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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Prüfgerät für eine zerstörungsfreie
Prüfung
eines Prüfkörpers und
ein Verfahren zur Darstellung von Ultraschallsignalen, die mit Hilfe
eines Ultraschall-Prüfgeräts gewonnen
werden.
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Für die zerstörungsfreie
Prüfung
eines Werkstücks
durch Ultraschall sind geeignete Prüfgeräte bekannt. Ganz allgemein
verwiesen wird auf das DE-Buch von J. und. H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit
Ultraschall, sechste Auflage.
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Es
sind insbesondere Winkelprüfköpfe bekannt,
die hochfrequente Schallimpulse (ca. 1-10 MHz) abgeben, die in das
zu prüfende
Werkstück eingeschallt
werden und die dann einerseits an der Ankoppelfläche reflektiert werden und
zum Winkelprüfkopf
zurücklaufen
und die andererseits in das Werkstück eindringen, wo sie an einer
Rückwand
des Werkstücks
mindestens einmal reflektiert werden. An inneren Inhomogenitäten, wie
zum Beispiel an einem Materialfehler, treten Schallreflexionen auf,
die vom Winkelprüfkopf
wieder empfangen und im Ultraschallgerät verarbeitet werden.
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Es
wird in der Regel nach dem Impuls-Echoverfahren gearbeitet. Der
Winkelprüfkopf,
bzw. ein Sender gibt vorzugsweise periodisch Ultraschallimpulse
ab und ein Empfänger
empfängt
danach Echosignale dieser abgegebenen Ultraschallimpulse. Die weiteren
Echosignale stammen aus dem Werkstück und insbesondere von der
Rückwand
des Werkstücks.
Insoweit ist das Prüfungsverfahren
für Werkstü cke geeignet,
deren Ankoppelfläche
im Wesentlichen parallel zur Rückwand
verläuft,
so dass es zur Ausbildung mehrerer Hin- und Hergänge des Ultraschallimpulses
im Werkstück
kommt.
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Ein
Winkelprüfkopf
arbeitet über
einen Fuß aus
Vorlaufmaterial mit Schrägeinschallung.
Die Ultraschallwelle läuft
in das Material hinein, bis an einer Grenzfläche eine teilweise oder völlige Reflexion stattfindet.
Liegt die reflektierende Fläche
senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, so wird die Schallwelle in ihre
ursprüngliche
Richtung reflektiert und erreicht nach einer gewissen Laufzeit wieder
einen im Winkelprüfkopf
angeordneten piezoelektrischen Schwinger, der sie in einen elektrischen
Impuls zurückverwandelt.
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Der
Winkelprüfkopf
wird neben den zu prüfenden
Bereich angeordnet und das Schallsignal wird sozusagen seitlich
in den relevanten Bereich eingeschallt. Dies ist beispielsweise
bei der Ultraschallprüfung
von Schweißnähten der
Fall.
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Bei
einem ungestörten
Prüfkörper wird
der Schall also jeweils zwischen Ankoppelfläche und Rückwand des Prüfkörpers reflektiert
und läuft
unter einem bestimmten Winkel immer weiter in die vom Winkelprüfkopf wegweisende
Richtung in den Prüfkörper hinein.
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Bei
der Überprüfung von
Schweißnähten wird
der Winkelprüfkopf
entlang der Schweißnaht
bewegt, bis ein maximales Fehlerecho entsteht. Die empfangenen Echosignale
werden dabei unmittelbar auf dem Monitor dargestellt. Die Darstellung
erfolgt allgemein als sogenanntes A-Bild, bei dem über der Zeitachse
die Spannungswerte der empfangenen Echosignale dargestellt werden.
Bei mehrfachen Hin- und Hergängen
zwischen Ankoppelfläche
und Rückwand
erhält
man eine Folge gleichabständiger
Echosignale, deren Amplitude mit wachsender Zeit im Allgemeinen
abnimmt. Dabei werden die einzelnen Hin- und Hergänge, also
die Strecke des Schall von der Ankoppelfläche zur Rückwand und umgekehrt, jeweils
als Bein bezeichnet. Ausgehend vom Winkelprüfkopf wird also zunächst ein
erstes Bein erzeugt, das von der Ankoppelfläche schräg bis hin zur Rückwand verläuft. Dort
wird der Schall reflektiert und es bildet sich ein zweites Bein,
welches von der Rückwand
bis zur Ankoppelfläche
verläuft,
usw.
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Die
Position Ortung eines Reflektors (Fehlers) im Prüfkörper wird auf Basis der bekannten
und gemessenen Daten errechnet. Die Echoamplitude wird für eine Abschätzung der
Fehlergröße herangezogen.
Dies ist jedoch nicht zuverlässig
möglich,
da die Echoamplitude wesentlich mehr Einflüssen unterworfen ist als die
Schallaufzeit.
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Es
sind Verfahren bekannt, die eine Abschätzung der Fehlergröße oder
der Ungänze
erlauben. In diesen Verfahren wird die Größe (Durchmesser) eines Modellreflektors
(Kreisscheibe, zylinderförmiger Reflektor)
abgeschätzt.
Die so ermittelte Größe ist nicht
identisch mit der tatsächlichen
Fehlergröße und wird
daher als äquivalenter
Kreisscheiben- bzw. Querbohrungsdurchmesser bezeichnet. Bei Verwendung
von Kreisscheibenreflektoren hat sich die kürzere Bezeichnung Ersatzreflektorgröße (ERG) durchgesetzt.
