DE3050285C2

DE3050285C2 - Vorrichtung zur Ultraschall-Materialpr}fung eines zylindrischen Gegenstandes

Info

Publication number: DE3050285C2
Application number: DE19803050285
Authority: DE
Inventors: Richard F. Parma Ohio Abramczyk; Gerald N. Medina Ohio Coy; Banjamin J. Cleveland Heights Ohio Ross; James M. Lyndhurst Ohio Toth
Original assignee: Republic Steel Corp
Current assignee: Republic Steel Corp
Priority date: 1980-03-03
Filing date: 1980-03-03
Publication date: 1987-03-12
Also published as: GB2083222A; EP0047239B1; WO1981002636A1; DE3050285T1; NL8020337A; JPS6319823B2; GB2083222B; EP0047239A1; JPS57500439A; EP0047239A4

Description

Die Erfindung betrifft eineVorrichtung zur Ultraschall- Materialprüfung eines zylindrischen Gegenstandes, insbesondere eines Rohres nach dem Impuls-Echoverfahren bestehend aus einem außerhalb des Rohres angeordneten Ultraschallwandlers mit einer als Segment aus einem zylinderförmigen Mantel herausgeschnittenen Senderfläche, deren Mantellinie parallel zur Rohrachse angeordnet ist und deren gekrümmte Fläche mit der des Rohres einen keilförmigen Spalt bildet.
Eine bekannte Vorrichtung zur Bestimmung der Innenstruktur eines Rohres oder eines zylindrischen Gegenstandes ist in der US-PS 39 24 453 beschrieben. Die Einfallwinkel der Ultraschallstrahlen sind bei diesem Gerät ungleich und es ist schwierig die Fehlergröße der reflektierten Signalstärke zuzuordnen, wegen der nicht monotonen Veränderungen der Stärke des empfangenen Echosignales infolge des Abstandes.
Die US-PS 36 93 415 schlägt eine andere Art der Ultraschallwellenerfassung zur Verwendung bei einem zylindrischen Objekt vor. In dieser Patentschrift wird die Verwendung einer Anordnung von Ultraschall-Wandlern oder -Überträgern gezeigt, welche in kreisförmiger oder zylindrischer Form um das Rohr angeordnet werden müssen. Es müssen Mittel vorgesehen sein, um nacheinander die Wandler, die die Anordnung bilden, zu beaufschlagen, damit Ultraschallstrahlen mit richtiger Phasenlage bei einem bestimmten Punkt in der Rohrstruktur ankommen und in diese eindringen, um durch Fehler oder Unregelmäßigkeiten im Rohr reflektiert zu werden.
Die US-PS 39 16 675 schlägt eine weitere Vorrichtung zur Ultraschallprüfung der Innenstruktur eines zylindrischen Gerätes vor. Dieses Gerät benutzt ein kompliziertes Ablenkmittel, das parallele Ultraschallstrahlen von einem Ultraschall-Wandler empfängt und diese in die Rohrstruktur reflektiert. Bei der Auslegung des Ablenkmittels muß große Sorgfalt aufgewendet werden, damit der Einfallwinkel des abgelenkten Strahls das Rohr im richtigen Winkel streift. Die für die richtige Reflektorform erforderliche komplizierte Auslegung muß bei Rohren unterschiedlicher Größen erneut festgelegt werden und die Kompliziertheit wird beträchtlich gesteigert, wenn eine Veränderung der Erfassungsfähigkeit erreicht werden soll.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist der CH-PS 4 68 009 zu entnehmen. Eine ähnliche Vorrichtung ist in der Zeitschrift "ULTRASONIC" Juli bis September 1984, Seiten 109 bis 118 beschrieben, vor allem im Zusammenhang mit der dortigen Fig. 5.
Bei der aus der CH-PS 4 68 009 bekannten Vorrichtung ist eine Sendefläche gewählt, die ein Segment aus einem Kreiszylindermantel darstellt. Um zu gewährleisten, daß die Einfallwinkel der auf dem Rohr auftreffenden Ultraschallstrahlen wenigstens annähernd gleich sind, wird diese Senderfläche derart orientiert, daß die Brennlinie der Senderfläche in eine Symmetrieebene des Rohres fällt. Eine derartige Einstellung ist äußerst kritisch und es genügen bereits kleine Abweichungen von dieser Senderflächenorientierung, um die verschiedensten Arten von Ultraschallwellen im Rohrkörper gleichzeitig anzuregen, welche sich dann miteinander überlagern, so daß nur eine sehr schlechte oder gar keine Fehlererkennbarkeit zustandekommt. Selbst bei optimaler Ausrichtung der Brennlinie ergeben sich noch Unterschiede in den Einfallswinkeln der einzelnen Ultraschallstrahlen, was zur Folge hat, daß die Ultraschallstrahlen bei ihrem Weg durch das Rohr konvergieren oder divergieren, so daß auch bei optimaler Ausrichtung der Senderfläche nicht gewährleistet ist, daß sämtliche Bereiche des Rohres auf Fehler abgetastet werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine vollständige Abtastung auf Materialfehler oder Unregelmäßigkeiten bei leichter Handhabung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die gekrümmte Senderfläche des Ultraschallwandlers sich entlang einer Evolventen oder einer der Evolventen annähernden Kurve erstreckt, wobei die der Evolventen zugeordneten Evolute ein Kreis ist, dessen Zentrum auf der Rohrachse liegt.
Eine Evolvente ist bekanntlich eine Spur, die durch das Ende einer straffen Saite gebildet wird, wenn diese beim Aufwinden oder Abwickeln von einer feststehenden Kurve, nämlich die Evolute (im vorliegendem Fall einem Kreis), eine bestimmte Form erzeugt. Fertigungsgesichtspunkte erzwingen jedoch, daß statt der Verwendung einer wirklichen Evolventen ein Kreisabschnitt bei der Erzeugung des Wandlers benutzt wird. Bei der Auslegung der tatsächlichen Wandleroberfläche werden drei Punkte auf einer theoretischen Evolventen ausgewählt und durch diese drei Punkte wird ein Kreis gelegt. Der tatsächlich aufgebaute Wandler enthält einen Zylinderabschnitt, wobei der Radius des Zylinders mit dem Radius des Annäherungskreises für die wirkliche Evolvente übereinstimmt.
