DE3441894A1 - Method and device for determining the wall thickness and/or the speed of sound of test specimens with ultrasonic pulses - Google Patents
Method and device for determining the wall thickness and/or the speed of sound of test specimens with ultrasonic pulsesInfo
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Abstract
Description
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG METHOD AND DEVICE FOR DETERMINATION
DER WANDSTARKE UND/ODER DER SCHALLGESCHWINDIG-KEIT VON PROFSTOCKEN MIT ULTRASCHALL IMPULSEN Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Wandstärke und/oder Schallgeschwindigkeit von Prüfstücken mit Ultraschallimpulsen, deren Laufzeiten im Prüfstück gemessen werden, wobei mit Hilfe eines ersten Sende- und Empfangswandlers die Laufzeit ,tw, der entsprechenden Ultraschall impulse zwischen der Schalleintrittsfläche des Prüfstückes und der der Schalleintrittsfläche gegenüberliegenden Rückwand des Prüfstückes ermittelt wird und wobei mit Hilfe jeweils eines zusätzlichen Sende- und Empfangswandlers, die symmetrisch zum ersten Wandler angeordnet sind, eine zweite Laufzeitmessung vorgenommen wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. THE WALL THICKNESS AND / OR THE SOUND SPEED OF PROFSTOCKEN WITH ULTRASONIC PULSES The invention relates to a method for determining the Wall thickness and / or speed of sound of test pieces with ultrasonic pulses, whose transit times are measured in the test piece, with the help of a first transmission and receiving transducer the transit time, tw, of the corresponding ultrasonic pulses between the sound entry surface of the test piece and the one opposite the sound entry surface Rear wall of the test piece is determined and with the help of an additional Transmit and receive transducers, which are arranged symmetrically to the first transducer, a second transit time measurement is made. The invention also relates to a device for carrying out the method.
Um die Wandstärke von Prüflingen, beispielsweise von Blechen oder Rohren, mit Hilfe von Ultraschallimpulsen zu bestimmen, wird üblicherweise die Laufzeit der Schallimpulse gemessen, wobei mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Prüflings die vom Schall zurückgelegte Entfernung bestimmt wird. Hierfür ist es allerdings erforderlich, daß die Schallgeschwindigkeit im Prüfling bekannt sein muß.To the wall thickness of test objects, for example of sheet metal or Tubes, with the help of ultrasonic pulses, will usually determine the transit time of sound pulses measured, with the help of the speed of sound within of the test object the distance covered by the sound is determined. For this is however, it is necessary that the speed of sound in the test object be known got to.
Aus dem Aufsatz von M.V. Korolev u.a. "Ultrasonic Thickness Gauging without Standards in USSR", lOth World Conference on Non-Destructive Testing, Moscow (1982) Vol. 2, pp. 50-59 sowie aus den US-Patentschriften 4.398.421 und 4.413.517 sind ferner Geräte bekannt, bei denen die Schallgeschwindigkeiten der zu prüfenden Werkstücke nicht vorgegeben werden müssen.From the essay by M.V. Korolev et al. "Ultrasonic Thickness Gauging without Standards in USSR ", 10th World Conference on Non-Destructive Testing, Moscow (1982) Vol. 2, pp. 50-59 and from US Patents 4,398,421 and 4,413,517 Devices are also known in which the sound velocities of the to be tested Workpieces do not have to be specified.
Vielmehr ist es mit diesen bekannten Geräten möglich, mit Hilfe zweier zusätzlicher Ultraschallwandler die Schallgeschwindigkeit dadurch zu ermitteln, daß die Laufzeit der entsprechenden Ultraschall impulse entlang der Oberfläche des Werkstückes ermittelt wird. Nachteilig ist bei diesen bekannten Anordnungen vor allem, daß die derartig ermittelte Schallgeschwindigkeit nur charakteristisch für einen oberflächennahen Bereich des Prüfstückes ist. Eine Wanddickenmessung mit ausreichender Genauigkeit ist daher nur dann möglich, wenn hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit homogene Werkstücke vorliegen. Diese Voraussetzung ist vielfach aber nicht gegeben.Rather, it is possible with these known devices, with the help of two additional ultrasonic transducer to determine the speed of sound that the transit time of the corresponding ultrasonic pulses along the surface of the Workpiece is determined. These known arrangements have the disadvantage all that the speed of sound determined in this way is only characteristic of is an area of the test piece close to the surface. A wall thickness measurement with sufficient Accuracy is therefore only possible when considering the speed of sound homogeneous workpieces are present. In many cases, however, this requirement is not met.
