DE2905014A1

DE2905014A1 - Vorrichtung zur qualitaetskontrolle eines rohrfoermigen teiles mittels ultraschall

Info

Publication number: DE2905014A1
Application number: DE19792905014
Authority: DE
Inventors: Jean-Perre Dufayet; Raymond Gambin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1978-02-10
Filing date: 1979-02-09
Publication date: 1979-08-30
Also published as: SE7901118L; BE874038A; IT7967286A0; JPS54119982A; GB2014311A; NL7900998A; FR2417104B1; FR2417104A1; ES477568A1

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DIPL-'i-iCi

H. KINKELDEY

Da-ΐΝα

2905014 ^w· STOCKMAlR

OR-ING ■ AeE'CAtTECM)

K. SCHUMANN

DR RER MAT OtPL PHYS

5" P. H. JAKOB

G. BEZOLD

DR. RERNAT- DIFL-CHSM.

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

P 13 535-

Vorrichtung zur Qualitätskontrolle eines rohrförmigen Teiles mittels Ultraschall.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Qualitätskontrolle eines rohrförmigen Teiles mittels Ultraschalls.

Genauer gesagt, "betrifft die-vorliegende Erfindung eine Ultraschallvorrichtung, mit der ununterbrochen Fehler festgestellt werden können, die bei einem rohrförmigen Teil auftreten können, wobei dieses Feststellen mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden Weg, einem sich in Querrichtung erstreckenden Weg oder gleichzeitig durch sich in Längsrichtung und in Querrichtung erstreckende Wege vorgenommen wird, um· die möglichen Fehlerarten nachzuweisen bzw. festzustellen.

Noch genauer ausgedrückt, betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, bei der die Nachweis einrichtung oder

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Fachweiseinrichtungsanordnung, sei es "bei einem sich in Längsrichtung erstreckenden Weg oder bei einem sich in Querrichtung erstreckenden Weg, einen Ultraschall- > wandler aufweist, dessen aktive Fläche senkrecht zur Achse des Hohres verläuft und einem Spiegel zugeordnet ist, welcher die Ultraschallwellen oder die Ultraschallbündel zur Eöhre mit einem konstanten, für die Messungen geeigneten Einfall reflektiert. Ferner, wie es "bekannt ist, ist die Gesamtheit der Vorrichtung in einem Becken eingetaucht, welches eine Flüssigkeit zur akustischen Kopplung enthält, die den Sender-Empfänger-Ultraschallwandler, das zu untersuchende Teil und natürlich auch den verwandten Ultraschallspiegel verbindet.

Zum bessern Verständnis der mit der Kontrolle mittels Ultraschall von rohrförmigen Teilen verbundenen theoretischen Probleme wird besonders auf die FR-PS 7 34-6 384 verwiesen, welche im Namen des Anmelders am 26. Dezember 1973 angemeldet woiden ist.

Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, die zum einen Nachweiseinrichtungen mit einem sich in Querrichtung erstreckenden V/eg und zum anderen eine Nachweiseinrichtung mit sich in Längsrichtung erstreckendem Weg umfassen. Diese Einrichtungen weisen einen Sender-Empfänger-Ultraschallwandler , dessen aktive Fläche senkrecht zur Achse einer zu untersuchenden Röhre angeordnet ist, und einen in Abhängigkeit von der Nachweisart konischen oder spiralförmigen Spiegel auf. Man verschiebt die Röhre längs ihrer Achse um aufeinanderfolgend ihre gesamte Länge zu untersuchen. Jedoch weist diese Vorrichtung für die zwei Meßarten zwei typische Hauptnachteile auf. Einerseits stellt man eine bedeutende Dispersion bei der für einen Fehler charakteristischen Signalamplitude in Abhängig-

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η _

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keit von der Winkelstellung dieses Fehlers in Bezug zum Spiegel fest. Man hat "bei dieser Art von Vorrichtung im Falle des Nachweises von transversalen Fehlern Schwankungen der Amplitude in der Größenordnung von - 20 ^:/o in Bezug auf den Mittelwert nachgewiesen. Im Falle des -Nachweises von sich in Längsrichtung erstreckenden Fehlern sind die Schwankungen der Amplitude in Bezug auf den Mittelwert noch stärker ausgeprägt und in der Größenordnung von ± 45 %.

Andererseits ist der aufgenommene Untergrund im Verhältnis zu der Amplitude der charakteristischen Signale des Fehlers sehr stark ausgeprägt. Beispielsweise liegt im Falle des Nachweises von transversalen Fehlern bei einem Fehler von 60 Mikron Tiefe, das Signal-Untergrundveihältnis im Mittel in der Größenordnung von 2. Ein Fehler, dessen Tiefe in der Größenordnung von 30 Mikron liegt, entspräche infolgedessen einem charakteristischen Signal, welches praktisch mit dem Untergrund vermischt ist. Im Falle des Nachweises von sich in Längsrichtung erstreckenden Fehlern, d.h. "bei einer mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden Weg arbeitenden Vorrichtung liegt das mittlere Signal-Untergrundverhältnis bei 4. Daher liegt die Nachweis grenze praktisch im günstigsten Fall "bei einem Fehler von 15 Mikron Tiefe.

