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DE69712741T2 - Verfahren zum akustischen nachweis von fehlern einer laufenden materialbahn - Google Patents

Verfahren zum akustischen nachweis von fehlern einer laufenden materialbahn

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DE69712741T2
DE69712741T2 DE69712741T DE69712741T DE69712741T2 DE 69712741 T2 DE69712741 T2 DE 69712741T2 DE 69712741 T DE69712741 T DE 69712741T DE 69712741 T DE69712741 T DE 69712741T DE 69712741 T2 DE69712741 T2 DE 69712741T2
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Germany
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roller
carriage
coupling fluid
examined
strip
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DE69712741T
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Jean-Pierre Moufle
Philippe Piquemal
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IMMEUBLE LA PACIFIC PUTEAUX
Sollac SA
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IMMEUBLE LA PACIFIC PUTEAUX
Sollac SA
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die zerstörungsfreie Prüfung vorbeilaufender Gegenstände und insbesondere eines Stahlbandes während seiner Herstellung in der Stahlindustrie.
  • Genauer gesagt betrifft die Erfindung die Ermittlung von Fehlern mittels Ultraschall in einem derartigen Band indem es geführten Schwingungswellen ausgesetzt wird, z. B. sogenannten Lambwellen.
  • Lambwellen sind Ultraschallschwingungen, die sich in Dickenrichtung des zu untersuchenden Gegenstandes ausbreiten und dabei durch die ebenen sich gegenüberliegenden Seiten des Gegenstandes geführt werden. Im Fall flacher Gegenstände, wie z. B. einem metallischen Band, breiten sich die Wellen, die durch die beiden ebenen, parallelen Seiten des zu prüfenden Gegenstandes kanalisiert werden, quer zur Laufrichtung und damit über die Breite des Bandes aus und zwar von einer Sendestelle aus, die durch die Anordnung des Senders bestimmt wird, bis zu einer Kantenfläche, an der sie reflektiert werden unter Erzeugung eines starken Echos. Jeglicher Fehler, zum Beispiel ein nicht-metallischer Einschluss, der sich im Inneren des Bandes befindet oder aus seiner Oberfläche herausragt während des Durchlaufs der Welle stellt eine örtliche Fehlstelle des Materials dar und führt zu einem Signal, dessen Intensität von der Grösse und der Art der Fehlstelle abhängt und dessen Zeitpunkt des Auftretens zwischen Sendeecho und dem Kantenecho eine Funktion des Ortes ist, an dem sich die Fehlstelle im Band befindet.
  • In der industriellen Praxis werden üblicherweise zwei Sender eingesetzt, die nacheinander in Laufrichtung des Bandes gesehen angeordnet werden. Jeder Sender befindet sich in der Nähe einer unterschiedlichen Kantenfläche des Bandes und sendet in Richtung der gegenüberliegenden Fläche. Dabei wird das Band zweimal mit geringem Zeitabstand und in entgegengesetzten Richtungen abgetastet, wodurch die Zuverlässigkeit der durch Analyse erhalten Ergebnisse sowie die Abdeckung des Prüfbereichs verbessert werden.
  • Gemäss einer bekannten Ausführungsart, auf die sich die Erfindung bezieht, ist der Sender im Inneren eines Hohlrades aus weichem Material angeordnet, das mit einem akustischen Koppelfluid gefüllt ist (meistens Wasser). Dieses Prüfrad steht in Rollkontakt mit dem vorbeilaufenden Band wobei vor dem Sender eine bestimmte Menge an Koppelfluid aufgebracht wird, die ständig an den Abstand zwischen Sender und Band angepasst wird.
