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Dokumentenidentifikation DE19514281A1 24.10.1996
Titel Ultraschall-Koppelmittel
Anmelder Krautkrämer GmbH & Co, 50354 Hürth, DE
Erfinder Gregor, Manfred, Dr., 53332 Bornheim, DE
Vertreter Bauer, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 50968 Köln
DE-Anmeldedatum 21.04.1995
DE-Aktenzeichen 19514281
Offenlegungstag 24.10.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.10.1996
IPC-Hauptklasse G01N 29/28

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Koppelmittel für das Ausfüllen eines Spaltes zwischen einem zu untersuchenden Objekt und einem Ultraschall-Prüfkopf, der relativ zur Oberfläche des Objekts bewegbar ist, wobei das Koppelmittel eine gelförmige bis flüssige Konsistenz aufweist. Ultraschall-Koppelmittel sollen sicherstellen, daß sich zwischen dem Prüfkopf und dem zu untersuchenden Objekt keine ungewollten Einschlüsse, insbesondere keine Luftblasen befinden. Durch Luftblasen würde die Schallausbreitung erheblich verändert, Luftblasen könnten Fehler im Objekt vortäuschen, die tatsächlich nicht vorhanden sind.

Von der Anmelderin wird ein Koppelmittel der eingangs genannten Art angeboten, das aus Wasser, Glykol und Wirkstoffen zusammengesetzt ist. Koppelmittel der eingangs genannten Art sind auch aus einem Prospekt der Firma Echo Ultrasound (USA) bekannt. Diese bietet beispielsweise unter dem eingetragenen Warenzeichen das Produkt Ultragel II an. Nach dem Datenblatt handelt es sich um ein Koppelmittel hoher Impedanz und hoher Viskosität, es wird für kritische Ultraschall-Prüfverfahren eingesetzt, beispielsweise bei Flugzeugen und Komponenten nuklearer Anlagen. Das Koppelmittel kann einfach mit Wasser entfernt werden, es trocknet nur sehr langsam aus.

Von der genannten US-Firma werden noch eine Vielzahl von anderen Koppelmitteln angeboten, zumeist in mehreren Viskositätsstufen, die Viskositäten reichen von flüssig bis gelförmig. Unter gelförmig wird dabei die Konsistenz verstanden, wie sie Gelatineprodukte, beispielsweise Götterspeise, aufweisen. Pastös bedeutet nicht-fließfähig, aber verformbar. Die Konsistenz des Koppelmittels wird so gewählt, daß bei der jeweiligen Anwendung ein Spalt zwischen dem Ultraschall-Prüfkopf und der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts vollständig und unterbrechungsfrei gefüllt ist. Die Koppelmittel sollen sich einfach auf eine Oberfläche des zu untersuchenden Objekts auftragen lassen, ebenso einfach sollen sie sich wieder entfernen lassen. Sie sollen in vorgegebenem Temperaturbereich die notwendige Konsistenz aufweisen.

Nachteilig bei den Koppelmitteln der eingangs genannten Art ist die Verschiebbarkeit des Prüfkopfes gegenüber der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts. Gerade bei Koppelmitteln geringer Viskosität, beispielsweise pastösen Koppelmitteln, ist eine Bewegung des Prüfkopfes über die Oberfläche oftmals dadurch behindert, daß der Prüfkopf sich an der Oberfläche festsaugt oder nicht mit gleicher Kraft kontinuierlich über eine Oberfläche bewegen läßt. Derartige pastöse Koppelmittel setzt man jedoch gern ein, weil sie sich nicht selbständig über die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts verteilen und auch an schräg verlaufenden Flächen usw. gut einsetzbar sind.

Bei Koppelmitteln nach dem Stand der Technik kann erhöhter Verschleiß an den Prüfköpfen auftreten. Es wurde festgestellt, daß in vielen Fällen die zu messenden Schallimpulse relativ stark schwanken. Insgesamt wird oft nur bei großer Sorgfalt ein zuverlässiges Prüfergebnis erzielt.

Hier setzt nun die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, das Ultraschall-Koppelmittel der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß seine Vorzüge im wesentlichen beibehalten werden, die Gleiteigenschaften eines Prüfkopfes über das Koppelmittel und gegenüber der Oberfläche eines Objekts aber deutlich verbessert werden.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Koppelmittel kleine, aus einem Festkörper hergestellte Kugeln enthält.