Man sieht daher, daß diese Art von herkömmlicher Vorrichtung Grenzen aufweist, die sich aus einer bedeutenden Streuung der Kontrollergebnisse und dem Vorliegen eines relativ starken Untergrundes ergeben, wodurch die Empfindlichkeit für kleine Fehler verringert wird.

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-s- 2905Q-U

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb gerade die Zielsetzung zugrunde, eine Vorrichtung zur Qualitätskontrolle einer Röhre oder eines rohrförmigen Teiles mittels Ultraschall zu schaffen, mit der unter Verwendung derselben Grundtechnik eine sehr gute Reproduaierbarkeit der Signale erhalten werden kann, wie auch immer die Winkellage der Fehler ist, und mit welcher andererseits sehr stark das Signal-Untergrundverhältnis verbessert werden kann.

Die Vorrichtung zur Qualitätskontrolle eines rohrförmigen Teiles mittels Ultraschalls, mit einem. Becken, welches mit einer Flüssigkeit zur- akustischen Kopplung gefüllt ist, mit Mitteln zum Führen und zum Verschieben des rohrförmigen Teiles längs seiner Achse XX', mit wenigstens einem ringförmigen Sender-Empfänger-Ultraschallwandler mit der Achse XX¹, der eine aktive, ebene Fläche aufweist, welche einem UItraschallspiegel mit der Achse XX' zugewandt ist, der das rohrförmige Teil umgibt und geeignet ist, das Ultraschallbündel, welches von dem zugeordneten Wandler ausgesendet wird, auf die Wandung der Röhre mit einem in Bezug auf diese Wandung konstanten Einfallswinkel zu reflektieren, zeichnet sich dadurch aus, daß der Wandler und der Ultraschallspiegel fest angeordnet.sind, daß die aktive Fläche des oder der Ultraschallwandler mindestens in zwei unabhängige, aktive Sektoren aufgeteilt ist, und daß die Vorrichtung Mittel aufweist, um zeitlich aufeinander folgend zyklisch die Sektoren der aktiven Fläche des oder der Wandler zu erregen.

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Es wird darauf hingewiesen, daß sich gemäß der Erfindung kein sich drehendes Teil in den Becken befindet, wodurch jegliche Bewegung der Kopplungsflüssigkeit ausgeschlossen wird. Das einzige sich in Bewegung "befindende Teil ist die zu kontrollierende Röhre; jedoch ist ihre Verschiebung relativ langsam.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung einerseits eine Kontrolleinrichtung mit sich in Querrichtung erstreckendem Weg und andererseits eine Kontrolleinrichtung mit sich in Längsrichtung erstreckendem Weg auf.

Jedenfalls wird die Erfindung besser bein Lesen der folgenden Beschreibung verstanden, in der mehrere Aus~ führungsformen der Erfindung in beispielhafter und nicht einschränkender Weise angegeben sind. Die Beschreibung bezieht sich auf die anliegenden Figuren, von denen zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Beckens zur Ultraschallkontrolle nach der Erfindung ,wobei die linke Hälfte eine Kontrolleinrichtung mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden Weg und die rechte Hälfte eine Kontrolleinrichtung mit einem sich in Querrichtung erstreckenden Weg darstellt,

IPig. 2a- Ausführungsformen des Wandlers zur Kontrolle

2d mittels eines sich in Querrichtung erstreckenden VJe ge s,

Fig. 3a- Ausführungsformen des Wandlers zur Kontrolle mit-3c tels eines sich in Längsrichtung erstreckenden Weges,

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~ ^Λ0 - 29Q50U

Pig. 4 ein Ausführungs"beispiel der elektronischen Steuerschaltung für die der verschiedenen, aktiv en Sektoren eines Ultraschallwandlers, und

Fig. 5 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der elektronischen Steuerschaltung.

In Fig. 1 ist im Längsschnitt die Gesamtheit der Vorrichtung zur Qualitätskontrolle einer Röhre mittels Ultraschalls gemäß der Erfindung dargestellt.

Die Vorrichtung weist zunächst ein Becken 2 auf, welches an jedem seiner Enden mit einer überlaufeinrichtung 4 ausgerüstet ist, wodurch die Oberfläche der das Becken füllenden Kopplungsflüssigkeit auf einem konstanten Pegel 6 gehalten werden kann. Natürlich ist zur Vervollständigung eine Leitung zum kontinuierlichen Füllen des. Beckens mit Kopplungsflüssigkeit vorgesehen. Diese Leitung ist in der Fig 1 nicht dargestellt. Diesbezüglich wird auf die FH-PS 2 088 972 mit dem Titel " Einrichtung zur Kontrolle durch Ultraschall " verwiesen, welche im Kamen der Anmelderin am 30. April 1970 angemeldet worden ist.

