DE102011051546A1

DE102011051546A1 - Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung sowie Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE102011051546A1
Application number: DE102011051546A
Authority: DE
Inventors: Peter Renzel
Original assignee: GE Sensing and Inspection Technologies GmbH
Current assignee: Baker Hughes Digital Solutions GmbH
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2013-01-10
Also published as: CA2839963A1; EP2729794A1; EP2729794B1; JP2014535034A; US20140216160A1; WO2013004760A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall. Dabei weist die Vorrichtung (1) ein Steuergerät (10) auf, welches zur Ansteuerung eines Phased-Array-Ultraschallprüfkopfs (24) und eines Displays (12) vorgesehen ist. Das Steuergerät (10) ist dazu eingerichtet, den Phased-Array-Prüfkopf (24) im Puls-Echo-Betrieb zu betreiben und den Einschallwinkel θ des Phased-Array-Prüfkopfs (24) in den Prüfling zu steuern. Das vom Phased-Array-Prüfkopf (24) empfangene Puls-Echo aus dem Prüfling wird vom Steuergerät (10) analysiert, wobei das Steuergerät (10) ein A-Bild (14) oder/und ein B-Bild (16) eines empfangenen Puls-Echos auf dem Display (12) darstellt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung (1) sowie ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall nach der TCG-Methode unter Verwendung eines Phased-Array-Ultraschallprüfkopfs (24).

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung den Bereich der Ultraschallprüfung von unbelebten Prüflingen nach der Methode des „time corrected gain“ (TCG), welche in vielen US-amerikanischen Prüfvorschriften als Standarduntersuchungsmethode beispielsweise für die Rohrprüfung vorgeschrieben ist. Die TCG-Methode, die in der Regel im Puls-Echo-Betrieb angewendet wird, basiert auf der Erkenntnis, dass sich einerseits die Geometrie des in den Prüfling eingeschallten Ultraschallbündels entlang des Schallwegs ändert und andererseits eine Schwächung des Ultraschalls im Material des Prüflings auftritt. Die meisten heute gebräuchlichen Ultraschallprüfköpfe erzeugen ein fokussiertes Ultraschallbündel, dessen Durchmesser vom Ultraschallprüfkopf ausgehend bis zu einem Fokuspunkt kontinuierlich abnimmt und der sich nach dem Fokuspunkt kontinuierlich aufweitet. Dies hat unmittelbar zur Folge, dass die Intensität eines Ultraschallpulses, welcher auf eine im Gefüge des Prüflings befindliche Ungänze auftrifft, von der Entfernung der Ungänze vom Einkoppelort des Ultraschallbündels in den Prüfling abhängt. Die auf die Ungänze auftreffende Ultraschallintensität bestimmt aber unmittelbar die Höhe des maximal registrierbaren Pulsechos. Die im Material des Prüflings ebenfalls unweigerlich auftretende Schwächung des eingeschallten Ultraschalls aufgrund von Absorptions- und Streuungseffekten verursachen einen vergleichbaren Effekt. Befindet sich die Ungänze im Schallweg erst hinter dem Fokuspunkt des Ultraschallbündels, was in den meisten Prüfgeometrien der Fall ist, sind beide Effekte gleichläufig. Liegt die Ungänze hingegen vor dem Fokuspunkt des Ultraschallbündels, so sind die Effekte gegenläufig.
Im Rahmen der TCG-Methode verfolgt man nun das Ziel, durch geeignete Aufbereitung des aufgenommenen Ultraschallechos sicherzustellen, dass das Echo eines im Volumen des Prüflings befindlichen Ultraschallreflektors, unabhängig von der genauen Position des Reflektors im Material des Prüflings stets dieselbe Echoamplitude liefert, insbesondere also unabhängig vom Schallweg zwischen dem Einkoppelort des Ultraschallbündels und dem Ultraschallreflektor. Hierzu wird das zeitaufgelöst empfangene Ultraschallecho mit einem zeitabhängigen Verstärkungsfaktor aufbereitet, der die beiden vorstehend genannten Effekte, nämlich Fokussierung bzw. Defokussierung des eingeschallten Ultraschallbündels sowie die Schallschwächung des Ultraschallbündels im Material des Prüflings, kompensiert. Damit wird die aufbereitete Echoamplitude eines Ultraschallreflektors soweit wie experimentell möglich, unabhängig von seiner genauen Lage im Material des Prüflings. Aus dem vorstehend Gesagten wird deutlich, dass der hierzu erforderliche zeitabhängige Verstärkungsfaktor zur Aufbereitung des empfangenen Ultraschallechos einerseits von den akustischen Eigenschaften des verwendeten Ultraschallprüfkopfs abhängt, insbesondere von den Eigenschaften des von ihm erzeugten Ultraschallbündels, andererseits aber auch vom Material des Prüflings bestimmt wird. Beispielsweise ist die im Material des Prüflings auftretende Schallschwächung eine materialspezifische Größe. Darüber hinaus bestimmt das Material des Prüflings auch die Aufweitung des Ultraschallbündels im Prüfling. In der Praxis bedeutet dies, dass vor der Durchführung einer konkreten Prüfaufgabe mittels der TCG-Methode mit einem für die Prüfaufgabe geeigneten Ultraschallprüfkopf, bei dem es sich in der Regel um einen schräg einschallenden Prüfkopf handelt, stets eine Kalibriermessung durchzuführen ist, um den zeitabhängigen Verstärkungsfaktor für die gewählte Kombination aus Ultraschallprüfkopf und zu prüfendem Material zu bestimmen. Hierzu verwendet der Prüfer einen Prüfkörper bekannter Geometrie, der bevorzugt aus dem Material des Prüflings besteht. In diesen Prüfkörper, der z.B. quaderförmig ist, sind Querbohrungen mit definierten Abmessungen eingebracht, die verschiedene Abstände von einer Einkoppelfläche des Prüfkörpers aufweisen. Für die Kalibriermessung bestimmt der Prüfer nun für jede einzelne Querbohrung individuell die maximal erzielbare Echoamplitude mit dem für die Prüfaufgabe ausgewählten Prüfkopf. Hierzu züchtet er das Echosignal für jede einzelne Querbohrung und verwendet die so bestimmte maximale Echoamplitude als Kalibrierpunkt für den zu bestimmenden zeitabhängigen Verstärkungsfaktor. Die in der Praxis verwendeten Kalibrierkörper weisen dabei typisch vier bis zehn, in der Regel fünf oder sechs Querbohrungen auf. Da der Verlauf des zeitabhängigen Verstärkungsfaktors theoretisch bekannt ist, ist in der Praxis die Aufnahme von einigen wenigen Referenzpunkten in der Regel ausreichend, um den zeitabhängigen Verstärkungsfaktor mit ausreichender Genauigkeit festlegen zu können. Für die nachfolgend durchgeführte Untersuchung des Prüflings wird dann der vorher experimentell bestimmte zeitabhängige Verstärkungsfaktor automatisch vom Steuergerät der für die Ultraschallprüfung verwendeten Prüfanordnung bestehend aus Prüfkopf nebst Steuergerät und einer Anzeigeeinheit sowie einer Vorrichtung, die zur Dokumentation des Prüfergebnisses geeignet ist, angewendet. Das vorstehend beschriebene Verfahren wird in der Praxis seit langem erfolgreich angewendet und ist in der Literatur vielfach beschrieben. Beispielhaft sei hier auf die Diskussion der TCG-Methode in der Fachveröffentlichung „Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications", ISBN 0-9735933-0-X (2005), Kapitel 2.11 (Seiten 61–66) verwiesen, wobei die Ausführungen zur TCG-Methode in dieser Quelle durch diesen Verweis vollumfänglich zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung hinzugefügt werden.
