DE102014105308A1 - Ultraschallgeometrieüberprüfung mit Korrektur der Positionierungenauigkeit des Wandlers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallgeometrieprüfung eines Prüfkörpers an mehreren, entlang einer Oberfläche eines Prüfkörpers verteilten, unterschiedlichen Messpositionen (xn) mittels wenigstens eines Ultraschallwandlers umfassend mehrere Schritte. Zunächst wird ein Kalibrierkörper mit vorbekannten Abmessungen (ODcal(xn)) bereigestellt. Es folgen mehrere Kalibrierschritte, bei denen jeweils ein messpositionsabhängiger Abstand (WP(xn)) zwischen Kalibrierkörper und Ultraschallwandler durch ein Ultraschalllaufzeitverfahren, mittels wenigstens eines Echos an wenigstens einer Oberfläche des Kalibrierkörpers unter Verwendung der vorbekannten Abmessung (ODcal(xn)) für die jeweilige Messposition xn ermittelt und gespeichert wird. Anschließend wird ein Prüfkörper bereitgestellt, an dem in mehreren Prüfschritten Ultraschalllaufzeitmessung durchgeführt werden. Dabei werden an den mehreren Messpositionen xn mittels wenigstens eines Echos an wenigstens einer Oberfläche des Prüfkörpers Laufzeitmessungen vorgenommen. In dem folgenden Auswerteschritt wird unter Verwendung der gespeicherten messpositionsabhängigen Abstände WP(xn) eine Abmessung des Prüfkörpers berechnet wird.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer unbekannten Abmessung/Geometrie eines Prüfkörpers mittels Ultraschallprüfung, insbesondere im Echolaufzeitverfahren, wobei mehrere Abmessungen bzw. Geometrien unter Wechsel des Schallabstrahlungsortes d.h. der Messposition bestimmt werden. Bei der Messung von Geometrien aus verschiedenen Messpositionen hängt die Genauigkeit der Messung von der Positioniergenauigkeit des jeweiligen den Ultraschall erzeugenden Wandlers ab. Die Genauigkeit der Anordnung eines Ultraschallwandlers beziehungsweise die Kenntnis eines genauen Abstands zwischen dem Ultraschallwandler und einer Bezugsgröße ist ausschlaggebend für die Genauigkeit der Bestimmung einer Geometrie eines Prüfkörpers. Sowohl der mechanischen Ausrichtung, der Positionierung einzelner Ultraschallwandler, als auch der Fertigung von Ultraschallprüfköpfen und den darin angeordneten Ultraschallwandlern sind Grenzen hinsichtlich ihrer Präzision gesetzt.
- Dieses Problem stellt sich insbesondere dann, wenn der Wandler relativ zum Messobjekt bewegt wird oder umgekehrt aber auch dann, wenn beispielsweise durch selektives Ansteuern einzelner oder mehrerer Wandlergruppen eines Gruppenstrahlers der Schallabstrahlungsort verändert wird. Gerade bei solchen Gruppenstrahlern besteht das Problem, dass nach deren Herstellung einerseits nicht mit ausreichender Präzision garantiert werden kann, dass alle Wandler bzw. deren schallabstrahlende Fläche in einer gemeinsamen Fläche angeordnet sind aber auch dass deren gemeinsame Anordnungsfläche eben nicht streng parallel zu einer zu durchschallenden Oberfläche des Prüfkörpers ist.
- Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Geometrieprüfung mittels Ultraschall vorzustellen, bei dem die Geometriemessung mit verbesserter Präzision erfolgt. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallgeometrieprüfung eines Prüfkörpers an mehreren, entlang einer Oberfläche eines Prüfkörpers verteilten, unterschiedlichen Messpositionen mittels wenigstens eines Ultraschallwandlers mit folgenden Schritten:
In einem zeitlich ersten Schritt, auch Kalibrierkörperbereitstellungschritt genannt, des Verfahrens wird ein Kalibrierkörper mit wenigstens einer vorbekannten Abmessung bereitgestellt. - In mehreren zeitlich nachfolgenden Schritten des Kalibrierens, auch Kalibrierschritte genannt, wird jeweils ein messpositionsabhängiger Abstand zwischen Kalibrierkörper und Ultraschallwandler durch ein Ultraschalllaufzeitverfahren, mittels wenigstens eines Echos an wenigstens einer Oberfläche des Kalibrierkörpers unter Verwendung der vorbekannten Abmessung für die jeweilige Messposition ermittelt und beispielsweise in einem nicht-flüchtigen Speicher, gespeichert.
- In einem zeitlich nachfolgenden Schritt, auch Prüfkörperbereitstellungsschritt genannt, wird ein zu vermessender Prüfkörper mit unbekannter bzw. mit unbekannten Abmessungen bezüglich den Messpositionen bereitgestellt.
- In erfindungsgemäß mehreren nachfolgenden Schritten der Ultraschalllaufzeitmessung an dem Prüfkörper, auch Messschritte genannten, werden an den mehreren Messpositionen mittels wenigstens eines Echos an wenigstens einer Oberfläche des Prüfkörpers Laufzeitmessungen vorgenommen.
- In wenigstens einem, nachfolgenden oder intermediären Auswertschritt wird unter Verwendung der gespeicherten messpositionsabhängigen Abstände eine Berechnung einer Abmessung des Prüfkörpers, insbesondere pro Messposition eine Abmessung berechnet.
- Durch die erfindungsgemäße Herangehensweise ist es möglich, durch einen Kalibrierkörper die genaue Lage der Schallabstrahlungsorte zu ermitteln, diese Information zu hinterlegen und bei der Auswertung einer Schallabstrahlung von demselben Schallabstrahlungsort diese messpositionsspezifische Information zu nutzen, um eine genaue der Messposition entsprechende Abmessung eines zu untersuchenden Prüfkörpers zu erhalten. Folglich ist es dem Fachmann klar, dass der zuvor genannte Begriff Abstand weit auszulegen ist und auch solche Bemaßungen und Werte umfasst, die aus dem räumlichen durch den Kalibrierkörper definierten Abstand eindeutig ableitbar sind, wie beispielsweise die messpositionsspezifische Laufzeit und Dergleichen.
- Bevorzugt wird wenigstens ein Gruppenstrahler aus mehreren Ultraschallwandlern zur Ultraschallgeometrieprüfung also bei den Kalibrier- und Prüfschritten eingesetzt. Bevorzugt werden die Ultraschallwandler des Gruppenstrahlers bei den Kalibrier- und Prüfschritten selektiv angesteuert, um die unterschiedlichen, aber für die Kalibrier- und Prüfschritte gleichermaßen geltenden, Messpositionen zu definieren. Bevorzugt wird der Kalibrierkörper und der Prüfkörper bei der Verwendung eines Gruppenstrahlers nicht relativ zu letzerem bewegt oder ausschließlich in eine Richtung translatorisch bewegt.
- Bevorzugt sind die Ultraschallwandler des Gruppenstrahlers nicht auf einer gemeinsamen zur Oberfläche des Kalibrierkörpers parallelen Fläche angeordnet. Beispielsweise weist die zu vermessende Oberfläche des Kalibrierkörpers und des Prüfkörpers eine Krümmung auf und die Ultraschallwandler sind auf einer Ebene angeordnet, die dieser Krümmung nur angenähert folgt und nicht exakt parallel ist. Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist eine exakte Anpassung der Anordnung der Wandler an den Oberflächenverlauf des Prüfkörpers entbehrlich.
- Gemäß einer Ausgestaltung ist wenigstens der Prüfkörper rotationssymmetrisch ausgebildet, bevorzugt der Prüfkörper und der Kalibrierkörper. Beispielsweise handelt es sich um ein Rohr oder einen Stab. Beispielsweise wird die Exzentrizität des rotationssymmetrischen Prüfkörpers bzw. Kalibrierkörpers ermittelt.
- Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die im Auswertschritt ermittelte Abmessung dazu genutzt werden, die Lage des Prüfkörpers in der Ultraschallvorrichtung zu bestimmen, die im Wesentlichen aus dem oder den Ultraschallwandlern und den Mitteln zur Positionierung und gegebenenfalls den Mitteln zum Transport von Ultraschallwandler und Prüfkörper bzw. Kalibrierkörper besteht.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird im Auswertschritt ein Außendurchmesser, beispielsweise der maximale Außendurchmesser, des Prüfkörpers ermittelt.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der messpositionsabhängige Abstand der lichte Abstand des Ultraschallwandlers zur einer nächstliegenden Außenfläche des Kalibrierkörpers.
- Gemäß einer weiteren Ausgestaltung erfolgt intermediär oder gleichzeitig mit den Prüf- und Kalibrierschritten eine rotierende Relativbewegung zwischen Ultraschallwandler und Kalibrierkörper und Prüfkörper. Das erfindungsgemäße Verfahren kompensiert so das Problem der Positionierungenauigkeit bei Relativrotation.
- Bevorzugt erfolgt die Ankopplung zwischen dem Ultraschallwandler und der Oberfläche des Prüfkörpers durch einen rotierenden Wassermantel. Eine derartige Vorgehensweise sowie eine Prüfvorrichtung sind aus der
EP1332359 A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich hiermit mit umfasst sein soll. - Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens sind die Messpositionen so ausgelegt, dass sie auf einem Umfang um den Kalibrierkörper und um dem Prüfkörper liegen und bevorzugt gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind.
- Bevorzugt werden in jedem Kalibrierschritt und in jedem Prüfschritt pro Messposition zwei Abstände von zwei, beispielsweise von zwei diametral gegenüberliegenden, Ultraschallwandlern gemessen.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels einer Anlage, mit der das Verfahren der Erfindung, das im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden. -
1 : eine Darstellung der gemessenen und ermittelten Größen in einem Schritt des Kalibrierens, -
2 : eine Darstellung der gemessenen und ermittelten Größen in einem Schritt des Kalibrierens mit einem Gruppenstrahler. - In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
-
1 zeigt eine Anordnung aus zwei Ultraschallwandlern10 1,10 2, und einem rotationssymmetrischen Kalibrierkörper20 , die dazu ausgelegt sind Schritte des Kalibrierens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zu realisieren. Die Ankopplung zwischen den Ultraschallwandlern10 1,10 2 und dem Kalibrierkörper20 erfolgt durch einen rotierenden Wassermantel22 . - Das Verfahren ist dazu ausgelegt die Kalibrierschritte an mehreren unterschiedlichen Messpositionen xn, die sich auf einem Umfang
24 um den Kalibrierkörper20 befinden, durchzuführen. Der Index „n“ dient zur Nummerierung der unterschiedlichen Messpositionen xn und kann Werte zwischen 1, 2, 3, ... n einnehmen. Beispielsweise sind drei Messpositionen x1, x2 und x3 auf einem Umfang24 um den Kalibrierkörper20 definiert. Die beiden Ultraschallwandler10 1,10 2, die Indizes beziehen sich je auf einen ersten und einen zweiten Ultraschallwandler10 1,10 2, die in einem Schritt des Verfahrens verwendet werden, sind diametral einander zugewandt angeordnet und befinden sich jeweils auf ihrer Messposition x1. - Für die Messposition x1 wird jeweils ein Abstand WP1(x1) und WP2(x1) des ersten und des zweiten Utraschallwandlers
10 1,10 2 zu einer Oberfläche26 , in diesem Fall zu einer Außenfläche des Kalibrierkörpers20 ermittelt und gespeichert. Im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist der Kalibrierkörper20 ein Rohr, mit einem, für jeden Messposition xn bekannten und gleichen Außendurchmesser ODcal(xn) (outer diameter calibration). - Mittels des bekannten Außendurchmesser ODcal(xn) lässt sich auch die Wegstrecke Axn zwischen den Ultraschallwandlern für jede Messpositon xn berechnen und ggf. speichern. Diese ergibt sich aus dem bekannten Außendurchmesser ODcal(xn), und den beiden Abständen WP1(xn) und WP2(xn), mit Axn = ODcal(xn) + (WP1(xn) + WP2(xn)).