Im Inneren des Beckens 2 befindet sich eine Mittelstütze 8, welche mit einer Bohrung 9 in Richtung der horizontalen Achse XX' durchbohrt ist» Die Stütze 8 kann entfernt werden und wird auf zwei Zapfen (diese sind nicht dargeste.lt) positioniert, welche am Boden des Beckens 2 befestigt sind. In der Bohrung 9 wird die Stütze 16" des konischen Spiegels 16 angeordnet. Die Stütze 16' weist selbst eine Bohrung auf, in der die Stütze 18' des spiralförmigen Spiegels 18 angeordnet ist. Die Teile 16* und 18' sind mit einer

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Bohrung 10 durchbohrt, welche mit einer ]?ührungstauffe 12 versehen ist, die mit einer sehr großen Genauigkeit "bearbeitet worden ist, um das Rohr 14- führen, dessen Qualität kontrolliert werden soll. Beispielsx-ieise "besteht das Rohr 14 aus einem nicht rostenden Stahl vom Typ 316 und weist einen äußeren Durchmesser von 8 mm und eine Dicke von 0,6 mm auf.

Der konische Spiegel hat beispielsweise einen Bogenscheitelwinkel von 61°30'. Die Mittelstütze 8 trennt zwei Teile des Beckens voneinander, welche mit A bzw. B bezeichnet sind. Jedes Teil A und B weist eine Stütze 20a bzw. 20b für einen Ultraschallwandler 22a bzw. 22b auf, der gelenkartig in der Stütze 20a bzw. 20b befestigt ist. Diese Wandler sind nach der Erfindung mit mehreren, aktiven, nebeneinander liegenden Sektoren ausgebildet, die beim Senden und beim Smpfang getrennt erregt werden können, wodurch somit eine Überdeckung verwirklicht wird. Die Wandler bestehen aus einem piezoelektrischen Material bekannter Art, wie z.B. aus Bariumtitanat. Buren eine Stellschraube 24a (24b) wird sichergestellt, daß die aktive Fläche 26a (26b) des Wandlers 3ehr genau senkrecht zur Achse XX¹ ist. Ferner weist die Stütze 20a bzw. 20b ein Führungslager 28a bzw. 28b für das Rohr 14 auf. Die Gesamtheit der lager 12, 28a und 28b stellt eine sehr genaue Zentrierung des Rohres 14 längs der Achse XX¹ sicher. Ferner ist diese Zentrierung in Bezug auf die Spiegel 16 und 18 und die Ultraschallwandler 22a und 22b sichergesta.lt. Es wird übrigens darauf hingewiesen, daß die Stützen 20a und 20b auf Laufschienen 30a und 30b gleiten können und daß man den Abstand zwischen, dem Ultraschallwandler 22a und dem Spiegel 18 ebenso wie den Abstand zwischen dem Wandlsr 22b und dem Spiegel 16 durch Betätigung der Schrauben 33^a ^⁰^ 33ΐ> einstellen kann.

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Die Lippen 32a und 32"b erlauben schließlich die Durchbohrungen 34a und 34b abzudichten bzw. zu überdecken, die in den Wänden des Beckens vorgesehen sind und den Durchgang des Rohres 14 gestatten. Man sieht, daß bei Abwesenheit des Rohres diese Lippen eine gewisse Dichtigkeit sicherstellen und daß in Gegenwart des Rohres diese Lippen eine stärkere Dichtigkeit sicherstellen, die den Pegel der Kopplungsflüssigkeit aufrecht erhält. Ferner weist die Vorrichtung in bekannter Weise nicht dargestellte Mittel auf, um das Rohr 14 mit einer genau bestimmten Verschiebungsgeschwindigkeit zu verschieben.

Wie es bereits erwähnt worden ist, erlaubt diese Vorrichtung in Bezug auf den Teil A des Beckens auf das Rohr ein Ultraschallbündel Ay zu schicken, welches auf dem Rohr 14 in zu der Achse XX' des Rohres senkrechten Ebenen unter einem genau bestimmten Einfallswinkel in Bezug auf die Wandung des Rohres auftrifft.

Die bereits beschriebene Vorrichtung ermöglicht, daß im Teil B ein Ultraschallbündel Ap auf das Rohr gesandt wird, welches das Rohr 14 unter einem Einfallswinkel i in Bezug auf die Achse XX¹ des Rohres beaufschlagt, wobei dieser Einfallswinkel für jeden Strahl des Bündels in einer Ebene liegt, die die Achse des Rohres enthält.

Die Kontrollvorgänge sind in der bereits genannten französischen Patentschrift beschrieben.

