DE3218440A1

DE3218440A1 - Ultraschallpruefeinrichtung zur zerstoerungsfreien werkstoffpruefung

Info

Publication number: DE3218440A1
Application number: DE19823218440
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Dipl.-Phys. 5042 Erfstadt Opara
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co; Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co; Krautkraemer GmbH
Priority date: 1982-05-15
Filing date: 1982-05-15
Publication date: 1983-11-17
Also published as: US4470306A; FR2526951A1; GB2122349B; GB8312095D0; JPS58208660A; FR2526951B1; GB2122349A

Description

Krautkrämer GmbH 14.05.1982

Luxemburger Str. 449 P/Cl

5000 Köln 41 ^K"¹⁶³

ULTRASCHALLPRÜFEINRICHTUNG ZUR ZERSTÖRUNGSFREIEN WERKSTOFFPRÜFUNG

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall prüfeinrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit einem Sender und einem Empfangsverstärker, sowie mit breitbandigen Prüfköpfen verschiedener Nennfrequenz fo, die jeweils, sowohl zur Erzeugung als auch zum Empfang der Ultraschallwellen verwendet werden und einem veränderbaren Dämpfungswiderstand zur Einstellung der Sendeimpulshöhe.

Um mit Ultraschallprüfeinrichtungen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung unter Verwendung von Normal prüfköpfen ein hohes räumliches Auflösungsvermögen zu erreichen, ist es erforderlich mit sehr kurzen Schall impulsen zu arbeiten. Hierzu regt ein entsprechend kurzer Sendeimpuls einen stark gedämpften Ul traschall prüfkopf (Breitbandprüfkopf) an. Das reflektierte Echo wird dann von diesem Breitbandprüfkopf empfangen und das entsprechende elektrische Signal in einem Breitbandverstärker verstärkt. Der elektrische Sendeimpuls wird in der Regel dadurch erzeugt, daß ein auf eine vorgegebene Spannung aufgeladener Kondensator sehr schnell mit Hilfe eines als Schalter wirkenden Bauelements (Transistor, Thyristor etc.) entladen wird.

Da die bekannten Ultraschallprüfeinrichtungen je nach Prüfproblem mit Prüfköpfen unterschiedlicher Nennfrequenz arbeiten, ist zur Anpassung des Senders an den jeweiligem Prüfkopf ein sogenannter Impulssteller vorgesehen, mit dem die Höhe des elektrischen Sendeimpulses eingestellt werden kann. Dabei handelt es sich um einen Dämpfungswiderstand, der parallel zum Sendeausgang und damit auch zum Prüfkopf sowie zum Empfängereingang angeordnet ist. Der Impulssteller wird solange verändert bis der Ultraschallprüfer glaubt, die auf dem Bildschirm des Ultraschallgerätes dargestellten Impulse seien optimal dargestellt (maximale Höhe und verzerrungsfreie Darstellung der Echoimpulse).

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Bei diesem bekannten Verfahren der Anpassung des Prüfkopfes an den Sender hat sich gezeigt, daß unterschiedliche Ultraschal!prüfer zu unterschiedlichen Einstellungen gelangen. Eine reproduzierbare Einstellung ist bei diesem bekannten Verfahren daher nicht möglich. Vielmehr kommt es zum Teil zu völligen Fehl Justierungen und dadurch zu Fehlbewertungen. Denn wie sich gezeigt hat, ist mit der Änderung des Dämpfungswiderstandes auch eine Änderung des Frequenzspektrum des Gesamtsystems: Sender, Prüfkopf, Empfänger verbunden. Verwendet man beispielsweise einen 2 MHz Prüfkopf, so kann bei Falschjustierung des Dämpfungswiderstandes der Bereich maximaler Empfindlichkeit bei 1 MHz liegen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die o.e. bekannte Ultraschallprüfeinrichtung so weiter zu entwickeln, daß eine Änderung des Impulsstellers einen möglichst geringen Einfluß auf das Frequenzspektrum des Gesamtsystems: Sender, Prüfkopf und Empfänger hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Empfangsverstärker einen auf den jeweils verwendeten Prüfkopf angepassten Frequenzgang V (f) aufweist, der so gewählt ist, daß das Produkt H Cf) aus der Spektral verteilung S (f) des Senders und dem Frequenzgang V (f) des Empfangsverstärkers bis zur Nennfrequenz fo des jeweiligen Prüfkopfes frequenzunabhängig ist und in diesem Bereich seinen maximalen Wert erreicht. Für die Praxis reicht es allerdings aus, wenn H (f) zwischen fo und fo/10 annähernd konstant ist.

