die als Schalter wirkenden im Gegentakt arbeitenden Transistoren (T ↓1 und T ↓2) der Gegentaktendstufe gelangt. Innerhalb einer Ansteuerperiode (a) wird durch zweimaliges Schließen der Schalter (T ↓1 bzw. T ↓2) während der Zeitdauern (b und d) eine Grob- und Feinbestimmung des Stromendwertes (i ↓L) durchgeführt. Die Erfindung ist anwendbar in Fernseh- oder Datensichtgeräten.

Description

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A b b. 2 ein Sektorbild und eine Ortskurve eines voluminösen Fehlers,

A b b. 3 ein Sektorbild und eine Ortskurve eines geneigten flächigen Fehlers,

A b b. 4 den Zusammenhang zwischen der Ortskurve und der Fehlergröße,

A b b. 5 ein Sektorbild und eine Ortskurve eine:; geneigten grc "flächigen Fehlers,

Abb.6 ein Flußdiagramm für die Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Fehlern und

Abb.7 eine zusammenfassende Tabelle bezüglich verschiedenartiger Fehler.

Zur Erzeugung eines ersten Hilfsmittels zurFehlerbestimmung wird der Schallstrahl über einen Sektor von beispielsweise 90° geschwenkt und die zurückkehrenden Echos synchron auf einem helligkeitsgesteuerten Bildschirm so aufgezeichnet, daß ein maßstabgetreues Sektorbild aufgebaut wird. Aus dem radialen Abstand ζ ergibt sich die Fehlertiefe. Aus der zeitlichen Veränderung des Fehlerechos im Sektorbild (Helligkeitsänderung, Art der Bewegung im Sektor) wird auf die Fehlerkenngrößen wie Form, Lage und Orientierung zurückgeschlossen. Als zweites Hilfsmittel wird der Verlauf der Amplitudenortskurve benutzt, bei der die Ortsabhängigkeit der Signalhöhe bei Bewegen des Prüfkopfes entlang der Oberfläche des zu prüfenden Werkstückes aufgetragen wird und die es gestattet zusätzlich zur Form, Lage und Orientierung auch die Abmessungen eines Fehlers zu bestimmen.

Die Anwendung eines phasengesteuerten Gruppenstrahlers ermöglicht es, unabhängig von der Prüfkopfposition in bezug auf die Fehlerposition den Schallstrahl elektronisch so nachzusteuern, daß die Hauptkeule stets in Richtung des Fehlers orientiert werden kann, wie es in A b b. 1 veranschaulicht ist In dieser Richtung ist die vom Fehler zurückreflektierte Signalamplitude maximal. Zeichnet man über jeder Prüfkopfposition die maximale Signalamplitude gegen die Ve-schiebung χ auf, so ergibt sich die Ortskurve des Gruppenstrahlers oder Arrays.

Diese spezielle Ortskurve hat den Vorteil, daß zu ihrer Auswertung, d. h. zur Fehlergrößenbestimmung der Verlauf der Schallkeule in unterschiedlichen Winkeln zur Hauptsache nicht bekannt zu sein braucht Die komplizierten analytischen Ausdrücke, die bei der Berechnung einer Ortskurve aufgrund der Überlagerung von Sende-, Empfangs- und Fehlercharakteristiken auftreten und ihre Invertierung nur in besonderen Fällen zulassen, entfallen bei dem hier beschriebenen Verfahren. Der Zusammenhang zwischen Fehlerkenngrößen und der Ortskurve erweist sich als außerordentlich einfach und wird in den folgenden Abschnitten an den Beispielen voluminöser, flächenhafter schrägliegender und großflächiger Reflektoren erläutert

1. Der voluminöse Reflektor

Bei der Prüfung des Werkstücks — A b b. 2 — wird der Prüfkopf parallel zur Oberfläche bewegt Wird ein Fehler vom Ultraschallbündel erfaßt, das unter eirem Sektor von ca. 90° das Werkstück absucht, so erscheint das Echo in der Sektorbilddarstellung auf dem Bildschirm (s. A b b. 2, oben). Da ein voluminöser Fehler keine eigene Richtcharakteristik besitzt, ergibt sich eine Ortskurve entsprechend der Bildmitte der A b b. 2. Das Ortskurvenmaximum ergibt sich bei einer Prüfkopfposition genau über dem Fehler, da bei dieser der Schallaufweg am geringsten ist. Im Sektorbild ist daher der Fehler am hellsten in Bildmitte. Befindet sich der Prüfkopf nicht exakt über dem Fehler, so nimmt wegen der leicht zunehmenden Entfernung Prüfkopf-Reflektor die Echohöhe leicht ab, und zwar für eine Kugel entsprechend r und für einen Zylinder entsprechend fr. Im Sektorbild wandert der Fehler nach rechts bzw. nach links, wobei geringe Intensitätsänderungen auftreten.