Man muß von nun an darauf achten, daß die vorausgehende Beschreibung eine vollständige Ausführungsform der Vorrichtung zur Qualitätskontrolle eines Rohres 14 mittels Ultraschall betrifft, wobei die Kontrolle in dem Teil A

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ü"ber einen sich, in Längsrichtung erstreckenden Weg und in dem Teil B über einen sich in Querrrichtung erstreckenden Weg erfolgt. Es ergibt sich, von selbst, daß die Erfindung ebenso eine Vorrichtung betrifft, welche nur Kontrolleinrichtungen für einen sich in Längsrichtung erstreckenden Weg oder Kontrolleinrichtungen für einen sich in Querrichtung erstreckenden Weg umfaßt. Man sieht,daß im ersten Fall die zweite senkrechte.Wand des Beckens 2 durch die Mittelstütze 8 festgelegt wird und daß die Vorrichtung nur den Abschnitt bzxtf. das Teil A umfaßt, während im zweiten lall die zweite Wand in gleicher Weise durch die Mittelstütze 8 festgelegt wird und die Vorrichtung nur das Teil bzw. den Abschnitt B des Beckens umfaßt»

Im Teil A des Beckens, der einer Kontrolle mittels eines sich in Längsrichtung erstreckenden Weges entspricht, ist der Ultraschallspiegel 18 spiralförmig. Dieser spiralförmige Spiegel, dessen Form durch Kreis-Slvolventen definiert ist, wurde schon im einzelnen in der französischen Patentanmeldung Nr. 73 4-6384- beschrieben, welche im Namen des Anmelders am 26. Dezember 1973 hinterlegt worden ist.

In den Fig. 2a - 2d sind vier Ausführungsformen der aktiven, in Sektoren aufgeteilten Fläche der Ebene des Ultraschallwandlers 16 dargestellt. In der Fig. 2a ist die aktive Oberfläche des Ultraschallwandlers in vier voneinander unabhängige Sektoren in der Form eines Kreisringes aufgeteilt, wobei jeder einen Mittelpunktsvrinke 1 von 90° aufweist. Diese Sektoren sind mit D_x,, Dp, D₇, bzw. D^. bezeichnet. Eine elektronische Erregungseinrichtung dieser vier Sektoren,soweit der Sendeaspekt des Wandlers betroffen ist, gestattet,die vier Sektoren nacheinander mit zeitlichem Abstand zu erregen. Diese elektronische Schaltungsanordnung

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wird anderweitig "beschrieben. Man erhält daher eine Überdeckung der Gesamtheit des Ultraschallbündels, welches das Rohr "beim Kontrollmodus mittels eines sich in Querrichtung erstreckenden Weges "beaufschlagt. In der Fig. 2d ist ein Wandler der gleichen Art, wie derjenige der Fig. 2a dargestellt, jedoch weist er acht verschiedene Sektoren auf, die mit D^-Bq bezeichnet sind. Es zeigt sich, daß " Randeffekte" aufgrund der Tatsache auftreten, daß das ausgesandte Bündel ein Energiemaximum in der Mitte eines jeden Abschnittes aufweist und daß ein wirklicher Schnitt an jeder Verbindung der Sektoren selbst dann auftritt, wenn diese sehr nahe aneinander sind. Deshalb wird gemäß einer anderen Ausführungsform des Ultraschallwandlers, die in der Fig. 2b dargestellt ist, eine gewisse Überdeckung der Sektoren der aktiven Oberfläche des Ultraschallwandlers vorgesehen. Gemäß der in dieser Figur dargestellten Ausführungsform ist der Ultraschallwandler oder genauer gesagt seine aktive Oberfläche in zwei konzentrische Kreisringe E_x, und E₂ aufgeteilt, bzw. getrennt, welche getrennt erregt werden. Auf jedem der Kreisringe E^ und E₂ wird ein aktiver Sektor E¹^ und E'₂ definiert, die einem Mittelpunktswinkel von beispielsweise 250° entsprechen und sich symmetrisch mit einem Winkel von 50° überdecken. Die Sektoren E¹^₁ und E¹ ρ werden nacheinander erregt. Man sieht, daß auf diese Weise und dank dieser partiellen Überdeckung der aufeinanderfolgend erregten Sektoren die " Randeffekte¹¹ unterdrückt oder zumindest in hohem Maße verringert werden. In der Fig. 2c ist die aktive Fläche eines Ultraschallwandlers dargestellt, in der drei sich winkelmäßig überdeckende Sektoren vorgesehen sind. Hierfür sind drei konzentrische Kreisringe E^^ Ep und E^ definiert, bei denen man aktive Sektoren E¹ „,, E'_o bzw. E'-, festgelegt hat. Jeder Sektor

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umfaßt vorzugsweise einen Mittelpunktswinkel von I70 ,

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wodurch eine Überdeckung von 50° sichergestellt wird.

Bei diesem Kontrollmodus über einen sich in. Querrichtung erstreckenden Weg hat man eine Verbesserung des Verhältnisses von Signal zum Untergrund in der Größenordnung von drei relativ zu einem gleichen, nicht in Sektoren aufgeteilten Wandler festgestellt.

Es wird darauf hingewiesen, daß man im Falle des Wandlers gemäß Fig. 2 d, obgleich dort keine geometrische uberdeckung der Sektoren vorliegt, durch eine geeignete Steuerung der Erregung der acht Sektoren D^ - Dg eine äquivalente Überdeckung erreichen kann.

Es stehen acht Sektoren von 45 zur Verfügung, die man mehreren möglichen Zyklen folgend speisen kann, um diese "überdeckung" zu erhalten.

