DE10115329A1 - Ultraschallverfahren zur Dickenmessung von schwach reflektierenden Teilschichten eines Mehrschichtbauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallmessung einer Teilschichtdicke in einem Mehrschichtbauteil mit geringer Grenzflächenreflexion mit folgenden Verfahrensschritten: DOLLAR A a) mit Hilfe eines Ultraschallprüfkopfes 2 werden in einer vorgegebenen Stelle des Bauteils 1 mehrere Sendeimpulse 8 erzeugt, DOLLAR A b) die resultierenden, einem Sendeimpuls zugeordneten Echosignale werden digital als HF-Bild aufgezeichnet, DOLLAR A c) mit Hilfe eines Computerprogramms werden mehrere Wanddicken-Echoperioden 14 aus unterschiedlichen Laufzeiten homolog überlagert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallverfahren zur Dicken­ messung von schwach reflektierenden Teilschichten eines Mehr­ schichtbauteils. Bei einem solchen Bauteil bestehen die un­ terschiedlichen Schichten aus Materialien mit ähnlichen Schallimpedanzen. Ein von einem Ultraschallprüfkopf erzeugter Schallimpuls wird daher an der Grenzfläche zwischen den Mate­ rialien nur zu einem äußerst geringen Anteil, nämlich zu etwa 1% und weniger reflektiert. Das reflektierte Grenzflächenecho weist dementsprechend Amplituden auf, die im Bereich der Amp­ lituden von üblichen, beispielsweise durch unvollständige Dämpfung des Ultraschallkopfes oder durch Transversalwellen- Echos hervorgerufen Störsignalen liegen. Das erreichbare Sig­ nal/Stör-Verhältnis reicht daher bei Messungen der vorliegen­ den Art oft nicht aus, um das Grenzschichtecho eindeutig zu identifizieren.

Aus US 4,918,989 ist ein Ultraschallverfahren zur Messung der Dicke einer Liner-Schicht eines Kernbrennstoff-Hüllrohres be­ schrieben, bei dem zur Erhöhung des Signal/Stör-Verhältnisses der Effekt ausgenutzt wird, dass sich zwei mehrfach reflek­ tierte Echoimpulse mit zwar unterschiedlichem Reflexionsver­ lauf bzw. Strahlengang aber mit gleicher Laufzeit überlagern. Dabei soll sich ein stärkeres, sich von Störsignalen deutli­ cher abhebendes Signal ergeben, als dies bei einem an der Grenzfläche zwischen Liner-Schicht und Rohrmaterial einfach reflektierten Echoimpuls der Fall ist. Diese Mehrfachreflexi­ onen erlangen erst bei späteren Wanddicken-Echos Bedeutung, wo Störungen durch Transversalwellen groß sind und die Nutz­ echos aufgrund weiter Laufwege klein sind. Die Verbesserung des SIN ist daher klein.

Ein weiteres Ultraschallverfahren zur Dickenbestimmung einer Innenschicht eines Kernbrennstoff-Hüllrohres ist in DE 41 02 576 A1 beschrieben. Um das an der Grenzfläche zwischen Innenschicht und Hüllrohr reflektierte Signal gegenüber Stör­ signalen deutlicher hervortreten zu lassen, werden Zeitgatter eingesetzt, die Störsignale vor und nach dem Grenzflächenecho herausfiltern. Unberührt bleiben jedoch Störungen in der Nähe des Grenzschichtechos.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art vorzuschlagen, mit dem sich das Signal/Stör- Verhältnis bei der Dickenbestimmung von Teilschichten mit schwacher Reflexion verbessern lässt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 ge­ löst. Danach werden mit Hilfe eines Ultraschallprüfkopfes an einer vorgegebenen Stelle eines Mehrschichtbauteils mehrere Sendeimpulse erzeugt und die einem Sendeimpuls zugeordneten Echoimpulse digital als HF-Bild aufgezeichnet. Das zur Unter­ drückung des elektronischen Rauschens gemittelte HF-Bild wird dann mit Hilfe eines Computerprogramms so weiter bearbeitet, dass mehrere durch zwei zeitlich auf einander folgende, Stör­ signale zwischen sich einschließende Rückwandechos begrenzte Echoperioden homolog überlagert werden. Die Erfindung geht dabei von der Beobachtung aus, dass die zeitliche Abfolge der Störsignale der einzelnen Echoperioden weitgehend unter­ schiedlich ist, während die Grenzflächenechos eine gleich­ bleibende Periodizität aufweisen. Bei der Überlagerung mehre­ rer Echoperioden werden nun die Grenzflächenechos aufgrund ihrer strengen Periodizität verhältnismäßig mehr verstärkt als die Störsignale. Als Ergebnis der Überlagerung wird daher eine digitale Aufzeichnung erhalten, bei der sich das Grenz­ flächenecho deutlich von den Störsignalen abhebt, so dass es sich leichter identifizieren und auswerten lässt. Besonders vorteilhaft ist das vorgeschlagene Verfahren für die Bestim­ mung der Dicke einer Linerschicht von Kernbrennstoff- Hüllrohren einsetzbar.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens an einem zweischichtigen Bauteil,