Dass die tatsächliche
Fehlergröße nicht
mit der Ersatzreflektorgröße übereinstimmt, liegt
daran, dass die von einem natürlichen
Fehler reflektierten Schallanteile zusätzlich durch die Form, Orientierung
und Oberflächenbeschaffenheit
des Fehlers beeinflusst werden. Da bei der manuellen Ultraschallprüfung weitergehende
Untersuchungen hierzu schwierig und wenig praktikabel sind, werden in
den meisten Spezifikationen und Richtlinien zur Ultraschallprüfung deshalb
die Kriterien zur Registrierung von Fehlstellen an eine bestimmte
Ersatzreflektorgröße geknüpft. Das
bedeutet: Der Prüfer
ermittelt, ob eine aufgefundene Fehlstelle die Ersatzreflektorgröße erreicht
oder überschreitet,
die als Grenzwert (Registriergrenze) im Regelwerk angegeben wurde.
Darüber
hinaus muss er weitere Untersuchungen durchführen, zum Beispiel zu Registrierlänge, Echodynamik
usw., die aber an dieser Stelle nicht weiter diskutiert werden sollen.
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Problematisch
ist jedoch insbesondere bei der Untersuchung mit einem Winkelprüfkopf, dass dann
wenn die Fehlstelle, beispielsweise ein Riss, im Extremfall parallel
zum Schallweg ausgerichtet ist, die Wahrscheinlichkeit sehr hoch
ist, dass der Schall die Fehlstelle verfehlt. Trifft der Schall
dagegen auf die Fehlstelle, wird er reflektiert und das Signal registriert.
Auf Basis der Ersatzreflektorgröße ergibt
sich eine Fehlstelle, die auf dem Monitor sehr klein erscheint.
Es wird nicht deutlich, dass sich die Fehlstelle in Richtung des
Schallwegs in erheblich größerem Maße erstreckt.
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Die
Prüfkörpergeometrie
wird besonders deutlich, wenn der Prüfkörper auch im Querschnitt dargestellt
wird. Dies ist möglich,
wenn die Wanddicke des Prüfkör pers bekannt
ist. Da zusätzlich
auch der Einschallwinkel, mit dem der Schall ausgehend vom Winkelprüfkopf in
den Prüfkörper eingeschallt wird,
bekannt ist, ist es auch möglich
den Schallverlauf durch den Prüfkörper darzustellen.
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Die
DE 102 59 658 beschreibt
ein Verfahren mit dem die Darstellung eines Fehlers, der mit Hilfe eines
Winkelprüfkopfes
ermittelt wurde, auf einem Display verbessert wird. Das Messergebnis
wird nicht oder nicht nur als sog. A-Bild dargestellt, sondern es wird
die Prüfkörpergeometrie
auf dem Display gezeigt. Diese Darstellung ist deshalb möglich, weil
in zwei Verfahrensschritten aus zwei Richtungen in den Prüfkörper eingeschallt
wird. Mit Hilfe der Vergleichskörpermethode
wird ein ermittelter Fehler direkt maßstäblich jeweils in Querschnittsbildern
dargestellt, die optisch sozusagen übereinander gelegt werden. Nachteilig
bei diesem Verfahren ist, dass nach einer ersten Prüfung das
Ergebnis zunächst
gespeichert werden muss. Es wird dann eine weiter Prüfung aus einer
anderen Richtung vorgenommen und die Ergebnisse werden erst dann
miteinander verbunden. Dieses Verfahren führt zwar tatsächlich zu
einer besseren Darstellung auf dem Display, es ist jedoch zeitaufwendig
und arbeitsintensiv. Hinzu kommt, dass das so genannte Züchten des
Fehlers aus zwei Richtungen getrennt erfolgt, was ebenfalls Zeit
beansprucht und auch nicht immer zum optimalen Ergebnis führt.
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Hier
setzt nun die vorliegende Erfindung an. Sie hat es sich zur Aufgabe
ge- macht, die Auswertung von Ultraschallsignalen die mit Hilfe
eines Ultraschall-Prüfgeräts für die zerstörungsfreie
Prüfung
eines Prüfkörpers gewonnen
werden, zu verbessern. Aussagen über
die Ausrichtung des Fehlers und die Fehlerart, beispielsweise ob
der Fehler flächig
oder voluminös
ist, sollen möglichst
genau sein. Der Prüfvorgang
soll schneller und einfacher möglich
sein, als dies bei bekannten Prüfverfahren
der Fall ist. Es soll außerdem
auch ein geeignetes Ultraschall-Prüfgerät und ein
Verfahren zur Prüfung
eines Prüfkörpers vorgeschlagen
werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht
und ein mit einem Ultraschall-Prüfgerät mit den
Merkmalen des Anspruch 10 gelöst.
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Im
Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Begriff Fehler nicht nur
wörtlich,
also nicht nur im Sinne von Ungänze
zu verstehen, sondern soll vielmehr im Sinne von signifikantem Signal
verstanden werden. Die Erfindung beinhaltet also das Auffinden jeglicher
relevanter Stellen in einem Prüfkörper.
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Die
Erfindung nutzt zwei Array-Prüfköpfe. Ein
Array ist im Prinzip ein Einzelschwinger, der in viele einzelne
Elemente unterteilt ist. Typische Elementbreiten reichen von 0,5
mm bis ca. 2,5 mm, andere Abmessungen sind natürlich auch möglich. Der Begriff
Array umfasst auch so genannte Ring-Gruppenstrahler, also runde
Schwinger oder Elemente, die in konzentrisch geformte Einzelelemente
aufgeteilt sind.