Eine Wandlerfläche der beschriebenen Form läßt Ultraschallwellen auf einer Rohroberfläche mit gleichen oder im wesentlichen gleichen Auffallwinkeln auftreffen. Bei einer Brechung im Inneren der Rohrstruktur wandern diese Wellen dann in Wege die so beschaffen sind, daß sie die Strahlenergie weder konzentrieren noch ausbreiten.
Gleiche Auffallwinkel ergeben auch eine gleichförmigere Energieübertragung auf das Rohr. Es ist bekannt, daß eine Veränderung des Auftreffwinkels der Ultraschallenergie den auf das Rohr übertragenen Energieanteil ändert. Falls die auftreffende Wellenform ihren Auftreffwinkel in Längsrichtung des Rohres ändert, ändert deshalb auch die übertragene Wellenform die auf das Rohr hindurchgesandte Energiemenge. Diese ungleichförmige Energieverteilung ergibt ungleichförmige Echosignale von Fehlern im Rohr, die in der Signalamplitude Spitzen und Täler ergeben. Der konstante Energiegehalt der von einem erfindungsgemäßen Evolventenwandler kommenden Strahlen ergibt ein Signalansprechen, das die Spitzen und Täler minimalisiert. Die einmal aufgebaute Wandlerfläche muß in richtiger geometrischer Beziehung zum Rohr gehalten werden, damit die richtigen Auffallwinkel erhalten bleiben. Um diese richtige Beziehung zwischen der Wandleroberfläche und der Rohroberfläche zu erreichen, wird ein Ultraschallstrahlen übertragender Keilaufbau zwischen Rohr und Wandler eingesetzt. Zum Erzielen der richtigen Beziehung wird der Keilaufbau so ausgelegt, daß er zwei wichtige Flächen enthält. Eine Fläche fällt mit dem Rohr zusammen und die andere Fläche fällt mit der Ultraschallwandlerfläche zusammen.
Zusammengefaßt ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Senderfläche sowie durch die angegebene Orientierung der Senderfläche gegenüber dem zu untersuchenden Rohr sichergestellt, daß die Einfallswinkel sämtlicher Ultraschallstrahlen gleich sind. Aufgrund gleicher Einfall- sowie Brechungswinkel ist gewährleistet, daß nur eine Sorte von Ultraschallwellen im Rohrkörper angelenkt wird und daß die Ultraschallstrahlen bei ihrem Weg durch das Rohr weder konvergieren noch divergieren, so daß gewährleistet ist, daß sämtliche Bereiche des Rohres auf Fehler abgetastet werden und es werden keine Fehler übersehen.
Auch in der CH-PS 3 71 908 ist man bestrebt der Bedingung gleiche Einfallswinkel für alle Ultraschallstrahlen zumindest grob zu entsprechen. Hierfür kommt ein Ultraschallstrahler mit planer Senderfläche, dem eine schalloptische Zylinderlinse vorgeschaltet ist, zum Einsatz. In der vom gleichen Anmelder stammenden gattungsbildenden CH-PS 4 68 009 wird jedoch angegeben, daß die Benutzung schalloptischer Systeme zur Einstrahlung in Körper mit gekrümmten Oberflächen nicht genügt und zwar einerseits weil durch den sehr hohen Schallbrechungsindex, der sich aus dem großen Unterschied der Schallgeschwindigkeit im Prüfling zu derjenigen in der umgebenden Flüssigkeit ergibt, die optimale Anregungsbedingung auf weniger Winkelgrade des Einstrahlungswinkels zusammendrängt und somit selbst bei gekrümmten Oberflächen in jedem Flächenelement möglichst exakt mit dem gleichen Einfallswinkel eingestrahlt werden muß. Andererseits muß man aus energetischen Gründen mit dem schalloptischen System verhältnismäßig nah an die gekrümmte Oberfläche des Körpers herangehen, so daß man sich noch in den meisten Fällen im Nahfeld des Strahles befindet, das durch seine stark zerklüftete Energieverteilung ohnehin definierte Brennpunkte oder Brennlinien in Frage stellt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird der Durchmesser des die Evolute bestimmenden Kreises derart gegenüber dem Rohr gewählt, daß durch Anordnung der Senderfläche an einer entsprechenden Evolventen der Auftreffwinkel der Ultraschallstrahlen an der Rohraußenwand unter Berücksichtigung der Brechung eine Totalreflexion der Ultraschallstrahlen an der Rohrinnenwand gewährleistet.
Zusätzlich zu den Bedingungen für die Form der Wandleroberfläche besteht eine Forderung mit Bezug auf die Umfangserstreckung des Ultraschallwandlers in Rohrumfangsrichtung. Diese wird erfindungsgemäß ausreichend lang gewählt um ein Überlappen der von der Rohrinnenwand in Richtung auf die Rohraußenwand zum ersten Mal reflektierten Ultraschallwellen mit den durch die Rohraußenwand einfallenden Ultraschallwellen zu gewährleisten.
Mit dieser Abmessung der Umfangserstreckung wird daher sichergestellt, daß der Ultraschallstrahl mittels vielfacher Reflektionen den gesamten interessierenden Abschnitt im Rohr überstreicht. Wenn aber die Senderfläche des Ultraschallwandlers eine unzureichende Umfangserstreckung besitzt, ist es begreiflich, daß in der Rohrstruktur Segmente bestehen, die der Ultraschall niemals überstreicht. Aus diesem Grund gibt es eine minimale Wandlerabmessung die sicherstellt, daß das zu untersuchende Rohr angemessen durch die reflektierten Strahlen in dem Rohraufbau durchdrungen wird. Es ist auch darauf hinzuweisen, daß eine diesen Minimalwert übersteigende Dimension überflüssig ist und keine nützliche Funktion erfüllt. Da die Herstellungskosten der Ultraschallwandlerfläche mit der Größe des Wandlers ansteigen, sollte die minimale Abmessung nicht sehr überschritten werden.