Bei Verwendung der üblicherweise in Ultraschallprüfgeräten benutzten Sendern bei denen eine Kondensatorenentladung zur Impulserzeugung verwendet wird, ist aufgrund des 1/f-Abfalls des entsprechenden Sendespektrums für den Frequenzgang des Empfangsverstärkers V (f) zu fordern, daß V (f) bis etwa fo einen linearen Anstieg von 6dB/0ktave aufweist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden mit Hilfe von Figuren anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 die Schaltung einer an sich bekannten Ultraschall prüfeinrichtung mit Impulssteller;

Fig. 2 die Spektral verteilung einer Ultraschall prüfeinrichtung gemä'S Fig. 1;

Fig. 3a die Frequenzgänge bzw. Spektral Verteilungen des Senders S (f), ^1S des Empfangsverstärkers V (f), des Prüfkopfes P (f) und des Produktes H (f) = S (f) - V (f);

Fig. 4a die entsprechenden Frequenzgänge wie in Fig. 3a bis 3c unter ^1S Verwendung eines Verstärkers mit linearem Frequenzanstieg bis zur Nennfrequenz des Prüfkopfes sowie den Frequenzgang des Produktes H'(f) · P (f);

Fig. 5 ein RC-Filter zur Erzeugung eines Frequenzganges gemäß Fig. 4b; und

Fig. 6 eine Verstärkeranordnung zur Anpassung an Ul traschall-Breitbandprüfköpfe mit unterschiedlicher Mittenfreqenz fo.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Ul traschall sender bezeichnet, der im wesentlichen aus einem Thyristor 10, einem Kondensator 11 und dem Impulssteller besteht. Die Steuerelektrode des Thyristors 10 ist über eine Leitung mit einem Trigger 3 verbunden. Der Ausgang des Senders 1 ist über die Leitung 7 sowohl mit einem Ul traschall prüfkopf 4 als auch mit dem Eingang eines breitbandigen Empfangsverstärkers 5, dem eine Auswerteeinheit 6 nachgeschaltet ist, verbunden.

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Die Wirkungsweise derartiger Schaltungseinrichtung ist an sich bekannt und soll daher im folgenden nur insoweit wiedergegeben werden, als es für das Verständnis der eigentlichen Erfindung erforderlich erscheint:

Der Trigger 3 erzeugt in bestimmten vorgegebenen zeitlichen Abständen Impulse, die über die Leitung 2 der Steuerelektrode des Thyristors 10 zugeführt werden. Ein derartiger Triggerimpuls veranlaßt den Thyristor 10 zum Durchschalten, so daß der vorher mit einer Spannung Uo aufgeladene Kondensator 11 entladen wird. Ober die Leitung 7 gelangt ein entsprechender (Entlade-) Impuls an den Piezoschwinger 40 des Prüfkopfes 4. Dieser erzeugt einen Ultraschallimpuls, der in das zu prüfende Werkstück 8 gelangt und dort von einem Fehler 80 reflektiert wird. Dieses Echosignal gelangt wieder zum Piezoschwinger 40 und wird in einen entsprechenden elektrischen Impuls umgewandelt, der dann in dem Verstärker 5 verstärkt und in der Auswerteeinheit 6 bewertet wird.

Mit dem Impulssteller 12 kann die Höhe des Sendeimpulses eingestellt werden. Wie bereits erwähnt, wird allerdings bei bekannten UltraschallprüfVorrichtungen zu wenig berücksichtigt, daß eine Änderung dieses Impulsstellers, eine Änderung des Frequenzspektrums, des aus Sender 1, Prüfkopf 4 und Verstärker 5 bestehenden Systems zur Folge hat. Dieses kann besonders bei Verwendung von Breitband-PrÜfköpfen zu einer Fehlbewertung des Fehlers führen. Die Wirkung des Impulsstellers 12 auf den gesamten Frequenzgang der aus Sender 1, Prüfkopf 4 und Verstärker 5 bestehenden Ultraschallvorrichtung zeigt Fig. 2. Auf der Ordinate ist die Amplitude in Dezibel und auf der Abzisse die Frequenz in Megaherz angegeben. Die Mittenfrequenz des Prüfkopfes 4 liegt bei 2 MHz. Die mit A bezeichnete Kurve entspricht einem Frequenzgang, bei dem der Widerstandswert des Impulsstellers 12 etwa 400_TL· betrug. Die Kurven B und C wurden mit Widerstandswerten von 100 und 50 ermittelt.