2. Der flächenhafte schrägliegende Reflektor

Da ein flächenhafter Reflektor eine ausgeprägte Richtcharakteristik besitzt, ergibt sich eine Ortskurve nach A b b. 3. Die Echohöhe ist maximal, wenn sich der Prüfkopf in die Position P befindet d. h„ wenn der vom Array ausgesandte Ultraschall rechtwinklig zur Fehleroberfläche in sich selbst zurückreflektiert wird. Das Ortskurvenmaximum liegt nicht mehr genau über dem Fehler, sondern es ist um die Strecke w gegenüber dem Lot auf dem Fehler verschoben. Die Länge dieser Strekke hängt von der Fehlerneigung χ ab. Diese Verschiebung stellt ein noch markanteres Kriterium für die Unterscheidung voluminös-flächenhaft dar als der geänderte Ortskurvenverlauf. Im Sektorbild wandert das Bild des Fehlers nicht mehr von links nach rechts über die Bildmitte, sondern es bewegt sich nur in einem kleineren Bereich in der einen oder anderen Sektorhälfte. Die Intensität ändert sich stark und erreicht bei der Prüfkopfposition P ihr Maximum. Die Richtung dieses Radialstrahls im Sektorbild ergibt somit unmittelbar die Schräglage des Reflektors. Mit Kenntnis der Fehlerschräglage kann nun aus der Ortskurvenbreite JB, der Ultraschallwelleniänge und der Entfernung ζ zwischen dem Fehler und der Prüfkopfposition unmittelbar die Reflektorgröße bestimmt werden.

Der Zusammenhang ist in Abb.4 wiedergegeben. Die Breite der Ortskurve kann in verschiedenen Höhen vermessen werden. Es ist dann jeweils ein anderer Faktor Ar zu berücksichtigen, der nach dem Lehrbuch Krautkrämer, J, Krautkrämer, H„ Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 3. Auflage 1975, Springer Verlag, bei 80%, 90% bzw. 95% Höhe der Signalampllitude Ar= 0,4, Ar= 0,3 bzw. A:=0,2 beträgt.

3. Der großflächige Reflektor

Da ein großflächiger Reflektor nicht nur von einer Prüfkopfposition aus, sondern über eine mehr oder weniger große Strecke vom Schallstrahl senkrecht getroffen wird, ergibt sich nach A b b. 5 eine Ortskurve mit einem ausgeprägten Plateau. Der Mittelpunkt des Plateaus ist wiederum um eine von der Fehlerschräglage a abhängige Strecke seitlich verschoben. Diese Verschiebung ist im Sektorbild konstant, der Winkel kann unmittelbar abgelesen werden. Bei Verschiebung des Prüfkopfes bleibt das Echo sehr lange im Sektorbild und wandert lediglich in Abhängigkeit von der Schräglage in radialer Richtung. Mit Kenntnis der Fehlerschräglage λ ergibt sich aus der Halbwertsbreite AB der Ortskurve die Reflektorgröße zu D=ΔΒ ■ cos x.

4. Beschreibung des Prüfvorganges

Aus den Ergebnissen von 1. bis 3. läßt sich ein einfacher Ablaufplan — s. A b b. 6 — aufstellen, wobei die Klassierungskriterien noch einmal in einer Tabelle — A b b. 7 — aufgeführt sind. Liegt das Bild des Fehlers außerhalb der Mitte des Sektorbildes, so kann es sich nicht um einen voluminösen Fehler, sondern nur um

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einen flächigen, geneigt zur Oberfläche verlaufenden Fehler handeln. Die Neigung ergibt sich bei Erreichung maximaler Helligkeit durch Ablesen des entsprechenden Radialstrahls im Sektorbild. Handelt es sich um einen großflächigen Fehler, so wird sich im Sektorbild bei 5 Bewegung des Prüfkopfes nur das Bild entlang des Radialstrahls bewegen. Handelt es sich um einen kleineren Fehler, so verändert sich das Bild des Fehlers weniger in Richtung des Radialstrahls, sondern es bewegt sich mehr von links nach rechts bzw. umgekehrt. Die Größe des großflächigen Fehlers ergibt sich nach /SB · cos λ, die Größe des kleineren flächigen Fehlers nach der Formel in Abb.4. Im Übergangsbereich zwischen flächigen und großflächigen Fehlern wird die Fehlergröße durch beide Gleichungen richtig wiedergegeben.

