-
Verfahren zur Ankopplung eines Schallgebers oder Schallempfängers
an einen Prüfling
Es ist bekannt, die Ankopplung eines Schallgebers oder -empfängers
an einen Prüfling dadurch zu verbessern, daß man eine Flüssigkeitsschicht dazwischenbringt.
Dazu kann entweder der Prüfling direkt in die Flüssigkeit eingetaucht werden, oder
man benetzt den Prüfling ganz oder teilweise mit dem I(oppelmedium. Es macht besonders
bei stark rauher oder ungleichförmiger Oberfläche erhebliche Schwierigkeiten, den
Raum zwischen Schallgeber und Oberfläche des Prüflings gleichmäßig mit Koppelmedium
gefüllt zu halten, insbesondere beim Verschieben des Schallgebers gegenüber dem
Prüfling. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, hat man z. B. zähe Koppelflüssigkeiten
oder Pasten verwendet und hat dieselben noch zusätzlich mit Eenetzungsmitteln versehen.
-
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, den Schallgeber mit einem
Flüssigkeitszufluß zu versehen. Die Koppelflüssigkeit befindet sich hierbei während
der Beschallung in Ruhe. Hierdurch können sich Luftblasen, die den Schalldurchgang
infolge ihrer geringen Schallhärte im Vergleich zur Koppelflüssigkeit beeinflussen,
an geeigneten Stellen des Koppel raumes ansammeln, was noch
dadurch
gefördert wird, daß die einströmende Koppelflüssigkeit die im Kop,pelr.aum vorhandene
Luft komprimiert. Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß bei Undichtigkeiten des
Koppelraumes die Koppelflüssigkeit ausfließt. Hierzu hat man schon Zusatzmaßnahmen
vorgesehen, die jedoch den Fiüssigkeitsaustritt nicht gänzlich verhindern können.
Dies gilt insbesondere bei der Verwendung zäher Koppelsubstanzen, wie Öle u. dgl.,
wobei eine Verschmutzung des zu prüfenden Gegenstandes nicht ausgeschlossen ist.
Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung steht die Koppelkammer mit einer unter
Druck stehenden Flüssigkeitszuführung in Verbindung. Die Koppelflüssigkeit in dem
Raum zwischen Schallgeber und der Oberfläche des Prüflings bleibt jedoch in Ruhe,
wodurch sich die vorstehend genannten Nachteile ergeben. Bei Prüfungsmethoden, bei
denen eine Vielfachrefiexion im Prüfling stattfindet, kann die häufig tropfenbildende,
unregelmäßig austretende Flüssigkeit die Reflexionsverhältnisse verändern, zumindest
aber wesentlich stören. Bei einer Fehlerabtastung des Prüflings, bei der eine Verschiebung
des Koppelraumes stattfindet, sind die bekannten Vorrichtungen deshalb wenig geeignet.
-
Ein wichtiges Verfahren bei der Prüfung von Blechen und Rohren benutzt
schief einfallende und im Zickzack zwischen den Rohrwänden hin und her laufende
Ultraschallwellen zum Nachweis von Rissen, Dopplungen und ähnlichem. Dabei wird
die normale Reflexion der Schallwelle an der Oberfläche des Prüflings durch dort
befindliche Reste des Koppelmediums gestört, besonders wenn dieses, wie es bei einer
zähen oder pastösen Flüssigkeit der Fall ist, sich dort in Tropfen oder Klumpen
befindet. Eine Prüfung ganz unter Flüssigkeit ist z. B. bei diesem Verfahren unmöglich,
weil die Schallwelle nicht im Körper geführt wird, sondern in die umgebende Flüssigkeit
austritt.
