Auslegeschrift

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1 Int. Cl. 2 : BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES PATENTAMT G 01 N 29/04 CM tt 00 in o <8 o> ULI Auslegeschrift Aktenzeichen: P Anmeldetag: Offenlegungstag: Bekanntmachungstag: Unionspriorität: Bezeichnung: Anmelder: Erfinder: erfahrein zur Einstellung des Tiefenausgleichs an einem Ultraschall-Impuls-Echo-Geräte auf gleichmäßige, tiefenunabhängige Fehlerempfindlichkeit Krautkrämer, GmbH, 5000 Köln Niklas, Ludwig, Dr.rer.nat., 5023 Lövenich Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Druckschriften: Nichts ermittelt CM CQ 00 in o CO CD /37

2 ZEICHNUNGEN BLATT 1 Nummer: 19 6C458 Int Cl 2: G 01 N 29/04 Bekanntmachungstag: 12. April 1979 HOO» o tomfoc 2» tao6co*x>f z Entfernung mm/m 9 6 F f 9-1 r 8 foo % & S «0 imf H IL _ f f ^ W 60B * * E n t f e r n u n g m m / m Fig. 2

3 1 Patentansprüche: 1. erfahren zur Einstellung des Tiefenausgleichs an einem Ultraschallimpulsecho-Gerät auf gleichmäßige und tiefenunabhängige Fehlerempfindlichkeit für Reflektoren, die kleiner als der Schallbündelquerschnitt sind, bei dem zunächst für eine bestimmte Prüfkopftype die entfernungsabhängigen Höhen der Echoamplituden eines Reflektors, der kleiner ist als der Schallbündelquerschnitt, als auch für einen Reflektor, der größer ist als der Schallbündelquerschnitt, bestimmt, z. B. gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus der funktionellen Abhängigkeit der Echohöhen von der Entfernung für den kleinen Reflektor (3,4,5,6) und für den großen Reflektor (1) eine Kompensationsfunktion (8,15) derart gebildet wird, daß zu den jeweiligen Echohöhewerten für den großen Reflektor solche Werte addiert werden, die nötig sind, um entfernungsunabhängige Echohöhenwerte für kleine Reflektoren zu erhalten, und daß dann die Einstellung des Tiefenausgleichs des Geräts auf die jeweilige zu verwendende Prüfkopftype derart erfolgt, daß die mit diesem Prüfkopf gemessenen Amplituden der Mehrfachechos (bei 15) von der Rückwand bzw. der Echofolge, die bei Anordnung eines Winkelprüfkopfes im Sprungabstand oder dessen ielfachem entsprechenden Abstand entsteht, mit den entsprechenden Werten der kompensierten Echohöhenabhängigkeit des großen Reflektors durch erstellung der erstärkung zur Übereinstimmung gebracht werden. 2. erfahren zur Einstellung des Tiefenausgleiches nach Anspruch 1, für Winkelprüfköpfe, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kante oder eine Bohrung des Prüflings aus 0,5-, 1-, 1,5-, 2-, 2,5- usw.-fachem Sprungabstand nacheinander angeschnallt und dann die zugehörigen Echos als Einstellwerte benutzt werden. 3. Räumliche Skalenanordnung am Bildschirm eines zum Ultraschall-Impuls-Echo-Gerät gehörenden Kathodenstrahloszillographen zur Ausführung eines der vorstehenden erfahren, bei der an der Rück- oder orderseite eines ersten Ortungsskalenkörpers oder Skalenträgers von flacher Form ein zweiter zusätzlicher aus klarsichtigem Werkstoff bestehender Skalenkörper durch Andrücken oder dergleichen angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem zweiten Skalenkörper (24) zum einen horizontal verlaufende linienförmige Erhöhungen oder Furchen (18, 19, 20) angebracht sind, deren gegenseitiger Abstand ein Maß für die Reflektorgröße ist, und daß zum anderen eine weitere linienförmige Erhöhung oder Furche (15) angebracht ist, deren erlauf der Addition aus Kompensationskurve und Echohöhenkurve für den großen Reflektor entspricht. Zur Fehlergrößenbestimmung bei der Werkstoffprüfung mit Ultraschall