Bei diesen bekannten Verfahren ist ferner nachteilig, daß die Schallgeschwindigkeitsermittlung häufig nicht mit der selben Wellenart gemessen werden kann, wie die eigentliche Wandstärkenmessung (i.d.R.: Longitudinalwellen). Denn je nach der Oberflächenbeschaffenheit des Prüfstückes handelt es sich bei den Ultraschallwellen, die sich entlang der Oberfläche des Prüfstückes fortpflanzen, um Oberflächen- oder um Kriechwellen. Die Schallgeschwindigkeiten dieser Wellenarten können aber wesentlich verschieden sein von derjenigen, die Longitudinalwellen besitzen.In these known methods it is also disadvantageous that the sound velocity determination often cannot be measured with the same type of wave as the actual one Wall thickness measurement (usually: longitudinal waves). Because depending on the surface properties of the test piece is the ultrasonic waves that travel along the Propagate the surface of the test piece around surface waves or creeping waves. the However, the speeds of sound of these types of waves can be significantly different from those who have longitudinal waves.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu entwickeln, mit dem es möglich ist, trotz einer inhomogenen Schallgeschwindigkeitsverteilung in dem zu prüfenden Werkstück, eine genaue Wandstärkenbestimmung vorzunehmen, wobei sichergestellt sein soll, daß beide Laufzeitmessungen mit der gleichen Wellenart, i.d.R. Longitudinalwellen, vorgenommen werden.The present invention is therefore based on the object of a method of the type mentioned to develop with which it is possible, despite an inhomogeneous Sound velocity distribution in the workpiece to be tested, an exact determination of the wall thickness undertake, whereby it should be ensured that both runtime measurements with the of the same type of wave, usually longitudinal waves.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing part of claim 1 solved.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens offenbart der kennzeichnende Teil des Anspruchs 3. Die weiteren Unteransprüche offenbaren besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung.An apparatus for carrying out this method is disclosed in US Pat Characteristic part of claim 3. The further subclaims disclose particularly advantageous refinements of the method according to the invention or the method according to the invention Contraption.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden mit Hilfe von Zeichnungen und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.Further advantages and details of the invention are set out below explained in more detail with the aid of drawings and with the aid of exemplary embodiments.
Es zeigen: Fig. 1: schematisch ein Ultraschallwandstärkenmeßgerät mit Prüfkopf, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet; Fig. 2: einen auf ein Werkstück aufgesetzten erfindungsgemäßen Prüfkopf ; und Fig. 3: eine perspektivische Darstellung eines Ultraschallschwingers mit Vorlaufkörper.They show: FIG. 1: a schematic of an ultrasonic wall thickness measuring device with test head that works according to the method according to the invention; Fig. 2: one on a test head according to the invention placed on a workpiece; and FIG. 3: a perspective Representation of an ultrasonic transducer with a leading body.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Schaltung eines Wandstärkenmeßgerätes dargestellt, das über Leitungen 2,3,4 und 5 mit einem Prüfkopf 6 verbunden ist. Der Prüfkopf 6 befindet sich auf einem Prüfstück 7, dessen Wandstärke D ermittelt werden soll.In Fig. 1, 1 shows a circuit of a wall thickness measuring device, which is connected to a test head 6 via lines 2, 3, 4 and 5. The probe 6 is located on a test piece 7, the wall thickness D of which is to be determined.
Das Wandstärkenmeßgerät 1 enthält einen Trigger 100, der den Ultraschallsender 101 triggert. Der Ausgang des Senders 101 ist über einen ersten steuerbaren Schalter 102 mit den Leitungen 2 und 3 verbunden. Die Leitungen 4 und 5 sind über einen zweiten steuerbaren Schalter 103 und einem Empfangsverstärker 104 mit dem Rücksetzeingang eines Flip-Flops 105, an dessen Setzeingang der Trigger 100 liegt, verbunden. Dem Flip-Flop 105 nachgeschaltet ist ein UND-Glied 106, an dessen zweitem Eingang ein Taktgenerator 107 und an dessen Ausgang ein Zähler 108 liegt.The wall thickness measuring device 1 contains a trigger 100 that controls the ultrasonic transmitter 101 triggers. The output of the transmitter 101 is via a first controllable switch 102 connected to lines 2 and 3. Lines 4 and 5 are via a second controllable switch 103 and a receiving amplifier 104 with the reset input of a flip-flop 105, at whose set input the trigger 100 is connected. To the Downstream of the flip-flop 105 is an AND element 106, at the second input of which is a Clock generator 107 and at the output of which a counter 108 is located.
Die Zählwerte des Zählers werden in einen Mikroprozessor 109 übertragen und dort weiterverarbeitet. Der von dem Mikroprozessor 109 berechnete Wandstärkenwert bzw. Schallgeschwindigkeitswert wird dann von einer Anzeigenvorrichtung 110 dargestellt.The count values of the counter are transmitted to a microprocessor 109 and processed there. The wall thickness value calculated by the microprocessor 109 or the speed of sound value is then displayed by a display device 110.
Der Prüfkopf 6 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus drei elektroakustischen Wandlern 600, 601 und 602. Dabei dient der Wandler 600 zur Erzeugung von Schallwellen (Sendewandler) und der Wandler 602 zum Empfang von Schallwellen (Empfangswandler). Mit dem Wandler 601 schließlich werden sowohl Schallwellen erzeugt als auch die entsprechenden von der Rückwand 700 des Prüfstückes 7 reflektierten Echosignale empfangen. Bei allen drei Wandlern handelt es sich um Logitudinalwandler.The test head 6 consists in the illustrated embodiment three electroacoustic transducers 600, 601 and 602. The transducer 600 is used for Generation of sound waves (transmitting transducer) and the transducer 602 for receiving sound waves (Receiving transducer). Finally, the transducer 601 generates both sound waves as well as the corresponding ones reflected from the rear wall 700 of the test piece 7 Receive echo signals. All three converters are longitudinal converters.