Falls andere als in direkter Berührung mit dem Ultraschallwandler stehende Bereiche interessant sind, können der aus Plexiglas bestehende Keil und die Wandlerfläche in Umfangsrichtung um die Rohrstruktur bewegt werden um die weiteren Bereiche der Rohrstruktur zu untersuchen. Es ist so zu sehen, daß es die vorliegende Erfindung nicht erforderlich macht, eine Ultraschallwandlerfläche auszulegen die vollständig die Rohrstruktur umgibt, und es ist auch kein kompliziertes Ablenkgerät erforderlich.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden anhand der nachfolgenden ins einzelne gehenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung ersichtlich. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ultraschall-Fehlererfassungsvorrichtung beim Abtasten eines Rohrabschnittes nach Fehlern,
Fig. 2 eine Schnittansicht eines mit einem Abschnitt eines Rohres in Berührung stehenden Ultraschall- Fehleruntersuchungsgeräts,
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung mit zwei in Richtung des Umfangs eines zu untersuchenden Rohres an unterschiedlichen Stellen befindlichen Fehlererfassungsgerätes,
Fig. 4 ein Fehlererfassungsgerät, dessen Umfangslänge zum Abtasten des dargestellten Rohres richtig ausgelegt ist,
Fig. 5 eine Endansicht, mit abgebrochenen und entfernten Teilen, einer Fehlererfassungsanordnung, die das zugehörige Erfassungsgerät in dichtem Abstand zu einem abgetasteten Rohr hält, und
Fig. 6 eine Ansicht von unten auf die Fehlererfassungsanordnung nach Fig. 5.
Fig. 1 zeigt die Ultraschall-Fehlererfassungsvorrichtung auf ein Rohr 10 aufgesetzt. Das Rohr 10 besitzt eine Mittelachse 11 und eine Längs-Schweißnaht 14.
Es ist zu sehen, daß die Schweißnaht 14 eine im wesentlichen gerade Linie in Längsrichtung des Rohrs bildet. Das Rohr weist eine Innenfläche 15 und eine Außenfläche 17 auf, deren Abstand die Stärke des abzutastenden Rohrs bestimmt.
In Fig. 1 ist eine auf der Oberseite des Rohrs 10 aufsitzende Halteanordnung oder -struktur 16 für das Erfassungsgerät gezeigt. Diese Haltestruktur wird längs des Rohrs in der durch den Pfeil A bezeichneten Richtung durch eine nicht gezeigte geeignete Einrichtung gezogen. Alternativ wird das Rohr 10 relativ zur Haltestruktur 16 für das Erfassungsgerät bewegt, da eine Relativbewegung erreicht werden soll.
Die Erfassungsgerät-Haltestruktur 16 ist eine Auslegeranordnung mit einem Trägerteil 26, das zwei Endstücke 32 trägt. Jedes Endstück 32 besitzt zwei Auslegerarme 28, von denen nur insgesamt drei in Fig. 1 zu sehen sind. Jeder Auslegerarm 28 trägt eine Auslegerwalze 30. Ein drehbarer Haltestab 34 erstreckt sich zwischen den beiden Endstücken 32. Zwei Haltearme 18 für das Erfassungsgerät (die Erfassungsgeräte) sind an diesem Stab 34 befestigt.
Während eine Relativbewegung zwischen Rohr und Erfassungsgerät auftritt, hält das Ausleger-Trägerteil 26 die vier Auslegerarme 28 in fester Beziehung zueinander. Die Haltearme 18 für die Erfassungsgeräte sind im Gegensatz dazu drehbar an demStab 34 angebracht und so angeordnet, daß sie sich drehen (schwenken), wenn die Erfassungsgerät-Haltestruktur kleine Veränderungen der Rohroberfläche überfährt. Während die Erfassungsgerät-Haltestruktur 16 in Richtung des Pfeiles A längs des Rohres gezogen wird, werden die Auslegerwalzen 30 in symmetrischer Beziehung zueinander relativ zum Schweißnahtbereich 14 gehalten. Es wird angestrebt, daß die Anordnung 16 so betrieben wird, daß eine durch die Rohrmittelachse 11 und den Schweißnahtbereich gehende Ebene den Stab 34 teilt.
Zwei Ultraschall-Wandler-Erfassungsgeräte sind an den Haltearmen 18 angebracht. Während die Ultraschall-Erfassungsgeräte 20 sich in Längsrichtung des Rohrs 10 bewegen, werden von einem elektronischen Signalbaustein 24 mittels zweier schematisch dargestellter elektrischer Verbindungen 22 und 23 Signale ausgesandt. Ein in dem Elektronikbaustein enthaltender elektronischer Signalprozessor oder -verarbeiter sendet Signale zu den Ultraschallwandler-Erfassungsgeräten 20 und läßt diese Ultraschallwellen in das Rohr aussenden, um Fehler und Fehlerstellen zu erfassen, während die Erfassungsgerät-Haltestruktur sich in Längsrichtung des Rohrs bewegt. Der elektronische Signalbaustein 24 deutet auch die aus dem Inneren der Rohrstruktur reflektierten Signale, wenn diese Signale Dichteänderungen in der Rohrstruktur durch Rücklauf oder Echoerscheinungen melden. Wie anhand von Fig. 7 zu sehen ist, sind mit dem elektronischen Signalbaustein geeignete Einrichtungen verbunden, um das Rohr an den Stellen, in denen Defekte oder Fehler gefunden wurden, zu markieren.
Um eine Ultraschallkopplung zwischen den Wandlergeräten 20 und demRohr 10 sicherzustellen, wird mittels zweier Schläuche 21 ein flüssiges Kopplungsmedium zugeführt. Diese Schläuche erzeugen typischerweise eine Wasserschicht, die zwischen die Geräte 20 und das Rohr 10 zur Ultraschallübertragung zwangsweise aufgebracht wird.
Durch Benutzung zweier entgegengesetzt zueinander angeordneter Wandler kann jeder Wandler durch Aussenden eines Impulses vom jeweils anderen Wandler getestet werden. Auf diese Weise wird die richtige Kopplung zwischen Rohr und Wandler sichergestellt. Es können auch bestimmte Fehler schwierig durch einen Wandler zu entdecken sein, jedoch wegen der unterschiedlichen Ausrichtung zum zweiten Wandler erscheinen die Fehler bei dem zweiten Gerät.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschall Fehlererfassungsgerätes 50 bei entfernter mechanischer Haltestruktur. Das Fehlererfassungsgerät 50 besitzt einen Ultraschallwandler 51 mit einer Fläche 52. Das Erfassungsgerät 50 besitzt auch einen Schall-Übertragungskeil 54, der mit der Oberfläche 52 zusammenwirkt, ein Wandlergehäuse 56 und eine an dem Wandler 51 angebrachte elektrische Verbindung 58.