Durch die Zugabe von Kugeln werden die Gleiteigenschaften eines Prüfkopfes gegenüber einem zu testenden Objekt erheblich verbessert. Es genügen relativ wenige Kugeln zwischen dem Prüfkopf und der aktuell untersuchten Oberfläche, um die Gleiteigenschaften merklich zu verbessern. Die Kugeln haben vorzugsweise einen Durchmesser, der kleiner ist als die Schichtdicke eines aufgetragenen Kopplungsmittels. Die verwendeten Kugeln sind also relativ klein. Sie stellen vorzugsweise auch nur einen untergeordneten Anteil im Gesamtgewicht des Koppelmittels dar, ihr Gewichtsanteil liegt vorzugsweise unter 20, insbesondere unter 10%.

In ihrem Durchmesser werden die Kugeln mehreren Prüfungsbedingungen angepaßt, insbesondere der Frequenz des verwendeten Prüfkopfes, der Rauhigkeit der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts usw. Bei Prüfkopf- Frequenzen im Bereich von 1 bis 4 Megahertz haben sich Kugeln in einer Durchmesserverteilung von 90 bis 130 Mikrometer als günstig erwiesen. Für höhere Frequenzen eignen sich besser Kugeln mit Durchmessern von 50 bis 90 Mikrometer. Für Frequenzen unterhalb von 1 Megahertz und mit wachsender Rauhtiefe eignen sich Kugeldurchmesser oberhalb 100 Mikrometer, beispielsweise von 200 Mikrometer Durchmesser.

Durch eine höhere Zugabe von Glaskugeln zum Koppelmittel oder durch Kugeln aus Materialien mit größerer Schallimpedanz, beispielsweise Wolfram, Kupfer, Nickel, Stahl, läßt sich die Schallimpedanz des Koppelmittels erhöhen und der Reflexionsverlust beim Schalleintritt in Materialien mit hoher Schallimpedanz, wie z. B. Stahl, erheblich verringern. Auf diese Weise läßt sich das Durchdringungsvermögen der Prüfeinrichtung erhöhen.

Als gelartige bzw. flüssige Komponente des Koppelmittels eignen sich die bereits bekannten, als Koppelmittel eingesetzten Materialien, beispielsweise Glykol, Glycerin, Öle, Fette, z. B. Silikonfette, mit Flüssigkeiten angereicherte Gele.

Im Koppelmittel sind die Kugeln gut verteilt. Bei pastösen Koppelmitteln und Koppelmitteln geringerer Viskosität entmischen sich Kugeln und eigentliches Koppelmittel nicht merklich. Bei Koppelmitteln mit höherer Viskosität kann es notwendig sein, die Mischung aus Kugeln und eigentlichem Koppelmittel wieder herzustellen, bevor das Koppelmittel angewandt wird. Ein Entmischen kann man dadurch vermeiden, daß man eigentliche Koppelmittel mit spezifischen Gewichten verwendet, die weitgehend dem spezifischen Gewicht der benutzten Kugeln entsprechen.

Bei Problemen einer Benetzung der Kugeln durch das eigentliche Koppelmittel können geeignete chemische Reagentien zugesetzt werden, die eine ausreichende Benetzung und damit eine genügende Adhäsion zwischen der Oberfläche der Kugeln und dem eigentlichen Koppelmittel sicherstellen. Dadurch wird auch dem oben erwähnten Entmischen entgegengemischt.

Bevorzugt werden eigentliche Koppelmittel verwendet, die wasserlöslich sind, bzw. durch Wasser verdünnbar sind. Die Entsorgung des erfindungsgemäßen Koppelmittels geschieht dadurch, daß man das Koppelmittel vom untersuchten Objekt abspült, beispielsweise mit Wasser. Durch starke Verdünnung des Koppelmittels erreicht man, daß sich die Glaskugeln am Boden des Auffanggefäßes absetzen können, in einer anderen Ausführung können sie mit einem einfachen Filter aufgefangen werden. Als Filter eignen sich hierfür Metallgewebe, wie sie auch für die Ölfilterung eingesetzt werden, es können aber auch Stoffilter benutzt werden, wie sie beispielsweise für Kaffeefilter bekannt sind.