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Wie man diesen Kurven entnimmt, führt eine Änderung des Widerstandswertes des Impulsstellers 12, sowohl zu einer Änderung der Höhe des Impulsspektrums (Empfindlichkeitsänderung) als auch zu einer Änderung des Anfangs des Frequenzspektrums. Schließlich verschiebt sich auch die Mittenfrequenz des etwa bei 2 MHz liegenden Hauptmaximas, so daß die maximale Empfindlichkeit gegenüber der Mittenfrequenz des Prüfkopfes etwa verschoben ist. Die bei 6 und 10 MHz liegenden Nebenmaxima sind durch den Prüfkopf 4 bedingt und für die vorliegende Erfindung ohne Bedeutung.

Es hat sich gezeigt, daß die in Fig. 2 dargestellten Spektren für das Gesamtsystem aus den Einzelspektren für Sender 1, Prüfkopf 4 und Verstärker 5 ermittelt werden können. Hierzu wird zunächst das Produkt H (f) aus der Spektral verteilung S (f) des Senders und dem.Frequenzgang V (f) des Verstärkers gebildet und dann das Produkt von H (f) und dem Frequenzgang des Prüfkopfes P (f) bestimmt. Dieses ist für ein Beispiel in Figuren 3a bis 3d dargestellt:

Fig. 3a zeigt das Frequenzspektrum des in Fig. 1 dargestellten Thyristorsenders 1. Das Frequenzverhalten des Senders wird im wesentlichen durch den 1/f-Abfall bestimmt, der durch den als Schalter wirkenden Thyristor bedingt ist. Der Kondensator 11 und der Impulssteller 12 wirken im wesentlichen als Hochpaßfilter. Eine Änderung der Widerstandswerte des Impulsstellers bewirkt, ähnlich wie in Fig. 2, eine Verschiebung des Frequenzspektrums.

In Fig. 3 b ist der Frequenzgang V (f) des breitbandigen Empfangsverstärkers 5 wiedergegeben.

Fig. 3c zeigt die Spektren H (f) des Produktes von Sendespektrum S (f) und V (f). Es ist deutlich sichtbar, daß eine Änderung des Impulsstellers 12 sowohl eine Frequenzverschiebung als auch eine Änderung der maximalen Höhe des Spektrums bewirkt. Diese spektrale Änderung wirkt entsprechend auf das in Fig. 3 d dargestellte Spektrum des 2 MHz-Prüfkopfes und führt zu dem in Fig. 2 gezeigten Gesamtspektrum.

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Um den Einfluß des Impulsstellers auf den Frequenzgang der Ultraschanvorrichtung gering zu halten, wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß statt des Breitbandverstärkers 5 ein auf den jeweils verwendeten Prüfkopf 4 angepaßter Schmalbandverstärker verwendet wird. Der Frequenzgang dieses Verstärkers wird derart gewählt, daß das Produkt H'(f) aus der Spektral verteilung des Senders und dem Frequenzgang des Empfangsverstärkers bis zur Nennfrequenz fo des Prüfkopfes 4 - mindestens aber in dem Frequenzintervall zwischen fo und fo/10 frequenzunabhängig ist.

Fig. 4 a. zeigt wiederum ein Sendespektrum S'(f) für drei unterschiedliche Widerstandswerte des Impulsstellers 12. Die Kurve A¹ entspricht einem Widerstand von 1000 JL während die Kurve B'bzw. C Widerständen von 400 bzw. 200 _/L entspricht.

Den Frequenzgang V'(f) des Empfangsverstärkers gibt(Fig. 4b) wieder. Bis etwa zur Nennfrequenz fo (2 MHz) des Prüfkopfes besitzt der Frequenzgang einen linearen Anstieg (6dB/0ktave). Dadurch wird der 1/f-Abfal1 des Thyristorsenders (Fig. 4a) kompensiert. Der Verlauf des Frequenzganges ab fo ist unkritisch und wird durch das Frequenzverhalten der dem Verstärker nachgeschalteten Bauelemente bestimmt.

Das Produkt H'(f) aus S¹(f) und V'(f) zeigt Fig. 4 c;während in Fig. 4 d das Produkt aus H¹(f) und P (f) dargestellt ist, wobei P (f) den Frequenzgang des Prüfkopfes gemäß Fig. 3 d bezeichnet.

Wie aus Fig. 4 d ersichtlich, ist bewirkt im Gegensatz zu Fig. 2 eine Änderung des Impulsstellers 12 weder eine Änderung der Höhe noch eine frequenzmäßige Verschiebung der Mittenfrequenz. Lediglich der Anfang der Spektren wird etwas verschoben.