  • Meistens wird eine Steuerung der Andruckkraft des Rades vorgenommen um einen engen Kontakt mit dem Band zu gewährleisten und dadurch den akustischen Schnittstelleneffekt zu verringern. Dazu ist ein ständiger Zufluss von aussen an verlorenem Koppelfluid mit guten Benetzungseigenschaften, zum Beispiel Mineralöl, zwischen dem Band und dem Rad erforderlich um den Koppelvorgang auf Höhe der Schnittstelle zu optimieren. Es scheint jedoch, dass die herkömmlichen derartigen Vorrichtungen an die Grenze ihres Einsatzes stossen. Die dabei erhaltenen Resultate verschlechtern sich sehr schnell und sind sogar dann nicht mehr zu verwerten, wenn die Laufgeschwindigkeit des Bandes 100 m/min überschreitet, wie es oftmals bei modernen Anlagen der Fall ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Feststellung von Fehlern in mit hohen Geschwindigkeiten laufenden Gegenständen zu ermöglichen, das heisst Geschwindigkeiten in der Grössenordnung von 500 bis 600 m/min und sogar mehr.
  • Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur akustischen Feststellung von Fehlern in einem laufenden Gegenstand, wie z. B. einem Stahlband während seiner Herstellung, mit wenigstens einem Ultraschallsender mit geführten Wellen (Lambwellen), der im Inneren eines Prüfrades aus weichem Material angeordnet ist, das ein akustisches Koppelfluid enthält und das mit der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes in Rollkontakt steht, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einerseits eine Kontaktrolle für die Oberfläche des Gegenstandes aufweist, die in Laufrichtung des Gegenstandes gesehen vor dem Prüfrad angeordnet ist und andererseits, in Laufrichtung gesehen vor dieser Rolle eine gesteuerte Zufuhranordnung für ein verlorenes Koppelfluid auf die Oberfläche des laufenden Gegenstandes aufweist.
  • Vorteilhafterweise weist die Rolle eine gerade und nicht verformbare Kontaktoberfläche auf, die sich auf der Oberfläche des zu prüfenden Gegenstandes abstützt. Vorzugsweise ist die Breite dieser Oberfläche gleich oder gösser als die Breite des Prüfrades.
  • Vorteilhafterweise besteht die Rolle aus einer Walze.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das Prüfrad und die ihm zugeordnete Rolle in einem beweglichen Wagen angeordnet, der auf die Oberfläche des laufenden zu untersuchenden Gegenstandes aufgesetzt wird und von einem Tragteil geführt wird, welches seine Stellung über die Breite des Gegenstandes bestimmt.
  • Wie ersichtlich liegt die Erfindung im wesentlichen in der Tatsache begründet, dass eine Kontaktrolle für die Oberfläche des zu prüfenden Bandes vor dem Prüfrad angeordnet wird, welches den Aufnehmer enthält und dass vor dieser Rolle eine Menge eines Koppelfluids auf das Band aufgebracht wird, dessen natürliche Ausbreitung vor dem Überstreichen des Rades durch die Einwirkung der Rolle verstärkt und geregelt wird. Zusätzlich verbessert letztere durch den von ihr auf das Band ausgeübten Druck dessen Benetzung durch eine geringfügige Imprägnation seiner Oberflächenunregelmässigkeiten, die seine Rauhigkeit bestimmen. Dadurch werden die Auswirkungen von Hohlstellen bei der Bereichsausbildung oder minimale Lufttaschen auf der Oberfläche des Bandes ausgeglichen, die nachteilig sind für die Übertragung der Ultraschallenergie während des Überstreichens des Prüfrades.
  • Es wurde sehr deutlich bestätigt, dass die hohe Qualität der Benetzung der Oberfläche mit dem Koppelfluid vor der Passage des Prüfrades gemäss der Erfindung der bestimmende Faktor ist, der eine zuverlässige Feststellung von Fehlern bei hoher Laufgeschwindigkeit ermöglicht. Es sei betont, dass die Reproduzierbarkeit der erhaltenen Resultate auch von der Beibehaltung konstanter Werte der Viskosität und damit der Temperatur des Koppelfluids abhängt, sowie von der Dicke der Fluidschicht, die so gleichmässig wie möglich über die Oberfläche des Bandes verteilt sein muss.