Ein erster Zyklus kann in der folgenden ¥eise festgelegt werden:

Bei jeder Folge dieses Zyklus werden zwei aneinander grenzende Sektoren gespeist und man geht von einer Folge zur nächsten über in dem man die gespeisten Sektoren um eine Zahl versetzt. Dies gibt die folgenden acht Folgen:

1. Folge D^ und Dp werden erregt

2. Folge D- und D, werden erregt 3- Folge D;, und D^ werden erregt 4. Folge D^, und D^ werden erregt 5· Folge Dr und Dg werden erregt

6. Folge Dg und D₇ werden erregt

7. Folge Dn und Dg werden erregt

8. Folge Dg und D^ werden erregt

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¹⁶ " 29050U

Man erhält somit eine Überdeckung eines Sektors (4-5°). Dies entspricht einer Drehung eines Winkelsektors von 90°. Mit einer Frequenz von 1000 Hz von aufeinanderfolgenden Erregungen der Gruppe von Sektoren erhält man eine Drehgeschwindigkeit, die 7500 Umdrehungen/min., entspricht. Unter diesen Bedingungen hat man eine ausgezeichnete Güte der Kontrolle, d-h. eine Kontrolle mit einer sehr großen Empfindlichkeit und einer sehr guten Gleichmäßigkeit. Der Gewinn in Bezug auf vorhergehende Arbeitsbedingungen mit drei Sektoren von 170° ist von der Größenordnung 3· Tatsächlich erreicht man eine Steigerung der Empfindlichkeit aufgrund der Tatsache, daß man 'den Sektorwinkel bis auf 90° verringern kann. Ferner vermeidet man die Aufteilung "bzw. das Zerschneiden in konzentrische Ringe, welches zur Folge hat, daß die Breite des aktiven Sektors verringert wird; diese Breite steht in direkter Beziehung mit der Empfindlichkeit gegenüber Fehlern.

Man kann ebenso einen Zyklus verwenden, bei dem drei aufeinanderfolgende Sektoren gleichzeitig gespeist bzw. erregt werden. Der Übergang von einer Seq.uenz zur folgenden geschieht durch eine zyklische Permutation von zwei Positionen. Man erhält dann den Zyklus, v/elcher die vier folgenden Folgen umfaßt:

Λ. Folge Dy,- Dp - D, werden erregt»

2. Folge D₇,- D^. - Dj- werden erregt,

3. Folge D_n-- D₆ - Do werden erregt,

4. Folge D₇- Dg - D_x, werden erregt.

Dies entspricht einer Drehung eines Winkelsektors von 135° mit ungefähr I5OOO U/min, bei einem Ansteuerungstakt von

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29050=4

1000 Hz. Die Kontrollgeschwindigkeit ist viel größer als bei dem ersten Zyklus, jedoch ist im Gegensatz dazu die Empfindlichkeit ein wenig geringer.

Man kann auch einen Erregungszyklus von acht Folgen verwenden, bei dem vier aufeinanderfolgende Sektoren gleichzeitig erregt werden, wobei der Übergang von einer !Folge auf die nächste durch zyklische Permutation um einen Rang erfolgt. Man erhält die folgenden Folgen:

1, Folge D^, - Do - D^ - D^ werden erregt

2. Folge Dp ~ D^ ~ D- - Dg werden erregt 5- Folge D, - D^ - D,- - D₇ werden erregt 4. Folge D^. - Dc - D₁-, - Dg werden erregt 5· Folge Dc - Dg - Do - D_x, werden erregt

6. Folge Dg - D₇ - D^, - Dp werden erregt

7. Folge D₁-, - Do - Dp - D- werden erregt

8. Folge Dg - Dy, - D, - Dn werden erregt

Dies entspricht einer Drehung der nicht aneinander anschließenden zwei Winkelsektoren von 90° mit I5OOO U/min, bei dem gleichen Takt von 1000 Hz. Die erhaltenen Ergebnisse sind mit denjenigen vergleichbar, Vielehe mit dem zweiten Zyklus erhalten viorden sind.

Diese Beispiele stellen natürlich in keiner Vieise eine Beschränkung dar. Man könnte, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen jede Aufteilung vorsehen, welche eine minimale Überdeckung von 4-5 "bis 50° sicherstellt.

Ferner verfügt man aufgrund der unabhängigen Erregung der verschiedenen Sektoren über zusätzliche Einstellungen, da man, wenn dieses erforderlich ist, die Empfindlichkeit des Sektors ausgleichen kann, in dem die Verstärkung der

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einem jeden Sektor zugeordneten elektronischen Schaltungsanordnung entsprechend verändert wird. Dies ist insbesondere in dem Fall von Nutzen, wo es erforderlich ist, Fehler in Bohren mit kleinen Abmessungen festzustellen.