-
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Koppelflüssigkeit
in dem Raum zwischen Schallgeber und dem Oberflächenteil des Prüflings, durch den
die Schallübertragung erfolgt, ständig in Fluß gehalten wird. Die strömende Flüssigkeit
wird an den Rändern der schallübertragenden Fläche, die als Dichtungen ausgebildet
sind, abgeführt, vorzugsweise abgesaugt, um einen Austritt der Flüssigkeit über
die Ränder der schallübertragenden Fläche zu verhindern. Vorteilhaft wird das Koppelmedium
mittjberdruck zugeführt. Der Sog an den Rändern des Schallgebers wird so groß gehalten,
daß ein Unterdruck an der innenliegenden Seite der Dichtungskante gegenüber der
Atmosphäre aufrechterhalten wird.
-
Durch die ständige Strömung der Kopplungsflüssigkeit im Raum zwischen
Schallgeber und Prüfling werden sich gegebenenfalls ansammelnde Luftblasen und auch
sonstige störende-Oberflächenveränderungen, z. B. Staub, winzige Feilspäne, mitgerissen.
Die Absaugung der Flüssigkeit an den Rändern der schallübertragenden Fläche ermöglicht
außerdem, daß der Koppelraum verschoben werden kann, ohne daß Flüssigkeit zurückbleibt,
die eine Störung der Vielfachreflexion im Prüdling bewirkt. Durch den Sog an den
Rändern der schallübertragenden Fläche ergibt sich ferner ein sicheres Haften des
Schallgebers am Prüfling, ohne daß durch zusätzliche mechanische Maßnahmen ein Haftdruck
ausgeübt zu werden braucht.
-
Man kann mit dünnem Koppelmedium, z. B.
-
Wasser, arbeiten, ohne Gefahr zu laufen, daß die Ankopplung unvollständig
wird, weiI man reichlich Flüssigkeit zuführen kann, ohne B;elästigung durch austretende
Flüssigkeit. Ferner bleiben beim Verschieben des Schallgebers auf der Oberfläche
keine Flüssigkeitsmengen zurück, die etwa den Zickzack-und Strahlenverlauf der oben
angeführten Prüfungsmethode stören könnten.
-
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens kann das Koppelmedium
auch auf die Oberfläche des sich bewegenden Prüflings dicht vor der relativ zur
Bewegung des Prüflings vorderen Kante des Schallgebers aufgespritzt werden. Diese
Art der Aufbringung des Koppelmediums erscheint besonders dann angezeigt, wenn der
Schallgeber spiralig rund um den in Drehung lbefindlichen Prüfling, z. B. eine Stahlflasche,
geführt wird und in rascher Aufeinanderfolge Prüfungen der gesamten Oberfläche des
P rüflings durchgeführt werden.
-
Der um den Schallgeber verlaufende Spalt, der zum Absaugen des Koppelmediums
dient, bewirkt. daß der Schallgeber mit dem Druck auf den Prüfling gepreßt wird,
der dem herrschenden Unterdruck und der wirksamen Fläche entspricht. Dieser zusätzliche
Anpreßdruck, der also durch die Größe der Fläche und den Unterdruck variiert werden
kann, ist von großem Vorteil besonders bei automatischen Prüfungen, wo unter Umständen
der Schallgeber dazu neigt, bei höheren Geschwindigkeiten infolge der Unebenheiten
auf der Oberfläche des Prüflings zu tanzen.
-
In vielen Fällen ist es zweckmäßig, den Schallgeber auf dem Prüfling
mit magnetischen Kräften festzuhalten. Hierzu können permanente und Elektromagnete
verwendet werden. Bei letzteren bietet sich der Vorteil, daß sie aus Materialien
großer Härte bestehen, die geeignet sind, die Reibung zwischen Schallgeber und Prüfling
ohne merklichen Verschleiß aufzunehmen.
-
Der Abführungs- bzw. Absaugekanal wird zweckmäßig an der Innenseite
des Schallgebers rings um eine an sich bekannte Dichtleiste vorgesehen, die den
Flüssigkeitsdurchschnitt nach außen unterbricht und den Eintritt von Luft von außen
unter die Leiste zuläßt. Hierdurch wird nicht nur ein Austreten von Flüssigkeit
nach außen verhindert, sondern auch durch das Ansaugen von Außenluft ein rasches
Trocknen, insbesondere der Randzonen, gewährleistet. Der von außen wirkende Atmosphärendruck
bewirkt ein sicheres Anpressen des Schallgebers auf die Oberfläche des Prüflings.