Liegt das Bild eines Fehlers in der Mitte des Sektorbildes, so handelt es sich um einen flächigen Fehler, der parallel zur Oberfläche verläuft, oder um einen voluminösen Fehler. Das Wandern des Echos aus der Sektormitte bei der Verschiebung des Prüfkopfes ergibt unmittelbar die Aussage, daß es sich um einen voluminösen Fehler handeln muß. Diese Aussage kann noch gestützt werden durch den flacheren Verlauf der Ortskurve. Ändert sich die Amplitude der Ortskurve stark beim Verschieben des Prüfkopfes und wandert das Echo im Sektorbild nur wenig aus der Sektormitte, dann handelt es sich um einen flächigen Fehler, der parallel zur Oberfläche verläuft. Die Fehlergröße wird dann wiederum nach der Formel aus A b b. 4 bestimmt.

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5. Anwendungsbeispiele

Die durchgeführten Versuche an ebenen und voluminösen Reflektoren haben demonstriert, daß es mit diesem Verfahren möglich ist, voluminöse Fehler wie Poren, metallische und nichtmetallische Einschlüsse von flächenhaften Fehlern wie Risse bzw. Bindefehlern in Schweißnahtflanken zu unterscheider.. Das Verfahren ist nicht beschränkt auf das Impulsechoverfahren bei senkrechter bzw. schräger Einschallung, sondern gilt uneingeschränkt auch für getrennte Anordnungen von Sender und Empfänger, wie sie z. B. in der Tandemtechnik üblich sind.

Messungen an einem flächigen Reflektor, die an einem 10 mm großen um 30° geneigten Flachbodenbohrloch in 100 mm Tiefe durchgeführt worden sind, bestätigen das in A b b. 3 aufgeführte Prinzip. Analog kann das gleiche gesagt werden von Messungen an einem voluminösen Fehler in Gestalt einer 10 mm zylindrischen Bohrung in 65 mm Tiefe, durch die die A b b. 2 exⁿerimentell bestätigt werden könnte.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

55

60

fill

65

Claims

29 Ol 818 1 2 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn- Patentansprüche: zeichnet, daß in Abhängigkeit vom Verhältnis der maximalen Amplitude der Amplitudenortskurve zur

1. Verfahren zur Fehleranalyse in Werkstoffen jeweiligen Amplitude, in welcher die Kurvenbreite mittels Ultraschall, bei dem ein Prüfkopf zum Aus- 5 dBk bestimmt wird, für ein Amplitudenv^rhältnis senden Empfangen von gebündelten Ultraschall- von 80% Jt= 0,4 für ein Amplitudenverhältnis von strahlen relativ zum Fehler auf der Werkstoffober- 90% k=0ß und für ein Amplitudenverhältnis von fläche entlang einer Prüfspur bewegt wird und bei 95% k= 0,2 beträgt

dem mit dem Prüfkopf an einer Vielzahl von Prüfkopfpositionen durch Schwenken der Keulenachsen io

des Prüfkopfes über einen Sektor bei unterschiedlichen Winkeln im Impulsechoverfahren jeweils in

einander eindeutig zugeordneten Richtungen der Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem

Senderichtungskeule und der Empfangsrichtungs- Oberbegriff des Anspruchs 1.

keule richtungsgleich eine Abtastung de» in den 15 Bei einem solchen aus der DE-OS 23 35 567 bekann-

Werkstoff eingestrahlten und von diesem reflektier- ten Verfahren wird ein Prüfkopf verwendet der einen

ten Ultraschall erfolgt wobei die zurückkehrenden Schwinger enthält, der sowohl zum Senden als auch zum