  • Die Erfindung mit ihren Aspekten und Vorteilen wird besser verstanden im Zusammenhang mit der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemässe Vorrichtung und
  • Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung.
  • In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Wie die Figuren erkennen lassen weist ein Prüfrad 1, das aus einem mit Wasser gefüllten elastischen Reifen besteht, einen Ultraschallsender 2 für Lambwellen auf, der in die Wassermenge 3 eingetaucht ist, deren Wirkung darin besteht, als die Ultraschallkopplung zwischen Aufnehmer 2 und Hülle 4 des Rades zu gewährleisten.
  • Der verwendete Sender kann ein piezoelektrischer Sender sein. Dieser wird mit vorgegebener Neigung seines Sendekopfes relativ zur Ebene der Oberfläche 10 des zu prüfenden Bandes 11 derart eingesetzt, dass im Inneren des Bandes Lambwellen erzeugt werden, die sich in Querrichtung des Bandes ausbreite n in Richtung einer Kantenfläche.
  • Das Rad 1 ist auf einem beweglichen Wagen 5 angeordnet, der ein Chassis 6 mit drei Rollen 7, 8 und 9 aufweist, die in Form eines Dreiecks angeordnet sind um einen genauen Passsitz des Wagens während des Aufwickelns des zu prüfenden Bandes zu gewährleisten, das sich in Richtung der eingezeichneten geraden Pfeile bewegt. Zwei Rollen 7 und 8 sind an den Enden der Vorderseite des Chassis angeordnet, während die dritte Rolle 9 in der Mitte der Rückseite angeordnet ist.
  • Wie ersichtlich ist das Prüfrad 1 auf dem Chassis in Richtung einer seiner Seitenflächen 12 versetzt angeordnet. Diese Seitenfläche 12 ist derart gewählt, dass sie diejenige ist, die der Kantenfläche des Bandes benachbart ist, die derjenigen gegenüberliegt, in deren Richtung die vom Sender 2 stammenden Ultraschallwellen ausgesandt werden. Dieser seitliche Versatz stellt dabei eine besonders vorteilhafte Anordnung dar, die es ermöglicht, die gesamte Breite des Bandes 11 bis auf die Breite des Rades 1 abzutasten, wobei der Wagen 5 so nahe wie möglich bis an den Rand des Bandes verfahren wird, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
  • Der Durchmesser des Prüfrades 1 ist dabei erheblich grösser als derjenige der Rollen, sodass es in gewollter Weise um einige Millimeter in Richtung Unterseite des Wagens über die Rollen hinaus hervorsteht, wenn sich der Wagen nicht auf dem Band abstützt.
  • Zur Ausrüstung des Wagens gehört ferner ein eingebauter Behälter 13 der über ein Servoventil 14 eine Zufuhrleitung 15 mit einem verlorenen Koppelfluid speist (das gute Eigenschaften hinsichtlich einer Benetzung der Oberfläche des Stahlbandes 10 aufweist und zum Beispiel ein Mineralöl ist), wobei die Zufuhrleitung dazu dient, eine eingestellte Menge an Fluid auf derjenigen Stelle der Bandoberfläche aufzubringen, die vom Prüfrad 1 überfahren wird.
  • Eine Verteilrolle für das verlorene Fluid ist am Wagen 5 fest angeordnet und vor dem Prüfrad 1 in dessen Laufweg in Richtung Vorschub des Bandes 11 vorgesehen. Beim dargestellten Beispiel wird die Rolle 8 vorteilhafterweise als Verteilrolle verwendet.
  • Damit derjenigen Bereich auf dem Band, auf dem das der Benetzung dienende Fluid unter Krafteinwirkung aufgebracht worden ist, der Grösse des Kontaktbereiches entspricht, der mit dem Rad 1 in Berührung kommt, ist die nutzbare Breite der Rolle 8 vorzugsweise gleich oder grösser als die Breite der Hülle 4 des Rades und zwar unter Berücksichtigung seiner durch Aufweitung bedingten Vebreiterung.
