DE1015613B

DE1015613B - Ultrasonic thickness gauge

Info

Publication number: DE1015613B
Application number: DES48031A
Authority: DE
Inventors: Elliott Addison Henry
Original assignee: Sperry Products Inc
Current assignee: Sperry Products Inc
Priority date: 1955-03-21
Filing date: 1956-03-20
Publication date: 1957-09-12

Description

Ultraschalldickenmess er Die Erfindung betrifft die Messung von Wandstärken von Materialien, bei denen nur eine Oberfläche zugänglich ist. Dieser Zustand besteht z. B. bei der Messung der Wandstärke von Rohren, Vorratsbehältern, Schiffskörpern u. dgl. Es sind Verfahren entwickelt worden, um die Dicke in solchen Fällen zu messen. Die wirksamsten Verfahren benutzen die Ultraschalltechnik für die zerstörungsfreie Messung und Untersuchung von Materialien.Ultrasonic thickness gauges The invention relates to the measurement of wall thicknesses of materials where only one surface is accessible. This condition exists z. B. when measuring the wall thickness of pipes, storage containers, hulls and the like, methods have been developed to measure the thickness in such cases. The most effective methods use the ultrasonic technology for the non-destructive Measurement and investigation of materials.

Es sind Ultraschalldickenmesser bekannt, die einen Impulsgenerator zur Erzeugung wiederkehrender Ultraschallimpulse haben und einen Wandler aufweisen, der auf den Generator anspricht, die Impulse einzeln in den Gegenstand einstrahlt und vielfache Impulse aufnimmt, die den inneren Reflexionen der eingestrahlten Impulse zwischen der Eintrittsoberfläche und einer Gegenfläche in dem Gegenstand entsprechen. Ultrasonic thickness gauges are known which have a pulse generator have to generate recurring ultrasonic pulses and have a transducer, which responds to the generator, irradiates the impulses individually into the object and absorbs multiple impulses, which are the internal reflections of the irradiated impulses correspond between the entrance surface and a mating surface in the object.

Nach einem bekannten Verfahren werden die Vielfachreflexionen in der Amplitude einander gleichgemacht und integriert, um eine Spannung zu erhalten, die in einer Anzahl von Stufen gleicher Größe ansteigt. Diese stufenweise ansteigende Spannung wird geglättet, um ein Signal mit gleichförmigem Anstieg zu erhalten. Die Ansteigesteilheit hängt von dem Intervall zwischen den einzelnen Stufen oder Impulsen ab, ist aber unabhängig von der an sich unbestimmten Anzahl von aufgenommenen Impulsen. Die ansteigende Spannung wird differenziert, um ein Potential zu erhalten, dessen Amplitude proportional der Steilheit ist, d. h. umgekehrt proportional zur Dicke des geprüften Gégenstandes. According to a known method, the multiple reflections in equalized and integrated in amplitude to obtain a voltage, which increases in a number of steps of the same size. This gradually increasing Voltage is smoothed to produce a signal with a smooth slope. the The steepness of the rise depends on the interval between the individual steps or pulses from, but is independent of the actually indeterminate number of recorded pulses. The rising voltage is differentiated to obtain a potential whose Amplitude is proportional to the slope, i.e. H. inversely proportional to the thickness of the examined item.

Gemäß der Erfindung ist das Ultraschalldickenmeßgerät, das einen Impulsgenerator, der wiederkehrende Ultraschallimpulse erzeugt, und ferner einen Wandler enthält, der von dem Generator gesteuert wird, um die Impulse in den Gegenstand einzustrahlen und um vielfache Impulse entsprechend den internen Reflexionen der ausgestrahlten Impulse zwischen der Eintrittsfläche und einer in dem Gegenstand vorhandenen Gegenfläche aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulszähler vorgesehen ist, der eine vorbestimmte Anzahl von aufgenommenen Impulsen nach jedem ausgestrahlten Impuls zählt, und ein Generator zur Erzeugung von Schwingungen veränderlicher Amplitude, der eine Schwingung erzeugt, deren Amplitude von dem Impulszählintervall abhängt und den Abstand zwischen der Eintrittsfläche und der Gegenfläche darstellt. According to the invention, the ultrasonic thickness measuring device is one Pulse generator that generates recurring ultrasonic pulses, and also a Includes transducer that is controlled by the generator to pass the pulses into the object to emit and to generate multiple impulses according to the internal reflections of the emitted pulses between the entrance surface and one in the object record existing counter surface, characterized in that a pulse counter is provided that a predetermined number of recorded pulses after each emitted pulse counts, and a generator to generate vibrations variable Amplitude that generates an oscillation, the amplitude of which depends on the pulse counting interval and represents the distance between the entry surface and the counter surface.