ist die AG (Amplitude-erstärkung-Größe-)Skala, siehe deutsches Gebrauchsmuster Nr , bekannt. Diese Skala enthält Linien der Abhängigkeit der Echoamplitude für bestimmte Fehlergrößen von der Laufzeit im Prüfling. erbindet man die Echoamplitudenspitzen für eine bestimmte Fehlergröße eines Reflektors, der in unterschiedlichen Entfernungen vom Prüfkopf liegt, miteinander, so fällt die erbindungslinie mit größer werdender Schallaufzeit wegen der Schallbündelöffnung und der Schallschwächung im 5 Prüfling ab. Will man bei einer automatischen Prüfung alle Fehler mit einer bestimmten Fehlergröße in unterschiedlichen Entfernungen vom Prüfkopf durch Ausblendung erfassen, so treten Schwierigkeiten auf. Die automatische Fehlergrößenerfassung erfolgt in to bekannter Weise so, daß ein Schwellwertverstärker auf Echos von bestimmter Amplitudenhöhe voreinstellbar ist Stellt man nun in der Praxis diese erstärkerschwelle auf prüfkopfnahe Fehler ein, so können Echos von gleich großen Fehlern in größerer Entfernung nicht 15 mehr erfaßt werden. Stellt man umgekehrt auf große Entfernung vom Prüfkopf ein, so werden im Nahbereich zu kleine Fehler noch mit erfaßt Zur Abhilfe ist bekannt die erstärkung in Abhängigkeit von der Schallaufzeit automatisch zu steuern. Diese 20 Methode ist unter dem Namen Tiefenausgleich eingeführt (siehe Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer erlag). Die Justierung dieses Tiefenausgleiches muß jedoch für jeden Prüfkopftyp in Abhängigkeit von Prüfkopfdurchmesser und -Frequenz 25 neu vorgenommen werden. Dazu benötigt man Testreflektoren in unterschiedlichen Abständen vom Prüfkopf. Aus jedem zu untersuchenden Material müssen sogenannte Eichblöcke mit entsprechenden Testreflektoren bekannter Größe zur erfügung stehen. 30 Das ist sehr aufwendig und die Justierung zeitraubend. Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, ein erfahren anzugeben, das diesen Nachteil vermeidet. Außerdem soll eine räumliche Skalenordnung zur Ausführung des erfahrens angegeben 35 werden. Die genannte Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 bzw. 3 gelöst. Eine Ausführungsform des erfahrens gemäß Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im 40 folgenden näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Diagramm auf einer Skala, welche die Abhängigkeit der Echohöhen zur Entfernung angibt, als Kurvenschar, wobei jeder Kurve ein verschieden großer Reflektor zugeordnet ist, 45 F i g. 2 ein Diagramm auf einer Skala, bei dem eine Kurvenschar vor Einzeichnung einem Tiefenausgleich unterworfen ist, F i g. 3 eine Skalenanordnung, mit einer Rückwand- Mehrechofolge als Amplitudenzacken und der Rück- 50- wand-echokurve und die F i g. 4 und 5 den Prüfling mit in Sprungabstandsstellungen aufgesetzten Winkelköpfen. F i g. 1 zeigt als Beispiel die Abhängigkeit der Echohöhen von verschieden großen Reflektoren von 55 der Entfernung. Es ist zunächst eine Kurve 1 für Reflektoren eingezeichnet, die unendlich groß bzw. größer als der Schallbündelquerschnitt sind. In der Praxis liegen solche Reflektoren vor, wenn man die Rückwand eines ebenen Stückes anstrahlt. Kurven geben die Echohöhen an, die man von kreisscheibenförmigen Fehlern verschiedenen Durchmessers von in diesem Beispiel relativen Durchmessern 1,5 20 mm, erhält. Es ist deutlich zu sehen, daß die Echoanzeigen von Kreisscheibenfehlern schneller (stärker) mit der 65 Entfernung abfallen, als beispielsweise die Reflexionen der ebenen Rückwand, vergl. Kurve 1. F i g. 2 zeigt dieselben erhältnisse für den Fall, daß durch richtige Einstellung des Tiefenausgleichs die

