DE102004063738B4 - Ultraschall-Prüfeinrichtung - Google Patents

Abstract

Ultraschall-Prüfeinrichtung zum zerstörungsfreien Prüfen eines Werkstückes (6), insbesondere zum Prüfen einer Rohrschweißnaht, mit einem Steuergerät (2) zum Bereitstellen von Steuerimpulsen (S) an einer Mehrzahl von Kanälen (K₁–K_n) zum Anschließen von Ultraschallprüfköpfen (4₁–4_n-1) sowie zum Verarbeiten der von diesen empfangenen Echosignale (E), wobei zum Ermitteln der Oberflächenkontur des Werkstückes (6) zumindest an einen Kanal (K_n) anstelle eines dieser Ultraschallprüfköpfe eine Abstandsmesseinrichtung (20) angeschlossen ist, die eine Abstandsmesssonde (22) und eine dieser nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit (23) umfasst, wobei die Abstandsmesssonde (22) ein dem Abstand (a) entsprechendes Messsignal (M) bereitstellt und die Signalverarbeitungseinheit (23) in Abhängigkeit vom zum Zeitpunkt eines externen Steuerimpulses (S) von der Abstandsmesssonde (22) bereitgestellten Messsignal (M) ein zeitverzögertes Ausgangssignal (A) erzeugt, dessen Zeitabstand vom Steuerimpuls (S) ein Maß für den Abstand (a) ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschall-Prüfeinrichtung zum zerstörungsfreien Prüfen eines Werkstückes.
• Bei der Ultraschallprüfung von Schweißnähten, mit denen zwei Werkstücke miteinander verbunden sind, ist die Oberfläche des Prüflings häufig nicht eben. Ursache hierfür können Kantenversatz, Schrumpfverformung oder auch Handbeschleifung sein. Ein solcher Kantenversatz liegt oftmals bei Schweißnähten vor, an denen Rohrleitungen miteinander verschweißt sind. Bei einer Prüfung in Längsrichtung der Rohrleitung kann die Abweichung von einer geraden Linie dabei so ausgeprägt sein, dass der Verlauf der Oberflächenkontur bei der Bewertung des Prüfergebnisses, vor allem bei Aussagen zu Risstiefen berücksichtigt werden muss. Dazu ist es erforderlich, den Verlauf der Oberflächenkontur zu messen und mit den zu einer Prüfposition gehörenden Ergebnissen zu korrelieren.
• Zur Bestimmung der Oberflächenkontur ist es beispielsweise aus der EP 0 489 161 A1 grundsätzlich bekannt, Ultraschallsensoren einzusetzen, die gemeinsam mit dem auf dem Werkstück aufgesetzten Ultraschallprüfkopf oder den auf dem Werkstück aufgesetzten Ultraschallprüfköpfen für die Schweißnahtprüfung beabstandet vom Werkstück mittels eines Manipulators längs einer vorgegebenen, bekannten Bahn verfahren werden, und die den Abstand zur Oberfläche des Werkstücks im Umgebungsmedium messen. Dabei ist die Laufzeit eines von diesen Ultraschallsensoren ausgestrahlten und von der Oberfläche reflektierten Ultraschallimpulses dem Abstand proportional. Bei dieser bekannten Einrichtung wird dann aus der Laufzeit ein diese repräsentierendes Abstandsmesssignal erzeugt, das an eine Steuereinrichtung zur Auswertung der mit der Ultraschallprüfsonde erzeugten Prüfsignale ausgegeben wird.