Der Keil 54 ist in direkter Berührung mit einer Außenfläche 62 eines Rohres 60 dargestellt. Der Keil muß schalldurchlässig sein und kann aus einem synthetischen Acrylharz gefertigt sein, wie es im Handel unter der Marke "Lucite" erhältlich ist. Da der Keil 54 in direkter Berührung mit der Außenfläche 62 des Rohrs steht, ist er offensichtlich mit einer Oberfläche versehen, deren Krümmungsradius dem Krümmungsradius der Rohraußenfläche entspricht.
Im Betrieb sendet der schematisch in Fig. 1 dargestellte Signalbaustein ein elektrisches Signal über eine elektrische Verbindung 58 zum Wandler 51. Der Wandler besteht aus einem Material, das bei Aufnahme eines elektrischen Signals eine Ultraschall-Energiewelle an seiner Oberfläche 52 erzeugt. Wenn der Ultraschallwandler ein elektrisches Signal von einem elektrischen Signalbaustein empfängt, werden Ultraschallenergiestrahlen durch den Keil 54 übertragen und treffen an der Oberfläche des Rohrs 60 auf. Genauer wird von der Ultraschallenergie als einem Energievolumen gesprochen, jedoch wird zur Verdeutlichung der Strahl in einer Querschnittsebene als aus einer Anzahl von einzelnen Strahlelementen bestehend angesprochen, deren Wege im wesentlichen geraden Linien folgen.
Nach dem Eintreten in das Rohr 60 werden die Ultraschallstrahlen von der Senkrechten auf die Rohroberfläche weggebrochen und laufen durch das Rohr auf der Suche nach Fehlern oder anderen Unregelmäßigkeiten in diesem. Wenn ein Fehler oder eine Unregelmäßigkeit angetroffen wird, wird die Ultraschallstrahlenergie von der Fehlstelle reflektiert und läuft den Eingangsweg zur Ultraschallwandlerfläche 52 zurück. Ultraschallstrahlen laufen von der Wandlerfläche 52 längs geradlinigen Wegen und treffen auf die Außenfläche 62 des Rohrs auf. Typische, durch gestrichelte Linien 70, 72 und 74 angezeigte auftreffende Strahlelemente laufen von dem Wandler 51 weg und treffen des Rohr 60 an den Außenstellen 76, 77 und 78 an der Außenfläche 62 des Rohrs.
Beim Auftreffen auf die Rohroberfläche bilden die typischen Strahlelemente 70, 72 und 74 Auftreffwinkel A&min;, A&min;&min; bzw. A&min;&min;&min;. Beim Eintreten in die Rohrstruktur werden die einzelnen Ultraschallstrahlen von der Senkrechten auf die Rohroberfläche längs der gebrochenen Strahlwege 80, 82 bzw. 84 weggebrochen und bilden Brechungswinkel S&min;, S&min;&min; bzw. S&min;&min;&min;. Diese gebrochenen Strahlen laufen durch die Rohrstruktur und suchen nach Fehlern und Unregelmäßigkeiten, bis sie Innenstellen 86, 87 bzw. 88 an der Innenfläche 64 des Rohrs 60 erreichen. Wenn der durch die Brechung entstandene Auftreffwinkel auf die Innenfläche größer als ein kritischer Winkel (die Definition eines kritischen Winkels ist auf diesem Fachgebiet bekannt) ist, tritt im wesentlichen Total-Innenreflektion auf, und die Strahlen werden von der Innen- zur Außenfläche gesendet. Der kritische Winkel hängt vom Brechungsindex des Rohrs und des im Inneren des Rohrs enthaltenden Stoffes ab. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau ist im Rohr Luft vorhanden. Die Ultraschallstrahlen werden von den Innen- und Außenflächen des Rohrs zurückgeworfen, bis allmählich eine Dämpfung eintritt, die die Strahlenstärke abnehmen läßt.
Wie am besten in Fig. 2 zu sehen, umfaßt die Ultraschall- Erzeugungsfläche 52 des Wandlers im wesentlichen eine Evolvente. Eine als Kreis 59 dargestellte Erzeugungskurve oder Evolute ist koaxial mit dem Rohr angeordnet und besitzt einen Durchmesser, der geringer als der der Rohrinnenfläche 64 ist. Die Wandlerfläche 52 ist so aufgebaut, daß für jeden Oberflächenpunkt eine (gedachte) Linie zur Evolute 59 führt, die dort eine Tangente bildet. Von einem Punkt 53 im Mittelbereich der Wandlerfläche 52 ist es möglich, einen Weg 72 zu verfolgen, der an einem Punkt 92 auf die Evolute 59 auftrifft. Der Weg 72 gelangt zur Evolute 89 in einer senkrecht auf dem zum Auftreffpunkt 92 gezogenen Radius 96 stehenden Richtung. Ähnlich kann bei anderen Punkten 55 und 57 an der Wandleroberfläche 52 gezeigt werden, daß Wege 70 und 74 existieren, die die Evolute 59 an den Punkten 90 bzw. 94 mit tangential zur Evolute 59 stehenden Richtungen treffen.
Ein Verfahren zur Festlegung einer Evolvente besteht darin, einen Faden mit einem Bleistift oder einem anderen Markierer an seinem Ende von der Erzeugungskurve oder Evolute abzuwickeln. So kann nach Fig. 2 ein straffer Faden mit einem an dem Ende festgebundenen Bleistift oder Markierer um die Evolute 59 gewickelt werden. Wenn der Faden abgewickelt wird, überdeckt er nacheinander die Wege 70, 72 und 74, und der Bleistift fährt der Evolventen-Querschnittsform der Fläche 52 nach.
Die Größe der Auffallwinkel A&min;, A&min;&min; und A&min;&min;&min; zwischen dem Rohr und den Ultraschallstrahlen hängt von der Größe des erzeugenden Kreises oder der Evolute 59 ab. Wenn der Radius 95 der Evolute sich dem Radius der Rohrinnenfläche 64 nähert, wachsen die Auftreff- oder Auffallwinkel. Wenn der Radius 95 der Evolute kleiner wird, werden auch die Auffall- oder Auftreffwinkel A&min;, A&min;&min; und A&min;&min;&min; kleiner. Schrumpft die Größe der Evolute 59 zur Grenze eines auf der Rohrachse sitzenden Punktes, so schrumpfen auch die Auftreffwinkel auf 0, und die typischen Strahlen 70, 72 und 74 werden radial zur Rohraußenfläche 62.