Im Hinblick auf die eingangs genannte Aufgabe wäre an sich denkbar, auf den Impulssteller 12 ganz zu verzichten, da durch die Wahl des Verstärkerfrequenzganges in Abhängigkeit von der Nennfrequenz des Prüfkopfes 4 bereits eine optimale Anpassung des Systems: Sender, Prüfkopf, Empfangsverstärker erfolgt. In der Praxis hat sich allerdings gezeigt,

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daß die weitere Verwendung eines Impulsstellers durchaus sinnvoll ist. Bei sehr großen Werten des Impulsstellers bzw. beim Fehlen dieses Widerstandes (Widerstandswert = <*>) sind die Sendeimpulse_s bedingt durch Ausschwingvorgänge, wesentlich langer als bei kleineren Widerstandswerten, so daß auch die Sendeimpulseinflußzone größer und damit das räumliche Auflösungsvermögen geringer wird. Für die meisten Anwendungsfälle reicht es aus, wenn der Impulssteller einen Wert von etwa 1 k^u.besitzt. In diesem Fall ist das resultierende Frequenzspektrum (Fig. 4 d) noch .breit genug und die Sendeimpulseinflußzone bereits ausreichend schmal. Allerdings sind auch praktische Fälle denkbar, bei denen die Sendeimpulseinflußzone sehr schmal sein muß, so daß der Widerstandswert des Impulsstellers 12 kleiner 1000 _Λ_ (z.B. 400JV) gewählt wird; auch wenn in diesen Fällen der Übertragunsbereich des Systems: Sender 1, Prüfkopf 4 und Empfangsverstärker. 5 schmaler als bei großen Widerstandswerten ist.

Die Realisierung eines Verstärkers mit dem in Fig. 4 b wiedergegebenen Frequenzgang kann im einfachsten Fall durch einen Breitbandverstärker in Verbindung mit einem Hochpaßfilter, gemäß Fig. 5, erfolgen. Dieses Hochpaßfilter besteht im wesentlichen aus dem Kondensator 51 und einem Widerstand 52 (RC-Filter).

Sofern mit einem Ultraschallprüfgerät mehrere Prüfköpfe mit unterschiedlichen Mittenfrequenzen verwendet werden sollen, empfiehlt es sich, den in Fig. 1 mit 5 bezeichneten Breitbandverstärker zu ersetzen durch den in Fig. 6 dargestellten Verstärker 500. Er besteht im wesentlichen aus zwei Breitbandteil verstärkern 501 und 502. Zwischen diesen Verstärkern sind Filter 503 angeordnet, wobei jedes Filter einer Prüfkopf-Mittenfrequenz entspricht (beispielsweise von 1 bis 10 MHz). über einen Schalter 504 wird dann das Filter, das der Mittenfrequenz des jeweils, verwendeten Prüfkopfes entspricht, zwischen die Verstärker 501 und 502 geschaltet.

Claims

Krautkrämer GmbH 14.05.1982 Luxemburger Str. 449 P/Cl Köln 41 K_163 Patentansprüche

1. j Ultraschall prüfeinrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

mit einem Sender und einem Empfangsverstärker sowie mit breitbandigen Prüfköpfen verschiedener Nennfrequenz fo, die jeweils sowohl zur Erzeugung als auch zum Empfang der Ultraschallwellen verwendet werden und einem veränderbaren Dämpfungswiderstand zur Einstellung der Sendeimpulshöhe,

dadurch gekennze lehnet,

da3 der Empfangsverstärker (5) einen auf den jeweils verwendeten Prüfkopf (4) angepaßten Frequenzgang V (f) aufweist, der so gewählt ist, daß das Produkt H (f) aus der Spektral verteilung S (f) des Senders (1) und dem Frequenzgang V (f) des Empfangsverstärkers (5) etwa bis zur Nennfrequenz fo des Prüfkopfes (4) - mindestens aber zwischen fo und fo/10 - annäherungsweise konstant ist und in diesem Bereich seinen maximalen Wert besitzt.

2. Ultraschallprüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet,

daß für Werte des Dämpfungswiderstandes > 1 k_rvder maximale Amplitudenabfall in dem Bereich zwischen fo und fo/tQ —Umax / 10 ist, wobei Umax die maximale Amplitude von H (f) bedeutet.

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3. Ultraschallprüfeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Frequenzgang V (f) des Empfangsverstärkers (5) bis etwa fo einen linearen Anstieg von 6 dB/Oktave aufweist.

4. Ultraschallprüfeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfangsverstärker (5) aus mindestens zwei Breitbandverstärkern (501, 502) besteht, zwischen denen mehrere, an die Frequenzen der einzelnen Prüfköpfe (4) angepaßte Filter (503) angeordnet sind, die über einen Schalter 504) einzeln einschaltbar sind.