Während die TCG-Methode mit schräg einschallenden Prüfköpfen mit festem Einschallwinkel seit langem zum Stand der Technik gehört, ist die Übertragung der TCG-Methode auf die seit einiger Zeit zunehmend gebräuchlich werdenden Ultraschallprüfköpfe mit variablem Einschallwinkel bislang nicht gelungen. Bei den Ultraschallprüfköpfen mit variablem Einschallwinkel handelt sich in der Regel um sogenannte Phased-Array Ultraschallprüfköpfe, die eine Mehrzahl von individuellen ansteuerbaren Ultraschallwandlern aufweisen, die beispielsweise als lineares Array nebeneinander angeordnet sind. Darüber hinaus sind auch Phased-Array-Prüfköpfe bekannt, die eine Mehrzahl von Wandlern aufweisen, welche in einem zweidimensionalen, also flächenhaft ausgedehnten Array angeordnet sind. Eine Einstellbarkeit des Einschallwinkels des erzeugten Ultraschallbündels wird durch eine Variation der Phasenlage der von den einzelnen Wandlern des Arrays erzeugten Ultraschallsignale erzielt. Durch die Einführung eines kontrollierten Delays zwischen den einzelnen Wandlern des Arrays ist beispielsweise ein gezieltes Schwenken des vom Ultraschallprüfkopf insgesamt erzeugten Ultraschallbündels möglich. Darüber hinaus können auch Fokussierungs- und Defokussierungseffekte erzeugt werden. Weitere Details zu den in der zerstörungsfreien Materialprüfung seit längerem gebräuchlichen Phased-Array-Prüfköpfen können beispielsweise der bereits erwähnten Fachveröffentlichung „Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications", ISBN 0-9735933-0-X (2005), Kapitel 3.3. sowie 3.4 (Seiten 103–121) entnommen werden. Die technischen Merkmale, die der in Bezug genommenen Quelle entnommen werden können, werden durch diese Bezugnahme ebenfalls vollumfänglich zum Offenbarungsgehalt der vorstehenden Anmeldung hinzugefügt.
Grundsätzlich ist es nun möglich, die einleitend am Beispiel der schräg einschallenden Ultraschallprüfköpfe mit festem Einschallwinkel erläuterte TCG-Methode auch mit Phased-Array-Prüfköpfen zur Anwendung zu bringen. Hierbei ist aber zu beachten, dass sich die Eigenschaften eines von einem Phased-Array-Prüfkopf ausgesandten Ultraschallbündels bei einer Variation des Einschallwinkels ändern. So ändert sich einerseits die sogenannte „effektive Wandlergröße“, d.h. die Größe eines einstückigen Ultraschallwandlers eines schräg einschallenden Ultraschallprüfkopfs, der einen äquivalenten Ultraschallbündel im Prüfling erzeugen würde, in Abhängigkeit vom Einschallwinkel. Umgekehrt ausgedrückt bedeutet dies, dass sich die Bündeleigenschaften des vom Phased-Array-Prüfkopf in den Prüfling eingeschallten Ultraschallbündels in Abhängigkeit vom Einschallwinkel verändern. Dies muss bei der Bestimmung des zeitabhängigen Verstärkungsfaktors im Rahmen der TCG-Methode ebenfalls berücksichtigt werden. Hierzu könnte für jeden Einschallwinkel, für den die auszuführende Prüfaufgabe durchgeführt werden soll, separat eine Kalibrierung zur Bestimmung des zeitabhängigen Verstärkungsfaktors für diesen vorgegebenen Einschallwinkel so wie am Beispiel der Ultraschallprüfköpfe mit feststehenden Einschallwinkel diskutiert, durchgeführt werden. In der Praxis jedoch führt die mit der Verwendung eines Phased-Array-Prüfkopfs für solche Prüfaufgaben zur Verfügung stehende Möglichkeit, verschiedene Einschallwinkel für die Prüfung zu verwenden, zu einem enormen erhöhten Aufwand für die zur Vorbereitung der eigentlichen Prüfaufgabe erforderlichen Kalibrierung der Prüfanordnung.
Hier setzt nun die Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, eine Vorrichtung anzugeben, die durch Nutzung der mit Phased-Array-Prüfköpfen zur Verfügung stehenden Möglichkeiten der Bündelsteuerung eine deutliche Reduzierung der für die Anwendung der TCG-Methode erforderlichen Kalibrierung benötigten Zeit ermöglicht. Insbesondere soll die Erfindung ein Verfahren bereitstellen, mit dem eine Ansteuereinheit eines Phased-Array-Prüfkopfs betrieben werden kann, um die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen. Schließlich ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall mittels der TCG-Methode anzugeben, welches auf dem vorstehend genannten Verfahren basiert.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst ein Steuergerät, welches zur Ansteuerung eines Phased-Array-Ultraschallprüfkopfs vorgesehen ist. Darüber hinaus ist das Steuergerät zur Ansteuerung eines Displays vorgesehen, wobei das Display in das Steuergerät integriert oder als externe Anzeigeeinrichtung ausgebildet sein kann. Das Steuergerät ist nun dazu eingerichtet, den Phased-Array-Prüfkopf im Puls-Echo-Betrieb zu betreiben. Dabei ist der Einschallwinkel θ des Phased-Array-Prüfkopfs in den Prüfling durch das Steuergerät steuerbar. Das vom Phased-Array-Prüfkopf empfangene Pulsecho aus dem Prüfling wird vom Steuergerät analysiert und das Steuergerät erzeugt auf dem Display ein A-Bild (Abszisse: Zeit, Ordinate: Amplitude) oder ein B-Bild (Abszisse: Zeit, Ordinate: Abstand von der Einkoppelfläche) des empfangenen Pulsechos. In einer vorteilhaften Weiterbildung erzeugt das Steuergerät parallel ein A-Bild und ein B-Bild des empfangenen Echos auf dem Display.