Gemäß dieser gleichen Ausführungsform, jedoch in Hinblick auf das Feststellen von Fehlern über einen sich in Längsrichtung erstreckenden V/eg, verwendet man ebenfalls "Ultraschallwandler, deren aktive Fläche von einem oder mehreren Sektoren gebildet ist, wobei nur ein Teil der insgesamt zur Verfügung stehenden aktiven Fläche überdeckt wird. Es scheint, daß der ideale Sektor durch eine Oberfläche festgelegt werden soll, welche durch zwei Kreisebrolventen begrenzt ist. In der Fig. 3^a ist die aktive Fläche eines Ultraschallwandlers dargestellt, die zwei unabhängig von einander erregte und um 180° versetzte Sektoren von 230° aufweist» wobei eine Überdeckung von 50 sichergestellt ist. Diese Sektoren F^ und Fp sind durch die Kreise G^,, Cp und C-, begrenzt, die den Grenzen nach innen zur Mitte hin und nach außen der aktiven Fläche des Wandlers entsprechen ,und werden ferner begrenzt durch die Kreisekrolventen B^, - B^,, wie dieses bereits beschrieben worden ist. Diese zwei Sektoren werden aufeinanderfolgend durch elektronische Steuerungsmittel erregt. Bei einer Erregungsfrequenz von 1000 Hz entspricht dies einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 20000 U/min. In der Fig. $b, ist die aktive Fläche eines Ultraschallwandlers dargestellt, welche drei getrennte Sektoren G^, Gp und G^ aufweist, welche ebenfalls durch die Kreise C/, - C^, und durch sechs KreiseLvolventen begrenzt sind. Man erhält so drei um 120 versetzte, 50° überdeckende Sektoren von 1?0°. Bei der gleichen Erregungsfrequenz von 1000 Hz entspricht dies einer Drehgeschwindigkeit gleich 20000 U/min.

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Schließlich, ist in Fig. 3c ein Beispiel eines Wandlers mit sechs Sektoren von 60° dargestellt. Die Sektoren J_-1 - JV sind gemäß dem gleichen Prinzip wie hei den vorhergehend festgelegten Wandlern definiert.

Im Falle der Kontrolle über einen sich in Längsrichtung erstreckenden Weg kann man ebenfalls eine Art der Erregung der Sektoren vorsehen, welche eine Überdeckung sicherstellt. Dies trifft insbesondere in dem Fall der in Fig. 3c dargestellten Ausführungsform mit sechs Sektoren zu. Man kann sechs Folgen der Erregung, in dem die Sektoren zu jeweils zwei gruppiert werden, oder drei Folgen der Erregung herstellen in dem die Sektoren zu je drei gruppiert werden. Bei der praktischen Ausführung sind die Ergebnisse über einen sich in Längsrichtung erstreckenden Weg besser als über einen sich in Querrichtung erstreckenden Weg, v/o man für die longitudinale Kontrolle eine kleinere Anzahl von Sektoren verwenden kann. Bei dem in Fig. 3c dargestellten Fall erhält man eine Drehgeschwindigkeit gleich 10000 U/min., wenn man aufeinanderfolgend jeden der sechs Sektoren erregt. Wenn man sie mit einem Zyklus von drei Folgen zu zwei Sektoren erregt, erhält man eine Umdrehungsgeschwindigkeit entsprechend 20000 XJ/min.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Herstellung solcher Ultraschallwandler keine besonderen Schwierigkeiten ergibt. Es genügt, von einer vollständigen Ringscheibe auszugehen und die erforderlichen Schnitte dadurch auszuführen, daß durch Gravieren oder durch einen chemischen oder elektrochemischen Vorgang die Silberlackschicht entfernt wird, welche auf der Oberfläche der Scheibe niedergeschlagen ist und welche die Elektrode des piezoelektrischen Elementes bildet.

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Unter Bezugnahme auf die Fig. 4- und 5 wird ein Ausführungsbeispiel eines elektronischen Steuer schalt kreises zum Senden und zum Empfangen für die Sektoren D- des Ultraschall-Meßwertgebers beschrieben, um die Erregung dieser Sektoren zu steuern und die verschiedenen möglichen Erregungszyklen, welche vorhergehend beschrieben worden sind, zu erzeugen. Für diese Beschreibung wird auf den Wandler der Fig. 2d mit seinen Sektoren D^, bis Dq Bezug genommen. Es ergibt sich ohne weiteres, daß dieser Schaltkreis auch zur Steuerung der mit Sektoren ausgebildeten Wandler eingesetzt werden könnte, die eine unterschiedliche Anzahl von Sektoren und unterschiedliche Anordnungen aufweisen.

In der Fig. 4- sind die Sektoren des Wandlers bzw. Meßwertgebers D^ - Dg dargestellt. Dieser Sektor D^ ist einem Sendeschaltkreis M. und einem Empfängerschaltkreis Έ- (Leistungsverstärker) zugeordnet. Der Eingang eines jeden Sendeschaltkreises M- ist mit einem der Ausgänge eines Schaltkreises 100 zur Verteilung der Sendesignale verbunden. Der Ausgang eines jeden Empfängerschaltkreises IT. ist mit dem Eingang eines Verstärkers P- mit einstellbarer Verstärkung verbunden, dessen Ausgang einen ITachweiseschaltkreis Q. ansteuert. Die Nachweiseschaltkreise Q. ermöglichen die Transformation des Hochfrequenzsignals, welches von dem entsprechenden Sektor D. geliefert und als analoges Signal verstärkt wird, welches anderweitig behandelt wird. Der Verteilerschaltkreis 100 dient dazu, die Sendesignale der Sektoren ausgehend von Sendeimpulsen zu lenken, die von einem Taktimpulsgenerator 102 ausgesendet werden. Dieses Lenken wird durch Adreßsignale A^ - Ag sichergestellt, welche von dem programmierten Generator 104- geliefert werden.