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Die
Verwendung mehrerer kleiner Schwinger bewirkt, dass eine dynamische
Fokussierung und ein Schwenken des Schallbündels möglich wird. Außerdem ergibt
sich eine besonders wirksame Schallübertragung, da kleinerer Elemente
weniger Anregungsenergie benötigen.
Als Empfänger
sprechen sie bereits wegen der geringen anzuregenden Masse äußerst effizient
an. Ein großer
Schwinger liefert zwar eine große
ebene Abtastung, seine relativ geringe Auffächerung (die kleine Divergenz)
begrenzt die Fehlerauffindbarkeit. Kleine Schwinger hingegen haben
einen viel größeren Divergenzwinkel.
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Weiterhin
spricht für
die Verwendung eines Array-Prüfkopfs
die Fähigkeit
ein dynamisch veränderbares
Ultraschallbündel
zu erzeugen und so über einen „Virtuellen
Prüfkopf" zu verfügen. Es
können somit
beliebige Einschallwinkel innerhalb der Schallbündelcharakteristik des Einzelschwingers
eingestellt werden.
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Sogenannte
Phased-Array-Prüfköpfe regen die
einzelnen Elemente zu unterschiedlichen Zeitpunkten an, wodurch
eine Wellenfront erzeugt wird, die durch gegeneinander verzögert einstrahlende Schallkeulen
charakterisiert ist. Diese Wellenfront sieht wie das Schallfeld
eines konventionellen Winkelprüfkopfs
aus. Durch Variationen der Verzögerungszeiten
können
verschiedene Schallfelder erzeugt werden.
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Erfindungsgemäß wird im
Rahmen einer Prüfung
die Schallbündelschwenkung
auch dazu benutzt, um einen Schallstrahl dynamisch zu fokussieren.
Dies wird durch eine elektronische Einheit erreicht, die eine entsprechende
Auswahl der Ansteuerung der Einzelelemente ermöglicht und gleichzeitig Impulsverzögerun gen
bewirken kann. Im Prinzip wird ein Fokuspunkt durch den Prüfkörper hindurchgefahren.
Die Kombination aus dynamischer Fokussierung und Schallbündelschwenkung
bewirkt ein Schallbündel,
das gleichzeitig fokussiert ist und unter einem Winkel einfällt.
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Erfindungsgemäß kann auch
eine so genannte lineare Abtastung genutzt werden, bei der zusammenliegende
Schwingergruppen nacheinander angesteuert werden. So wird ein Abtasteffekt
erzeugt. Die Breite der durch den Prüfkörper hindurch wandernden Schallkeule
und die Abtastschrittweite können
durch die Anzahl der gleichzeitig angesteuerten Einzelelemente und
durch den Versatz von Impuls zu Impuls festgelegt werden.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die Materialprüfung mit
der Impuls-Echo-Technik, wobei zwei Array-Prüfköpfe eingesetzt werden, die
aus zwei Richtungen in den Prüfbereich
einschallen können.
Beispielsweise kann ein Array-Prüfkopf
auf einer Seite einer Schweißnaht
und der andere Array-Prüfkopf
auf der gegenüberliegenden
Seite der Schweißnaht
auf einer Ankoppelfläche
eines Prüfkörpers angeordnet sein.
Die beiden Array-Prüfköpfe schallen
beide (aber nicht zeitgleich) in die Schweißnaht hinein. Beide Array-Prüfköpfe bzw.
deren Sender und Empfänger
können
Ultraschallsignale senden und empfangen. Wesentlich ist dabei, dass
die beiden Array-Prüfköpfe zueinander
kalibriert sind, d.h., der Abstand zwischen den beiden Array-Prüfköpfen bzw. der
einzelnen Schwingerelemente innerhalb der Array-Prüfköpfe bekannt
sind. Sind dieser Abstand, die Stärke des Prüfkörpers und der Einschallwinkel
bekannt, kann während
der Prüfung
stets der Abstand der Array-Prüfköpfe zueinander
kontrolliert werden. Dies kann zum Beispiel über die Zeitdauer des Schalls
von einem Array-Prüfkopf
zum anderen errechnet werden (V-Durchschallung).
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Der
virtuelle Prüfkopf
wird innerhalb des Array-Prüfkopfs
elektronisch beispielsweise von links nach rechts verschoben, so
dass das Schallbündel weitgehend
das ganze Volumen der Schweißnaht
erfasst. Zunächst
wird dabei nur mit einem Array-Prüfkopf eingeschaltet. Wird ein
Fehler oder eine Ungänze
gefunden, wird durch elektronische Verschiebung des virtuellen Prüfkopfes
die Echoanzeige gezüchtet bzw.
maximiert. Der Fehler kann dabei direkt oder indirekt, also nach
einer Reflektion an der Rückwand getroffen
werden. Nach der Optimierung des Fehlersignals können bei bekannter Wanddicke
und bei bekanntem Einschallwin kel mindestens drei weitere Einschallpositionen
berechnet und die virtuellen Prüfköpfe hintereinander
entsprechend angesteuert werden. Drei weitere Einschallpositionen
ergeben sich z.B. dann, wenn beide Array-Prüfköpfe einschallen. Es ergeben
sich zwei direkte Schallwege und zwei indirekte, also an der Rückwand reflektierte
Schallwege zum Fehler. Daraus können
für die
vier Einschallpositionen acht Messwerte, nämlich vier Laufzeitwerte und
vier Amplitudenwerte abgeleitet bzw. ermittelt werden. Grundsätzlich ist
es erfindungsgemäß auch möglich, durch
Variation der Einschallwinkel weitere Laufzeitwerte und Amplitudenwerte
zu erzeugen und zu berechnen.