Im folgenden soll die Wirkungsweise der dargestellten Schaltungsvorrichtung näher erläutert werden: Der Trigger 100 des Ultraschallwandstärkenmeßgerätes 1 erzeugt in vorgegebenen zeitlichen Abständen Impulse, die einerseits den Sender 101 veranlaßen, entsprechende elektrische Sendeimpulse zu erzeugen und andererseits das Flip-Flop 105 setzen.The following is the mode of operation of the circuit device shown are explained in more detail: The trigger 100 of the ultrasonic wall thickness measuring device 1 is generated At predetermined time intervals, pulses that on the one hand cause the transmitter 101, to generate corresponding electrical transmission pulses and on the other hand the flip-flop 105 set.
Ober den Schalter 102, der sich in einer ersten Stellung befindet (ausgezogene Schalterstellung),gelangt der Sendeimpuls an den Wandler 601, der einen entsprechenden Ultraschallimpuls erzeugt.Via switch 102, which is in a first position (extended switch position), the transmission pulse reaches the Converter 601, which generates a corresponding ultrasonic pulse.
Dieser Ultraschall impuls gelangt in das Prüfstück 7 und trifft auf den Bereich 701 der Rückwand 700. Der Impuls wird von dieser Rückwand reflektiert und wiederum von dem Wandler 601 in einen entsprechenden elektrischen Impuls umgewandelt. Dieser elektrische Impuls gelangt über den zweiten Schalter 103 und nach Verstärkung durch den Empfangsverstärker 104 an den Rücksetzeingang des Flip-Flops 105. Am Ausgang des Flip-Flops 105 ergibt sich also ein Torsignal, dessen Breite proportional ist zur Laufzeit der Ultraschallimpulse zwischen der Oberfläche 702 und der Rückwand 700 des Prüfstückes 7. Dieses Torsignal wird in bekannter Weise mit Hilfe des Taktgenerators 107, des UND-Gatters 106 und des Zählers 108 ausgezählt und der entsprechende Zählwert in den Mikroprozessor 109 übertragen.This ultrasonic pulse reaches the test piece 7 and hits the area 701 of the rear wall 700. The pulse is reflected from this rear wall and in turn converted by transducer 601 into a corresponding electrical pulse. This electrical pulse passes through the second switch 103 and after amplification through the receiving amplifier 104 to the reset input of the flip-flop 105. At the output of the flip-flop 105 thus results in a gate signal, the width of which is proportional at the transit time of the ultrasonic pulses between the surface 702 and the back wall 700 of the test piece 7. This gate signal is generated in a known manner with the aid of the clock generator 107, the AND gate 106 and the counter 108 are counted and the corresponding count value transferred to the microprocessor 109.
Würde der Schallgeschwindigkeitswert cw des Prüfstückes 7 bekannt sein, so könnte der Mikroprozessor sofort die entsprechende Wandstärke D des Prüfstückes 7 aufgrund der Beziehung: D= 1 cw . tw (1) ermitteln, wobei tw die Laufzeit der Ultraschall impulse durch das Prüfstück bedeutet.The sound velocity value cw of the test piece 7 would be known the microprocessor could immediately determine the corresponding wall thickness D of the test piece 7 due to the relationship: D = 1 cw. determine tw (1), where tw is the running time of the Ultrasonic impulses through the test piece means.
Es ist aber gerade der Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß der Schallgeschwindigkeitswert cw nicht bekannt zu sein braucht bzw. durch dieses Gerät ebenfalls ermittelt werden kann.But it is precisely the advantage of the present invention that the Sound velocity value cw does not need to be known or through this device can also be determined.
Um dieses zu erreichen wird eine zweite Laufzeitmessung durchgeführt. Hierzu veranlaßt der Mikrcprozessor 109 die Schalter 102 und 103 zur Umschaltung in ihre zweite (gestrichelte) Stellung.To achieve this, a second transit time measurement is carried out. For this purpose, the microprocessor 109 causes the switches 102 and 103 to switch over in their second (dashed) position.
Der nächste elektrische Sendeimpuls gelangt dann über die Leitung 2 an den Sendewandler 600 und erzeugt einen entsprechenden Ultraschall- impuls. Sende- und Empfangswandler 600 und 602 sind nun so ausgelegt, daß es sich bei diesen Wandlern um Senkrechtprüfköpfe handelt, bei denen also die Einschallung in Richtung der Normalen des Prüfstückes erfolgt. Andererseits sind der Abstand a der Wandler 600 und 602 voneinander und der Divergenzwinkel 6J des Schallbündels 606 des Sendewandlers 600 und der dem Schallbündel entsprechenden Empfangscharakteristik 607 des Empfangswandlers 602 so gewählt, daß sich das Schallbündel 606 und die Empfangscharakteristik 607 im Reflektionsbereich 701 der Rückwand 700 des Prüfstückes 7 überlappen. Der entsprechende Oberlappungsbereich ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt und mit 608 bezeichnet.The next electrical transmission pulse then arrives on the line 2 to the transmitting transducer 600 and generates a corresponding ultrasonic pulse. Transmit and receive transducers 600 and 602 are now designed so that it is with these Transducers are vertical probes, which means that the sound is in the direction of the normal of the test piece. On the other hand, the distance a are the transducers 600 and 602 from each other and the divergence angle 6J of the sound beam 606 of the transmitting transducer 600 and the reception characteristic 607 of the reception transducer corresponding to the sound bundle 602 is chosen so that the sound beam 606 and the reception characteristic 607 overlap in the reflection area 701 of the rear wall 700 of the test piece 7. The corresponding The area of the overlap is shown in dashed lines in FIG. 1 and denoted by 608.