Es kann gezeigt werden, daß die Auftreffwinkel A&min;, A&min;&min; und A&min;&min;&min; unabhängig von der Größe der Evolute 59 gleich sein müssen, sofern sie kreisförmig ist. Tatsächlich treffen alle Teile eines von einem Wandler mit einer durch eine Kreisevolvente erzeugten Wandlerfläche ausgesendeten Ultraschallstrahls auf die Außenseite des ringförmigen Querschnitts eines Rohrs unter gleichen Winkeln auf.
Der Beweis für diesen Satz ist leicht zu führen. Es ist nur erforderlich, die Kongruenz zwischen je zwei in Fig. 2 gezeigten Dreiecken zu zeigen. Das eine Dreieck enthält Ecken, die durch den Mittelpunkt 99 der Evoluten, den Berührungspunkt 90 eines typischen Strahls 70 an der Evolute und den Auftreffpunkt des Strahls 70 auf der Rohraußenfläche 76 bestimmt sind. Das zweite Dreieck enthält Ecken, die durch den Mittelpunkt der Evolute, einen zweiten Berührungspunkt 92 an der Avolute und einen zweiten Auftreffpunkt 77 dieses zweiten Strahls 72 auf der Rohraußenfläche 62 bestimmt sind. Nach Lehrsatz sind die Winkel zwischen typischen Strahlen 70 und 72 und typischen Evolutenradien 95 und 96 rechte Winkel. Da die Radien 95 und 96 Radien des gleichen Kreises sind, sind die jeweiligen Seiten der beiden Dreiecke gleich lang. Auch die Abstände von der Mitte 99 der Evolute zu den Auftreffpunkten 77 und 76 sind gleich, da sie Außenradien des Rohrs 60 sind. Damit besitzen die oben bestimmten Dreiecke zwei gleiche Seiten und einen gleichen Winkel und sind deshalb kongruent. Somit muß der durch den typischen Strahl 72 und durch die Senkrechte auf das Rohr am Punkt 77, an dem der typische Strahl 72 auf das Rohr auftrifft, bestimmte Winkel A&min;&min; gleich dem Winkel A&min; sein, der durch einen zweiten typischen Strahl 70 und die Senkrechte an dem Punkt 76 bestimmt wird, an dem der Strahl 70 die Außenfläche 62 des Rohrs 60 trifft. Dadurch wird der Beweis vervollständigt, daß ein Sender in Form einer Evolvente typische Strahlen aussendet, die auf das Rohr mit gleichen nicht senkrechten Auftreffwinkeln auftreffen.
Durch Verwendung der gleichen Auftreffwinkel A&min;, A&min;&min; und A&min;&min;&min; tastet ein entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellter Detektor das Rohr 60 vollständig ab. Es ist nützlich, die drei typischen Strahlwege 70, 72 und 74 beim Eintreten ins Rohr 60 zu prüfen. Diese typischen Strahlen treten in das Rohr an Punkten 76, 77 bzw. 78 ein, die gleichen Abstand längs der Außenfläche 62 des Rohrs 60 besitzen. Das heißt, der Umfangsabstand zwischen dem unteren Punkt 76 und dem mittleren Punkt 77 ist etwa gleich dem Umfangsabstand vom mittleren Punkt 77 zum obersten Punkt 78. Beim Eintreten in das Rohr wird der Ultraschallstrahl wegen der unterschiedlichen Brechungsindizes des Rohrs 60 und des Keils 54 gebrochen. Bei der Brechung werden die typischen Strahlwege 70, 72 und 74 so abgelenkt, daß gleiche Brechungswinkel S&min;, S&min;&min; bzw. S&min;&min;&min; gebildet werden. Beim Durchlaufen (der Wand) des Rohrs 60 folgen die typischen Strahlen den Wegen 80, 82 bzw. 84 und treffen an der Innenfläche 64 an Punkten 86, 87 bzw. 88 mit nahezu gleichen Abständen auf. Damit wird der Umfangsabstand zwischen dem unteren Punkt 86 und dem mittleren Punkt 87 annähernd gleich im Umfangsabstand zwischen dem mittleren Punkt 87 und dem oberen Punkt 88. So behalten diese typischen Strahlen ihren Abstand voneinander auf ihrem Weg durch das Rohr 60 bei, ohne zu divergieren oder zu konvergieren.
Wenn die richtigen Einfallwinkel ausgewählt werden, treffen die Strahlwege 80, 82 bzw. 84 an der Innenfläche 64 mit genügend großen Winkeln auf, um eine nahezu totale Innenreflexion zu erreichen. Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, treten bei richtig ausgewählten Einfallwinkeln die Strahlen in das Rohr ein und werden dann von der Innen- und Außenwand mehrmals reflektiert, bis sie abgeschwächt werden. In einer Ausführung der Erfindung haben sich Einfallwinkel von 33° bis 45° als wirksam erwiesen, um das erforderliche Verhalten zu erreichen, wobei ein Einfallwinkel von ca. 35° die besten Ergebnisse ergab. Wie bereits bemerkt, ist es möglich, durch Änderung des Evoluten- oder Erzeugungskurven-Radius den erwünschten Einfallswinkel auszuwählen.
Der vorstehende geometrische Beweis und die Besprechung des Verhaltens sind alle auf eine Wandlerfläche mit einem Querschnitt bezogen, der mit einer Evolventen zusammenfällt. Wenn auch Bearbeitungs-Überlegungen die Möglichkeit der Herstellung einer Evolventen-Wandlerfläche nicht ausschließen, legen sie doch die Verwendung einer Wandlerfläche nahe, die eine Annäherung an eine Evolventenfläche darstellt. Bei der praktischen Ausführung werden drei Punkte, beispielsweise die Punkte 53, 55 und 57 in Fig. 2, ausgewählt, die auf einer wirklichen Evolventen liegen. Unter Benutzung dieser drei Punkte ist es möglich, einen durch diese Punkte gehenden Kreis zu konstruieren, der sich eng der wirklichen Evolventen annähert. Der Kreis ist wiederum eine Querschnittsdarstellung eines Zylinders. Der tatsächlich ausgeführte Wandler enthält ein Segment eines Zylinders, dessen Querschnitt mit einem Segment dieses Kreises zusammenfällt, wobei drei Punkte auf der optimalen Evolventen-Form liegen. Obwohl dieser Kreis nicht exakt gleiche Auftreffwinkel erzeugen kann, ergeben sich annähernd gleiche Winkel mit dem für das angemessene Abtasten eines Schweißbereiches nach Fehlern und Unregelmäßigkeiten erforderlichen Genauigkeitsgrad.