Erfindungsgemäß ist das Steuergerät nun dazu eingerichtet, den Einschallwinkel θ periodisch um einen zentralen Einschallwinkel θ 0 mit der Amplitude Δθ zu variieren, der beispielsweise vom Bediener des Geräts manuell eingestellt oder von einem Prüfprogramm vorgegeben sein kann. Während der Variation des Einschallwinkels θ um den zentralen Einschallwinkel θ 0 analysiert das Steuergerät die empfangenen Pulsechos und bestimmt denjenigen Einschallwinkel θ max, bei dem die Amplitude des empfangenen Pulsechos maximal ist. Das Steuergerät erzeugt dann für den vorstehend bestimmten Einschallwinkel θ max ein A-Bild oder ein B-Bild des Pulsechos auf dem Display. Bevorzugt wird auch hier parallel ein A-Bild und ein B-Bild des Pulsechos auf dem Display dargestellt, wobei die Abszissen von A-Bild und B-Bild bevorzugt parallel zueinander orientiert sind. Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass das erwähnte A-Bild bzw. B-Bild des Pulsechos ein einzelnes Pulsecho wiedergeben kann, in der Regel aber den Mittelwert über viele Pulse darstellen wird, da bei der Puls-Echo-Methode mit Pulsrepetitionsraten zwischen einigen zehn Hertz und mehreren tausend Hertz gearbeitet wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erleichtert dem Fachmann beispielsweise die Durchführung einer Kalibrierung an einem Kalibrierkörper zur Vorbereitung einer Untersuchung mittels der TCG-Methode. Mittels einer erfindungsgemäß eingerichteten Vorrichtung verringert sich der Aufwand zur Durchführung einer Eichmessung an einem Prüfkörper unter verschiedenen Einschallwinkeln θ für den Prüfer wesentlich, da die erfindungsgemäße Vorrichtung dem Prüfer bei der Durchführung der Kalibrierung, bei der zur Optimierung des Echosignals (zum „Züchten“) die Position des Prüfkopfs auf der Oberfläche des Prüflings variiert wird, stets dasjenige Echosignal als A-Bild oder/und als B-Bild darstellt, welches die maximale Echoamplitude liefert. Hierdurch ist es für den Prüfer einfach, die optimale Einschallposition zur Durchführung einer Kalibrierung an einem ausgewählten Referenzreflektor durchzuführen. Werden A-Bild und B-Bild parallel dargestellt, so vereinfacht sich die Prüfaufgabe für den Prüfer nochmals, da er über das B-Bild einerseits eine gute Übersicht der im Prüfkörper angeordneten Referenzreflektoren erhält, andererseits mit Hilfe des A-Bilds die Echoamplitude optimieren kann, d. h. dass Echosignal züchten kann.
Das Steuergerät der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei bevorzugt dazu eingerichtet, das empfangene Pulsecho zumindest über eine Periode der Winkelvariation zu analysieren, um den Einschallwinkel θ max zu bestimmen. Die Periode der Winkelvariation liegt dabei vorteilhaft zwischen einer Sekunde und Bruchteilen einer Millisekunde, typisch liegt sie im Bereich von 100–500 Millisekunden. Die Amplitude Δθ der Winkelvariation um den zentralen Einschallwinkel θ 0 kann zwischen den Bruchteilen eines Grads und zehn Grad liegen, im Einzelfall sind auch höhere Amplituden denkbar und technisch sinnvoll. Typisch liegt die Amplitude der Winkelvariation Δθ zwischen einem und fünf Grad.
In einer weiteren Verbesserung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Steuergerät dazu eingerichtet, im B-Bild des empfangenen Pulsechos eine Gerade G darzustellen, die den Schallweg unter dem Einschallwinkel θ max repräsentiert. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Kalibrierung an einem Prüfkörper mit mehreren Referenzreflektoren durchgeführt wird. Hier ist für den Prüfer nicht ohne weiteres ersichtlich, welcher der Referenzreflektoren gerade das maximale Pulsecho liefert. Das Einblenden des Schallwegs im B-Bild macht sehr schön das „Springen“ desjenigen Einschallwinkels von einem Referenzreflektor zum nächsten deutlich, wenn die Position des Prüfkopfs auf der Einkoppelfläche des Prüfkörpers verändert wird.
Die Interpretierbarkeit eines vom Steuergerät erzeugten B-Bildes wird für den Prüfer noch verbessert, wenn im B-Bild die Amplitude des empfangenen Pulsechos farbcodiert dargestellt wird. Die Farbcodierung gibt dem Fachmann beispielsweise bei der Durchführung einer Kalibrierung an einem Prüfkörper einen Anhaltspunkt dafür, ob es ihm gelungen ist, die Echosignale an den einzelnen Referenzreflektoren im Prüfkörper ausreichend zu optimieren.
Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass die besonderen Vorteile, die aus der Verwendung von Phased-Array-Prüfköpfen resultieren, im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung insbesondere dann zum Tragen kommen, wenn das Steuergerät der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die Einstellung einer Mehrzahl verschiedener zentraler Einschallwinkel θ 0 zu erlauben. Dies erlaubt es beispielsweise, eine standardisierte Prüfaufgabe durchzuführen, bei der eine Fehlerprüfung in Schrägeinschallung unter verschiedenen vorgegebenen Einschallwinkeln zu erfolgen hat.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft eine zuschaltbare automatische Verstärkungseinrichtung, die im Steuergerät vorgesehen werden kann. Die Verstärkungseinrichtung ist zur Aufbereitung des empfangenen Pulsechos vorgesehen und dazu eingerichtet, den angewendeten Verstärkungsfaktor automatisch so einzustellen, dass die Anzeigenhöhe des empfangenen Pulsechos im A-Bild bezogen auf die maximal zur Verfügung stehende Anzeigenhöhe stets in einem vorbestimmten Intervall liegt. Dies erleichtert bei sehr intensiven bzw. sehr schwachen Pulsechos das „Züchten“ des Echosignals, da der Prüfer neben der manuellen Variation des Einkoppelorts nicht noch zusätzlich den Verstärkungsfaktor g („gain“) zur Regelung der Anzeigenhöhe im A-Bild einstellen muss. Eine solche Verstärkungseinrichtung wird im Folgenden als AGG-Verstärkungseinrichtung bezeichnet. Besonders bevorzugt wird die Verstärkungseinrichtung so betrieben, dass der angewendeten Verstärkungsfaktor automatisch in diskreten Stufen angepasst wird, wenn die Anzeigenhöhe des Pulsechos im A-Bild über eine vorgegebene obere oder unter eine vorgegebene untere Schwelle fällt. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn als untere Schwelle ein Wert von 40 % der maximalen Anzeigenhöhe gewählt wird, bevorzugt 50 % der maximalen Anzeigenhöhe und besonders bevorzugt 60 % oder darüber der maximalen Anzeigenhöhe. Als obere Schwelle hingegen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die obere Schwelle auf einem Wert von 80 % der maximalen Anzeigenhöhe festgesetzt wird, bevorzugt auf 90 % der maximalen Anzeigenhöhe und in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung auf 95 % der maximalen Anzeigenhöhe festgesetzt wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind sowohl die obere Schwelle als auch die untere Schwelle vom Benutzer beispielsweise durch Eingabe am Steuergerät vorgebbar.
Eine weitere Verbesserung der Handhabbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung für den Bediener kann erzielt werden, wenn der Bediener eine Information über den von der automatischen Verstärkungseinrichtung automatisch eingestellten Verstärkungsfaktor erhält. Hierzu kann vorgesehen sein, dass vom Steuergerät ein numerischer Wert für den aktuell angewendeten Verstärkungsfaktor im Display dargestellt wird, insbesondere unmittelbar angrenzend an das im Display dargestellte A-Bild, so dass der Prüfer sowohl das A-Bild als auch den Verstärkungsfaktor zugleich im Auge behalten kann. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine farbcodierte Darstellung des aktuell angewendeten Verstärkungsfaktors denkbar. So kann ein besonders hoher Verstärkungsfaktor, welcher auf eine schlechte Signalqualität, verursacht beispielsweise durch eine mangelhafte akustische Ankopplung der Probe hindeutet, durch ein rotes Signal symbolisiert werden. Ein besonders niedriger Verstärkungsfaktor hingegen, der auf eine gute Signalqualität insbesondere eine gute akustische Ankopplung des Prüflings, hindeutet, kann durch grüne Farbe symbolisiert werden. Insbesondere ist es möglich, die vorstehend erwähnte numerische Darstellung des aktuell angewendeten Verstärkungsfaktors zu kombinieren mit einer farbcodierten Darstellung, beispielsweise indem die alphanumerischen Zeichen zur Darstellung des Verstärkungsfaktors zusätzlich verschieden farblich dargestellt werden in Abhängigkeit von der Größe des Verstärkungsfaktors.
Während das Auffinden von Fehlern, insbesondere von Referenzfehlern, sowie das Züchten von Fehlersignalen vorteilhaft mit automatischer Verstärkungsanpassung d. h. mit aktivierter automatischer Verstärkungseinrichtung durchgeführt wird, kann die eigentliche (häufig quantitative) Kalibrier-, bzw. Prüfmessung in der Regel nur mit fest eingestelltem Verstärkungsfaktor der Verstärkungseinheit durchgeführt werden. Aus diesem Grunde ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die automatische Verstärkungseinrichtung entweder abschaltbar oder wahlweise mit automatisch eingestelltem Verstärkungsfaktor oder mit konstantem Verstärkungsfaktor betreibbar ist. Dabei ist der Betriebsmodus der Verstärkungseinrichtung vorteilhaft vom Bediener an der Steuereinrichtung einstellbar.
Um nun mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Prüfaufgaben nach der TCG-Methode durchführen zu können, umfasst das Steuergerät vorteilhaft eine weitere Verstärkungseinrichtung für das aufgenommene Pulsecho auf, welche dazu eingerichtet ist, einen zeitabhängigen Verstärkungsfaktor anzuwenden, so dass die Anzeigenhöhe des empfangenen Pulsechos eines genormten Fehlers im A-Bild im wesentlichen unabhängig von seiner Position im Prüfling konstant ist. Diese weitere Verstärkungseinheit wird im Folgenden als TCG-Verstärkungseinrichtung bezeichnet. Als Startpunkt für den zeitabhängigen Verstärkungsfaktor ist dabei der Zeitpunkt der Einschallung eines Prüfpulses in den Prüfling anzusehen. Ein auf diesen Prüfpuls zurückgehender Echopuls wird dann entsprechend seiner Antwortzeit mit einem zeitabhängigen Verstärkungsfaktor verstärkt. Da heutige Vorrichtungen zur zerstörungsfreien Materialprüfung mittels Ultraschall in der Regel eine Einheit zur digitalen Signalverarbeitung aufweisen, wird der zeitabhängige Verstärkungsfaktor in der Praxis vorteilhaft im Rahmen der digitalen Signalverarbeitung angewendet werden. Grundsätzlich ist aber auch das Anwenden eines zeitabhängigen Verstärkungsfaktors in einer analogen Verstärkerstufe denkbar und technisch möglich.
Weiterhin betrifft die vorstehende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, wobei die Vorrichtung einen Phased-Array-Prüfkopf und ein Steuergerät aufweist, wobei das Steuergerät zur Ansteuerung des Phased-Array-Prüfkopfs und eines Displays vorgesehen ist. Dabei weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Verfahrensschritte auf:

a) Betreiben des Phased-Array-Prüfkopfs in Schrägeinschallung im Puls-Echo-Betrieb, wobei der Einschallwinkel θ des Phased-Array-Prüfkopfs in den Prüfling steuerbar ist, d. h. beispielsweise vom Bediener der Vorrichtung einstellbar ist,
b) Analysieren der empfangenen Pulsechos aus dem Prüfling, z.B. durch Bestimmung der Amplitude und des Zeitpunkts des Eintreffens des maximalen Echosignals bei dem als Empfänger betriebenen Sendeprüfkopf oder bei einem separat ausgebildeten Empfangsprüfkopf,
c) Periodisches Variieren des Einschallwinkels θ um einen zentralen Einschallwinkel θ 0,
d) Bestimmen des Einschallwinkels θ max, bei dem die Amplitude des empfangenen Impulsechos maximal ist, und Erzeugen eines A-Bildes und/oder eines B-Bildes des empfangenen Pulsechos für den Einschallwinkel θ max auf dem Display der Vorrichtung.