• Alternativ hierzu ist es auch bekannt, die von einem zur Abstandsmessung verwendeten Ultraschallsensor empfangenen Echosignale unmittelbar, d.h. ohne vorherige Umwandlung in ein Abstandsmesssignal in gleicher Weise zu verarbeiten wie die mit den Ultraschallprüfköpfen empfangenen Echosignal, so dass sich in einem mit diesem Ultraschallsensor erzeugten B-Bild eine Linie ergibt, die den Verlauf der Oberflächenkontur längs dieser Bahn wiedergibt. Der Vorteil bei einer solchen Verwendung eines Ultraschallsensors als Abstandsmesssonde ist vor allen Dingen darin zu sehen, dass dieser ohne zusätzliche Maßnahmen, d. h. ohne signalverarbeitende Zwischenstufen unmittelbar an eine in der Regel mehrkanalige Ultraschalleinrichtung angeschlossen werden kann, da das physikalische Prinzip der Messung eines Abstandes mit Hilfe eines Ultraschallimpulses identisch ist mit den physikalischen Prinzipien, auf denen die in Impuls-Echo-Technik stattfindende Ultraschallprüfung beruht.
• Grundsätzlich ist zwar die Verwendung eines Ultraschallsensors zur Abstandsmessung auch dann möglich, wenn sich zwischen diesem und der Oberfläche des Werkstücks als schalltragendes Medium Luft befindet, wie dies bei der Außenprüfung von Rohrleitungen der Fall wäre. Von Nachteil ist aber bei einem solchen luftgekoppelten Ultraschallsensor, dass er nur schwache Ausgangssignale liefert, und außerdem auf Grund der erforderlichen weichen Anpassschichten mechanisch empfindlich ist. Darüber hinaus ist eine genaue Auswertung der Echosignale aufgrund der nur geringen Bandbreite der sich in Luft ausbreitenden Ultraschallsignale erschwert.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Ultraschall-Prüfeinrichtung mit einer Abstandsmesseinrichtung zum Ermitteln der Oberflächenkontur eines Werkstückes anzugeben, die sich insbesondere zu einer in Luft stattfindenden Prüfung von Werkstücken, beispielsweise die Außenprüfung von Anlagenteilen, eignet.
• Die genannte Aufgabe wird gelöst mit einer Ultraschallprüfeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen enthält die Ultraschallprüfeinrichtung ein Steuergerät zum Bereitstellen von Sendeimpulsen an einer Mehrzahl von Kanälen zum Anschließen von Ultraschallprüfköpfen sowie zum Verarbeiten der von diesen empfangenen Echosignalen, wobei zumindest an einen Kanal anstelle eines Ultraschallprüfkopfes eine Abstandsmesseinrichtung angeschlossen ist, die eine Abstandmesssonde und eine dieser nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit umfasst. Die Abstandmesssonde stellt ein dem Abstand entsprechendes Messsignal bereit. Die Signalverarbeitungseinheit erzeugt in Abhängigkeit vom Zeitpunkt eines externen Steuerimpulses aus dem von der Abstandsmesssonde bereitgestellten Messsignal ein zeitverzögertes Ausgangssignal, dessen Zeitabstand vom Steuerimpuls ein Maß für den Abstand ist. Bei der Abstandsmesssonde, die vorzugsweise eine optische Abstandsmesssonde ist, handelt es sich um einen Abstandssensor, der unmittelbar ein analoges oder digitales Ausgangssignal bereitstellt, das dem Abstand vorzugsweise proportional ist. Gemäß der Erfindung wird nun dieses Messsignal benutzt, um daraus in der Signalverarbeitungseinheit ein zu einem externen Steuerimpuls zeitverzögertes Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Zeitabstand vom Steuerimpuls ein Maß für den Abstand, insbesondere proportional zum Abstand ist. Mit anderen Worten: Die Abstandsmesseinrichtung verhält sich an ihrer Schnittstelle wie ein Ultraschallprüfkopf, so dass sowohl ihre Ansteuerung als auch die Auswertung des von ihr bereitgestellten Ausgangssignals mit einem handelsüblichen Ultraschallgerät erfolgen kann.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält die Signalverarbeitungseinheit einen Analog-Digital-Wandler zum Digitalisieren eines zum Zeitpunkt des Steuerimpulses bereitgestellten analogen Messsignals sowie einen Rückwärtszähler, der zu diesem Zeitpunkt auf einem dem Messsignal entsprechenden Zähleranfangswert gesetzt wird und an dessen Ausgang beim Erreichen eines vorgegebenen Zählerendwertes ein Triggersignal zum Ansteuern eines das Ausgangssignal erzeugenden Impulsgenerators abgeben wird. Eine solche Signalverarbeitungseinheit lässt sich schaltungstechnisch besonderes einfach realisieren.
