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