- Da sich die Wegstrecke Axn zwischen den Ultraschallwandlern
10 1,10 2 von den Kalibrierschritten zu den Prüfschritten nicht ändert lässt sich in den Prüfschritten durch die Ermittlung von messpositionsabhängigen Abstände WP1‘(xn) und WP2‘(xn) eine Abmessung27 eines Prüfkörpers28 berechnen. - In
2 soll verdeutlicht werden, welche Größen ermittelt werden um die Abmessung27 des Prüfkörpers28 zu berechnen. Im gezeigten Beispiel entspricht die Anordnung der aus1 bekannten Anordnung, wobei an der Stelle des Kalibrierkörpers20 der Prüfkörper28 positioniert ist. Bei dem Prüfkörper28 handelt es um ein Rohr mit unbekanntem Außendurchmesser ODsample(xn), wobei messpositionsabhängig die Abmessung27 des unbekannten Außendurchmessers ODsample(xn) des Prüfkörpers ermittelt wird. - In Prüfschritten werden, durch Laufzeitmessungen an einer Oberfläche
26 , hier der Außenfläche, des Prüfkörpers28 , die messpositionsabhängigen, lichten Abstände WP1‘(xn) und WP2‘(xn) der Ultraschallwandler10 1,10 2 ermittelt. Die Messungen erfolgen an den Messpositionen xn, die den Messpositonen xn der Kalibrierschritte entsprechen. Da sich die Wegstrecke Axn zwischen den Ultraschallwandlern10 1,10 2 nicht geändert hat, und die Abstände WP1(xn) und WP2(xn) hinterlegt sind kann ein Außendurchmesser ODsample(xn) des Prüfkörpers an der Messposition xn bestimmt werden, mit ODsample(xn) = ODcal(xn) + (WP1(xn) + WP2(xn)) – (WP1‘(xn) + WP2‘(xn)). -
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Anordnung von Ultraschallwandlern10 und einem Kalibrierkörper20 , oder einem Prüfkörper28 . Die Anordnung ist analog zu den unter1 und2 beschriebenen Anordnungen, und auch die Schritte des Verfahrens sind analog zu den oben beschriebenen Schritten. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind jedoch anstelle der zwei Ultraschallwandlern10 1,10 2 zwei Gruppenstrahler30 1,30 2 auf einem Umfang24 um den Kalibrierkörper20 oder dem Prüfkörper28 angeordnet. Der erst und zweite Gruppenstrahler30 1,30 2, die während eines Kalibrier- oder Prüfschritts verwendet werden liegen diametral zueinander und umfassen jeweils eine Anzahl 1, ... N selektiv ansteuerbare Ultraschallwandler. Durch das selektive ansteuern einzelner Ultraschallwandler10 oder einer Gruppe von Ultraschallwandlern10 können unterschiedliche Messpositionen xn definiert werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die zu vermessende Oberfläche des Kalibrierkörpers28 und des Prüfkörpers28 eine Krümmung auf und die Ultraschallwandler10 sind auf einer Ebene angeordnet, die dieser Krümmung folgt und näherungsweise parallel ist. Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist aber auch eine exakte Anpassung der Anordnung der Ultraschallwandler an den Oberflächenverlauf des Kalibirierkörpers20 oder des Prüfkörpers28 entbehrlich. - 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 Patentliteratur
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- EP 1332359 A1 [0018]
Claims (11)
- Verfahren zur Ultraschallgeometrieprüfung eines Prüfkörpers (