Weitere Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes gehen aus der folgenden ausführlichen - Beschreibung hervor, in der auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Further details of the subject matter of the invention can be found in the following detailed - description in which reference is made to the drawing.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung in Form eines Blockdiagramms von einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, Fig. 2 zeigt ein Diagramm- -der Schwingungen, welche die Zeitfolge der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 darstellen. Fig. 1 is a schematic representation in form a block diagram of an embodiment according to the invention, Fig. 2 shows a diagram of the Vibrations, which the time sequence of the operation of the device according to FIG represent.

Die in Fig. 1 in Kreisen- eingeschlossenen Buchstaben beziehen sich auf das in Fig. 2 angegebene Zeitdiagramm. The letters enclosed in circles in FIG. 1 relate to the timing diagram given in FIG.

In Fig. 1 ist ein Gegenstand oder ein Arbeitsstück 10 dargestellt, das geprüft werden soll. Für die Zwecke der Erfindung sei angenomme-n, daß nur eine Oberfläche des Gegenstandes--zugänglich ist, wie z. B. bei einem Schiffskörper, und daß es erwünscht ist, die Wandstärke dieses Gegenstandes zu messen. Zu diesem Zweck ist ein kombinierter Wiederholungsfrequenzgenerator und Hochfrequenzimpulserzeuger 12 vorgesehen, dessen- Impulswiederholungsfrequenz veränderlich ist und auf eine Wiederholungsfrequenz eingestellt wird, die gestattet, daß die ganze Ultraschallenergie in dem Gegenstand 10 aufgezehrt wird, bevor der nächste Prüfimpuls aufgebracht wird. Impulshäufigkeiten zwischen 60 und 1000 PPS sind im allgemeinen passend; Der Impuls wird einem Wandler oder Umsetzer 15 zugeführt, der besonders-für die Prüfung von dünnen Teilen geeignet ist. In Fig. 1, an object or a work piece 10 is shown, that should be checked. For the purposes of the invention it is assumed that only one Surface of the object - is accessible, such as. B. in the case of a ship's hull, and that it is desirable to measure the wall thickness of this article. To this The purpose is a combined repetition frequency generator and high frequency pulse generator 12 provided, whose pulse repetition frequency is variable and to a Repetition rate is set that allows all of the ultrasonic energy in the article 10 is consumed before the next test pulse is applied. Pulse frequencies between 60 and 1000 PPS are generally suitable; The impulse is fed to a converter or converter 15, which is particularly suitable for testing thin parts.

Wandler für Ultraschallprüfgeräte bestehen gewöhnlich aus einem einzelnen piezoelektrischen Kristahl, der durch ein geeignetes - Trägermaterial auf einen Wert Q von 6 bis 8-gedämpft ist und einen elektrischen Wellenzug in mechanische Schwingungen umwandelt und umgekehrt mechanische Schwingungen in elektrische Wellenzüge umsetzt. Ein Wandler dieser Art wird gewöhnlich mit dem untersuchten Gegenstand über ein geeignetes Kopplungsmittel, z. B. Öl, gekoppelt, so daß die mechanischen Schwingungen in den Gegenstand hineingeschickt und zurückkehrende Echoschwingungen aufgenommen werden. Dieses Verfahren ist brauchbar und zuverlässig für Obj ektabmessungen, die größer als 1 Zoll (2,5 cm) sind, weil der Verstärker genügend Zeit hat, sich von dem Stoß des ersten Im pulses zu erholen, dessen Amplitude gewöhnlich zwischen 600 bis 1000 Volt Spitzenspannung beträgt, und wobei die Verlängerung des Echos durch den Wandler von untergeordneter Bedeutung ist. Transducers for ultrasonic test equipment usually consist of a single one piezoelectric crystal, which is supported by a suitable carrier material on a Value Q is damped from 6 to 8 and an electrical wave train in mechanical Converts vibrations and vice versa mechanical vibrations in converts electric wave trains. A transducer of this type is usually used with the one being investigated Object via a suitable coupling agent, e.g. B. oil, coupled so that the mechanical vibrations sent into the object and returning echo vibrations be included. This method is useful and reliable for object dimensions, that are larger than 1 inch (2.5 cm) because the amplifier has enough time to adjust to recover from the burst of the first pulse, the amplitude of which is usually between The peak voltage is 600 to 1000 volts, and the extension of the echo is of minor importance through the converter.