Fig. 3 und 4 zeigen, wie sich die Wirksamkeit der Ultraschallabtastung in Abhängigkeit von den physikalischen Abmessungen der Wandlerfläche ändern kann. Der Ultraschall-Fehlerdetektor 110 in Fig. 3 rechts ist eine schematische Darstellung eines Fehlerdetektors, der gemäß der in Fig. 2 beschriebenen Auslegung aufgebaut ist. Er enthält ein Wandlergehäuse 112, ein Signalkabel 111, einen Keil 122 und einen Wandler 115 mit einer Fläche 116. Der Lucite-Keil 122 wirkt mit einem Rohr 160 mit einer Innenfläche 164 und einer Außenfläche 162 zusammen. Wie in der Figur gezeigt, ist die Größe der Wandlerfläche 116 gering zur Weite des Rohrsegmentes. Die Breite des von dem Wandler ausgesendeten Ultraschallstrahls wird durch die zwei Ultraschall-Grenzstrahlen 118 und 120 angegeben. Ein von der Fläche 116 ausgesendeter Ultraschallstrahl 124 läuft zu einer Stelle 121 an der Außenfläche 162 des Rohrs 160 und wird dort gebrochen. Der Strahl 124 läuft dann durch das Rohr 160 zu einer Stelle 126 an dessen Innenfläche, wo eine nahezu totale Innenreflexion auftritt. Gleichartige Innenreflexionen treten an den Stellen 128 und 130 längs des Rohrquerschnitts auf. Um diese Mehrfachreflexionen, die auftreten können, darzustellen, wird der Ultraschallstrahl 124 so gezeigt, daß er fünf Innenreflexionen erleidet, bevor der Strahl auf einen Fehler 100 auftrifft, und er wird auf ähnliche Weise auf seinem Rückweg fünfmal vor dem Wiedereintritt in den Lucite-Keil reflektiert.
Der Wandler 115 besteht aus einem piezoelektrischen Kristall. Dieser Kristall zeigt die Eigenschaft, daß er beim Empfang von physikalischer Energie in Form von Schallwellen diese in ein elektrisches Signal wandelt. So wird beim Wiederzurückkehren der Welle auf ihren Einfallsweg und Auftreffen auf den Wandler 115 ein elektrisches Signal über ein Kabel 111 gesendet, welches dieses Signal zu einem (in Fig. 3 nicht dargestellten) elektronischen Signalbaustein überträgt. Mittels der auf diesem Fachgebiet bekannten (und nicht beschriebenen) elektronischen Erkennungstechnik ist es möglich, die Anwesenheit und den Ort der Störung oder des Fehlers 100 im Rohr 160 durch Deutung der reflektierten Signale abzuleiten.
Wie sich aus der Darstellung des Fehlerdetektors 150 bei Bewegung in Fig. 3 nach links zeigt, kann eine schmale Strahlwandlerfläche die gesamte Rohrstruktur nur unzureichend abtasten. Der Fehlerdetektor 150 besteht aus einem Wandlergehäuse 152, einem Signalkabel 151, einem Lucite-Keil 153 und einem Wandler 155 mit einer Fläche 156. Die Fläche 156 erzeugt einen Ultraschallstrahl 167, bei dem die Außenbegrenzungen 166 und 168 einen relativ schmalen Strahl bilden. Der Strahl 167 tritt an der Stelle 161 an der Außenfläche 162 in das Rohr ein und wird gebrochen. Wenn der Strahl die Innenfläche 164 erreicht, erfolgt eine Total- (oder nahezu eine Total-)Innenreflexion und der Strahl setzt seinen Weg im Rohrinneren fort. Infolge der geringen Breite des Strahls 167 trifft er jedoch niemals den Fehler 100. Stattdessen setzt der Strahl seinen Weg fort, bis er total gedämpft ist.
Es ergibt sich aus dieser Besprechung, daß in einer Stellung der Detektor 110 reflektierte Signale vom Fehler 100 empfängt, und daß in der zweiten Stellung der Detektor 150 kein reflektiertes Signal von diesem Fehler empfängt. So kann ein Ultraschallsignal mit Breitenabmessungen, die relativ zu eng für das Rohr 160 sind, einen Fehler oder eine Unregelmäßigkeit in der Innenstruktur des Rohres verfehlen.
Wie Fig. 4 zeigt, ist es möglich, einen Ultraschall-Fehlerdetektor 180 erfindungsgemäßer Art mit einem Wandler aufzubauen, der groß genug ist, um das Rohr 160 vollständig abzutasten. Es ist zu bemerken, daß das in Fig. 4 dargestellte Rohr 160 die gleiche Innenfläche 162 und Außenfläche 164 wie das in Fig. 3 dargestellte Rohr 160 besitzt. Der Detektor 180 besteht aus einem Wandlergehäuse 184, einer Verkabelung 186, einem Lucite-Keil 188 und einem Ultraschall-Wandler 169 mit einer Oberfläche 190. Drei typische Ultraschallstrahlsegmente 191, 192 und 193 sind schematisch von der Wandlerfläche 190 abgehend dargestellt. Falls der Ultraschallstrahl so verengt wird, daß nur ein Strahl 192 mit einer der Strahlbreite in Fig. 3 entsprechenden Breite übrigbleibt, kann der Fehler 100 verfehlt werden, da der Strahl das Rohr unzureichend abtastet. Mit der zur Erzeugung eines durch die beiden Außenbegrenzungen 191 und 193 nach Fig. 3 bestimmten Strahlbreite erhöhten Wandlerbreite kann jede Dichteänderung infolge der Anwesenheit eines Fehlers erfaßt werden, ohne Rücksicht auf seine Lage im Rohr. Wie in Fig. 4 gezeigt, erreichen beide repräsentativen Strahlanteile 191 und 193 den Fehler 100 und erzeugen eine Reflexion, die zum Ultraschallwandler zurückkehrt und durch den (in Fig. 4 nicht dargestellten) elektronischen Signalbaustein gedeutet wird.