-
Bei dieser, Anordnung ist es übrigens leicht erreichbar, daß der den
Schallgeber umgebende Absaugespalt so dicht an der Eintrittsstelle des Schallstrahles
liegt, daß die erste Reflexionsstelle an der Oberfläche des Prüflings schon flüssigkeitsfrei
ist.
-
Damit bei der Verschiebung des Schallgebers auf ungleichmäßig geformten
Prüflingen die Abdichtungen wirksam bleiben, werden diese vorteilhaft aus einem
elastischen und nachgiebigen Material, z. B. Gummi, Kunststoffschaum oder einer
dichten Reihe von Borsten, Lamellen oder Schiebern gebildet.
-
Um die Oberfläche des Prüflings bei einer Verschiebung des Schallgebers
gegenüber dem Prüfling von Flüssigkeit zu befreien, tritt ein kräftiger Luftstrom
von außen in den den Schallgeber umgebenden Saugspalt, der die Flüssigkeitsreste
fortbläst. Die trocknende Wirkung kann noch dadurch verstärkt werden, daß der äußere
Rand dieses Saugspaltes aus einem saugfähigen Material besteht, so daß die Kapillarwirkung
eine zusätzliche Trocknung der Oberfläche beim Verschieben des Schallgebers gegenüber
dem Prüfling bewirkt.
-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Koppelflüssigkeit
direkt durch eine Bohrung des Schallgebers, z. B. eine piezoelektrische Quaræplatte,
zugeführt. Dadurch wird eine besonders einfache und günstige Verteilung der Flüssigkeit
zwischen Schallgeber und Prüfling möglich.
-
Bekanntlich wird für die Materialprüftechnik mit schräg einfallenden
Ultraschallwellen zwischen einem elektromechanischen Oszillator und der Oberfläche
des Prüflings ein schallbrechender Körper zwischengeschaltet, in dem die Schallwelle
in gewünschter Weise gebrochen bzw. fokussiert wird. In diesem Fall wird erfindungsgemäß
das Koppelmedium durch Bohrungen in diesem Körper zugeleitet.
-
Da in dem den Schallgeber umgebenden Spalt ein Unterdruck herrscht,
der sich auf die Fläche zwischen Schallgeber und Prüfling auswirkt, wird die Flüssigkeit
aus den Bohrungen in den Zwischenraum zwischen Schallgeber und Prüfling gesaugt.
-
Es ist ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens, daß es nunmehr möglich
sein wird, den sonst zum schrägen Einfall der Schallstrahlen in den Prüfling notwendigen,
keilförmigen Zwischenkörper durch einen entsprechend geformten, von Koppelmedium
erfüllten Raum zu ersetzen. Man vermindert dadurch die Anzahl der störenden Grenzflächen.
und der Schallstrahl wird beim Durchtritt durch das Koppelmedium gebrochen bzw.
fokussiert. Es ist ein besonderer Vorzug des Verfahrens der Erfindung, daß das Koppelmedium
nach außen nicht in Erscheinung tritt. Dies wird besonders deutlich beim Abheben
des Schallgebers vom Prüfling. In diesem Fall hört der Zufluß des Koppelmediums
automatisch auf. Da das Koppelmedium abgesaugt wird, ist heim Abheben an den Austrittsstellen
der Flüssigkeit kein Unterdruck mehr vorhanden, und es kann somit auch keine Flüssigkeit
austreten.
-
Wenn die Flüssigkeit mit Überdruck eintritt, ist ein Absperrorgan
für das Stillsetzen der Pumpe nötig. Dies kann auf mechanische Weise beim Abhellen
erreicht werden, indem das Stillsetzen der Pumpe mit dem Abheben des Schallgebers
gekoppelt wird, oder nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch
ein unterdruckgesteuertes Ventil, indem der beim Aufsetzen des Schallgebers entstehende
oder sich verstärkende Unterdruck zum Öffnen des normalerweise abgesperrten Zuflusses
des Koppelmediums, benutzt wird.