• Vorzugsweise umfasst die Ultraschall-Prüfeinrichtung eine Auswerte- und Anzeigeinrichtung zum Erzeugen und Darstellen einer der Anzahl der Kanäle entsprechenden Anzahl von B-Bildern aus den diesen Kanälen jeweils zugeordneten Messsignalen. Durch die in Form eines B-Bildes vorliegende Information über die Oberflächenkontur ist es möglich, dieses B-Bild mit den von dem Ultraschallprüfkopf oder den Ultraschallprüfköpfen aufgenommenen B-Bildern aus dem Prüfvolumen zu korrelieren und die in Form von diesen B-Bildern vorliegenden Prüfergebnisse unter Berücksichtigung der zugehörigen Oberflächenkontur zu bewerten.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur eine Ultraschall-Prüfeinrichtung gemäß der Erfindung in einem schematischen Prinzipschaubild veranschaulicht ist.
• Gemäß 1 enthält eine Ultraschall-Prüfeinrichtung gemäß der Erfindung ein Steuergerät 2 mit einer Mehrzahl von Kanälen K₁–K_n, an die eine entsprechende Anzahl von Ultraschall-Prüfköpfen 4₁ –4_n-1 angeschlossen werden kann. Die Steuereinrichtung 2 stellt für jeden Kanal K₁–K_n zeitlich aufeinanderfolgend Steuer- bzw. Sendeimpulse S zur Verfügung, die von den Ultraschallprüfköpfen 4₁ –4_n-1 in einen Ultraschallimpuls umgewandelt werden. Die von den Ultraschallköpfen 4₁ –4_n-1 jeweils empfangenen Ultraschall-Echosignale werden in elektrische Echosignale E umgewandelt und mit einer in einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung des Steuergerätes 2 implementierten Verarbeitungssoftware in eine Bildinformation umgewandelt. Diese liegt bei entlang einem Werkstück 6 geführten Ultraschallprüfköpfen 4₁ –4_n-1 jeweils in Form eines B-Bildes vor, in dem der Messort x des jeweiligen Ultraschallprüfkopfes 4₁ –4_n-1 als Abszisse, die Tiefe eines Echosignals E, d. h. der Zeitabstand zwischen dem Steuersignal und dem Echosignal E als Ordinate und die Amplitude des Echosignals E durch die Helligkeit oder Farbstufe angegeben ist. Solche B-Bilder sind grobschematisch veranschaulicht für die Kanäle K₁ und K_n in den Graphiken 8 bzw. 10.
• Im Beispiel der Figur wird ein auf das Werkstück 6 aufgesetzter Ultraschallprüfkopf 4₁ von links nach rechts über eine Schweißnaht 12 geführt, mit der zwei Werkstücke 6a und 6b aneinander gefügt sind. In unmittelbarer Nähe der Schweißnaht befindet sich ein sich annähernd senkrecht zur Oberfläche ausbreitender Riss 14, der in unterschiedlichen Prüfpositionen P1, P2, Echosignale aus unterschiedlicher Tiefe t₁ erzeugt, wie es durch die Linie im B-Bild 8 veranschaulicht ist.
• Ohne Kenntnis der Oberflächenkontur des Werkstückes 6 würde nun die an der Prüfposition P2 im B-Bild 8 vorliegende Tiefen information zu einer fehlerhaften Aussage über die Tiefe des Risses 14 führen. Im Beispiel ergäbe dies bei einem vermuteten, einer Verlängerung der Kontur des Teiles 6b entsprechendem gestrichelt eingezeichneten Konturverlauf c eine aus diesem B-Bild 8 ermittelte Risstiefe, die kleiner ist als die tatsächliche Tiefe des Risses 14.