Bei dem Phased-Array-Prüfkopf kann es sich dabei vorteilhaft um einen Prüfkopf mit einem Wandler handeln, der in 8, 16, 32, 64 oder 128 Wandlerelemente aufgeteilt ist, die als lineares Array angeordnet sind und einzeln oder in Gruppen ansteuerbar sind. Typische Einschallwinkel beim Arbeiten in Schrägeinschallung liegen zwischen 35° und 75° abhängig von der konkreten Prüfaufgabe und vom Material des Prüflings. Oft sind die Einschallwinkel in Prüfnormen festgelegt. Die Pulsrepetitionsrate im Pulsechobetrieb beträgt typisch zwischen einigen zehn Hertz und einigen Kilohertz, bevorzugt im Bereich zwischen 50 Hertz und einem Kilohertz. Die Periode der Variation des Einschallwinkels θ sowie bevorzugte Winkelbereiche für die Amplitude Δθ der Winkelvariationen sind vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereits angegeben, hierauf wird Bezug genommen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das empfangene Pulsecho vorteilhaft zumindest über eine Periode der Winkelvariation analysiert, um den Einschallwinkel θ max zu bestimmen. Bevorzugt kann aber auch eine Mittelwertbildung über einige bis einige zehn oder hundert Perioden der Winkelvariation hinweg erfolgen. Auch hier wird auf die Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen.
Besondere Vorteile bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich weiterhin, wenn ein B-Bild des empfangenen Pulsechos auf dem Display dargestellt wird, und im B-Bild neben den empfangenen Echosignalen eine Gerade G dargestellt wird, die den Schallweg im Prüfling unter dem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Einschallwinkels θ max repräsentiert, für den sich die maximale Echoamplitude ergibt. Auf diese Weise erhält der Prüfer eine unmittelbare visuelle Information über den Einschallwinkel θ max, unter dem er ein optimales Signal erhält, was beispielsweise die Vermessung mehrerer Referenzfehler, die in unterschiedlichen Tiefen in einem Prüfkörper angeordnet sein können, deutlich vereinfacht.
Auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Anwendung eines automatischen Verstärkungsfaktors, wie vorstehend im Zusammenhang mit der optionalen AGG-Verstärkungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben, zur Sicherstellung einer Anzeigenhöhe im A-Bild innerhalb eines vorgegebenen Intervalls zwischen einer unteren Schwelle und einer oberen Schwelle von besonderem Vorteil und stellt damit eine vorteilhafte Weiterentwicklung des Verfahrens dar. Ebenso gilt dies für die graphische Darstellung des automatischen angewendeten Verstärkungsfaktors auf dem Display beispielsweise als alphanumerischer Wert oder/und als Farbcode, wie dies im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereits ausgeführt wurde.
Zur Durchführung einer praktischen Prüfaufgabe schließlich liegt es auch im Rahmen der erfindungsgemäßen Verfahrens von besonderem Vorteil, wenn zur Aufbereitung der empfangenen Echosignale ein zeitabhängiger Verstärkungsfaktor angewendet wird, der wie im einleitenden Teil beschriebene Effekte der Fokussierung bzw. Defokussierung des im Prüfling propagierenden Ultraschallbündels sowie der Schallschwächung durch Streuung bzw. der sich mit veränderndem Einschallwinkel verändernden Bündelgeometrie im Prüfling Rechnung trägt. Die Einführung eines solchen zeitabhängigen Verstärkungsfaktors entspricht genau der Grundidee der einführend erläuterten TCG-Methode. Die Anwendung eines solchen Verstärkungsfaktors ist, wie vorstehend bereits erwähnt, auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren von besonderem Vorteil. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass im Allgemeinen die verfahrensmäßige Anwendung der angegebenen Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lösung der zugrunde liegenden Aufgabe vorteilhaft ist und vom Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung mit umfasst ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die Durchführung einer konkreten Prüfaufgabe mittels der TCG-Methode ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert wird. Diese zeigt in:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die aus 1 ersichtliche Prüfvorrichtung 1 umfasst ein Steuergerät 10, mit welchem ein Prüfkopf 24 in elektrisch leitender Verbindung steht. Der Prüfkopf 24 umfasst einen Ultraschallwandler 26, der auf einem Vorlaufkörper 38, welcher beispielsweise aus Plexiglas^® bestehen kann, montiert ist. Der Ultraschallwandler 26 besteht aus einer Vielzahl unabhängig voneinander ansteuerbarer Wandlerelemente, die als lineares Array angeordnet sind. Das Array kann beispielsweise 64 unabhängige Wandlerelemente umfassen.
Das Steuergerät 10, welches mit dem Prüfkopf 24 in elektrisch leitender Verbindung steht, ist dazu ausgebildet, den Prüfkopf 24 zur Aussendung von Ultraschallsignalen anzusteuern, sowie mittels des Prüfkopfs 24 aus dem Prüfling zurückkehrende Ultraschallsignale aufzunehmen und weiter zu verarbeiten. Hierzu umfasst das Steuergerät 10 eine Ansteuereinheit, die in 1 nicht dargestellt ist, welche insbesondere dazu eingerichtet sein kann, den Prüfkopf 24 im Puls-Echo-Modus zu betreiben. In diesem Modus sendet der Prüfkopf 24 eine Folge hochfrequenter Ultraschallpulse aus, die über den Vorlaufkörper 38 des Prüfkopfs 24 typisch in Schrägeinschallung in einen Prüfling eingekoppelt werden. Die übliche Pulsfrequenz liegt im Bereich einiger Megahertz, die Pulsfolgefrequenz beträgt typisch einige 10 Hertz bis einige 1000 Hertz. Die Ansteuereinheit ist weiterhin dazu eingerichtet, die Wandlerelemente des Wandlers 26 individuell mit definierter Phasenlage anzusteuern, so dass der Wandler 26 ein Phased-Array ausbildet. Auf diese Weise ist eine Steuerung des vom Prüfkopf 24 erzeugten Ultraschallbündels möglich. Einerseits kann die Bündelform beeinflusst werden, hier beispielsweise die Lage eines Fokuspunkts, andererseits ist auch Verschwenken des Ultraschallbündels insgesamt möglich, so dass der Einschallwinkel des Prüfkopfs 24 in den Prüfling variiert werden kann. Die Ansteuereinheit ist so ausgebildet, dass der Prüfer den Einschallwinkel in ein ihm bekanntes Material gezielt einstellen kann.