  • Die Anordnung des Wagens 5 bezüglich der Breite des Bandes 11 erfolgt mittels einer Führungsanordnung 16, die nur in Fig. 2 sichtbar ist. Diese Anordnung weist ein brückenförmiges Gerüst 17 auf, das mit zwei Schienen 18,18' versehen ist, auf denen ein Steg 19 in Querrichtung über die Breite des Bandes 11 verschiebbar angeordnet ist. Dieser Steg trägt den beweglichen Wagen 5 mittels einer pneumatischen Aufhängung, die mit einem Gelenkarm 20 und einem Druckzylinder 21 versehen ist, dessen oberes Ende an einem U-förmigen Flansch 22 gelenkig befestigt ist, der wiederum mit dem Steg 19 verbunden ist und dessen anderes Ende mit dem Ende des Armes 20 am gleichen Befestigungspunkt verbunden ist und zwar an einem Bügel 23, der auf der Oberseite des Wagens vorgesehen ist.
  • Diese Art der Aufhängung gewährleistet einen permanenten und geführten Kontakt des Prüfrades 1 mit der Oberfläche 10 des zu untersuchenden Bandes unter gleichzeitiger Begrenzung der auf dieses ausgeübten Kraft von beispielsweise einigen Kilogramm. Zu diesem Zweck kann ein Gegendruck in den Druckzylinder eingeblasen werden um so das Gewicht des Wagens 5 teilweise zu kompensieren.
  • Die Stellung des Senders 2 relativ zur Breite des Bandes 11 ist steuerbar durch Verschiebung des Wagens 5 in zwei Schritten: zum einen mittels Verschiebung des Steges 19 und zum anderen etwas feiner mittels einer Stellschrauben- Anordnung 24, die von einem (nicht dargestellten) Motor angetrieben wird und die die mechanische Verbindung zwischen Bügel 23 und Wagen 5 gewährleistet.
  • Der Abstand zwischen dem Sender 2 und der Oberfläche des Bandes 11 kann beispielsweise zwischen 5 und 15 mm betragen, je nach der Verformung, die die aus Gummi bestehende Hülle des Prüfrades erfährt. Diese Verformung kann eingestellt werden indem zum Beispiel ein Keil vorgegebener Dicke zwischen der Achse des Prüfrades 1 und dem Chassis des es tragenden Wagens eingesetzt wird, um dergestalt ein Überragen nach unten des Rades an den Enden der Rollen zu steuern.
  • Bekanntlich ist die Winkelstellung eines Lambwellen-Senders, z. B. des Senders 2, gegeben durch seine beiden Einfallswinkel, die bezüglich der Normalen zur Oberfläche des zu prüfenden Bandes gemessen werden und zwar einer in einer Ebene parallel zur Vorschubrichtung und der andere in einer Ebene senkrecht zu ihr. Üblicherweise werden diese Winkel auf die Werte zwischen -20º und +20º bzw. 0º und 45º eingestellt. Entsprechende Einstellungen können ausserhalb des Rades 1 vorgenommen werden mittels einer von einem Schrittmotor 25 angetriebenen herkömmlichen Stellschrauben-Anordnung, die am Wagen vorgesehen ist.
  • Um diese Winkel in möglichst konstanter Weise beizubehalten unabhängig von den Bewegungen des laufenden Bandes 11 (wellenförmig, schlingernd, etc.) ist der Wagen 5 an seinem Befestigungspunkt am Bügel 23 und am Ende des Druckzylinders 20 gemäss zweier senkrecht aufeinander stehender Achsen, d. h. kardanförmig angelenkt.
  • Wie bereits erwähnt ist das Prüfrad 1 bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel in Richtung zu einer Seite des durch das Chassis des Wagens 5 gebildeten Rahmens versetzt angeordnet.