• Um die im B-Bild 8 vorliegenden Messdaten korrekt interpretieren zu können, ist an das Steuergerät 2 eine Abstandsmesseinrichtung 20 angeschlossen, die eine Abstandsmesssonde 22, im Beispiel eine optische Abstandsmesssonde oder Laserabstandsmesssonde, enthält, die gemeinsam mit dem oder den auf das Werkstück aufgesetzten Ultraschallwandlern 4₁ –4_n-1 in einem Abstand entlang einer von einem Manipulator vorgegebenen Bahn, die von der Geometrie (Sollgeometrie) des Werkstücks 6 und von der Prüfbewegung abhängig ist, geführt ist. Die Prüfbewegung erfolgt für den Prüfbereich in der Regel mäanderförmig oder bei zylindrischen Werkstücken auch entlang einer Schraubenlinie. Die Prüfpositionen der Ultraschallprüfköpfe 4₁ –4_n-1 und die Position der Abstandsmesssonde 22 sind miteinander korreliert, so dass allen Prüfpositionen der Ultraschallprüfköpfe 4₁ –4_n-1 stets eine Information über den Abstand a zwischen dem Werkstück 6 und der Abstandsmesssonde 22 zugeordnet ist. Diese Abstandsinformation kann in die B-Bilder der Ultraschallprüfköpfe eingeblendet werden.
• Bei der Abstandsmesssonde 22 handelt es sich vorzugsweise um einen optischen Abstandssensor, der an seinem Ausgang ein analoges Messsignal M liefert, das dem Abstand a proportional ist. Dieses Messsignal M wird einer Signalverarbeitungseinheit 23 zugeführt und dort in einem A/D-Wandler 24 zum Zeitpunkt eines von der Steuereinrichtung 2 bereitgestellten Steuerimpulses S, bei dem es sich um den Sendeimpuls für einen am Kanal K_n in der Regel angeschlossenen Ultraschallprüfkopf handelt, digitalisiert und einem Rückwärtszähler 26 übergeben. Der Rückwärtszähler 26 zählt mit einer vorgegebenen Zählrate abwärts und generiert bei einem vorgegebenen Zählerendstand, im Ausführungsbeispiel beim Zählerstand Null, ein Triggersignal T, mit dem ein Impulsgenerator 28 getriggert wird, der als Ausgangssignal A einen Einzelimpuls erzeugt. Dieser Einzelimpuls wird von der Steuereinrichtung 2 als Echosignal eines Ultraschallprüfkopfes interpretiert und in der gleichen Weise wie die von den Ultraschallprüfköpfen 4₁ –4_n-1 empfangenen Echosignale E in der bildverarbeitenden Software zum B-Bild 10 verarbeitet. Mit anderen Worten: Aus der bereits in der Höhe des Messsignals M vorliegenden Abstandsinformation wird in der Signalverarbeitungseinheit 23 ein zum Steuerimpuls zeitverzögertes Ausgangssignal A erzeugt, wobei die in der Signalhöhe vorliegende Abstandsinformation in einen Zeitabstand umgewandelt wird, der seinerseits von der Steuereinrichtung der Ultraschall-Prüfeinrichtung wieder in eine Abstandsinformation zurückgewandelt wird.
• Anstelle der A/D-Wandlung des Abstandssignals der Abstandsmesssonde 22 ist es auch möglich, eine Abstandsmesssonde mit digitaler Schnittstelle zu benutzen und das digitale Abstandssignal in den Zähler zu laden. Ebenso kann auch anstelle der in der Figur dargestellten Signalverarbeitungseinheit 23, bestehend aus A/D-Wandler 23, Rückwärtszähler 26 und Impulsgenerator 28 eine Mikroprozessoreinheit mit Schnittstellen zur Abstandsmesssonde 22 und zum Impulsgenerator 28 verwendet werden.