Der Schallstrahl mit dem kürzesten Weg zwischen Sende- und Empfangswandler ist mit 609 gekennzeichnet.The sound beam with the shortest path between the transmitting and receiving transducers is marked with 609.
Aus der Forderung, daß sich das Schallbündel 606 und die Empfangscharakteristik 607 im Bereich 701 überlappen müssen, ergibt sich, daß ein von dem Sendewandler 600 erzeugtes und an der Rückwand 700 im Bereich 701 reflektiertes Ultraschallsignal vom Empfangswandler 602 auch empfangen wird. Dieses Signal wird dann wiederum über den Schalter 103 dem Verstärker 104 zugeführt. Anschließend wird mit Hilfe des Flip-Flops 105 ein Tor erzeugt, das mittels des UND-Gatters 106, des Taktgenerators 107 und des Zählers 108 ausgezählt wird. Der entsprechende Zählwert wird in den Mikroprozessor 109 übertragen und dann die Wanddicke, wie nachfolgend beschrieben, ermittelt: Bezeichnet man den Weg eines Schallimpulses vom Sendewandler 600 zum Empfangswandler 602 über den Rückwandbereich 701 mit s und seine Laufzeit mit ts, so gilt: cw = s/ts (2) Außerdem folgt aus der geometrischen Zuordnung von s, D und a: (s/2)2 = (a/2)2 + D2 (3) Gleichungen (2) und (3) in (1) eingesetzt ergibt: Bei bekanntem Abstand a des Sende- und Empfangswandlers 600 und 602 bzw. bei bekanntem Abstand zwischen Schalleintrittsfläche 703 und Schallaustrittsfläche 704 der Oberfläche 702 des Werkstückes 7, kann daher die Wandstärke D alleine, aufgrund der Laufzeitmessungen tw und ts, ermittelt werden.The requirement that the sound bundle 606 and the receiving characteristic 607 must overlap in the area 701 results in an ultrasonic signal generated by the transmitting transducer 600 and reflected on the rear wall 700 in the area 701 also being received by the receiving transducer 602. This signal is then in turn fed to the amplifier 104 via the switch 103. Then, with the help of the flip-flop 105, a gate is generated which is counted by the AND gate 106, the clock generator 107 and the counter 108. The corresponding count is transferred to the microprocessor 109 and the wall thickness is then determined as described below: If the path of a sound pulse from the transmitting transducer 600 to the receiving transducer 602 via the rear wall area 701 is denoted by s and its transit time as ts, then the following applies: cw = s / ts (2) In addition, it follows from the geometric assignment of s, D and a: (s / 2) 2 = (a / 2) 2 + D2 (3) Equations (2) and (3) inserted in (1) results : If the distance a of the transmitter and receiver transducers 600 and 602 is known or if the distance between the sound inlet surface 703 and the sound outlet surface 704 of the surface 702 of the workpiece 7 is known, the wall thickness D can therefore be determined solely on the basis of the transit time measurements tw and ts.
Allerdings ist der Abstand a mit mechanischen Hilfsmitteln nur relativ ungenau meßbar, weil die Ein- und Austrittsflächen nicht punktförmige Flächen darstellen, sondern einen mehr oder weniger großen Bereich umfassen. Als besonders vorteilhaft hat es sich daher erwiesen, nicht den mittleren mechanisch gemessenen Abstand zwischen den beiden Wandlern zu verwenden, sondern von einem effektiven Abstand aeff auszugehen. Dazu wird ein Kontrollkörper bekannter Dicke und beliebiger Schallgeschwindigkeit verwendet und aus Gleichung (4) aeff vermittelt, indem D vorgegeben und die Laufzeiten tw und ts gemessen werden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß aeff praktisch unabhängig von der Dicke D des jeweiligen Werkstückes ist, so daß Gleichung (4) ersetzt werden kann durch: Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich allerdings nur auf den Fall, daß die Schwinger der Wandler 600, 601 und 602 direkt - oder über eine nicht dargestellte Schutzschicht - mit dem Prüfstück 7 in Berühung stehen. Vorteilhafterweise werden aber häufig die Schwinger des Sende- bzw. Empfangswandlers über Vorlaufkörper an das Prüfstück 7 angekoppelt. Dadurch ist es u.a. möglich, Schallbündel mit relativ großem Divergenzwinkel AJ in dem Prüfstück zu erzeugen, was die Messung geringer Wandstärken D ermöglicht. Einen entsprechenden Prüfkopf 60 zeigt Fig. 2.However, the distance a can only be measured relatively imprecisely with mechanical aids because the entry and exit surfaces do not represent punctiform surfaces, but rather encompass a more or less large area. It has therefore proven to be particularly advantageous not to use the mean mechanically measured distance between the two transducers, but to start from an effective distance aeff. For this purpose, a control body of known thickness and any desired speed of sound is used and obtained from equation (4) aeff by specifying D and measuring the transit times tw and ts. It has been shown that aeff is practically independent of the thickness D of the respective workpiece, so that equation (4) can be replaced by: The exemplary embodiment described above, however, only relates to the case in which the oscillators of the transducers 600, 601 and 602 are in direct contact with the test piece 7, or via a protective layer (not shown). Advantageously, however, the transducers of the transmitting and receiving transducers are often coupled to the test piece 7 via lead bodies. This makes it possible, among other things, to generate sound bundles with a relatively large divergence angle AJ in the test piece, which enables the measurement of small wall thicknesses D. A corresponding test head 60 is shown in FIG. 2.