Echos synchron zum jeweiligen Winkel der Keulen- Empfangen von Ultraschallimpulsen dient Das Schwen-

achsen auf einem Bildschirm in Gestalt eines Sektor- ken der Keulenachsen, d.h. der Sendekeule und der

bildes aufgezeichnet werden, das ein maßstabsge- 20 Empfangskeule, wird bei dem bekannten Prüfkopf me-

treues helligkeitsmoduliertes akustisches Quer- chanisch durch Verschwenken eines beweglichen

schnittsbild des Werkstoffes darstellt dadurch Schuhs um eine zentrale Achse erreicht Die bei einem

gekennzeichnet, daß für jede Prüfkopfposi- bestimmten Schwenkwinkel der Keulenachsen des

tion auf der Prüfspur die während des Schwenkens Prüfkopfes erfaßten Ultraschallechos werden in Gestalt

bei der Orientierung der Keulenachsen in Fehler- 25 eines B-Bildes auf einem Bildschirm als Sektorbild dar-

richtung erhaltene maximale Echoamplitude als gestellt

Funktion der Prüfkopfposition bei der Verschiebung Neben der Sektorabtastung erfolgt bei dem bekannentlang der Prüfspur in Gestalt einer Amplituden- ten Verfahren auch eine Transferabtastung, wobei die ortskurve aufgezeichnet wird, und daß durch Aus- Horizontalbewegung des Bildes jedoch wie beim Comwerten der Kurvenform der Amplitudenortskurve 30 pound-Scan oder bei der Verbund-Abtastung kompeneine Klassifizierung der Fehler nach voluminösen siert wird, um auf dem Bilschirm ein stehendes Bild zu Fehlern bei flachverlaufender Kurve mit langsam erzeugen. Neben der kombinierten Sektor- und Transabfallenden Flanken und nach flächigen Fehlern bei ferabtastung ist beim Stand der Technik auch eine reine steil abfallenden Flanken durchgeführt wird. Sektorabtastung möglich.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 35 Das bekannte Verfahren gestattet lediglich eine Fehzeichnet daß als Prüfkopf ein Gruppenstrahler ver- leranalyse aufgrund des auf dem Bildschirm dargestellwendet wird. ten Sektorbildes, die wegen der rein optischen Auswer-

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch tung mit mehreren Unwägbarkeiten behaftet ist
gekennzeichnet daß beim Auftreten des Maximums Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der der Amplitudenortskurve aus dem der dann vorhan- 40 Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur denen Prüfkopfposition zugeordneten maßstabsge- Fehleranalyse zu schaffen, das eine zuverlässige Untertreuen Sektorbild der Abstand ζ zwischen dem Prüf- scheidung zwischen rißartigen und voluminösen Fehkopf und dem Fehler sowie der Winkel <x zwischen lern gestattet.

dem einer zur Werkstoffoberfläche lotrechten Ein- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die

schallung zugeordneten Radialstrahl des Sektorbil- 45 kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst,

des und dem in Richtung des Fehlers weisenden Ra- Die Auswertung der Amplitudenortskurve gestattet

dialstrahl des Sektorbildes herausgemessen wird. es, auf einfache Art und Weise eine Klassifizierung der

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn- Fehler in rißartige oder flächige Fehler und voluminöse zeichnet, daß bei einem sich durch ein flaches Maxi- Fehler durchzuführen. Die bei den Sektorabtastungen mum der Amplitudenortskurve auszeichnenden 50 aus den verschiedenen Richtungen eintreffenden Ultra-Fehler die Fehlergröße D durch die Formel schallechos werden miteinander verglichen, um die

Echoamplitude des Echos mit der maximalen Amplitude

D=JB · cos λ zu bestimmen. Diese maximale Echoamplitude wird je

weils der Prüfkopfposition zugeordnet. Dabei wird

bestimmt wird, wobei ΔΒ die Halbwertsbreite der 55 durch Verschieben der Prüfkopfposition eine Amplitu-Amplitudenortskurve ist. denortskurve generiert, deren Kurvenform die einfache

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn- und schnelle Klassifizierung eines Fehlers gestattet,
zeichnet, daß bei einem sich durch ein ausgeprägtes Die Schräglage von flächigen Fehlern wird durch Maximum der Amplitudenortskurve auszeichnen- Auswerten des maßstabsgetreuen Sektorbildes ermitden Fehler die Fehlergröße D durch die Formel 60 telt. Auch der radiale Abstand des Fehlers vom Prüf kopf

ergibt sich aus einer Auswertung des Sektorbildes. Nach

2 ■ k ■ λ · ζ Kenntnis dieser Größen ist es möglich, aus der Breite

AB cos α des Maximums der Amplitudenortskurve die Fehlergrö-

' ' - * · ■ -· ■ ße zu berechnen.

bestimmt wird, wobei λ die verwendete Ultraschall- 65 Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeich-

wellenlänge, k ein Korrekturfaktor und JBk die in nung näher erläutert. Es zeigt

einer von k abhängigen Amplitudenhöhe gemessene A b b. 1 eine Ortskurve der maximalen Signalamplitu-

Kurvenbreite der AniDÜtudenortskurve ist. den,