Die Verwendung von getrennten Wandlern für die Ausstrahlung und die Aufnahme der Schwingungen bringt auch keine Lösung für das Problem der Messung dicht unterhalb der Oberfläche oder von dünnen Teilen, da diese Wandler nicht die gleichen Flächen abtasten. The use of separate converters for the broadcast and the Recording the vibrations also does not provide a solution to the problem of measuring tightly below the surface or from thin parts, as these transducers are not the same Scan surfaces.

Während gemäß der Erfindung ein einziger Kristall für die Messung in dickeren Teilen verwendet werden kann, bezieht sich die Erfindung auch auf eine Wandleranordnung, die besonders für die Verwendung bei dünnen Teilen geeignet ist. Zu diesem Zweck besteht der Wandler 15 aus einem treibenden piezoelektrischen Kristall 17 und einem angetriebenen piezoelektrischen Kristall 18, die durch ein Koppelelement 19 getrennt sind, weIches den Ultraschall leitet und eine so große Länge hat, daß die gesamte Laufzeit des Impulses darin größer ist als die Laufzeit des Impulses in dem Gegenstand 10. Die zwei Kristalle sind elektrostatisch gegeneinander abgeschirmt. Der treibende Kristall 17, dessen Eigenfrequenz die gleiche ist wie die Prüffrequenz, ist mit dem Impulserzeuger 12 verbunden. While according to the invention a single crystal for measurement can be used in thicker parts, the invention also relates to a Transducer arrangement particularly suitable for use with thin parts. For this purpose, the transducer 15 consists of a driving piezoelectric crystal 17 and a driven piezoelectric crystal 18, which by a coupling element 19 are separated, which conducts the ultrasound and has such a great length that the total running time of the pulse therein is greater than the running time of the pulse in article 10. The two crystals are electrostatically shielded from one another. The driving crystal 17, whose natural frequency is the same as the test frequency, is connected to the pulse generator 12.

Sowohl die Impulserzeugerschwingungen als auch die Schwingungen des treibenden Kristalls werden nach einer gesteuerten Zahl von Schwingungen mit Hilfe eines elektrischen Dämpfungsgenerators 21 plötzlich abgebrochen. Der getriebene Kristall 18 hat eine Eigenfrequenz, die wesentlich höher als die Arbeitsfrequenz ist, und ist daher für Schwingungen der Arbeitsfrequenz kritisch gedämpft, so daß er bei der Arbeitsfrequenz nicht weiterschwingt oder klingt. Der getriebene Kristall 18 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 22 verbunden und wird beim Senden durch den treibenden Kristall 17 über das Koppelelement 19 angetrieben. Infolge dieser Anordnung wird der Verstärker 22 durch den treibenden elektrischen Schwingungszug nicht stoß erregt, da eine Isolation zwischen dem Sender und dem Verstärker erreicht ist, während gleichzeitig eine Abtastfläche wie bei einem einzigen Kristall vorhanden ist, und die zurückkehrenden Echos sind nicht verlängert, so daß die höchstmögliche Auflösungsempfindlichkeit gegeben ist. Die einzige Bedingung für einen solchen Wandler besteht darin, daß die Laufzeit im Koppelelement 19 größer als die Laufzeit im Gegenstand 10 sein muß.Both the pulse generator vibrations and the vibrations of the Drifting crystal are using a controlled number of vibrations an electric damping generator 21 suddenly stopped. The driven one Crystal 18 has a natural frequency that is significantly higher than the working frequency is, and is therefore critically damped for oscillations of the operating frequency, so that it does not continue to oscillate or sound at the working frequency. The chased crystal 18 is connected to the input of an amplifier 22 and is transmitted through the driving crystal 17 is driven via the coupling element 19. As a result of this Arrangement is the amplifier 22 by the driving electrical vibration train not shock excited, as an isolation is achieved between the transmitter and the amplifier is while at the same time having a scanning surface as in a single crystal is, and the returning echoes are not elongated, so the highest possible Resolution sensitivity is given. The only condition for such a converter is that the transit time in the coupling element 19 is greater than the transit time in the object Must be 10.