Der Schwinger des nicht in allen Einzelheiten wiedergegebenen Sendewandlers ist mit 610, der des Empfängers mit 611 und der des Sendeempfangswandlers mit 612 bezeichnet. Die Schwinger 610 und 611 sind jeweils auf Schallvorlaufkörpern 613 und 614 angeordnet, welche beispielsweise aus Plexiglas bestehen können und die die gleiche Dicke aufweisen sollten. Der Schwinger 612 berührt während des Meßvorganges direkt das Prüfstück 7. Durch die akustischen Trennschichten 615, 616 wird sichergestellt, daß die von dem Schwinger 610 erzeugten Schall impulse nicht direkt, d.h. über den Bereich,in dem sich der Sendeempfangsschwinger 612 befindet, zu dem Empfangsschwinger 611 gelangen.The transducer of the transmitting transducer, which is not shown in detail is with 610, that of the receiver with 611 and that of the transceiver transducer with 612 designated. The transducers 610 and 611 are each on sound leading bodies 613 and 614 arranged, which can for example consist of Plexiglas and the should be the same thickness. The oscillator 612 touches during the measuring process the test piece 7 directly. The acoustic separating layers 615, 616 ensure that that the sound pulses generated by the transducer 610 are not directly, i.e. via the Area in which the transceiver transducer 612 is located, to the receive transducer 611 arrive.
Die Schaltung des entsprechenden Wandstärkenmeßgerätes entspricht im wesentlichen derjenigen des in Fig. 1 dargestellten Gerätes.The circuit of the corresponding wall thickness measuring device corresponds essentially that of the device shown in FIG.
Lediglich die Schalter 102 und 103 sind durch neue, jeweils drei Schaltstufen aufweisende Schalter 1020 und 1030 ersetzt worden. Die Bedeutung dieser Schalter wird weiter unten noch näher erläutert.Only switches 102 and 103 are new, each with three switching stages having switches 1020 and 1030 have been replaced. The meaning of these switches is explained in more detail below.
Zur Ermittlung der unbekannten Wandstärke 6 des Prüfstückes 7 wird wiederum Gleichung (1) herangezogen. Es wird also die Laufzeit tw ermittelt, die ein Ultraschallimpuls vom Schwinger 612 bis zur Rückwand 700 des Prüfstückes und zurück zum Schwinger 612 benötigt.To determine the unknown wall thickness 6 of the test piece 7, Again, equation (1) is used. The running time tw is thus determined, which an ultrasonic pulse from the transducer 612 to the rear wall 700 of the test piece and back to transducer 612 is required.
Bei der zweiten Laufzeitmessung,bei der die Laufzeit ermittelt wird, die die vom Sendeschwinger 610 erzeugten Impulse benötigen, um über den Reflektionsbereich 701 des Prüfstückes 7 zu dem Empfangsschwinger 611 zu gelangen ist zu berücksichtigen, daß die Schall impulse nicht nur das Prüfstück 7 sondern auch die Vorlaufkörper 613 und 614 durchlaufen. Im folgenden soll näher auf die entsprechenden funktionellen Zusammenhänge zwischen den Laufzeiten tw und ts sowie dem Abstand a zwischen dem Sende- und Empfangsschwinger 610 und 611 und der Wandstärke D eingegangen werden: Dazu ist in Fig. 2 ein Schallstrahl 617 dargestellt, der von dem Sendeschwinger 610 ausgeht und über den Bereich 701 der Rückwand 700 des Prüfstückes 7 zu dem Empfangsschwinger 611 gelangt. Dieser Strahl möge unter einem Einfallswinkel eA auf die Schallaustrittsfläche des Vorlaufkörpers 613 fallen und aufgrund der.unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten in dem Vorlaufkörper (cv) und in dem Prüfstück (cw) einen Einschallwinkells besitzen, der sich aufgrund der Beziehung: sin (#) = cv (6) sin (ß ) cw errechnet.For the second transit time measurement, in which the transit time is determined, which the pulses generated by the transmitter transducer 610 need to pass through the reflection area 701 of the test piece 7 to get to the receiving transducer 611 must be taken into account, that the sound pulses not only the test piece 7 but also the leading body 613 and 614 run through. The following is intended to refer to the relevant functional Relationships between the transit times tw and ts and the distance a between the Transmit and receive transducers 610 and 611 and the wall thickness D are included: For this purpose, a sound beam 617 is shown in FIG. 2, coming from the transmitter oscillator 610 goes out and via the area 701 of the rear wall 700 of the test piece 7 to the receiving transducer 611 arrives. Let this beam hit the sound exit surface at an angle of incidence eA of the leading body 613 fall and due to the different speeds of sound have an angle of incidence in the leading body (cv) and in the test piece (cw), which is calculated based on the relationship: sin (#) = cv (6) sin (ß) cw.