Das Steuergerät 10 umfasst weiterhin ein Display 12, auf welchem im gezeigten Ausführungsbeispiel übereinander angeordnet, ein A-Scan 14 (dt.: A-Bild), sowie ein B-Scan 16 (dt.: B-Bild) des Prüflings angezeigt werden. In der gewählten Anordnung sind die Abszissen parallel zu einander angeordnet sind. Als Prüfling dient im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Prüfkörper 20, der beispielsweise aus einem quaderförmigen Stahlblock aus einer bekannten Stahlsorte bestehen kann. In die eine Seitenfläche des Prüfkörpers 20 ist eine Mehrzahl von Normreflektoren in Form von Referenzfehlern 22 eingebracht, welche aus Sacklöchern mit bekanntem zylindrischen Querschnitt bestehen. Alle diese Referenzfehler 22 weisen dieselben Abmessungen und dieselbe Orientierung auf, so dass sie grundsätzlich bei einer Untersuchung mittels der TCG-Methode dieselbe Fehlergröße ergeben sollten. Der in 1 gezeigte Prüfkörper 20 ist speziell zur Aufnahme einer zeitabhängigen Verstärkungskurve für die Durchführung einer Ultraschalluntersuchung gemäß der TCG-Methode an einem Prüfling vorgesehen. Dabei entspricht das Material des Prüfkörpers 20 vorzugsweise dem Material des Prüflings.
Zur Durchführung einer Kalibrierung am Prüfkörper 20 setzt der Prüfer den Prüfkopf 24 auf die obenliegende Deckfläche des Prüfkörpers 20 auf, wobei er durch Verwendung eines geeigneten Koppelmittels für eine gute akustische Ankopplung der Koppelfläche des Prüfkopfs 24 an den Prüfkörper 20 sorgt. Danach versetzt er das Steuergerät 10 in einen ersten Betriebsmodus, in dem das Steuergerät 10 den Prüfkopf 24 zur Aussendung einer Pulsfolge ansteuert, wobei der Prüfer einen zentralen Einschallwinkel θ 0 vorwählt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun der tatsächliche Einschallwinkel θ von der Ansteuereinheit im Steuergerät 10 periodisch um den zentralen Einschallwinkel θ 0 variiert, wobei die Amplitude Δθ dieser Variation ebenfalls vom Prüfer vorgebeben werden kann. Bewährt haben sich Variationsamplituden Δθ, die zwischen 1 Grad und 15 Grad betragen. Indem der Einschallwinkel periodisch um den Zentralwinkel θ 0 herum variiert wird, überstreicht der Ultraschallbündel im Prüfkörper 20 ein Volumen, welches deutlich ausgedehnter ist als die Abmessungen des in dem Prüfkörper 20 eingekoppelten Ultraschallbündels.
Parallel wird der Wandler 26 im Prüfkopf 24 als Ultraschallempfänger betrieben. Das bedeutet, dass die in den Prüfkopf 24 bzw. den Wandler 26 zurückreflektierten Echosignale vom Wandler 26 aufgenommen und in elektrische Signale umgewandelt werden. Diese werden vorverstärkt und an eine Auswerteeinheit 28 übermittelt, die im Steuergerät 10 implementiert ist. Durch geeignete Auslegung der Auswerteeinheit 28 kann beispielsweise der Empfangswinkel vorgeben werden, unter welchem das Echosignal auf die Koppelfläche 36 des Prüfkopfs 24 auftreffen muss, damit das Signal vom Wandler 26 aufgenommen wird. So kann beispielsweise sichergestellt werden, dass nur diejenigen Echosignale, die von den unter einem Einschallwinkel θ 1 in den Prüfkörper 20 eingeschallten Ultraschallpulse herrühren, Echosignale tatsächlich vom Prüfkopf 24 empfangen werden.
Die Auswerteeinheit 28 ist dazu eingerichtet, die vom Prüfkopf 24 aufgenommenen Echosignale zu analysieren, um denjenigen Einschallwinkel θ max zu bestimmen, unter bei dem die Amplitude des empfangenen Pulsechos maximal ist. Dabei wird bei der Auswertung der empfangenen Echosignale vorteilhaft über eine Mehrzahl von Pulsechos gemittelt. Vorzugsweise erfolgt die Winkelvariation bei im Wesentlichen konstantem Einkoppelort, d.h. die Position des Prüfkopfs 24 auf dem Prüfkörper 20 bleibt im Wesentlichen konstant. Die mit der elektronischen Winkelvariation einhergehende Verschiebung des Einkoppelorts kann ggf. zur Erhöhung der Genauigkeit elektronisch kompensiert werden, z.B. durch Veränderung der Sendeapertur, also er Lage der sendenden Wandlerelemente. Weiterhin ist die Auswerteeinheit 28 dazu eingerichtet, für den ermittelten Einschallwinkel θ max, für den die Amplitude des empfangenen Pulsechos maximal ist, ein A-Bild und parallel ein B-Bild des empfangenen (gemittelten) Echosignals für diesen maximalen Einschallwinkel θ max auf dem Display 12 zu erzeugen, wie dies in 1 ersichtlich ist. Da im A-Scan stets nur das Echosignal für diesen Winkel θ max dargestellt wird, ist es für den Prüfer einfach, das Fehlersignal zu optimieren, d.h. zu „züchten“. Erfasst das in den Prüfkörper 20 eingeschallte Ultraschallbündel einen (oder mehrere) Referenzfehler 22, so wird im A-Scan ein Rückreflex für denjenigen Einschallwinkel θ 1 dargestellt, für den sich die maximale Echoamplitude ergibt. Durch eine mechanische Veränderung des Einschallorts, d.h. eine Bewegung des Prüfkopfs 24 auf der Einkoppelfläche des Prüfkörpers 20, kann der gesamte Referenzfehler 22 ausgemessen werden. Man erhält ortsaufgelöste Verteilung der Echoamplitude, nämlich der Entfernung zwischen dem Einkoppelort und den Referenzfehler in der Ebene der Einkoppelfläche (Abszisse X) sowie der Tiefe des Referenzfehlers 22 im Prüfkörper 20, d.h. dem Abstand des Referenzfehlers 22 von der Einkoppelfläche des Prüfkörpers 20 (Abszisse Z). Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird dabei die ortsaufgelöste Fehleramplitude im B-Scan vorteilhaft farbcodiert oder graustufencodiert dargestellt. Ist die Auswerteeinheit 28 mit einem Speichermedium ausgestattet, kann auf diese Weise durch gezieltes Anfahren der einzelnen Referenzfehler 22 im Prüfkörper 20 ein B-Scan des gesamten Körpers aufgenommen werden.