Die zwei repräsentativen Strahlwege 191 und 193 zeigen die erforderlichen Bedingungen zur ausreichenden Strahlabtastung bei einer bestimmten Rohrabmessung. Falls ein Strahlweg 193 vorhanden ist, der von der Außenfläche 162 an einer Stelle 194 in der Begrenzung 191 der auftreffenden Ultraschall-Energie reflektiert wird, tritt eine vollständige Ultraschallabtastung auf. So treffen in Fig. 4 beide repräsentative Wege 191 und 193 den Fehler 100. Infolge der nicht-konvergierenden und nicht-divergierenden Art der Strahlen tasten sie vollständig das Rohr 160 in der Umgebung des Detektors 180 ab und setzen diese Abtastung beim Weg in Umfangsrichtung des Rohrs fort.
Bei einem Rohr mit bestimmten Außen- und Innendurchmessern ist es möglich, die optimale Wandlerbreite zu bestimmen. Offenbar muß bei zunehmender Rohrstärke auch die Wandlerbreite zunehmen. Bei Rohrstärken von 9,53 mm (3/8" inch) wurde festgestellt, daß eine Wandlerflächenbreite von 50,8 mm (2 inch) das Rohr nach Fehlern abtastet. Bei anderen Rohrstärken ist es nötig, Wandlerdimensionen so auszuwählen, daß vollständig in erwünschter Weise nach Fehlern oder anderen Unregelmäßigkeiten in der Rohrstruktur gesucht wird. Da nach den Bearbeitungsüberlegungen ein Kreisbogen statt einer wahren Evolvente benutzt wird, ist die Umfangslänge des Bogens die Abmessung, die zum Anpassen an die Stärke des abzutastenden Rohrs geändert wird.
In Fig. 5 und 6 ist ein Verfahren zum Anbringen eines Ultraschallwandlers gezeigt. Fig. 5 ist eine Endansicht des Erfassungs-Halteaufbaus, wie er mit weniger Einzelheiten in Fig. 1 dargestellt ist.
Ein Endstück 202 ist vorgesehen mit zwei sich in Umfangsrichtung erstreckenden Auslegerarmen 204. Der (linke) Auslegerarm 204 ist teilweise aufgeschnitten, um anzuzeigen, wie Walzen-Öffnungen eine Walze 208 in Anlage an dem Rohr 210 halten. Die Walze 208 enthält ein stabartiges Querteil 212, das in die im Auslegerarm 204 angebrachten Bohrungen 206 reicht. Mittels zweier Lager 214 kann die Walze 208 um das stabförmige Querteil rotieren. Der Auslegerarm 204 ist für die anderen drei, in Fig. 5 nicht dargestellten Auslegerarme repräsentativ.
Der Auslegerarm 204 in der Fig. 5 rechts ist weggelassen, um die Ultraschalldetektor-Halteanordnung 216 zu zeigen. Diese Detektor-Halteanordnung ist einstellbar an einem Deteltorhaltearm 218 angebracht. Der Detektorhaltearm 218 besteht aus einem geschlitzten Arm, der als Halterung für zwei Detektorhalteklammern 220 dient, von denen nur eine gezeigt ist. Ein in Fig. 5 nicht dargestelltes Querteil hält die beiden Detektorhalteklammern 220 in festem Abstand in Längsrichtung des Rohres getrennt. Jede Halteklammer besitzt einen daran angebrachten Gewindestutzen 222, der durch den Schlitz im Detektorhaltearm 218 hindurchreicht.
Die Lage der Klammer 220 relativ zum Arm218 kann durch Lösen eines Gewindeknopfes 224 eingestellt werden, die mit dem Gewindestutzen 222 zusammenwirkt. Der Gewindeknopf legt sich gegen eine Sperrscheibe 226 an, die einen Reibschluß mit dem geschlitzten Arm 218 erzeugt. Wenn der Gewindeknopf 224 gelöst wird, wird der Reibschluß zwischen dem Arm 218 und der Sperrscheibe 226 gelöst und die Klammer 220 kann in Längsrichtung des Detektorhaltearms 218 in Umfangsrichtung des zu untersuchenden Rohrs bewegt werden. Wenn die richtige Einstellung erreicht ist, wird der Gewindeknopf 224 wieder angezogen und der Reibschluß wieder hergestellt. Durch die Einstellmöglichkeit der Klammer 220 kann das Ultraschallprüfgerät einstellbar an Rohren unterschiedlicher Durchmesser angebracht werden.
Die Detektor-Halteklammer 220 trägt einen Schwenkstift 228. Eine Zwischenhalteklammer 230 ist schwenkbar an dem Schwenkstift 228 angebracht. Diese Schwenkanordnung erlaubt es, die Zwischenklammer 230 um eine Achse 232 des Schwenkstiftes 228 (Fig. 6) zu schwenken. Der Ultraschalldetektor ist mit der Zwischenklammer 230 um die Achse 232 als Teil einer Kardananordnung zur Halterung des Ultraschalldetektors schwenkbar angebracht.
Ein Stützteil 234 ist an der Zwischenklammer 230 schwenkbar befestigt. Zwei Schuhstützteile 236 sind an dem Stützteil 234 angebracht. Jedes Schuhstützteil 236 umfaßt ein U-förmiges Teil mit Innenabschnitt 238 und Außenabschnitt 240. Diese Abschnitte dienen dazu, eine Anzahl von Gleitschuhen 242 in fester Beziehung zum Schuhstützteil 236 zu halten. Diese Gleitschuhe 242 sitzen auf dem Rohr auf und, wenn die Detektor-Haltestruktur 200 in Längsrichtung des Rohrs gezogen wird, gleiten die Schuhe längs des Rohrs und halten die Detektorhalterung in richtiger Beziehung zu dem Rohr.
Jedes Stützteil 234 ist an seiner Zwischenklammer 230 so befestigt, daß es um eine Achse 244 schwenkbar ist, die senkrecht auf der Achse 232 steht. Diese Drehachse bildet die zweite Achse der Kardananordnung für die Schuhstützteile 236. So können die Teile frei um zwei Achsen drehen, um unabhängig von Abweichungen im Rohr eine Anlage der Stützschuhe 242 an dem Rohr zu gestatten.