Neben Gleichung (6) müssen noch die Bedingungen über die Gesamtlaufzeit des Schallstrahles 617 vom Punkt 618 über dem Bereich 701 zu dem Punkt 619 auf dem Empfangsschwinger sowie die Bedingung über die geometrische Lage der Punkte 618, 701 und 619 erfüllt sein. Diese Bedingungen werden durch die Gleichungen (7) und (8) beschrieben: ts' = tv/cos (α ) + tw'/cos (ß) (7) a = 2.tv'.cv.tan (α) + 2.tw'.cw.tan (ß) (8) Dabei bedeuten: ts' = Halbe Schal laufzeit von Punkt 618 über Punkt 701 zu Punkt 619. (ts' = 1 ts).In addition to equation (6), the conditions must also apply to the total running time of sound beam 617 from point 618 over area 701 to point 619 on the Receiving transducer and the condition regarding the geometric position of points 618, 701 and 619 must be met. These conditions are given by equations (7) and (8) described: ts '= tv / cos (α) + tw' / cos (ß) (7) a = 2.tv'.cv.tan (α) + 2.tw'.cw.tan (ß) (8) where: ts' = half the scarf running time from point 618 via point 701 to point 619. (ts' = 1 ts).
2 tv = Halbe Schal laufzeit für die Senkrechteinschallung in den Vorlaufkörper 606 bzw. 607. 2 tv = half the duration of the sound for the vertical sounding into the Leading body 606 or 607.
tw' = Halbe Schal laufzeit für die Senkrechteinschallung in das Werkstück (tw' = 2 tw). tw '= half the scarf running time for the perpendicular irradiation into the workpiece (tw '= 2 tw).
a = Abstand der Punkte 618 und 619. a = distance between points 618 and 619.
Durch Auflösen der Gleichungen (6) und (8) nach cw und Gleichsetzen, können mit Hilfe von Gleichung (7)α und ß berechnet werden.By solving equations (6) and (8) for cw and equating, can be calculated using equation (7) α and ß.
Gleichung (6) liefert dann bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit im Vorlaufkörper die Schallgeschwindigkeit im Prüfstück 7. Bei bekanntem Abstand a und bekannter Schallgeschwindigkeit im Vorlauf, kann also die Schallgeschwindigkeit im Werkstück allein aus den drei Zeitmessungen ts', tw' und tv ermittelt werden. Mit der berechneten Schallgeschwindigkeit cw im Werkstück und der gemessenen Zeit tw ist damit auch die Dicke des Werkstückes, gemäß Gleichung (1) bekannt.Equation (6) then yields when the speed of sound is known in the leading body the speed of sound in the test piece 7. If the distance is known a and known speed of sound in advance, so can be the speed of sound can be determined in the workpiece solely from the three time measurements ts ', tw' and tv. With the calculated speed of sound cw in the workpiece and the measured time tw is therefore also the thickness of the workpiece, according to equation (1).
Wie in dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel auch, ist der Abstand a mit mechanischen Hilfsmitteln relativ ungenau meßbar. Es hat sich daher auch bei diesem Ausführungsbeispiel als besonders vorteilhaft erwiesen, nicht den mittleren mechanisch gemessenen Abstand zwischen den beiden Schwingern 610 und 611 zu verwenden, sondern von einem berechneten effektiven Abstand seff auszugehen. Dazu wird wiederum ein Kontrollkörper bekannter Dicke und beliebiger Schallgeschwindigkeit verwendet.As in the first embodiment described above, is the distance a can be measured relatively imprecisely with mechanical aids. It has therefore also proved to be particularly advantageous in this exemplary embodiment, not the mean mechanically measured distance between the two transducers 610 and 611, but to start from a calculated effective distance seff. For this purpose, a control body of known thickness and any desired speed of sound is used used.
Zur Berechnung von aeff werden die drei Schal laufzeiten ts, tw und tv an dem Kontrollkörper gemessen. Aus der Dicke des Kontrollkörpers kann mit Hilfe der Laufzeit tw die Schallgeschwindigkeit des Kontrollkörpers berechnet werden. Mit diesen Werten kann nun der Abstand aeff -ermittelt werden, indem aus den Gleichungen (6) und (7) oC und ß berechnet werden. Gleichung (8) - in der a durch aeff ersetzt wurde - liefert dann aeff.The three switching times ts, tw and tv measured on the control body. From the thickness of the control body you can use the time of flight tw the speed of sound of the control body can be calculated. With these values, the distance aeff can now be determined by using the equations (6) and (7) oC and ß can be calculated. Equation (8) - in which a is replaced by aeff was - then returns aeff.
Das Lösen des genannten Gleichungssystems ist sehr aufwendig.Solving the aforementioned system of equations is very time-consuming.