  • Dies erfüllt einen doppelten Zweck. Zum einen ermöglicht dieses eine Anordnung des Rades am äussersten Rand des Bandes derart, dass praktisch die gesamte Breite des Bandes 11 durch die vom Sender ausgesandten Lambwellen abgetastet werden kann; zum anderen weist dieses den Vorteil auf, dass eine der Rollen, hier die Rolle 8, als Verteilrolle verwendet werden kann, die vor dem Prüfrad angeordnet ist, wie es einem wesentlichen Merkmal der Erfindung entspricht.
  • Die Wirkung der Verteilung des der Benetzung dienenden Koppelfluids, das von der Zufuhrleitung 15 abgegeben wird und die Gleichmässigkeit der Dicke der verteilten Schicht nach Überstreichen durch die Rolle 8 werden dadurch verbessert, dass die Rolle eine steife, gerade ausgerichtete und nicht verformbare Kontaktoberfläche relativ zum Band 11 aufweist. Unter diesen Umständen reicht es aus, wenn die Rolle eine relativ geringe Andruckkraft in der Grössenordnung eines kg ausübt damit die Rolle das Eindringen von Koppelfluid in die kleinsten Öffnungen der Bandoberfläche bewirkt, ähnlich einer Strassenwalze für frisch geteerte Strassen.
  • Die mit Luft gefüllten Mikrotaschen, die von Natur aus dazu neigen, sich in Unregelmässigkeiten der Oberfläche 10 unterhalb der Fluidschicht des Koppelmediums einbetten zu lassen, werden durch den Druckeffekt der sie überstreichenden Rolle 8 verdrängt. Dies führt zu einer optimalen Benetzung der Oberfläche und zu einem engen Kontakt der Berührungsfläche zwischen Rad und Band als Voraussetzung zur Durchführung der Erfindung bei einem schnelllaufenden Gegenstand. Damit lässt sich die Erfindung ohne besondere Schwierigkeiten anwenden auf ein Stahlband während seiner Herstellung, zum Beispiel am Ausgang einer Beizvorrichtung vor einem erneuten Walzvorgang, wobei an dieser Stelle die Vorschubgeschwindigkeit des Stahlbandes üblicherweise 400 bis 600 m/min beträgt.
  • Es sei betont, dass die mit einem Mono-Sender versehene Vorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, es ermöglicht, 60 bis 70% der Breite eines 120 cm breiten Bandes zu untersuchen, in Kenntnis der Tatsache, dass die Endbereiche in jedem Fall unzugänglich sind, auf grund der Sendechos (ungefähr 25 cm) und der Kantenechos (5 bis 10 cm). Dieser Prozentsatz kann noch vergrössert werden durch Einsatz zweier hintereinander angeordneter Prüfräder, jedoch an verschiedenen Kantenflächen, sodass die ausgesandten Wellen in entgegengesetzte Richtungen verlaufen.
  • Es ist klar dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist sondern zahlreiche Abwandlungen oder Äquivalente umfasst, soweit diese in den Rahmen des durch die beigefügten Ansprüche definierten Schutzbereichs fallen.
  • So sei betont, dass die Verteilrolle 8 zwar vorzugsweise als Rolle ausgebildet ist, dies jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Ein einfacher Pinsel oder eine flache Reibscheibe mit der Wirkungsweise eines auf die Oberfläche des Bandes einwirkenden Abstreifers zur Verteilung des Koppelfluids können ebenfalls verwendet werden.
  • Die Gleichmässigkeit der erhaltenen Resultate wird verbessert, wenn sichergestellt ist, dass die Viskosität des akustischen Koppelfluids, das auf das Band aufgebracht wird, konstant bleibt. Dies bedeutet, dass seine konstante Zusammensetzung überwacht werden muss, z. B. mit Hilfe eines Behälters 13 mit ausreichender Kapazität, sowie seine Temperatur, wobei gegebenenfalls eine steuerbare Heizeinrichtung im Inneren des Behälters 13 vorzusehen ist.