Der Impuls erzeuger 12 erzeugt gleichzeitig mit der Erzeugung des Impulses, der dem Wandler 15 zugeführt wird, einen Auslöseimpuls, der einen Verzögerungskreis24 betätigt. Der verzögerte Auslöseimpuls des Verzögerungskreises 24 öffnet einen Steuergenerator 25. Der Verzögerungskreis 24 ist so eingestellt, daß er die Steuerstufe öffnet, nachdem der Impuls vom Impulserzeuger 12 beendet ist und bevor der Impuls an dem getriebenen Kristall 18 ankommt. Der Generator 25 steuert den Signalverstärker 22 und einen Zähler 23. Der Zähler ist vorher durch den Auflöseimpuls auf Null gestellt, der zur Teit T0 vom Impulserzeuger 12 erzeugt wird. Der Impuls des Impuls- generators 12 trifft an dem getriebenen Kristall 18 zu einer Zeit T2 ein und erzeugt eine elektrische Spannung, die dem Gegenstand 10 zugeführt wird. Diese erzeugte Spannung wird von dem Verstärker 22 durchgelassen und betätigt den Zähler 23 und löst gleichzeitig einen Steuergenerator 26 aus. Bei längerem Betrieb kann ein Verzögerungsmultivibrator 28 verwendet werden, um das t)ffnen des Steuergenerators 26 zu verzögern. Der Steuergenerator 26 betätigt den Sägezahngenerator 27, der eine lineare Sägezahnspannung erzeugt, deren Anstieg von der Bedienungsperson durch eine Bereichseinstellung 27' so eingestellt wird, daß der Prüfbereich richtig bemessen ist und die verschiedenen Geschwindigkeitswerte der verschiedenen Materialien kompensiert werden. Der Sägezahngenerator 27 kann gegebenenfalls eine logarithmische Abhängigkeit aufweisen, wenn eine Vergrößerung des angezeigten Bereiches der Dicke gewünscht wird. The pulse generator 12 generates simultaneously with the generation of the Pulse, which is fed to the transducer 15, a trigger pulse, a delay circuit 24 actuated. The delayed trigger pulse of the delay circuit 24 opens a control generator 25. The delay circuit 24 is set so that it opens the control stage, after the pulse from the pulse generator 12 has ended and before the pulse on the driven crystal 18 arrives. The generator 25 controls the signal amplifier 22 and a counter 23. The counter is previously set to zero by the dissolving pulse, which is generated by the pulse generator 12 at the time T0. The momentum of the momentum generator 12 arrives at the driven crystal 18 at time T2 and generates an electrical Voltage applied to object 10. This tension is generated by the amplifier 22 passed and operates the counter 23 and triggers at the same time a control generator 26 from. A delay multivibrator can be used for longer periods of operation 28 can be used to delay the opening of the control generator 26. The control generator 26 actuates the sawtooth generator 27, which generates a linear sawtooth voltage, the rise of which is set by the operator by means of a range setting 27 ' that the test area is correctly dimensioned and the various speed values of the different materials are compensated. The sawtooth generator 27 can may have a logarithmic dependence if an enlargement the displayed range of thickness is desired.