Grundsätzlich besteht kein Problem, wenn Glaskugeln in den Erdboden oder in eine Deponie gelangen. Wenn bleifreies Glas verwendet wird, bestehen keine toxischen Probleme, vielmehr verhalten sich Glaskugeln wie Sand, d. h. sie dienen der Bodenlockerung.

Unter eigentlichem Koppelmittel wird der gelförmige bis flüssige Anteil des erfindungsgemäßen Koppelmittels verstanden. Das Koppelmittel selbst ist die Mischung aus den Kugeln und dem eigentlichen Koppelmittel. Das eigentliche Koppelmittel unterscheidet sich nicht von den bereits bekannten Koppelmitteln, die zur Zeit auf dem Markt befindlich oder bekannt sind.

Es ist möglich, die Kugeln mit einem fluoreszierenden Zusatz zu versehen. Auf diese Weise wird ein einfacher Nachweis dafür erreicht, daß das Koppelmittel auf einer Oberfläche vorhanden ist und wieviel davon aufgebracht wurde.

Als zu testendes Objekt kommen grundsätzlich alle Objekte in Frage, die sich mit Ultraschall testen lassen. Insbesondere ist das Anwendungsgebiet der Erfindung die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, beispielsweise die Prüfung von Stahl- oder Leichtmetallteilen.

Wenn im Obenstehenden insbesondere auf Glaskugeln als Kugeln eingegangen wurde, so liegt dies daran, daß Glaskugeln in den genannten Abmessungen in ausreichenden Mengen und auch preisgünstig erhältlich sind. Eine Zugabe von Glaskugeln zum eigentlichen Koppelmittel erhöht den Gesamtpreis des Koppelmittels praktisch nicht merklich, da eigentliches Koppelmittel und Glaskugeln preislich etwa in der gleichen Größenordnung liegen.

Als günstig haben sich Zugaben von 5% (Gewichtsprozent) Kugeln erwiesen. Bei geringeren Zugaben werden auch noch Vorteile erzielt, denn es genügt prinzipiell, wenn der Prüfkopf durch drei Kugeln abgestützt ist. Durch die Kugeln wird eine allseitige Bewegbarkeit des Prüfkopfes gegenüber der zu prüfenden Oberfläche erreicht.


Anspruch[de]
  1. 1. Ultraschall-Koppelmittel für das Ausfüllen eines Spaltes zwischen einem zu untersuchenden Objekt und einem Ultraschall-Prüfkopf, der relativ zur Oberfläche des Objekts bewegbar ist, wobei das Koppelmittel eine gelförmige, pastöse bis flüssige Konsistenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es kleine, aus einem Festkörper hergestellte Kugeln enthält.
  2. 2. Ultraschall-Koppelmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln einen Durchmesser haben, der zwischen 50 Mikrometer und 1 Millimeter liegt, vorzugsweise zwischen 60 Mikrometer und 200 Mikrometer beträgt.
  3. 3. Ultraschall-Koppelmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln aus Glas, vorzugsweise aus einem bleifreien Glas, hergestellt sind.
  4. 4. Ultraschall-Koppelmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln aus einem Material mit möglichst hoher Schallimpedanz, z. B. Wolfram, Kupfer, Nickel, Stahl, gefertigt sind.
  5. 5. Ultraschall-Koppelmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Koppelmittel 2 bis 20 Gewichtsprozent, vorzugsweise 3 bis 10 Gewichtsprozent und insbesondere 5 Gewichtsprozent an Kugeln enthalten sind.
  6. 6. Ultraschall-Koppelmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Objekt ein Festkörper ist.
  7. 7. Ultraschall-Koppelmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Kugeln in einem vorgegebenen Durchmesserbereich, z. B. plus/minus 10% eines vorgegebenen Nenndurchmessers, enthält.
  8. 8. Ultraschall-Koppelmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts eines Rauhigkeit aufweist und der Durchmesser der Kugeln größer ist als das Maß der Rauhigkeit.
  9. 9. Ultraschall-Koppelmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Glykol, Glycerin oder Mineralöl enthält.
  10. 10. Ultraschall-Koppelmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallimpedanz des pastösen bzw. flüssigen Anteils des Koppelmittels der Schallimpedanz des Materials, aus dem die Kugeln hergestellt sind, möglichst entspricht.






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