Der Ultraschallfehlerdetektor sitzt innerhalb einer Detektorhalterung 250. Die Detektorhalterung 250 ist fest oder starr an dem Schuhstützteil 236 angebracht. Ein Wandlergehäuseaufbau 252 ist einstellbar in der Detektorhalterung 250 befestigt. Die Lage des Wandlergehäuseaufbaus 252 gegenüber der Detektorhalterung 250 kann so eingestellt werden, daß eine optimale Beziehung der Halterung zum Rohr zur Aussendung von Ultraschallwellen mit gleichen Auftreffwinkeln auf das Rohr erreicht wird.
Zwei erste Schrauben 254 wirken mit zwei Schlitzen 256 in der Detektorhalterung 250 zusammen. Diese Schrauben 254 sind in den Wandlergehäuseaufbau eingeschraubt und können gelockert und in ihrer Lage durch Gleiten längs der beiden Schlitze eingestellt werden. Wenn diese Einstellung bei einem bestimmten Rohr getroffen ist, werden die Schrauben angezogen und der Wandlergehäuseaufbau bleibt relativ zur Detektorhalterung fest.
Ein Lucite-Keil 260 wird zwischen dem in dem Wandlergehäuse angebrachten Wandler und dem Rohr eingesetzt. Da die Form des Lucite-Keils, ebenso wie der Wandler, von dem abzutastenden Rohr abhängt, sind Einrichtungen zum Entfernen des Keiles und Austausches mit einem Keil anderer Form vorgesehen. Der Lucite-Keil 260 ist an dem Wandlergehäuseaufbau 252 mittels zweier eingesenkter Schrauben 262 befestigt.
Wenn Rohre unterschiedlicher Abmessungen abzutasten sind, wird ein neuer Wandler in dem Gehäuse 252 mit einer geeigneten Vorrichtung angebracht, um das Gehäuse und den Wandler in konstanter räumlicher Beziehung zueinander zu halten. Die zwei ersten Schrauben 254 werden dann so eingestellt, daß die (in Fig. 5 nicht gezeigte) Wandlerfläche in richtiger Beziehung zum Rohr 210 gehalten ist. Wenn dies erreicht ist, wird der richtige Lucite-Keil mit dem gleichen Krümmungsradius wie das zu untersuchende Rohr an dem Gehäuse durch die eingesenkten Schrauben 262 befestigt.
Fig. 6 zeigt die Halteanordnung 216 von der Rohroberfläche her gesehen. Es sind fünf Gleitschuhe 242 zu beiden Seiten des Wandlergehäuseaufbaus 252 vorhanden. Die eingesenkten Lucite-Halteschrauben können aus dieser Sicht nicht gesehen werden, jedoch ist zu sehen, wie der Lucite-Keil 260 an dem Wandlergehäuseaufbau angebracht ist. In der Nähe der Seiten des Lucite-Keils 260 sind Wassersprüher 264, durch die Wasser gesprüht wird. Dieses Wasser dient zur Ultraschall-Verkopplung des Lucite-Keils 260 mit dem Rohr 210. Typischerweise wird ein Spalt mit einer Größe von 250µ bis 890µ (0,010 bis 0,035 inch) zwischen dem Keil und der Rohrwand eingehalten. Wasser wird durch die Sprühdüsen gedrückt, um diesen Spalt aufzufüllen und den Keil mit der Wand zu verkoppeln. Das Wasser kann Zusätze, wie ein Aerosol enthalten, die als Netzmittel wirken.
Eine Ultraschallfläche 266, entsprechend den bereits eingehend beschriebenen ist gestrichelt in Fig. 6 eingezeichnet. Während die Beschreibung der Fig. 2 die Fläche als Evolventenfläche oder als Quasi-Evolventenfläche gekennzeichnet hat, erscheint sie in der Ansicht vom Rohr her als rechtwinkliger Wandler. Die längere der beiden Seiten ist tatsächlich von Evolventen- oder Quasi-Evolventen-Form. Die kürzere der beiden Seiten sind in dieser Sicht und in jeder anderen möglichen Sicht der Wandlerfläche linear. In einer zur Erprobung benutzten Ausführung mit einem Rohr, dessen Innen- und Außenflächen einen 2"-Querschnitt bildeten, betrugen die Abmessungen des rechtwinkligen Wandlers ein Rechteck von 31,75 mm × 57,15 mm (1 1/4 × 2 1/4 inch).
Während der Detektorhalteaufbau 216 längs des Rohres läuft, sendet der in der Detektorhalterung 250 angebrachte Wandler Ultraschallsignale aus, die das Rohr auf Unregelmäßigkeiten in der Schweißstruktur untersuchen. Die Zeitgebung für diese ausgesendeten Signale wird durch den elektronischen Signalbaustein 24 nach Fig. 1 gesteuert.

Claims

1. Vorrichtung zur Ultraschall-Materialprüfung eines zylindrischen Gegenstandes, insbesondere eines Rohres nach dem Impuls-Echoverfahren, bestehend aus einem außerhalb des Rohres angeordneten Ultraschallwandler mit einer als Segment aus einem zylinderförmigen Mantel herausgeschnittenen Senderfläche, deren Mantellinie parallel zur Rohrachse angeordnet ist und deren gekrümmte Fläche mit der des Rohres einen keilförmigen Spalt bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Senderfläche (52, 116, 156, 190) des Ultraschallwandlers (50, 110, 180) sich entlang einer Evolventen oder einer der Evolventen annähernden Kurve erstreckt, wobei die der Evolventen zugeordnete Evolute ein Kreis ist, dessen Zentrum auf der Rohrachse liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des die Evolute bestimmenden Kreises (59) derart gegenüber dem Rohr gewählt ist, daß durch Anordnung der Senderfläche (52, 116, 156, 190) an einer entsprechenden Evolventen der Auftreffwinkel A&min;, A&min;', a&min;&min;&min;) der Ultraschallstrahlen (70, 72, 74) an der Rohraußenwand (62) unter Berücksichtigung der Brechung eine Totalreflexion der Ultraschallstrahlen an der Rohrinnenwand (64) gewährleistet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangserstreckung der Senderfläche (52, 116, 156, 190) des Ultraschallwandlers in Rohrumfangsrichtung ausreichend lang gewählt ist um ein Überlappen der von der Rohrinnenwand (64) in Richtung auf die Rohraußenwand (62) zum ersten Mal reflektierten Ultraschallstrahlen mit dem durch die Rohraußenwand einfallenden Ultraschallstrahlen zu gewährleisten.