Wenn der Zähler 23 auf drei Zählwerte (zwei Umläufe) der Impulse, wie in Fig. 2 dargestellt, eingestellt ist, dann erzeugt die zweite Reflexion einen Auslöseimpuls im Ausgang, der den Generator 25 und auch den Steuergenerator 26 sperrt. Die Sperrung des Generators 25 sperrt auch den Zähler 23 und den Signalverstärker22. Es werden daher keine weiteren Reflexionen durch den Verstärker 22 hindurchgelassen oder von dem Zähler 23 gezählt. Gleichzeitig steigt die Spannung in dem Sägezahngenerator 27 nicht mehr weiter an und kehrt auf den Ruhewert (in diesem Fall auf Null) zurück. Die Amplitude der auf diese Weise erzeugten Sägezahnspannung ist proportional zur Dicke des Teiles.When the counter 23 counts on three counts (two revolutions) of the pulses, is set as shown in Fig. 2, then the second reflection produces one Trigger pulse in the output, which blocks the generator 25 and also the control generator 26. The blocking of the generator 25 also blocks the counter 23 and the signal amplifier 22. No further reflections are therefore allowed to pass through the amplifier 22 or counted by the counter 23. At the same time the voltage in the sawtooth generator increases 27 stops and returns to the rest value (in this case to zero). The amplitude of the sawtooth voltage generated in this way is proportional to Thickness of the part.

Der so als Funktion der Dicke des Teiles erzeugte Sägezahn kann durch ein Dehnungsgerät 38 gedehnt werden. Das gedehnte Signal behält einen stetigen Wert, der gleich der Spitzenspannung des Sägezahnes von der Zeit T5 bis zur Zeit To ist, wenn der Dehner 38 durch einen Auslöseimpuls des Impulsgenerators 12 auf Null zurückgeführt wird. Da der Umlaufanteil konstanter Amplitude ungefähr 95 bis 98 0/o des Gesamtumlaufs des Dehngeräts ist, kann die Spannung durch ein Tiefpaßfilter 29 leicht gefiltert werden, wobei die gefilterte Ausgangsspannung an einem Anzeigegerät 30, z. B. einem Nteßinstrument oder einem spannungsempfindlichen Gerät, abgelesen werden kann. The sawtooth generated as a function of the thickness of the part can go through a stretching device 38 can be stretched. The stretched signal retains a constant value, which is equal to the peak voltage of the saw tooth from time T5 to time To, when the stretcher 38 is returned to zero by a trigger pulse from the pulse generator 12 will. Since the circulation portion of constant amplitude is about 95 to 98 0 / o of the total circulation of the stretching device, the tension can be easily filtered by a low-pass filter 29 , the filtered output voltage on a display device 30, e.g. B. a Nteßinstrument or a voltage-sensitive device, can be read.

Außerdem kann ein Hörsignal bei 31 erzeugt werden, dessen Frequenz proportional der Dicke ist.In addition, an audio signal can be generated at 31, its frequency is proportional to the thickness.

Zwei Umstände, die bei Nichtbeachtung das Verfahren unwirksam machen könnten, werden im folgenden noch berücksichtigt. Dies sind erstens der Fall, daß kein Rücklaufecho vorhanden ist, und zweitens, daß der maximale Bereich durch die Einstellung bei 27' auf weniger als die Dicke des Teiles eingestellt ist. Two circumstances which, if ignored, will render the procedure ineffective could be considered in the following. Firstly, these are the case that there is no return echo and, secondly, that the maximum range through the Setting at 27 'is set to less than the thickness of the part.

Es ist ersichtlich, daß, wenn kein Echosignal zurückkommt oder erst zu einer späteren Zeit eintrifft, die Sägezahnspannung weiter bis zu einem Grenzwert ansteigen würde, der von den Komponenten abhängt. It can be seen that if no echo signal comes back or only arrives at a later time, the sawtooth voltage continues up to a limit value would increase, which depends on the components.

Dieser Zustand wird dadurch vermieden, daß ein Spannungsdiskriminator 32 vorgesehen ist, der bei 105 oder 1100/o der normalen maximalen Amplitude der Sägezahnspannung bei voller Ablenkung des Anzeigeinstrumentes anspricht. Der Ausgang des Diskriminators 32 sperrt den Generator 25 und den Steuergenerator 26, um den normalen Betriebsablauf wieder herzustellen, und betätigt eine Anzeigelampe 33, um die Bedienungsperson zu warnen.This condition is avoided by using a voltage discriminator 32 is provided, which is at 105 or 1100 / o the normal maximum amplitude of the Sawtooth voltage responds with full deflection of the display instrument. The exit of the discriminator 32 blocks the generator 25 and the control generator 26 to the restore normal operating sequence and actuate an indicator lamp 33, to warn the operator.