• Alternativ zu der in der Figur dargestellten digitalen Signalverarbeitungseinheit kann auch eine analoge Signalverarbeitungseinheit vorgesehen sein, bei der das an der Abstandsmess sonde als Messsignal ausgangsseitig anliegende Spannungssignal einen Kondensator auflädt. Zum Zeitpunkt des Steuerimpulses S wird die Verbindung zwischen dem Abstandsmesssensor und dem Kondensator unterbrochen und der Kondensator wird entladen. Der Ausgangsimpuls für die Steuereinrichtung wird dann erzeugt, wenn die Spannung über den Kondensator eine einstellbare Vergleichsspannung unterschreitet. Bei geeigneter Bemessung des Kondensators, des Entladewiderstandes und der Vergleichsspannung ist die Zeitverzögerung zwischen dem Steuerimpuls und dem Ausgangssignal proportional zur Spannungsdifferenz zwischen Anfangsspannung und Vergleichsspannung und damit proportional zu einer Abstandsdifferenz zwischen dem Abstand der Abstandmesssonde zu Beginn der Entladung und einem Abstand der Abstandsmesssonde bei der an ihrem Ausgang eine Spannung in Höhe der Vergleichsspannung anliegt.

Claims (4)

1. Ultraschall-Prüfeinrichtung zum zerstörungsfreien Prüfen eines Werkstückes (6), insbesondere zum Prüfen einer Rohrschweißnaht, mit einem Steuergerät (2) zum Bereitstellen von Steuerimpulsen (S) an einer Mehrzahl von Kanälen (K₁–K_n) zum Anschließen von Ultraschallprüfköpfen (4₁ –4_n-1 ) sowie zum Verarbeiten der von diesen empfangenen Echosignale (E), wobei zum Ermitteln der Oberflächenkontur des Werkstückes (6) zumindest an einen Kanal (K_n) anstelle eines dieser Ultraschallprüfköpfe eine Abstandsmesseinrichtung (20) angeschlossen ist, die eine Abstandsmesssonde (22) und eine dieser nachgeschaltete Signalverarbeitungseinheit (23) umfasst, wobei die Abstandsmesssonde (22) ein dem Abstand (a) entsprechendes Messsignal (M) bereitstellt und die Signalverarbeitungseinheit (23) in Abhängigkeit vom zum Zeitpunkt eines externen Steuerimpulses (S) von der Abstandsmesssonde (22) bereitgestellten Messsignal (M) ein zeitverzögertes Ausgangssignal (A) erzeugt, dessen Zeitabstand vom Steuerimpuls (S) ein Maß für den Abstand (a) ist.
2. Ultraschall-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Abstandsmesssonde (22) eine optische Abstandsmesssonde ist.
3. Ultraschall-Prüfeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Signalverarbeitungseinheit (23) einen Analog-Digital-Wandler (24) zum Digitalisieren eines zum Zeitpunkt des Steuerimpulses (S) bereitgestellten analogen Messsignals (M) sowie einen Rückwärtszähler (26) umfasst, der zu diesem Zeitpunkt auf einen dem Messsignal (M) entsprechenden Zähleranfangswert gesetzt wird und an dessen Ausgang beim Erreichen eines vorgegebenen Zählerendwertes ein Triggersignal (T) zum Ansteuern eines das Ausgangssignal (A) erzeugenden Impulsgenerators (28) abgegeben wird.
4. Ultraschall-Prüfeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem auf die Oberfläche des Werkstückes (6) aufsetzbaren und entlang dieser gemeinsam mit der Abstandsmesssonde (22) in unterschiedliche Prüfpositionen (P1, P2) verfahrbaren Ultraschallprüfkopf (4₁ ), wobei Abstandsmesssonde (22) und Ultraschallprüfkopf (4₁ ) verschiedenen Kanälen (K₁ bzw. K_n) zugeordnet sind, und mit einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung zum Erzeugen und Darstellen einer der Anzahl der Kanäle (K₁–K_n) entsprechenden Anzahl von B-Bildern aus den diesen Kanälen (K₁ bzw. K_n) jeweils zugeordneten Echo- bzw. Ausgangssignalen (E, A).