Fig. 2 das HF-Bild einer an einer vorgegebenen Stelle des Bauteiles vorgenommenen Ultraschallmessung,

Fig. 3 das HF-Bild entsprechend Fig. 2, jedoch mit hundertfa­ cher Verstärkung,

Fig. 4 ein HF-Bild, das das Ergebnis der Überlagerung von 14 Echoperioden in einfacher (dicke Linie) und hundertfacher Vergrößerung (dünne Linie) zeigt,

Fig. 5 ein HF-Bild, das die erste, den Sendeimpuls und das erste Rückwandecho umfassende Echoperiode bei einfacher (dicke Linie) und hundertfacher Vergrößerung (dünne Li­ nie) zeigt,

In Fig. 1 ist ein typischer Aufbau für eine Ultraschallmessung an einem Bauteil 1 schematisch dargestellt. An einer Oberflä­ che des Bauteils ist ein Ultraschallprüfkopf 2 angeordnet. Die Schalleinkopplung erfolgt beispielsweise in Kontakttech­ nik mit oder ohne Vorlaufstrecke. Die vom Ultraschallprüf­ kopf 2 empfangenen Echosignale werden von einem Ultraschall­ prüfgerät 3 aufgenommen und von einem digitalen Oszilloskop 4 in Form beispielsweise eines HF-Bildes aufgezeichnet. Zur Weiterverarbeitung der Daten des HF-Bildes ist and das Oszil­ loskop 4 eine DV-Anlage, beispielsweise ein PC 5 angeschlos­ sen.

Das zu prüfende Bauteil 1 setzt sich aus zwei Schichten 6, 7, zusammen, die aus hinsichtlich der Schallimpedanz sehr ähnlichen Materialien bestehen. Ein vom Prüfkopf 2 erzeugter Sen­ deimpuls 8 durchdringt daher zum Großteil die Grenzfläche 9 zwischen den beiden Schichten 6, 7. Nur ein Anteil von max. 1 Rel.% wird an der Grenzfläche 9 reflektiert und als schwa­ ches Grenzflächenecho 10 vom Prüfkopf 2 empfangen. Das von der Rückwand 12 des Bauteils 2 reflektierte Rückwandecho 13 ist dagegen wesentlich stärker. Wenn die Grenzfläche bei­ spielsweise einen Reflexionsfaktor von 0,01 aufweist, ist das Rückwandecho 13 99 mal stärker als das Grenzflächenecho 10. Letzteres ist daher bei einem HF-Bild mit geringer Verstär­ kung nicht mehr erkennbar (siehe Fig. 2). Das Bild nach Fig. 2 kann aber dazu dienen, die Wanddicke aus dem zeitlichen Ab­ stand zweier aufeinanderfolgender Rückwandechos 13 zu bestim­ men.