Häufig können aber aufgrund der konkreten Aufgabenstellung an die erfindungsgemäßen Vorrichtung, das erwähnte Gleichungssystem wesentlich vereinfacht werden. Vor allem vier Fälle lassen sich unterscheiden: 1. Es sollen nur Werkstücke mit erheblich größerer Schallgeschwindigkeit als im Vorlauf gemessen werden. Dann gilt: cv <cw also mit Gleichung (6) sin ( ¢C)/sin ( ) (/3) ' 1 Bei in Abhängigkeit vom zu messenden Dickenbereich sinnvoll gewähltem a ist ß nicht größer als ca. 20 Grad. In diesem Falle kann dC in hinreichender Näherung gleich 0 gesetzt werden. Dadurch vereinfacht sich das o.e. Gleichungssystem zu: ts' = tv - tw' / cos (ß ) (7') aeff = 2.tw'.cw.tan (ß) (8') Gleichung (9) in Gleichung (10) eingesetzt liefert: Diese Gleichung dient wie oben beschrieben zur Ermittlung von aeff in einem Justiervorgang. Das so berechnete aeff stimmt allerdings nicht genau mit dem nach dem allgemeinen Gleichungssystem berechneten aeff überein. Es wird vielmehr ein kleinerer Wert ermittelt. Trotzdem ergeben sich unter der genannten Einschränkung noch recht genaue Wert für die Schallgeschwindigkeiten.Often, however, the aforementioned system of equations can be significantly simplified due to the specific task of the device according to the invention. Four cases in particular can be distinguished: 1. Only workpieces with a significantly higher speed of sound than in the advance should be measured. Then: cv <cw with equation (6) sin (¢ C) / sin () (/ 3) '1 With a sensibly chosen depending on the thickness range to be measured, ß is not greater than approx. 20 degrees. In this case, dC can be set equal to 0 to a sufficient approximation. This simplifies the above system of equations to: ts '= tv - tw' / cos (ß) (7 ') aeff = 2.tw'.cw.tan (ß) (8') Equation (9) in equation (10) used delivers: As described above, this equation is used to determine aeff in an adjustment process. However, the aeff calculated in this way does not exactly match the aeff calculated according to the general system of equations. Rather, a smaller value is determined. Nevertheless, with the mentioned restriction, there are still quite precise values for the speed of sound.
Wird Gleichung (9) nach cw aufgelöst, dient sie zur Berechnung von cw aus den drei Laufzeitmessungen ts', tw' und tv: 2. Es sollen nur Werkstücke größerer Dicke gemessen werden, so daß auf Vorlaufkörper 613, 614 - bis auf eine dünne Schutzschicht -verzichtet werden kann. In diesem Fall ergibt sich das oben zu Fig. 1 beschriebene Beispiel.If equation (9) is solved for cw, it is used to calculate cw from the three transit time measurements ts ', tw' and tv: 2. Only workpieces of greater thickness should be measured, so that leading bodies 613, 614 - apart from a thin protective layer - can be dispensed with. In this case, the example described above for FIG. 1 results.
3. Es sollen nur Werkstücke gemessen werden, deren Schallgeschwindigkeiten in derselben Größenordnung liegen wie die Schallgeschwindigkeit in den Vorlaufkörpern 613,614.3. Only workpieces should be measured whose sound velocities are are of the same order of magnitude as the speed of sound in the leading bodies 613,614.
In diesem Falle verändert sich das Gleichungssystem zu: sin (α) /sin (ß) # 1 bzw. sin (α) = sin (ß ) (6") und damit gilt: ts' = (tw' + tv)/cos (ß) (7'') aeff = 2.tan (ß) . (tv.cv + tw'.cw) (8") Aus den beiden Gleichungen (7") und (8") folgt: Diese Gleichung dient wieder zur Ermittlung von aeff mit Hilfe der Messungen der Laufzeiten ts', tw' und tv an einem Kontrol lkörper bekannter Dicke bzw. Schaligeschwindigkeit.In this case the system of equations changes to: sin (α) / sin (ß) # 1 or sin (α) = sin (ß) (6 ") and thus: ts '= (tw' + tv) / cos (ß) (7 '') aeff = 2.tan (ß). (tv.cv + tw'.cw) (8 ") From the two equations (7") and (8 ") it follows: This equation is again used to determine aeff with the help of the measurements of the transit times ts ', tw' and tv on a control body of known thickness or shell speed.
Gleichung (11) umgeformt nach cw dient zur Berechnung der Dicke bzw. Schallgeschwindigkeit im Werkstück: 4. Es sollen nur Werkstücke vermessen werden, deren Wanddicken in derselben Größenordnung liegen.Equation (11) transformed according to cw is used to calculate the thickness or the speed of sound in the workpiece: 4. Only workpieces with wall thicknesses of the same order of magnitude should be measured.
Bei den bisher beschriebenen Fällen werden Schwinger 610, 611 verwendet, deren Breite b wesentlich kleiner ist als die Breite B der Vorlaufkörper 613, 614,auf denen die Schwinger angeordnet sind. Derartige Vorlaufkörper haben den Vorteil, daß sich der Schallverlauf an die Wanddicke anpaßt. D.h., bei großen Wanddicken ist der Abstand von Schalleintritts- punkt zu Schallaustrittspunkt auf der Prüfstücksoberfläche 702 größer als bei geringen Wanddicken. Dadurch wird eine höhere Meßgenauigkeit erreicht. Werden nur Prüfstücke 7 mit Wanddicken in der selben Größenordnung vermessen, so kann durch Wahl eines geeigneten Abstandes a auf diesen Vorteil verzichtet werden. In the cases described so far, transducers 610, 611 are used, the width b of which is significantly smaller than the width B of the leading bodies 613, 614 where the transducers are arranged. Such leading bodies have the advantage that the course of the sound adapts to the wall thickness. That is, with large wall thicknesses is the distance from the sound entry point to sound exit point on the test piece surface 702 larger than in the case of small wall thicknesses. This will a higher measurement accuracy is achieved. Are only test pieces 7 with wall thicknesses in the measure the same order of magnitude, by choosing a suitable distance a this advantage can be waived.