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Aus
den Amplitudenwerten können
nun entweder nach der Vergleichskörpermethode oder nach der so
genannten AVG-Methode (Abstand, Verstärkung, Größe) Ersatzreflektorgrößen bestimmt
werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Aussage
darüber
getroffen werden kann, ob der Fehler voluminös oder flächig ist. Handelt es sich beispielsweise
um einen voluminösen
Fehler, werden alle vier Echoanzeigen eine etwa vergleichbare Amplitude
aufweisen. Bei einem flächigen
Fehler dagegen weisen zwei Amplituden wesentlich größere Werte
als die beiden anderen Amplituden auf.
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Zusätzlich zu
der Amplitudenbewertung kann die Auswertung der Laufzeitwerte zu
einer Größenermittlung
herangezogen werden, indem die Summe der Laufzeiten, die zu einer
V-Durchschallung gehören,
mit der Gesamtlaufzeit für
eine ungestörte
V-Durchschallung verglichen werden. Die Differenz dieser beiden
Werte ergibt die Ausdehnung des Reflektors in der entsprechenden
Einschallrichtung. Die Ausdehnung ergibt sich also aus der Differenz
der Laufzeit für
eine komplette V-Durchschallung und der Summe der Laufzeiten.
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Erfindungsgemäß wird das
beschriebene Verfahren für
alle Fehler und Ungänzen
im zu prüfenden
Querschnitt wiederholt. Je nach Bedarf kann die Prüfung mit
weiteren Einschallwinkeln entsprechend wiederholt werden, um die
Ermittlung der tatsächlichen
Fehlergröße noch
weiter zu verbessern. Zur Sicherstellung einer einwandfreien Messung
sollte in zeitlichen Abständen
jeweils eine V-Durchschallung zwischen
den beiden Array-Prüfköpfen zur
Ankoppelkontrolle erfolgen.
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Das
beschriebene Verfahren kann in einer nächsten Dimension, also beispielsweise
entlang des Verlaufs einer Schweißnaht entsprechend häufig wiederholt
werden, um somit eine Schweißnaht
oder auch einen einzelnen Fehler über ihre/seine gesamte Länge überprüfen zu können. Erfindungsgemäß ist es
auch möglich,
die Array-Prüfköpfe sozusagen
virtuell entlang der Schweißnaht
oder des Fehlers zu bewegen. Der Einschallpunkt kann also sowohl
quer zur Schweißnaht,
als auch längs
zur Schweißnaht verschoben
werden. Bei entsprechender Größe von Array-Prüfköpfen können ohne
ein mechanisches Verschieben der Ar- ray-Prüfköpfe somit sehr große Flächen oder
Längen
geprüft
werden.
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Erfindungsgemäß sind die
beiden Array-Prüfköpfe mechanisch
miteinander verbunden. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen,
wenn ihr Abstand zueinander veränderbar,
bzw. die mechanische Verbindung in ihrer Länge einstellbar ist. Die mechanische
Verbindung kann eine Skalierung aufweisen, auf der der Abstand der
beiden Array-Prüfköpfe zueinander
abgelesen werden kann.
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Vorteilhafterweise
besteht die mechanische Verbindung aus einer Art Rahmen, der zwei
Aufnahmebereiche für
jeweils einen Array-Prüfkopf
aufweist. Diese beiden Aufnahmebereiche sind über eine mechanische Verbindung
miteinander verbunden und können
aufeinanderzu- und voneinanderweg bewegt werden. In einer besonders
vorteilhaften Ausführungsvariante
wird der Abstand zwischen den beiden Aufnahmebereichen ständig elektronisch
ermittelt und an die elektronische Einheit zur Weiterverarbeitung
bzw. Berechnung übermittelt.
Somit ist eine doppelte Kontrolle gegeben, nämlich über die Schalldauer von einem
Array-Prüfkopf zum
anderen und über
die elektronische Abstandskontrolle. Der Schallweg wird als so genannter
V-Weg bezeichnet.
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Die
rahmenartige mechanische Verbindung ist erfindungsgemäß flexibel
ausgeführt,
so dass leichte Unebenheiten auf der Ankoppelfläche des Prüfkörpers ausgeglichen werden können.
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Die
Beschallung aus zwei Richtungen bewirkt insbesondere auch, dass
ein schräg
liegender Fehler bezüglich
seiner Ausbreitung in zwei Richtungen schnell bestimmt werden kann.
Die Daten beider Array-Prüfköpfe werden
von einer elektronischen Einheit empfangen und unmittelbar aufbereitet.
So werden gleichzeitig zwei Bilder des Fehlers erzeugt, die unmittelbar übereinander
gelegt und vom Prüfer direkt
hochgezüchtet
werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist damit sehr effektiv und schnell.
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Das
Messergebnis wird dabei nicht oder nicht nur als sog. A-Bild dargestellt,
sondern es wird die Prüfkörpergeometrie
auf dem Display gezeigt. Die Prüfkörpergeometrie
wird besonders deutlich, wenn der Prüfkörper im Querschnitt dargestellt
wird. Dies ist möglich,
wenn die Wanddicke des Prüfkörpers bekannt
ist. Da zusätzlich
auch der Einschallwinkel, mit dem der Schall ausgehend von den Array-Prüfköpfen in
den Prüfkörper eingeschallt
wird, bekannt ist, ist es auch möglich
den Schallverlauf durch den Prüfkörper darzustellen.
Besonders informativ ist die Darstellung dann, wenn auch die Abmessungen
relevanter zu untersuchender Bereiche in die Querschnittsdarstellung
aufgenommen werden können.