-
Erfindungsgemäß u-ird das verwendete Koppelmedium in einem Kreislauf
geführt, wodurch Verluste vermieden werden und sich die Mitführung eines größeren
Vorrates erübrigt. Hierbei ist es notwendig, das abgesaugte Koppel medium von der
mitgeführten Luftmenge ausreichend zu trennen.
-
Dies geschieht erfindungsgemäß in einem sogenannten Zyklon.
-
Um ein rasches Verdunsten des auf der Oberfläche des Prüflings aufgebrachten
Koppelmediums zu erzielen, kann zweckmäßig eine leichtflüchtige Flüssigkeit als
Koppelmedium verwendet werden.
-
Die Zeichnung zeigt mehrere beispielsweise Ausführungsformen der
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
-
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung, die
insbesondere zur Prüfung von runden Gegenständen, wie z. B. Stahlflaschen, verwendbar
ist.
-
Fig. 2 zeigt die Vorrichtung im Grundriß, im Schnitt nach-der Linie
II-II der Fig. ÌS Filg. 3 bis 5 zeigen weitere Ausführungsformen der Vorrichtung
zur Prüfung von ebenen Gegenständen, wie z. B. Blechen.
-
Fig. 6 und 7 zeigen schematisch eine abgeänderte Ausführungsform
der Vorrichtung, die vorzugsweise für in Bewegung befindliche runde Prüflinge bestimmt
ist.
-
In einem Gehäuse I ist ein Paar schallbrechender Körper 2, z. B.
aus Plexiglas, angeordnet, die je einen Schallgeber 3, z. B.eine piezoelektrische
Quarzplatte, tragen. Die Körper 2 sind mit Bohrungen 4 für die Zuleitung des Koppelmediums
versehen.
-
Das Gehäuse I ruht mit einem Flansch 5 auf der Oberfläche des Prüflings
6 auf. Das Koppelmedium wird durch eine Pumpe 8 unter Druck durch die Bohrungen
4 in den zwischen der Unterseite der Körper 2 und der Oberfläche des Prüflings 6
verbleibenden schmalen Spalt gepreßt. Durch einen zwischen den Körpern 2 und der
Innenwand des Gehäuses I angeordneten Saugspalt 7 der sich rings um die ganze Vorrichtung
erstreckt, wird das Koppelmedium durch Unterdruck abgesaugt.
-
Infolge des im Spalt 7 herrschenden Unterdruckes wird auf der Unterseite
des Flansches 5 des Gehäuses I Außenluft angesaugt, die zusätzlich zur Trocknung
der geprüften Fläche beiträgt. Das abgesaugte Flüssigkeits-Luft-Gemisch gelangt
über die Leitung g in einen Zyklon I0, wo die Flüssigkeit von der Luft und den mitgerissenen
Verunreinigungen getrennt wird. - Die Flüssigkeit wird über die Leitung 11 wieder
der Pumpe 8 zugeführt, wodurch der Kreislauf geschlossen ist. Die Luft mit den Verunreinigungen
wird durch eine Vorrichtung 12, z. Beinen Staubsauger, abgesaugt.
-
Ein Absperrorgan für das Stillsetzen der Pumpe 8 kann auf mechanische
Weise gesteuert
werden, indem das Stillsetzen der Pumpe mit dem
Abheben des Schallgebers gekoppelt wird. Man kann aber auch ein unterdruckgesteuertes
Ventil benutzen, indem der beim Aufsetzen des Schallgebers entstehende oder sich
verstärkende Unterdruck zum Öffnen des normalerweise abgesperrten Zuflusses des
Koppelmediums benutzt wird.