Zusätzlich ist in der Auswerteeinheit 28 als erste Verstärkungseinrichtung 30 eine sogenannte AGC-Einheit integriert, die vom Bediener des Steuergeräts 10 manuell ein- und ausschallbar ist. Die AGC-Einheit 30 ist dazu eingerichtet, durch eine automatische Anpassung des Verstärkungsfaktors 9 dafür Sorge zu tragen, dass die maximale Echoamplitude, welche unter dem Winkel θ max registriert wird, im A-Scan 14 stets innerhalb vorgegebener unterer und oberer Schwellen verbleibt. Dabei sind sowohl die untere Schwelle A-Min als auch die obere Schwelle A-Max vom Bediener des Steuergeräts 10 wählbar. Als obere Schwelle A-Max hat sich beispielsweise ein Wert von 95 % der maximalen Anzeigenhöhe im A-Scan 14 bewährt. Als untere Schwelle A-Min hat sich beispielsweise ein Wert von 60 % der maximalen Anzeigehöhe als vorteilhaft erwiesen. Stellt nun die die AGC-Einheit 30 fest, dass die maximale Echoamplitude im A-Scan 14 unter den Wert A-Min fällt, so wird der angewendete Verstärkungsfaktor schrittweise erhöht, bis die untere Schwelle A-Min um ein definiertes Maß überschritten wird. Danach wird der Verstärkungsfaktor 9 auf den neuen bestimmten Wert fixiert. Wird hingegen eine Überschreitung der maximalen Schwelle A-Max registriert, so reduziert die AGC-Einheit 30 den angewendeten Verstärkungsfaktor 9 schrittweise solange, bis die obere Schwelle A-Max um einen vordefinierten Betrag unterschritten wird. Auch in diesem Fall wird der Verstärkungsfaktor 9 danach auf den ermittelten Wert festgelegt. Ist die AGC-Einheit 30 aktiviert, so ist es für den Prüfer besonders einfach, ein Echosignal zu züchten, da er beim Züchten des Echosignals keine Sorge dafür tragen muss, dass das Echosignal im A-Scan 14 sichtbar bleibt. Hierfür trägt die AGC-Einheit 30 automatisch Sorge. Ergänzend wird im gezeigten Ausführungsbeispiel der von der AGC-Einheit 30 automatisch angewandte Verstärkungsfaktor 9 numerisch im A-Scan 14 dargestellt. Hierzu ist im A-Scan 14 eine Ganz-Anzeige 34 implementiert, die einen Zahlenwert für den automatisch eingestellten Verstärkungsfaktor 9 wiedergibt. Darüber hinaus wird der in der Gain-Anzeige 34 dargestellte Zahlenwert verschiedenfarbig dargestellt, beispielsweise um zu symbolisieren, dass eine besonders gute oder eine besonders schlechte Signalqualität gegeben ist.
Als weitere Hilfestellung für den Prüfer ist im B-Scan 16 ein Cursor 18 in Form einer Geraden G eingeblendet, der die Schallausbreitungsrichtung (den Einschallwinkel) im Prüfkörper 20 andeutet, unter der die maximale Echoamplitude erhalten wird.
Um mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Kalibrierung zur Bestimmung eines zeitabhängigen Verstärkungsfaktors für die Vorbereitung einer Ultraschalluntersuchung eines Prüflings mittels der TCG-Methode durchzuführen, wird mittels des Prüfkopfs 24 ein Ultraschallbündel unter einem vom Prüfer vorgegeben Einschallwinkel θ 0 eingekoppelt. Der Prüfer sucht nun durch Variation des Einkoppelorts auf der Einkoppelfläche des Prüfkörpers 20 das Echosignal eines ersten Referenzfehlers 22 auf. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens züchtet der Prüfer das Echosignal dieses Referenzfehlers 22, um die maximale Echoamplitude des Referenzfehlers zu bestimmen. Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es insbesondere möglich, die maximale Echoamplitude für den angeschallten Referenzfehler 22 für eine Mehrzahl verschiedener Einschallwinkel θ zu erfassen. Für deren quantitative Bestimmung kann z.B. die automatische Winkelvariation durch die Ansteuereinheit abgeschaltet werden, so dass die quantitative Bestimmung unter dem festen Winkel θ 0 durchgeführt wird. Alternativ kann auch mit eingeschalteter Winkelvariation gearbeitet werden, so dass die registrierte maximale Echoamplitude sowohl unter dem Winkel θ 0 als auch unter davon abweichenden Winkeln auftreten kann. Vorteilhaft ist in der Auswerteeinheit eine Prüfroutine implementiert, die überprüft, ob die registrierte maximale Echoamplitude unter dem voreingestellten Winkel θ 0 registriert wurde. Die Routine kann bei Vorliegen eines solchen Messwerts ein z.B. optisches oder akustisches Signal für den Bediener der Vorrichtung ausgeben.