Dies ist insbesondere bei der Untersuchung von Schweißnähten hilfreich
und leicht möglich.
Es ergibt sich also eine Darstellung, in der beispielsweise zwei
Stahlplatten, die endseitig über
eine Schweißnaht
miteinander verbunden sind, im Querschnitt dargestellt sind. Entsprechend
ist zwischen den beiden Stahlplatten die Schweißnaht durch Linien dargestellt.
Mit Hilfe der AVG oder Vergleichskörpermethode und/oder Ermittlung
der Ausdehnung des Fehlers durch die berechneten Schallwegdifferenzen
wird ein ermittelter Fehler direkt maßstäblich in diesem Querschnittsbild
dargestellt.
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Es
ist also erkennbar, welchen Weg der Schall ausgehend von den Array-Prüfköpfen durch den
Prüfkörper nimmt
und in welchem Beinen bzw. an welchen Stellen der Schall auf den
Fehler trifft. Voraussetzung für
ein solches System ist, wie bereits erläutert, dass die Einschallwinkel
sowie die Wanddicke des Prüfkörpers bekannt
sind. Aus diesen Informationen lässt
sich der Schallweg für
jedes Bein und damit der Übergang
von einem Bein zum nächsten bzw.
der Punkt an dem die Reflektion des Schalls an der Ankoppelfläche oder
an der Rückwand
erfolgt, leicht berechnen.
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Auf
Basis dieser Darstellung ist es möglich, den Prüfer mit
relevanten Informationen über
den Fehler, insbesondere über
seine Größe und Ausrichtung
zu informieren, wenn der Prüfer
nach dem nachfolgend beschriebenen Verfahren vorgeht.
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Der
aufgefundene Fehler ist also durch mindestens zwei Fehlersignale,
die sich aus den beiden Ersatzreflektorgrößen ergeben haben bzw. aus
den Schallwegdifferenzen, angezeigt, wodurch es dem Prüfer möglich ist,
auf den ersten Blick zur erkennen, wie sich der Fehler in verschiedene
Richtungen erstreckt. Es ergibt sich somit eine zweidimensionale Darstellung
des Fehlers.
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Die
Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann dadurch erhöht
werden, dass der Fehler nicht nur aus zwei, sondern aus mehreren Richtungen
untersucht wird und eine entsprechende Anzahl Bilder übereinander
gelegt darge- stellt wird.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante errechnet das
Ultraschallgerät
bzw. ein darin befindlicher Prozessor oder Rechner aus den bereits
aus verschiedenen Richtungen ermittelten Fehlergrößen eine
Draufsicht auf den Fehler, sozusagen eine Darstellung des Fehlers
in der Prüfkörperebene.
Vorteilhafterweise kann diese Draufsicht auch parallel zur gleichzeitig
mit der Querschnittsdarstellung auf dem Display dargestellt werden,
das Display wird also in zwei Ansichten unterteilt. Vorzugsweise
ist auch in dem Draufsichtbild der relevante Bereich, beispielsweise
die Schweißnaht,
durch Linien dargestellt. Die Auswertung der Fehlerlänge in der Prüfkörperebene
kann dabei vorteilhafterweise automatisch nach der Halbwertsmethode
erfolgen. Dazu ist eine elektronishe und/oder mechanische Bewegung
der Array-Köpfe
längs der
Schweissnaht zur Ermittlung der Prüfkopfposition notwendog.
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In
der Draufsicht wird der Fehlervorzugsweise in einem x-y-Diagramm
dargestellt, bei dem auf einer der Achsen die Breite und auf der
anderen Achse die Länge
des Fehlers in Millimeter oder einer anderen geeigneten Einheit
ablesbar ist. Erfindungsgemäß wird bei
der Berechnung dieser Darstellung in der Draufsicht die Skalierung
automatisch ermittelt.
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Vorteilhafterweise
werden bei der Speicherung einzelner relevanter Querschnittsbilder
auch die A-Bilder im Hintergrund abgespeichert.
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Die
Array-Prüfköpfe können sowohl
manuell als auch mechanisch über
den Prüfkörper geführt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante weisen sie einen
Taster zur Aufnahme der Nullpunktposition zu Anfang des Prüfvor gangs
auf. Dies bedeutet, dass die Prüfung
an einer definierten Stelle auf den Prüfkörper beginnt, wobei diese Stelle im
System gespeichert wird. Somit ist es möglich, relevante Positionen
der Array-Prüfköpfe im Nachhinein
auf Basis der gespeicherten Daten nachzuvollziehen. Die Array-Prüfköpfe weisen
hierzu Mittel auf, die dazu dienen, die jeweilige Position auf der
Oberfläche
des zu prüfenden
Körpers
in Bezug auf einen Ort anzugeben der zum Zeitpunkt des Mess-Startes
vorlag. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Digitalkamera erfolgen,
die mit dem Gehäuse
der Array-Prüfköpfe fest
verbunden ist. Sie ist so ausgerichtet, dass sie die Oberfläche des
zu prüfenden
Körpers
erfasst. Dabei soll sie möglichst
nahe an der Stelle ein Bild dieser Oberfläche liefern, an der einen Zentralstrahl
des aktiven Schallelements die Oberfläche durchtritt. Mittels dieser
Digitalkamera wird in Zeitabständen
ein elektronisches Bild von dem Teilstück Oberfläche, das sich jeweils unter
der Linse der Digitalkamera befindet, dass also in der Gegenstandsebene
liegt. Das Teilstück
kann beispielsweise die Abmessungen von wenigen Millimetern, beispielsweise
von 2 × 2
oder 4 × 4
mm haben. Vorzugsweise wird in vorgegebenen festen Zeitabständen von
der Digitalkamera ein Bild des jeweiligen Teilstücks Oberfläche. Hierzu wird auf die Anmeldung
DE 100 58 174 A1 der
gleichen Anmelderin verwiesenen.