4 Echohöhenanzeigen von kleinen Kreisscheibenfehleni entfernungsunabhängig geworden sind. Kurven 10 bis 14 zeigen als Linien diese Echohöhen von kleinen Fehlern, die Kurve 9 zeigt die Abhängigkeit eines Kreisscheibenfehlers, der ebenso groß ist wie der 5 Prüfkopfdurchmesser, diese Kurve entspricht der Kurve 2 in F i g. 1. Kurve 8 jedoch, entsprechend der Kurve 1 in Fig. 1, gibt eine in größerer Entfernung stark ansteigende Kurve für unendlich große Reflektoren bzw. Reflektoren, die größer als der Schallbündelquer- 10 schnitt sind. Setzt man nun den benutzten Prüfkopf auf eine zur Rückwand planparallele Stelle des Werkstückes, so entsteht eine Rückwafid-Echofolge wie die Amplitudenzacken 16, Fig.3, es zeigen, weil der Echoimpuls von 15 der Rückwand mehrmals, durch mehrmaligen Hin- und Rücklauf, reflektiert wird (Mehrfachechofolge). Wird an dem Ultraschallgerät nun durch Stellglieder für erstärkung und Tiefenausgleich dafür gesorgt, daß sich die Echospitzen dieser Rückwand-Echofoige mit der 20 Kurve 15, die der Kurve 8 der F i g. 2 entspricht, decken, so ist damit automatisch gewährleistet, daß das Gerät für kleine Reflektoren richtig, d. h. entfernungsunabhängig, eingestellt ist. Sollen nun bei der Prüfung des Werkstückes sehr 25 kleine Fehler gefunden werden, so wird man mit einer Skala nach F i g. 2 Schwierigkeiten haben, weil die von kleinen Fehlern herrührenden Echos nur noch Zacken von geringer Höhe am unteren Leuchtschirmrand erzeugen. jo Man kann diesen Nachteil vermeiden, wenn man rls Einstellhilfe eine Skala gemäß Fig.3 benutzt. Die Skalen der F i g. 2 und F i g. 3 unterscheiden sich dadurch, daß die Rückwand-Echokurve, die Kurve 8 in F i g. 2, beispielsweise um 20 db (Dezibel) nach unten, zu 35 kleineren Werten hin, verschoben wird. Zur richtigen Einstellung des Gerätes bringt man zunächst wiederum die Spitzen der Rückwand-Echofolge mit der Rückwand-Echokurve, Kurve 15, zur Deckung. or Beginn der Messung muß jedoch zusätzlich die Gesamtverstär- 40 kung des Gerätes um 20 db erhöht werden. Will man die Prüfung mit Winkelköpfen durchführen, wie es z. B. zur Schweißnahtprüfung üblich ist, so steht am Prüfobjekt 25 in der Regel keine passende Rückwand, die senkrecht zum Schallstrahl liegt, zur 45 erfügung. In diesem Fall setzt man auf den Prüfling zur Einstellung des Tiefenausgleiches einen Y-Schwinger mit einer Quarzplatte im Y-Schnitt mit der gleichen Frequenz wie der Winkelprüfkopf, auf. Dieser sendet, wie der benutzte Winkelkopf, Transversalwellen aus, 5u jedoch in senkrechter Richtung. Zur richtigen Einstellung des Tiefenausgleiches werden die Echospitzen der so entstehenden Rückwand-Echofoige auf dem Bildschirm des Ultraschallgerätes wiederum mit der Rückwand-Echokurve, der Kurve 15 in Fig.3, zur v, Deckung gebracht. Zur eigentlichen Prüfung wird anschließend der Y-Prüfkopf gegen den zu benutzenden Winkelprüfkopf, z. B. Prüfkopf 26, vertauscht. Da in der Regel nicht gewährleistet ist, daß der Winkelprüfkopf bei gleicher Sendeimpulsspannung gleichen Schalldruck t>o aussendet wie der Y-Prüfkopf, kann bei diesem erfahren die Empfindlichkeits-Relation zwischen der Rückwand-Echokurve 15 in F i g. 3 und den Fehlerechokurven verloren gehen. or Beginn der Prüfung muß also noch einmal mit dem Winkelkopf selbst eine 65 Normierung der Gesamtgeräteverstärkung vorgenommen werden. Zu diesem Zweck sind mehrere erfahren 4 bekannt und gebräuchlich, die je nach Zweckmäßigkeit eingesetzt werden. Z. B.: Die Normierung auf die Echos