Benutzt man in diesem Fall für jeden Schwinger einen eigenen Vorlaufkörper, der die gleichen Breiten- und Längenabmessungen wie der Wandler aufweist, so erfolgt die Auswertung, wie unter Fall 1. beschrieben. Die Höhe h des Vorlaufkörpers soll dabei vorzugsweise der Nahfeldlänge des Schwingers entsprechen. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3. Dabei ist mit 6100 ein Schwinger der Breite b und der Länge l und mit 6130 der entsprechende, an die Abmessungen des Schwingers angepaßte Vorlaufkörper bezeichnet. Durch einen derartigen Vorlaufkörper kann Gleichung (6) nicht erfüllt werden. Hier ist der schnellste Weg des Schall impulses derjenige, welcher den Vorlaufkörper 6130 senkrecht durchläuft. Es gilt also, daß im Fall 1. angegebene Gleichungssystem. In this case, if you use a separate lead body for each transducer, which has the same width and length dimensions as the transducer the evaluation as described under case 1. The height h of the leading body should preferably correspond to the near field length of the oscillator. An embodiment shows Fig. 3. Here with 6100 a transducer of width b and length l and with 6130 the corresponding lead body adapted to the dimensions of the transducer designated. Equation (6) cannot be satisfied by such a leading body will. Here the fastest path of the sound impulse is that which the leading body 6130 runs through vertically. It is therefore true that the system of equations given in case 1.
Hinsichtlich der Wandlerform haben sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor allem rechteckige Strahler, wie sie Fig. 3 zeigt, bewährt. Dabei sollte die schmale Seite der Schwinger 610,611 (Fig. 2) auf der beide Schwinger direkt verbindenden Linie (Z-Achse) liegen. Dadurch wird in dieser Richtung ein großer Divergenzwinkel 0 erzielt. In der Richtung senkrecht zur Z-Achse hat das Schallbündel dagegen eine wesentlich geringere Divergenz, wodurch sich eine Erhöhung der Empfindlichkeit ergibt.With regard to the shape of the transducer, the invention Device especially rectangular radiators, as shown in Fig. 3, proven. Included should be the narrow side of transducer 610,611 (Fig. 2) on top of both transducers directly connecting line (Z-axis). This will turn a in that direction large divergence angle 0 achieved. In the direction perpendicular to the Z-axis this has Sound bundles, on the other hand, have a significantly lower divergence, which leads to an increase the sensitivity results.
Die große Divergenz in Richtung der Z-Achse kann durch die Wahl einer niedrigen Frequenz noch erhöht werden.The large divergence in the direction of the Z-axis can be achieved by choosing a low frequency can still be increased.
Allerdings ist dabei darauf zu achten, daß die starken Nebenkeulen (sowohl Transversal - als auch Longitudinalwellenanteile), die bei großen t /D Verhältnissen entstehen, keine Oberflächen- oder Kriechwellen auf der Werkstückoberfläche erzeugen können. Da diese Nebenkeulen direkt am Wandler entstehen, genügt es zur Vermeidung störender Einflüsse die Seiten des Vorlaufkörpers mit einem Dämpfungsmaterial zu versehen, so daß diese Nebenkeulen nicht durch Reflexion in das Werkstück gelangen können.However, it is important to ensure that the strong side lobes (both transversal and longitudinal wave components) that occur with large t / D ratios do not generate surface waves or creeping waves on the workpiece surface can. Since these side lobes arise directly at the converter, it is sufficient to avoid them disturbing influences the sides of the leading body with a damping material provided so that these side lobes do not get into the workpiece by reflection can.
Da in den oben erwähnten mit 1,3 und 4 bezeichneten Ausführungsbeispielen die Zeit tv bekannt sein muß, während der die Schallimpulse die Vorlaufkörper durchlaufen, sind in Fig. 2 zwei dreistufige Schalter 1020 und 1030 vorgesehen.Since in the above-mentioned with 1, 3 and 4 designated embodiments the time tv must be known during which the sound pulses pass through the leading bodies, two three-stage switches 1020 and 1030 are provided in FIG.
Befindet sich Schalter 1020 in der Schaltstellung (a) und Schalter 1030 in Stellung (c) bzw. Schalter 1020 in Stellung (c) und Schalter 1030 in Stellung (a), so kann der jeweilige Wert tv mit dem Wandstärkenmeßgerät l (Fig. 1) ermittelt werden. Dabei erfolgt das Rücksetzen des Flip-Flops 105 durch das an der Unterseite des jeweiligen Vorlaufkörpers 613,614 reflektierte Echosignal.If switch 1020 is in switch position (a) and switch 1030 in position (c) or switch 1020 in position (c) and switch 1030 in position (a), the respective value tv can be determined with the wall thickness measuring device l (Fig. 1) will. The resetting of the flip-flop 105 takes place by the one on the underside of the respective leading body 613,614 reflected echo signal.
Sind die Schalter 1020 und 1030 jeweils in Stellung (a) kann ts und sind beide Schalter jeweils in Stellung (b) kann tw ermittelt werden.If switches 1020 and 1030 are in position (a), ts and if both switches are in position (b), tw can be determined.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch ähnliche, einem Durchschnittsfachmann naheliegende Ausführungsformen. So ist es insbesondere naheliegend zur Messung von oberflächennahen Fehlern auch den Schwinger 612 des Prüfkopfes 60 (Fig. 2) auf einem Vorlaufkörper anzuordnen.The invention is of course not limited to those described above Embodiments are limited, but also encompass similar ones to one of ordinary skill in the art obvious embodiments. So it is particularly obvious to measure near-surface defects also the oscillator 612 of the test head 60 (FIG. 2) on a Arrange leading body.
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