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Grundsätzlich ist
also möglich,
den Fehler dreidimensional darzustellen. Dies ist insbesondere dann
möglich,
wenn die Array-Prüfköpfe entlang
des Fehlers bewegt werden oder eine derartige Bewegung simuliert
wird.
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Ist
die Schweißnahtgeometrie
bekannt und im Ultraschallprüfgerät bzw. im
Rechner gespeichert, können
sowohl räumliche
Grenzwerte als auch Grenzwerte bezüglich der zu berücksichtigenden Amplitude
eingegeben werden. Wenn die Nullpunktposition zu Anfang des Messvorgangs
ermittelt wurde, kann die Entfernung der Array-Prüfköpfe von
der Schweißnaht
auf Basis der Beinlänge
bzw. der Wanddicke und des Einschallwinkels jederzeit berechnet
werden. Somit ist es mit Hilfe einer Blendennachführung möglich, jederzeit
und unabhängig
von der Position der Array-Prüfköpfe lediglich
den Bereich der Schweißnaht
auf dem Monitor darzustellen.
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Mit
Hilfe der beschriebenen Blendennachführung ist es auch möglich, eine
Selektion der in der Draufsicht darzustellenden Fehler vorzunehmen. Beispielsweise
kann es sinnvoll sein, wenn ein Fehler nur dann dargestellt wird,
wenn er eine bestimmte Größe aufweist.
Bezüglich
der Fehlergröße wird
also eine minimal und eine maximal zu berücksichtigende Amplitude als
Blende eingegeben. Möglich
ist auch die Eingabe lediglich der maximalen Amplitude, wobei weiter
bestimmte wird, dass ein Fehler nur dann gezeigt wird, wenn er die
Hälfte
der maximalen Amplitude übersteigt.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie
der nun folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung im folgenden
naher erläutert
werden. In dieser Zeichnung zeigen:
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1:
eine Prinzipdarstellung des Schallverlaufs von Ultraschallsignalen
ausgehend von ein zwei Array-Prüfköpfen durch
einen Prüfkörper,
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2:
eine beispielhafte erfindungsgemäße Darstellung
der gewonnenen Messdaten als Draufsicht.
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3:
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Ultraschallprüfgeräte
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Ultraschallmessung mit einem ersten
Array-Prüfkopf 10 und
einem zweiten Array-Prüfkopf 11 im
Querschnitt. Grundsätzlich
können
auch mehr Array-Prüfköpfe 10, 11 eingesetzt
werden. Die Array-Prüfköpfe 10, 11 die
jeweils mehrere Sender und Empfänger
beinhalten, sind mit einer elektronischen Einheit 13 und
darüber
mit einem Monitor 12, der wiederum ein Display 14 aufweist, über eine
Leitung 16 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht zwischen den Array-Prüfköpfen 10, 11 eine
elektronische Verbindung 15 sie können aber auch jeweils einzeln
mit der elektronischen Einheit 13 verbunden sein. An Stelle der
Leitung 16 ist auch eine andere Verbindungsart, beispielsweise
per Funk, denkbar. Die Array-Prüfköpfe 10, 11 können auch
derart ausgeführt
sein, dass Sender und Empfänger
getrennt voneinander angeordnet sind. Im Rahmen der nachfolgenden
Beschreibung wird jedoch vorausgesetzt, dann sich die Sender und
Empfänger
in den Array-Prüfköpfen 10, 11 befinden
und das mit Hilfe des Echo-Impuls Verfahren gemessen wird.
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Die
elektronische Einheit 13 dient einer Steuerung einer Aussendung
von Sende- impulsen
und zur Berechnung und Auswertung der empfangenen Ultraschallsignale
sowie zur Bereitstellung von Daten zur Darstellung von Ergebnissen
auf dem Monitor 12. Sie weist hierzu einen geeigneten Prozessor
auf.
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Der
Prüfkörper 18 ist
hier ein Teilstück
einer Stahlplatte, die mit einer zweiten Stahlplatte über eine
Schweißnaht 20 verbunden
ist. Der Prüfkörper 18 weist
eine Ankoppelfläche 22 und
eine Rückwand 24 auf,
wobei die Array-Prüfköpfe 10, 11 auf
der Ankoppelfläche 22 angeordnet
sind. Zwischen der Ankoppelfläche 22 und
der Rückwand 24 sind
Einschallrichtungen bzw. Schallwege a, b, c, und d als Linien (durchgehend
oder gestrichelt) angedeutet. Ausgehend von den Array-Prüfköpfen 10, 11 wird
der Schall jeweils zunächst
in Form von Sendeimpulsen unter einem vorbestimmten Winkel α schräg in den
Prüfkörper 18 eingeschallt,
bildet ein erstes Bein 30 aus, wird dann an der Rückwand 24 reflektiert,
bildet ein zweites Bein 32 aus, gelangt wieder zur Ankoppelfläche 22 und
zum anderen Array-Prüfkopf 10 bzw. 11. Es
wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass es sich hier nur um eine prinzipielle,
stark vereinfachte Darstellung handelt, die nicht technisch zu verstehen ist,
sondern vielmehr die grundsätzlichen
Zusammenhänge
der Erfindung besser verdeutlichen soll.