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Die Ausgänge der Nachweisschaltkreise Q. steuern die acht Eingänge eines Schaltkreises mit analogen Toren 106 an, x-iobei der Zustand der Tore durch die Adreßsignale A¹^ - A'g gesteuert wird, welche von dem programmierten Generator 104- geliefert werden. Die acht Ausgänge des Schaltkreises 106 sind miteinander verbunden und steuern einen Summierschaltkreis 108 an, dessen Ausgang, der das Empfangssignal erzeugt, auf den Eingang eines Schaltkreises 105 zur Verarbeitung und zur Sichtbarmachung wirkt. Außerdem erzeugt der Generator 104- ein Synchronisations signal, welches an den Eingang des Schaltkreises 102 über den Synchronisationsschaltkreis 103 gegeben wird.

Ferner wird darauf hingewiesen, daß die Verstärker P. eine Voreinstellung des Gerätes gestatten. Dies ermöglicht eine anpassungsfähigere Arbeitsweise der Vorrichtung, da man beim Vorliegen einer leichten Unausgeglichenheit des Ansprechens zwischen den verschiedenen Sektoren trotzdem ein gleiches Signal für jeden Sektor D- erhalten kann, in dem man die Verstärkingen der verschiedenen Verstärker P- entsprechend einstellt, bzx*. verändert·

In der Fig. 5stellt die Kurve 5a den Impulszug zum Senden am Ausgang des Schaltkreises Ii- dar. Die Kurve 5b zeigt die Empfangsimpulse am Ausgang der Schaltkreise Q-. öchließlxch stellt die Kurve 5c das Signal am Ausgang des Schaltkreises 108 beim Vorliegen eines Fehlers S^_n dar.

Aus der vorhergehenden Beschreibung ergibt sich, daß man bei der ersten Ausführungsform der Erfindung eine geringe

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winkelmäßige Dispersion bei der Kontrolle des Rohres
und eine große Empfindlichkeit für Fehler erhält. Die
bei dieser Lösung verwandte Maske gestattet, ohne die
Elektronik oder die Wandler zu verändern, sehr gute
Ergebnisse zu erhalten- Die zweite Ausführungsform,
die. in der Unterteilung der aktiven Oberfläche des
Wandlers in zwei oder drei oder mehr Sektoren besteht,
gestattet, die einfachste mechanische Lösung ohne drehendes Teil in dem Kontrollbecken beizubehalten und ebenfalls eine erhöhte Kontrollgeschwindigkeit sicherzustellen, die ungefähr einen Meter pro Sekunde erreichen kann. Dagegen ergibt sich in Bezug auf die andere Ausführungsform eine Vergrößerung der Anzahl der elektronischen Schaltkreise zur Verarbeitung und eine geringfügige Erschwernis bei der Herstellung der- UltraschalIvjandler.

Die wesentliche Verbesserung der Ergebnisse aufgrund der
Tatsache, daß zu öecLes. Zeitpunkt nur ein Abschnitt des
Umfangs des Rohres dem Ultraschallbündel ausgesetzt wird, läßt sich wahrscheinlich auf die folgende Weise erklären. Es folgt jedenfalls von selbst, daß die Genauigkeit dieser Erklärung in keinem Fall die Gültigkeit des Patentes beeinträchtigen kann. Die Ultraschallbündel verursachen in dem Rohr Lambwellen. Wenn die Gesamtheit des Umfanges des geraden Abschnittes des Rohres dem Ultraschallbündel ausgesetzt wird, ergeben-sich sehr wahrscheinlich Interferenzphänomene zwischen dem Lambwellen, welche in der Rohrwand erzeugt werden. Im Gegensatz hierzu, sind in dem Pall, in dem nur ein oder mehrere Abschnitte dieses Umfanges den
Ultraschallbündeln ausgesetzt sind, diese Interferenzphänomene wesentlich verringert.

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Leerseite

Claims

Pat ent an sprüch

1.) Vorrichtung zur Qualitätskontrolle eines rohrförmigen Teiles mittels Ultraschalls, mit einem Becken,welches mit einer Flüssigkeit zur akustischen Kopplung gefüllt ist, mit Mitteln zum Führen und zum Verschieben des rohrförmigen Teiles längs seiner Achse XX¹, mit wenigstens einem ringförmigen Sender-Empfänger-Ultraschallwandler mit der Achse XX¹, der eine aktive, ebene Fläche aufweist, welche einem Ultraschallspiegel mit der Achse XX' zugewandt ist, der das rohrförmige Teil umgibt und geeignet ist, das Ultraschallbündel, welches von dem zugeordneten Wandler ausgesendet wird, auf die Wandung der Röhre mit einem in Bezug auf diese Wandung konstanten Einfallswinkel zu reflektieren, dadurch gekennzeichnet , daß der oder die UItraschallwandler (22a,22b) und der oder die Ultraschallspiegel (16,18) fest angeordnet sind, daß die aktive Fläche (26a,26b) des oder der Ultraschall-Wandler (22a,22b) mindestens in zwei unabhängige,aktive Sektoren (D₁...Dq^¹^...E' -,F₁,F₂,J₁...J₆,G₁...G₅) aufgeteilt ist,