  • Die Erfindung lässt sich nicht nur auf Bänder, Platten und andere laufende flache Gegenstände anwenden, sondern auf jegliches Produkt unabhängig von seiner Form, in dem Masse, in dem ebene Seiten den zu untersuchenden Bereich begrenzen.
  • Obwohl die Erfindung ihren bestmöglichen Einsatz bei Stahlgegenständen findet auf grund der geringen Dämpfung der Lambwellen in diesem Material, können auch andere Materialien, wie zum Beispiel die Metalle Kupfer oder Aluminium oder auch nicht-metallische Materialien diesem Verfahren unterzogen werden ohne besondere Schwierigkeiten, sofern die aufzuspürenden Fehlstellen zu ausreichenden akustischen Unregelmässigkeiten im Inneren der von den Wellen durchsetzten Materialien führen um vom Aufnehmer messbare Echosignale zu erzeugen.
  • Schliesslich sei angemerkt, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung von Lambwellen beschränkt ist, sondern auch mit anderen Ultraschallsendern mit geführten Wellen verwirklicht werden kann, die zur Untersuchung von sich relativ dazu bewegenden Gegenständen geeignet sind.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur akustischen Ermittlung von Fehlern in einem laufenden Gegenstand, insbesondere einem Stahlband (11) während seiner Herstellung, mit wenigstens einem Ultraschallsender (2) mit geführten Wellen, der im Inneren eines Prüfrades (1) aus weichem Material angeordnet ist, das ein akustisches Koppelfluid aufweist und das in Rollkontakt mit der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes steht, dadurch gekennzeichnet, dass sie einerseits eine Kontaktrolle (8) für die Oberfläche (10) des zu untersuchenden Gegenstandes (11) aufweist, die in Laufrichtung des Gegenstandes gesehen vor dem Prüfrad (1) angeordnet ist und andererseits vor dieser Rolle eine gesteuerte Zufuhranordnung (15) für ein verlorenes Koppelfluid auf die Oberfläche (10) des laufenden Gegenstandes aufweist, das Benetzungseigenschaften für die Oberfläche besitzt.
2. Vorrichtung zur Ermittlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (8) eine gerade und nicht verformbare Kontaktoberfläche aufweist, die sich auf der Oberfläche des (10) des zu untersuchenden Gegenstandes abstützt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Rolle gleich oder grösser als diejenige der Hülle (4) des Prüfrades (1) bei Berührung mit dem zu untersuchenden Gegenstand (11) ist.
4. Vorrichtung zur Ermittlung nach Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (8) aus einer Walze besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfrad (1), die ihm zugeordnete Rolle (8) und die Zufuhranordnung (15) für das benetzende Koppelfluid auf einem beweglichen Wagen (5) angeordnet sind, der auf der Oberfläche (10) des zu untersuchenden laufenden Gegenstandes (11) rollt und dass Halte- und Führungsanordnungen (17, 18, 19, 20,21) für denn Wagen vorgesehen sind, die seine Stellung über die Breite des Gegenstandes bestimmen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Wagen auf Walzen (7, 8, 9) angeordnet ist und dass eine der Walzen die Rolle (8) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfrad (1) in einer versetzten Stellung auf dem Wagen (5) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wagen (5) mit einem eingebauten Behälter (13) versehen ist, der mit der Zufuhranordnung (15) verbunden ist und der das benetzende verlorene Koppelfluid enthält.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Zufuhranordnung (15) zugeordnetes Servo-Ventil (14) vorgesehen ist um die Menge an benetzendem vor der Rolle (8) auf die Oberfläche (10) des zu untersuchenden Gegenstandes (11) aufzubringendem Koppelfluids zu steuern.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halte- und Führungsanordnungen für den Wagen (5) eine Anordnung (24) zur Feineinstellung der Stellung des Wagens auf der Oberfläche (10) des zu untersuchenden Gegenstandes (11) aufweisen.
DE69712741T 1996-03-08 1997-03-07 Verfahren zum akustischen nachweis von fehlern einer laufenden materialbahn Expired - Lifetime DE69712741T2 (de)

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