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Die
schräge
Einschallung kann beispielsweise durch die Verwendung von Phased-Array-Prüfköpfen 10, 11 erreicht
werden.
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Aus
einer Wanddicke 34 und dem Winkel α ist es leicht möglich, die
Länge eines
Beines 30, 32 bzw. den Punkt des Übergangs
von einem Bein 30, 32 zum nächsten zu berechnen. Ist bekannt,
welches Bein 30, 32 auf den Fehler 36 getroffen
ist, kann unmittelbar auf den ungefähren Abstand des Fehlers 36 zu
den Array-Prüfköpfen 10 bzw. 11 geschlossen werden,
zumindest ist klar, dass sich der Fehler auf der Wegstrecke des
entsprechenden Beins 30, 32 befindet.
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Trifft
der Schall auf einen Fehler 36, beispielsweise einen Riss,
wird er zumindest teilweise reflektiert und gelangt je nach Ausrichtung
des Fehlers 36 als Echosignal zurück zum Empfänger.
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Vorteilhafterweise
erfolgt die Darstellung der gewonnenen Messdaten auf dem Display 14 in
einem Querschnittsbild. Die Ankoppelfläche 22 und die Rückwand 24 sowie
die Schweißnaht 20 sind
als Linien in einem Diagramm dargestellt, bei dem auf einer x-Achse
und einer y-Achse jeweils Längeneinheiten
aufgetragen sein können.
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Bei
der Prüfung
des Prüfkörpers 18 werden die
Array-Prüfköpfe 10, 11 zunächst auf
die Ankoppelfläche 22 aufgesetzt
und Ultraschallimpulse mit dem zweiten (hier rechten) Array-Prüfkopf 11 unter bestimmten
Winkeln α in
den Prüfkörper 18 eingeschallt.
Trifft der Schall auf einen Fehler 36, wird ein optimales
Fehlersignal 40 gezüchtet.
Züchten
bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Prüfer versucht, maximale Fehlersignale
zu finden und darzustellen. Im vorliegenden- Beispiel erfolgt das
Züchten auf
Basis des Beins a des zweiten Array-Prüfkopfes 11. Das Züchten erfolgt
im vorliegenden Fall durch ein elektronisches Verschieben des virtuellen
Prüfkopfs.
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Da
die Wanddicke 34 und der Winkel α bekannt sind, können auch
die weiteren Einschallpositionen berechnet und die virtuellen Prüfköpfe hintereinander
entsprechend angesteuert werden (Beine b, c und d).
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Es
entstehen somit vier Einschallpositionen, aus denen acht Messwerte,
nämlich
vier Laufzeitwerte und vier Amplitudenwerte herleitbar sind. Aus
einem Vergleich der Amplitudenwerte kann unmittelbar eine Aussage über die
Form des Fehlers 36, nämlich ob
der voluminös
oder flächig
ist, gezogen werden. Auch kann die Auswertung der vier Laufzeitwerte
zu einer Größenermittlung
herangezogen werden, da sich die Ausdehnung aus der Differenz der
Laufzeit für
eine komplette V-Durchschallung
und der Summe der Laufzeiten (hier Beine b und d) ergibt.
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Aus
den Messwerten wird vorzugsweise nach AVG oder Vergleichskörpermethode
und/oder aufgrund der Schallwegdifferenzen die Ersatzreflektorgröße bestimmt
und auf dem Display 14, also im Querschnittsbild, als erstes
Fehlersignal dargestellt. Es ergibt sich ein Messbild, welches der
Prüfer
ggfs. in einem Datenspeicher, der in der elektronischen Einheit 13 vorgesehen
sein kann, speichert.
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Auch
kann es sinnvoll sein, wenn die Darstellung der Fehlersignale in
Abhängigkeit
an die ermittelte Amplitude kodiert, insbesondere farbkodiert erfolgt.
Beispielsweise können
Fehler 36, die eine bestimmte Größe überschreiten, in einer Signalfarbe, z.B.
rot, dargestellt werden.
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Die
dargestellten Fehlersignale werden maßstäblich auf dem Display 14 angezeigt.
Es zeigt sich also in der beispielhaften Darstellung, dass sich der
Fehler 36 stärker
quer zum Schallweg 28 als zum Schallweg 26 erstreckt.
Werden weitere Einschallwinkel zur Auswertung herangezogen, ergibt
sich ein noch genaueres Bild des Fehlers 36. Grundsätzlich werden
die Einschallpositionen entlang der Ausrichtung der beiden Array-Prüfköpfe 10, 11 verändert, also
sozusagen quer zum Fehler 36 bzw. auf ihn zu und von ihm
weg. Zusätzlich
können
die Einschallpositionen zum Beispiel längs zum Fehler 36 variiert werden,
entweder durch manuelles oder virtuelles Verschieben der Sender/Empfänger der
Array-Prüfköpfe 10, 11.
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Der
Benutzer des Ultraschallprüfgeräts bzw. der
Prüfer
bekommt also mit Hilfe der erfindungsgemäßen Darstellung eine sehr genaue
Vorstellung von der Ausrichtung, der Größe und dem Volumen des Fehlers 36,
insbesondere davon, ob es sich um einen voluminösen oder flächigen Fehler, zum Beispiel
um einen Riss, handelt.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante werden die den
Messbildern bzw. dem Auswertungsbild zu Grunde liegenden Daten weiterhin
in einer Draufsicht dargestellt. Dies bedeutet, dass beispielsweise
auf dem Monitor 12 bzw. dem Display 14 der Prüfkörper 18 und
die Schweißnaht 20 ebenfalls
durch Linien dargestellt werden. Die gewonnenen Daten, die den Fehlersignalen
zu Grunde liegenden, werden derart umgerechnet, dass die Erstreckung
des Fehlers 36 in der Längsebene
des Prüfkörpers 18,
also in der Ebene die quer zum Querschnittsbild 38 verläuft, auf
dem Display 14 angezeigt wird. Auch diese Darstellung erfolgt
in einem Diagramm, welches sowohl auf der x- als auch um der y-Achse Längeneinheiten
aufweist, so dass die Länge
und die Breite des Fehlers 36 in der Längsebene des Prüfkörpers 18 leicht
erkennbar ist.