des halbmondförmigen Teiles bzw. die Bohrung des Testkörpers nach DIN Wo die-zuletzt beschriebene Methode der Einstellung des Tiefenausgleiches mit Hilfe eines gesonderten Y-Prüfkopfes zu aufwendig erscheint, kann in den Fällen, in dem das Prüfstück entweder eine gerade, glatte Kante aufweist oder eine Bohrung, ersatzweise ein anderes erfahren benutzt werden. Will man die Kantenechos als Einstellhilfe für den Tiefenausgleich benutzen, so bringt man gemäß F i g. 4 den Winkelprüfkopf nacheinander in die Position 2, 1, I2 und 2 Sprungabstände (vergl DE-GM ) von der Kante 21 entfernt, dies entspricht den Positionen gemäß Ziffern I, II, III, I des Prüfkopfes 26 in Fig.4. erstärkung und Tiefenausgleich des Gerätes werden nun wiederum so eingestellt, daß die Echospitzen dieser Anzeigen sich mit Kurve 15 in F i g. 3 decken. Analog kann man bei der Eichung an einer Bohrung 22 gemäß F i g. 5 vorgehen, jedoch hat in diesem Fall die Kurve 15 in F i g. 3 eine andere Form, die vorher für den betreffenden Prüfkopf rechnerisch oder empirisch ermittelt werden muß. Das erfindungsgemäße erfahren hat den orteil, daß bei der Einstellung des Tiefenausgleiches nicht nur wie üblich der Echohöhenabfall mit der Entfernung infolge der Ultraschall-Strahldivergenz berücksichtigt wird, sondern gleichzeitig der Einfluß der Schallabsorption im Werkstück. Sie ist auch, nach entsprechender Justierung, für Longitudinalwellen verwendbar. Eine räumliche Skalenanordnung am Bildschirm eines Kathodenstrahloszillographen zur Ausführung eines der vorstehenden erfahren ist in F i g. 3 näher erläutert. Auf einen ersten Ortungsskalenkörper oder Skalenträger 23, der eine flache Form hat, ist eine zweite als orsatzskala 24 angeordnet, z. B. angedrückt. Das vorstehende, neue erfahren bedingt eine besondere Anordnung der Markierungselemente, die z. B. im deutschen Gebrauchsmuster nicht vorgesehen ist. Der zweite, aus klarsichtigem Werkstoff bestehende Skalenkörper 24, ebenfalls flacher oder leicht gekrümmter Gestalt, hat horizontal angeordnete Erhöhungen oder Furchen 18, 19, 20 in Linienform. Sie können z. B. aufgedruckt, aufgespritzt sein, schwarz oder farbig und sind Markierungslinien der Echoamplitudenspitzen von Reflektoren mit verschieden großen Flächen, d. h. verschiedenen Durchmessers, und zwar von Reflektoren, die Kreisscheiben von bekanntem Durchmesser entsprechen. Beispielhaft gehört zum Markierungselement 20 ein Durchmesser von 0,5 beim Element 19 ein Durchmesser von 1, beim Element 18 ein Durchmesser von 2 mm des gedachten Kreisscheibenreflektors. Über den Markierungselementen 18, 19, 20 ist ein anderes Markierungselement vorhanden, das in Fig.3 im wesentlichen mit der Kurve 15 zusammenfällt, deshalb nicht dargestellt ist und die Form einer Erhöhung oder einer Furche, aber von gekrümmter Linienform hat, wobei sein erlauf in Linienform durch die Sollkurvenform für die Spitzen der Amplituden 16 der Rückwandechofolge und/oder der Echofolge von Kanten 21 bzw. Bohrungen 22 des Prüflings' 25 vorbestimmt ist. Hierbei kann der Skalenträger bzw. die Ortungsskala 23, wie durch Linien angedeutet, auch kreisrunde Form haben. In der Regel ist zumindest der untere Bereich des Markierungselementes 15 durch die horizontalen Markierungselemente 18'20 geschnitten. Hierzu 2 Hlatt Zeichnungen

5 GEN BLATT 2 Nummer: Int. Cl. 2 : G 01 N 29/04 Bekanntmachungstag: 12. April airaiinnimznn^, / -t"- M- " r f J. A, t <_<..., ' o,s - E n / f e r n u n g r n F e h f e r g r ö ß e m m & Fig. 3 ~ 26 Iii il X 26 Ä _ 4 a / /I / / > A A / / / -27