28 ) an mehreren, entlang einer Oberfläche (26 ) eines Prüfkörpers (28 ) verteilten, unterschiedlichen Messpositionen (xn) mittels wenigstens eines Ultraschallwandlers (10 ) mit folgenden Schritten: einen Schritt des Bereitstellens eines Kalibrierkörpers20 mit vorbekannter Abmessung (ODcal(xn)); mehrere zeitlich nachfolgende Kalibrierschritte, bei denen jeweils ein messpositionsabhängiger Abstand (WPi(xn)) zwischen Kalibrierkörper (20 ) und Ultraschallwandler (10 ) durch ein Ultraschalllaufzeitverfahren, mittels wenigstens eines Echos an wenigstens einer Oberfläche (26 ) des Kalibrierkörpers (20 ) unter Verwendung der vorbekannten Abmessung ((ODcal(xn)) für die jeweilige Messposition (xn) ermittelt und gespeichert wird; nachfolgend, einen Schritt des Bereitstellens eines Prüfkörpers (28 ); mehrere Prüfschritte der Ultraschalllaufzeitmessung an dem Prüfkörper (28 ), wobei an den mehreren Messpositionen (xn) mittels wenigstens eines Echos an wenigstens einer Oberfläche (26 ) des Prüfkörpers Laufzeitmessungen vorgenommen werden; wenigstens ein Auswertschritt, bei dem unter Verwendung der gespeicherten messpositionsabhängigen Abstände (WPi(xn)) eine Abmessung (27 , ODsample(xn)) des Prüfkörpers (28 ) berechnet wird, insbesondere pro Messposition (xn) eine Abmessung (27 , ODsample(xn)) berechnet wird. - Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei wenigstens ein Gruppenstrahler (
30 ) aus mehreren Ultraschallwandlern (10 ) bei den Kalibrierschritten und den Prüfschritten verwendet wird. - Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ultraschallwandler (
10 ) des Gruppenstrahlers (30 ) selektiv angesteuert werden und unterschiedliche Messpositionen (xn) definieren. - Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallwandler (
10 ) des Gruppenstrahlers (30 ) nicht auf einer gemeinsamen, zur Oberfläche (26 ) des Kalibrierkörpers (20 ) oder ders Prüfkörpers (28 ) parallelen Fläche angeordnet sind. - Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prüfkörper (
28 ) rotationssymmetrisch ist. - Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Auswertschritt ein Außendurchmesser (ODsample(xn)) des Prüfkörpers (
28 ) ermittelt wird. - Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der messpositionsabhängige Abstand der lichte Abstand des Ultraschallwandlers (
10 ) zur einer nächstliegenden Außenfläche des Kalibrierkörpers (20 ) ist. - Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei intermediär oder gleichzeitig mit den Prüf- und Kalibrierschritten eine rotierende Relativbewegung zwischen Ultraschallwandler (
10 ) und Kalibrierkörper (20 ) und Prüfkörper (28 ) erfolgt. - Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ankopplung zwischen dem Ultraschallwandler (
10 ) und der Oberfläche (26 ) des Prüfkörpers (28 ) durch einen rotierenden Wassermantel (22 ) erfolgt. - Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messpositionen (xn) so ausgelegt sind, dass sie auf einem Umfang (
24 ) um den Kalibrierkörper (20 ) und dem Prüfkörper (28 ) liegen. - Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in jedem Kalibrierschritt und in jedem Prüfschritt pro Messposition (xn) zwei Abstände (WP1(xn), WP2(xn), WP1‘(xn), WP2‘(xn)) von zwei, beispielsweise von zwei diametral gegenüberliegenden, Ultraschallwandlern gemessen beziehungsweise ermittelt werden.
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