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und daß die Vorrichtung Mittel (100,102,103,104-,Mi) aufweist, um zeitlich aufeinanderfolgend zyklisch die Sektoren der aktiven Fläche des oder· der Wandler (22a,22b) zu erregen. ■ ■ ^l -

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Beckens (2) eine zur Achse XX¹ des zu kontrollierenden rohrförmigen Teiles (14) konzentrische Mittelstütze (8) angeordnet ist, die das Becken (2) in einen ersten Teil (A) .zum Nachweisen in einem longitudinalen Modus und einen zweiten Teil (B) zum Nachweisen in einem transversalen Modus teilt, wobei der erste Teil (A) einen ersten Ultraschallwandler (22a) mit einer zur Achse (XX') ringförmigen und im wesentlichen senkrechten aktiven Fläche (26a) und einen fest mit der Mittelstütze (8) verbundenen, spiralförmigen Spiegel (18) mit der Achse (XX') aufweist, wobei durch den Spiegel (18) das Ultraschallbündel (A.*) in zu der Achse (XX') des rohrförmigen Teiles (14) senkrechten Ebenen mit einem konstanten Einfallswinkel auf das Rohr (14) gelenkt wird, daß der zweite Teil (B) einen zweiten Ultraschallwandler (22b) mit einer aktiven Flache (26b), die die Form eines Kreisringes mit der Achse (XX' ) hat und im wesentlichen senkrecht zu der Achse (XX¹) verläuft, und einen Ultraschallspiegel (16) aufweist, der eine kegelstumpfartige Form mit der Achse (XX') hat und fest mit der Mittelstütze (8) verbunden ist, wobei durch den Spiegel (16) das Ultraschallbündel (Ap) in die Achse des Rohres (14) enthaltenden Ebenen mit einem konstanten Einfallswinkel auf das Rohr (14) gelenkt wird, daß die aktive Oberfläche (26a) des ersten Wandlers (22a) mindestens zwei aktive Sektoren (F^ ,F₂;G_-1,G₂,G^; J. ...Jg) aufweist, die von zwei Kreis-

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elvolventen begrenzt sind, die zur Achse (XX¹) konzentrisch, •und winkelmäßig versetzt sind, daß Mittel (100,102,103, 104, M_i) zum in Bezug auf die Zeit zyklischen Erregen der Sektoren vorgesehen sind, daß die aktive Oberfläche (26b) des zweiten Wandlers (22b) mindestens zwei kon-.zentrische Sektoren in der Form von Kreisringsektoren (D^j...D₈;E'^....E¹ ^) mit der Achse (XX¹) aufweist, wobei diese Sektoren winkelmäßig beabstandet sind, und daß Mittel (100,102,103,104,M₁) zum in Bezug auf die Zeit zylkischen Erregen der Sektoren vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die aktive Oberfläche (26b) des zweiten Wandlers (22b) in wenigstens zwei konzentrische Kreisringe (E^...E^) unterteilt ist, wobei jeder Kreisring einen aktiven Sektor (E* ^, ;E'₂;E'^) und einen inaktiven Sektor aufweist, und daß die aktiven Sektoren der Kreisringe sich winkelmäßig teilweise überdecken.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Überdeckung in der Größenordnung von 50° ist.

5· Vorrichtung nach mindestens einem der Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler (22a bzw. 22b) gelenkig an einer Stütze (20a bzw. 20b) befestigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß jede Stütze (20a bzw. 20b) des Wandlers (22a bzw. 22b) parallel zur Achse (XX¹) verschiebbar auf einem Führungselement befestigt und mit Mitteln (33a bzw.33b) zum Einstellen seiner Lage in Bezug auf diejenige des zugeordneten Spiegels (18 bzw. 16) versehen ist.

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7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß jede Stütze (20a "bzw. 20t>) ein Führungslager (28a bzw. 28b) mit der Achse (XX¹) für das zu kontrollierende Rohr (14·) umfaßt.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7 dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Wandler (22b) die Form eines zylindrischen Kreisringes hat, der in eine Vielzahl von aneinandergrenzenden aktiven Sektoren (3^...Dg) aufgeteilt ist, daß Mittel zum zyklischen Erregen der aktiven Sektoren entsprechend mehrerer Sequenzen vorgesehen sind, wobei durch die Mittel gleichzeitig mindestens zwei Sektoren erregbar sind und der Übergang von einer Sequenz zur folgenden erfolgt, indem der Rang der gleichzeitig erregten Sektoren derart geändert wird, daß mindestens ein gleicher Sektor bei zwei aufeinanderfolgenden Sequenzen erregt wird.

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