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Parallel
zur erfindungsgemäßen Darstellung der
Messdaten können
auch A-Bilder erzeugt werden. Diese können entweder im Hintergrund
abgespeichert oder gleichzeitig auf dem Display 14 angezeigt
werden.
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Ohnehin
können
verschiedenen Darstellungen, also die Querschnittsbilder 38,
die Auswertungsbilder 44 und die Draufsichtbilder 46 gleichzeitig
auf dem Display 14 dargestellt werden, es kann aber auch
sinnvoll sein, wenn der Prüfer
zwischen diesen Darstellungen wechseln kann.
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Vorteilhaft
bei der erfindungsgemäßen Darstellung
ist auch, dass auf dem Monitor 12 bzw. dem Display 14 lediglich
der Bereich des zu untersuchenden Prüfkörpers 18 dargestellt
wird, der bei der Untersuchung von Interesse ist. Dies kann beispielsweise
die zu untersuchende Schweißnaht 20 sein.
Hierzu werden sowohl räumliche
Grenzwerte als auch Grenzwerte bezüglich der zu berücksichtigenden Amplituden
vor der Messung in das Ultraschall-Prüfgerät eingegeben und berücksichtigt.
Dies bedeutet, dass nur Signale angezeigt werden, deren Ursprung entweder
der Bereich und/oder das Umfeld der zu untersuchenden Schweißnaht 20 ist
und/oder deren Signalstärke
den minimalen Grenzwert übersteigt.
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3 zeigt
beispielhaft eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante
eines Ultraschall-Prüfgeräts bzw.
einer bevorzugten Anordnung der Array-Prüfköpfe 10, 11.
Eine Rahmenkonstruktion 40 weist Aufnahmebereiche 42 für die beiden
Array-Prüfköpfe 10, 11 auf.
Die beiden Aufnahmebereiche 42 sind ebenfalls rahmenartig
ausgebildet und über
eine mechanische Verbindung 44 miteinander verbunden. Weiterhin
ist ein Kabel 46 dargestellt, dass die beiden Aufnahmebereiche 42 ebenfalls
miteinander verbindet. In die Aufnahmebereiche 42 können die
Array-Prüfköpfe 10, 11 eingebracht
werden. Sie sind in den Aufnahmebereichen 42 sicher gehalten.
Vorzugsweise weist die mechanische Verbindung 44 eine Verstelleinrichtung 48 auf, über die
der Abstand zwischen dem Aufnahmebereichen 42 verstellbar
ist. Darüber
hinaus kann eine Skalierung 50 vorgesehen sein, über die
der Abstand der Aufnahmebereiche 42 zueinander ablesbar
ist. Innerhalb der Aufnahmebereiche 42 ist ein Anschluss
(nicht dargestellt) für
die Array-Prüfköpfe 10, 11 vorgesehen, über die
diese energetisch versorgt werden und auch ein Datenaustausch möglich ist.
Die Rahmenkonstruktion 40 weist vorzugsweise an nur einem Aufnahmebereich 42 einen
Anschluss 52 für
die hier nicht dargestellte elektronische Einheit 13 oder
ein anderes elektronisches Gerät,
wie beispielsweise einen Rechner (PC) oder den Monitor 12 auf.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante wird die Rahmenkonstruktion 40 bzw. werden
die Array-Prüfköpfe 10, 11 nicht
manuell, also per Hand, über
den Prüfkörper 18 geführt, sondern die
Nachführung
erfolgt automatisch. Gerade für
diesen Anwendungsfall ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ultraschall-Prüfgerätes bzw.
das erfindungsgemäße Verfahren
sehr hilfreich, da sehr viele Daten in sehr kurzer Zeit erhoben
werden und ein Züchten
des Fehlers auch aufgrund der bereits ermittelten Daten oder Fehlersignale
im Nachhinein möglich
ist.
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Aus
dem Vorangegangenen ist ersichtlich, dass sich das erfindungsgemäße Gerät und insbesondere
auch das damit durchgeführte
Verfahren zur Prüfung
von Werkstücken
für eine
Serienmessung eignen. Beispiel für
eine Serienmessung ist die Prüfung
von Schweißverbindungen
von Rohrleitungen. Das Prüfgerät wird zunächst an
einem Werkstück oder
wenigen Werkstücken
einjustiert, anschlie- ßend
wird die Serienprüfung
durchgeführt.
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Die
Erfindung wurde nur beispielhaft erläutert, der Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Prüfgerätes kann
sehr unterschiedlich sein. Auch sind Array-Prüfköpfe 10, 11 unterschiedlicher Bauart
verwendbar. Je nach Prüfkörper 18 kann
es sinnvoll sein, die Prüfung
aus einer anderen Richtung zu wiederholen. Bei flächigen Prüfkörpern 18 kann beispielsweise
die der Ankoppelfläche 22 gegenüberliegende
Oberfläche
als Ankoppelfläche 22 genutzt
werden.