-
Die von der Unterseite des Flansches 5 des Gehäuses I gebildete Dichtleiste
kann aus elastisch nachgiebigem Material wie Gummi, Kunststoffschaum oder einer
dichten Reihe von Borsten, Lamellen oder Schiebern gebildet werden. Erforderlichenfalls
kann der untere Rand der Dichtleiste aus saugfähigem Material bestehen.
-
Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung dient vornehmlich zur Prüfung
von ebenen Gegenständen, wie z. B. Blechen. Sie besteht aus einem Gehäuse I3, in
dem der elektrische Oszillator I4 angeordnet ist. Dieser ist mit einer Bohrung 15
versehen, durch die das Koppelmedium unter Druck zugeführt wird, das sich in dem
Spalt zwischen dem Schallgeber 14 und dem Prüfling I6 verteilt. An der Unterseite
des Flansches I7 des Gehäuses I3 kann wieder Außenluft angesaugt werden, und das
Flüssigkeits-Luft-G-emisch wird über die Leitungen I8 durch Unterdruck abgesaugt.
-
Die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 4 entspricht im wesentlichen
jener gemäß Fig. I, indem zwischen dem Schallgeber 19 und der Ober fläche des Prüflings
20 ein schallübertragender Körper 2I, z. B. aus Plexiglas, angeordnet ist, der mit
einer Bohrung 22 für die Zuführung des Koppelmediums versehen ist.
-
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 5 ist zwischen
dem Schallgeber 23 und dem Prüfling 24 ein Gehäuse 25 angeordnet,' dem bei 26 das
Koppelmedium unter Druck zugeführt wird und das von diesem vollständig ausgefüllt
ist. Die Abmessungen dieses Gehäuses sind so gewählt, daß der Schallstrahl beim
Durchtritt durch das Koppelmedium gebrochen bzw. fokussiert wird. Durch diese Anordnung
wird die Anzahl der störenden Grenzflächen auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Das
gebildete Flüssigkeits-Luft Gemisch wird wieder über die Leitungen 27 durch Unterdruck
abgesaugt.
-
Gemäß Fig. 6 wird zudem Schallgeber 28 das Koppelmedium bei - 29
zugeführt. Durch den im Sinne des Pfeiles sich drehenden Prüfling 30 gelangt das
Koppelmedium in die in einen Schmierkeil auslaufende Nut 3 I und von dort in den
Zwischenraum zwischen Schallgeber und Prüfling, aus dem es bei 322 wieder abgesaugt
wird.
-
In der abgeänderten Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist die in einen
Schmierkeil auslaufende Nut -35 an der relativ zur Drehung des Prüflings 34 vorderen
Kante des Schallgebers 33 angeordnet.
-
Das Koppelmedium wird dicht vor der vorderen Kante des Schallgebers
bei 37 auf die Oberfläche des Prüflings aufgespritzt und gelangt durch die Drehung
des- Prüflings in den Zwischenraum zwischen Schallgeber und Prüfling, aus dem das
Koppelmedium bei 36 abgesaugt wird.
-
Auf diese Weise wird ermöglicht, den Schallgeber spiralig längs der
Oberfläche des sich drehenden Prüflings zu bewegen und in rascher Aufeinanderfolge
Werkstoffprüfungen der gesamten Oberfläche des Prüflings durchzuführen.
-
PATENTANSPRÜcfiE: I. Verfahren zur Ankopplung eines Schallgebers
oder Schallempfängers an einen Prüfling mittels eines flüssigen Koppelmediums für
die Ultraschallwerkstoffprüfung, insbesondere nach dem Impuls-Echo-Verfahren, dadurch
gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Raum zwischen Schallgeber und dem Oberflächenteil
des Prüflings, durch den die Schallübertragung erfolgt, ständig in Fluß gehalten
wird und daß die strömende Flüssigkeit an den Rändern der schallübertragenden Fläche,
die als Dichtungen ausgebildet sind, abgeführt, vorzugsweise abgesaugt wird, um
ein Austreten der Flüssigkeit über die Ränder der schallübertragenden Fläche zu
verhindern.