Wenn die Vorrichtung auch in Anwendung auf die Ermittlung der Wandstärke beschrieben worden ist, so ist doch ersichtlich, daß sie ebensogut auch zur Feststellung der Anwesenheit von Fehlern oder Unstetigkeitsstellen innerhalb von Gegenständen benutzt werden kann, da solche Fehler, ähnlich wie die Rückseite des Gegenstandes, reflektierende Flächen sind. When the device is also in use to determine the wall thickness has been described, it is evident that it is just as good for establishing the presence of errors or discontinuities within of objects can be used because of such flaws, similar to the back of the object are reflective surfaces.

Die Vorrichtung zeigt daher nicht nur die Anwesenheit eines Fehlers an, sondern auch die Tiefe des Fehlers oder der Unstetigkeit unterhalb der Oberfläche.The device therefore not only shows the presence of a fault but also the depth of the flaw or discontinuity below the surface.

PATENTANSPCHE: 1. Ultraschalldickenmesser mit einem Impulsgenerator zur Erzeugung wiederkehrender Ultraschallimpulse und mit einem Wandler, der auf den Generator anspricht, die Impulse einzeln in den Gegenstand einstrahlt und vielfache Impulse aufnimmt, die den inneren Reflexionen der eingestrahlten Impulse zwischen der Eintrittsoberfläche und einer Gegenfläche in dem Gegenstand entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulszähler vorgesehen ist, der eine vorbestimmte Anzahl von aufgenommenen Impulsen nach jedem eingestrahlten Impuls abzählt, und daß ein Generator zur Erzeugung von Schwingungen veränderlicher Amplitude vorgesehen ist, der eine Schwingung erzeugt, deren Amplitude von dem Impulszählintervall abhängt und den Abstand zwischen der Eintrittsoberfläche und der Zwischenfläche darstellt. PATENT APPLICATION: 1. Ultrasonic thickness meter with a pulse generator to generate recurring ultrasonic pulses and with a transducer that operates on the generator responds, the pulses radiate individually and multiply into the object Picks up impulses that interfere with the internal reflections of the irradiated impulses correspond to the entrance surface and a mating surface in the article, thereby characterized in that a pulse counter is provided which counts a predetermined number of recorded pulses after each incident pulse counts, and that a Generator is provided for generating oscillations of variable amplitude, which generates an oscillation, the amplitude of which depends on the pulse counting interval and represents the distance between the entrance surface and the interface.

Claims

2. Ultrasonic thickness meter according to claim 1, characterized in that that the generator for generating the oscillation of variable amplitude is a sawtooth generator which generates a vibration increasing with time, and that a control generator is provided, which responds to each irradiated pulse in order to avoid the sawtooth generator trigger, and which responds to the pulse counter to the timing generator after to block a predetermined number of received pulses.

3. Ultrasonic thickness meter according to claim 2, characterized in that that the generator for generating the oscillation of variable amplitude is a stretching device contains, which responds to the timing generator and generates an oscillation, the amplitude of which remains at the level of the final amplitude of the sawtooth oscillation, until at least the next ultrasonic pulse is generated.

4. Ultrasonic thickness meter according to claims 1 to 3, characterized in that that an amplitude discriminator is provided on the generator to generate responsive to the variable amplitude oscillation and is set to at a predetermined value above the normal maximum amplitude of the generator responds and generates a warning signal.

5. Ultrasonic thickness meter according to claim 4, characterized in that that the amplitude discriminator supplies a signal that blocks the pulse counter and the pulse counting interval ends.

6. Ultrasonic thickness meter according to claims 1 to 5, characterized in that that the pulse generator has an electrical damping generator which the The number of oscillations of the transducer is limited as a function of each ultrasonic pulse. ~~~~~~~~ References considered: USA.Patent No. 2,672,392.