Um die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rückwandechos 13 bzw. innerhalb einer von diesen begrenzten Echoperiode 14 liegenden Signale sichtbar zu machen, ist eine Aufzeichnung mit höherem Verstärkungsfaktor, beispielsweise mit hundertfa­ cher Verstärkung erforderlich. Ein derartiges HF-Bild ist in Fig. 3 gezeigt. Wie bei dem HF-Bild von Fig. 2 handelt es sich dabei nicht um die Aufzeichnung eines einzelnen, sondern um die Überlagerung mehrerer HF-Bilder von mehreren Ultraschall­ schüssen. Da die Ultraschallschüsse bis auf das regellose e­ lektronische Rauschen identisch sind, werden beispielsweise durch unvollständige Dämpfung des Ultraschallprüfkopfes und durch Transversalwellen-Echos entstandene Störsignale in gleichem Maße wie Nutzsignale relativ verstärkt und nur das elektronische Rauschen herausgefiltert. Bei Messaufgaben der vorliegenden Art, also bei der Bestimmung von Teilschichtdi­ cken von Bauteilen 2 weisen daher die Grenzflächenechos 10 oft Amplituden auf, die im Bereich der Störsignalamplituden liegen. Es ist deshalb schwierig, das Grenzflächenecho 10 zu identifizieren und die Teilschichtdicken des Bauteils 2 zu bestimmen. Um hier Abhilfe zu schaffen, werden nun die in digitaler Form vorliegenden HF-Bilder gemäß Fig. 2 und 3 mit dem oben genannten PC 5 weiter verarbeitet. Mit einem Computer­ programm wird das HF-Bild gemäß Fig. 3 in seine Echoperioden zerlegt, und diese homolog überlagert. Das Ergebnis der Über­ lagerung der ersten 14 Echoperioden 14 ist in Fig. 4 gezeigt. Aus einem Vergleich mit Fig. 5, das die erste, aus Sendeimpuls 8 und erstem Rückwandecho 13a bestehende Echoperiode 14a zeigt, wird deutlich, dass die meisten Störsignale 15a an In­ tensität verloren haben. Dies liegt daran, dass sich das Aus­ sehen dieser Störsignale in aufeinanderfolgenden Echoperioden 14 verändert. D. h. die Maxima der Störsignale 15a sind in den einzelnen Echoperioden an unterschiedlichen Positionen, so dass die Überlagerung zu einer Abschwächung der Amplituden führt. Lediglich die sich an ein Rückwandecho 13 unmittelbar anschließende Signalgruppe 15b ist eng an die Periodizität der Rückwandechos gekoppelt, so dass hier keine Signalab­ schwächung erfolgt. Dieses Signal kann aber aufgrund seiner Lage von vornherein ausgeschlossen werden. Das Grenzflächen­ echo 10 ist somit eindeutig detektierbar. Zur Bestimmung der Dicke der Teilschicht 7 wird jeweils auf das Minimum von Grenzflächenecho 10 und Rückwandecho 12 zurückgegriffen. Die Dicke der Teilschicht 7 ergibt sich in bekannter Weise aus der Zeitdifferenz 16 zwischen den genannten Signalen. Dazu können beispielsweise die Minima der Signale bestimmt werden und ihr Zeitunterschied mittels der bekannten Ultraschallge­ schwindigkeit in eine Schichtdicke umgerechnet werden.

Bezugszeichenliste

1

Bauteil

2

Ultraschallprüfkopf

3

Ultraschallprüfgerät

4

Oszilloskop

5

PC

6

Teilschicht

7

Teilschicht

8

Sendeimpuls

9

Grenzfläche

10

Grenzflächenecho

11

Schalleinstrahlungsfläche

12

Rückwand

13

Rückwandecho

14

Echoperiode

15

Störsignal

16

Zeitdifferenz

Claims (2)

1. Verfahren zur Ultraschallmessung einer Teilschichtdicke in einem Mehrschichtbauteil (1) mit geringer Grenzflächenre­ flexion, mit folgenden Verfahrensschritten:

• a) mit Hilfe eines Ultraschallprüfkopfes (2) werden an ei­ ner vorgegebenen Stelle des Bauteils (1) mehrere Sende­ impulse (8) erzeugt,
• b) die resultierenden, einem Sendeimpuls (8) zugeordneten Echosignale werden digital als HF-Bild aufgezeichnet,
• c) mit Hilfe eines Computerprogramms werden mehrere Wand­ dicken-Echoperioden (14) aus unterschiedlichen Laufzei­ ten homolog überlagert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bestimmung der Linerschichtdicke von Kern­ brennstoff-Hüllrohren verwendet wird.