Dieser Verfahrensablauf wird an mehreren weiteren Referenzfehlern 22 im Prüfkörper 20 wiederholt. Dies liefert zu einem vorgegebenen Einschallwinkel θ 0 die Echoamplituden von identischen Referenzfehlern 22, die sich in unterschiedlichen Tiefen im Prüfkörper 20 befinden. Diese experimentell ermittelten Werte können dann zur Bestimmung einer zeitabhängigen Verstärkungskurve herangezogen werden, welche spezifisch ist für das Material des Prüfkörpers 20 den verwendeten Prüfkopf 24 sowie den gewählten Einschallwinkel θ 0. Diese zeitabhängige Verstärkungskurve kann dann in einer zweiten Verstärkungseinrichtung 32, die auch als TCG-Einheit bezeichnet werden und beispielsweise in die Auswerteeinheit 28 integriert sein kann, abgespeichert und nachfolgend bei der Durchführung der Ultraschalluntersuchung gemäß der TCG-Methode angewendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
10: Steuergerät
12: Display
14: A-Scan
16: B-Scan
18: Cursor
20: Prüfkörper
22: Referenzfehler
24: Prüfkopf
26: Wandler
28: Auswerteeinheit
30: erste Verstärkungseinrichtung (AGC-Einheit)
32: zweite Verstärkungseinrichtung (TCG-Einheit)
34: Gain-Anzeige
36: Koppelfläche
38: Vorlaufkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications“, ISBN 0-9735933-0-X (2005), Kapitel 2.11 (Seiten 61–66) [0002]
„Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications“, ISBN 0-9735933-0-X (2005), Kapitel 3.3. sowie 3.4 (Seiten 103–121) [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, aufweisend ein Steuergerät (10), welches zur Ansteuerung eines Phased-Array-Ultraschallprüfkopfs (24) und eines Displays (12) vorgesehen ist, wobei das Steuergerät (10) dazu eingerichtet ist, a. den Phased-Array-Prüfkopf (24) im Puls-Echo-Betrieb zu betreiben und den Einschallwinkel θ des Phased-Array-Prüfkopfs (24) in den Prüfling zu steuern, b. das vom Phased-Array-Prüfkopf (24) empfangene Puls-Echo aus dem Prüfling zu analysieren, und c. ein A-Bild (14) oder/und ein B-Bild (16) eines empfangenen Puls-Echos auf dem Display (12) darzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) weiterhin dazu eingerichtet ist, d. den Einschallwinkel θ periodisch um einen zentralen Einschallwinkel θ 0 zu variieren, e. den Einschallwinkel θ max zu bestimmen, bei dem die Amplitude des empfangenen Puls-Echos maximal ist, und f. für den Einschallwinkel θ max ein A-Bild (14) oder/und ein B-Bild (16) des Pulsechos auf dem Display (12) darzustellen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) dazu eingerichtet ist, das empfangene Puls-Echo zumindest über eine Periode der Winkelvariation zu analysieren, um den Einschallwinkel θ max zu bestimmen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) dazu eingerichtet ist, die Abszissen von A-Bild (14) und B-Bild (16) des empfangenen Puls-Echos auf dem Display (12) parallel anzuordnen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) dazu eingerichtet ist, im B-Bild (16) des empfangenen Puls-Echos eine Gerade G darzustellen, die den Schallweg unter dem Einschallwinkel θ max repräsentiert.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) dazu eingerichtet ist, im B-Bild (16) des empfangenen Puls-Echos die Amplitude des Puls-Echos farbcodiert darzustellen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) ein Gehäuse aufweist, in welches das Display (12) integriert ist.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) dazu eingerichtet ist, die Einstellung einer Mehrzahl verschiedener zentraler Einschallwinkel θ 0 zu erlauben.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) eine erste Verstärkungseinrichtung (30) für das empfangene Puls-Echo aufweist, welche dazu eingerichtet ist, den angewendeten Verstärkungsfaktor g automatisch so einzustellen, dass die Anzeigenhöhe des empfangenen Puls-Echos im A-Bild (14) bezogen auf die maximale Anzeigenhöhe stets in einem vorbestimmten Intervall liegt.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigenhöhe mindestens 40% der maximalen Anzeigenhöhe beträgt, bevorzugt mindestens 50% und besonders bevorzugt mindestens 60%.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigenhöhe maximal 80% der maximalen Anzeigenhöhe beträgt, bevorzugt maximal 90% und besonders bevorzugt maximal 95%.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinrichtung (30) wahlweise mit automatisch eingestelltem Verstärkungsfaktor g oder mit konstantem Verstärkungsfaktor g betreibbar ist.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (10) eine zweite Verstärkungseinrichtung (32) für das aufgenommene Puls-Echo aufweist, welche dazu eingerichtet ist, einen zeitabhängigen Verstärkungsfaktor anzuwenden, so dass die Anzeigenhöhe des empfangenen Puls-Echos eines genormten Fehlers im A-Bild (14) unabhängig von seiner Position im Prüfling im Wesentlichen konstant ist.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1) zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, wobei die Vorrichtung (1) einen Phased-Array-Ultraschallprüfkopf (24) und ein Steuergerät (10) aufweist, welches zur Ansteuerung des Phased-Array-Ultraschallprüfkopfs (24) und eines Displays (12) vorgesehen ist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: a. Betreiben des Phased-Array-Prüfkopfs (24) in Schrägeinschallung im Puls-Echo-Betrieb, wobei der Einschallwinkel θ des Phased-Array-Prüfkopfs (24) in den Prüfling steuerbar ist, b. Analysieren der (24) empfangenen Puls-Echos aus dem Prüfling, durch folgende weitere Verfahrensschritte gekennzeichnet: c. Periodisches Variieren des Einschallwinkels θ um einen zentralen Einschallwinkel θ 0, d. Bestimmen des Einschallwinkels θ max, bei dem die Amplitude des empfangenen Puls-Echos maximal ist, und e. Erzeugen eines A-Bilds (14) und/oder eines B-Bilds (16) des empfangenen Puls-Echos für den Einschallwinkel θ max auf dem Display (12).
Verfahren gemäß Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass das empfangene Puls-Echo zumindest über eine Periode der Winkelvariation analysiert wird, um den Einschallwinkel θ max zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im B-Bild (16) des empfangenen Puls-Echos eine Gerade G dargestellt wird, die den Schallweg unter dem Einschallwinkel θ max repräsentiert.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im B-Bild (16) des empfangenen Puls-Echos die Amplitude des Puls-Echos farbcodiert dargestellt wird.
Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall nach der TCG-Methode unter Verwendung eines Phased-Array-Ultraschallprüfkopfs (24), mit den folgenden Verfahrensschritten: a. Einkoppeln eines Ultraschallbündels unter einem Einschallwinkel θ 0 in einen Prüfkörper (20), b. Anschallen eines im Prüfkörper (20) angeordneten ersten Normreflektors (22) und Aufsuchen des vom ersten Normreflektor (22) ausgehenden Echosignals, c. Anwenden des Verfahrens gemäß Anspruch 13, d. Züchten des vom angeschallten ersten Normreflektor (22) ausgehenden Echosignals, e. Bestimmen der maximalen Signalamplitude Amax des Echosignals, f. Wiederholen der vorausgehenden Verfahrensschritte an mindestens einem zweiten Normreflektor (22), g. Bestimmen eines zeitabhängigen Verstärkungsfaktors für die Kombination aus verwendetem Phased-Array-Prüfkopf 24, Material des Prüfkörpers 20 und Einschallwinkel θ.