DE102017114600B4

DE102017114600B4 - Lückenloses Kalibrierungsverfahren für phased-array Ultraschallprüfung

Info

Publication number: DE102017114600B4
Application number: DE102017114600.8A
Authority: DE
Inventors: Benoit Lepage; Guillaume PAINCHAUD-APRIL; Christophe IMBERT; Charles Grimard
Original assignee: Olympus Scientific Solutions Americas Corp
Current assignee: Olympus Scientific Solutions Americas Corp
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2022-11-03
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: US10561404B2; US20180000460A1; DE102017114600A1

Abstract

Phased-array Ultraschallprüfsystem mit einem Kalibrierungssystem, wobei das Kalibrierungssystem umfasst:ein Kalibrierungsobjekt mit einer Achse mit einer Axialrichtung, wobei das Kalibrierungsobjekt eine Mehrzahl von Fehlern aufweist, wobei jeder Fehler eine lange Richtung aufweist, die in Bezug auf die Axialrichtung einen Fehlerwinkel bildet;wenigstens eine phased-array Sonde mit einer Sondenoberfläche, die schalltechnisch mit dem Kalibrierungsobjekt gekoppelt ist, wobei jede der wenigstens einen phased-array Sonde wenigstens eine Öffnung aufweist, die ein Ultraschallbündel emittiert und von jedem der Mehrzahl von Fehlern unter einer Reihe von Empfangswinkeln in Bezug auf eine Normalenrichtung der Sondenoberfläche eine maximale Echoantwort empfängt;eine Erfassungseinheit, die dafür konfiguriert ist, Abtastdaten von der wenigstens einen Sonde zu erfassen;einen Prozessor, der dafür konfiguriert ist, eine Systemkalibrierungsdatenbank zu erzeugen, wobei der Prozessor umfasst:einen Winkelantwortkurvengenerator, der dafür konfiguriert ist, für jeden der Mehrzahl von Fehlern Winkelantwortkurven zu erzeugen, wobei die Winkelantwortkurven graphische Darstellungen der maximalen Echoantwort als eine Funktion des Empfangswinkels sind;einen Normierungskurvengenerator, der dafür konfiguriert ist, eine Normierungskurve zu erzeugen, wobei die Normierungskurve eine graphische Darstellung eines wahrscheinlichsten maximalen Echoantwortwerts als eine Funktion des Empfangswinkels ist;eine Empfangskanalauswahleinrichtung, die dafür konfiguriert ist, eine Mehrzahl von Empfangskanälen auszuwählen, wobei jeder Empfangskanal einem ausgewählten Empfangswinkel entspricht; undeinen Kalibrierungszielgenerator, der dafür konfiguriert ist, eine Mehrzahl von Kalibrierungszielen zu erzeugen, wobei jedes Kalibrierungsziel in der Weise definiert ist, dass es die Normierungskurve nach der Kalibrierung auf ein vorgegebenes Niveau bringt, wobei jedes Kalibrierungsziel ein Ziel für die maximale Echoantwort von einem einer Mehrzahl von Kalibrierungsfehlern bei einem entsprechenden Empfangskanal ist und wobei die Kalibrierungsfehler Ausgewählte der Mehrzahl von Fehlern sind; undwobei die Systemkalibrierungsdatenbank die Mehrzahl von Empfangskanälen und die Kalibrierungsziele für die Kalibrierungsfehler umfasst.

Description

FACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft die phased-array Ultraschallprüfung (PAUT-Prüfung) von Metallrohren und insbesondere verbesserte Verfahren zur Kalibrierung von Echoantwortsignalen von Defekten, so dass im Wesentlichen äquivalente Defekte unabhängig von ihrer Winkelorientierung dieselbe Antwortsignalstärke erzeugen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fehler, die während der PAUT-Prüfung von Rohren detektiert werden müssen, weisen häufig die Form langgestreckter Defekte auf, die in Bezug auf die Rohrachse einen Winkel θ aufweisen. Üblicherweise wird die Antwort von solchen Defekten unter Verwendung eines Kalibrierungsrohrs kalibriert, das eine Reihe gut definierter Kerben aufweist, die auf den Außendurchmesser (OD) und auf den Innendurchmesser (ID) des Rohrs geritzt sind. Die Echoantwortamplitude von solchen Kerben weist in der Richtung senkrecht zu der Länge der Kerbe eine starke Spitze auf.
In der bestehenden Praxis wird die Echoantwortamplitude für jede Kerbe an dem Kalibrierungsrohr durch Empfang der gestreuten Ultraschallenergie in einer Richtung senkrecht zu der Länge der Kerbe kalibriert. Auf diese Weise wird für tatsächliche Winkel der Kalibrierungskerben eine zufriedenstellende Kalibrierung erzielt, wobei aber für jeden Kerbenwinkel eine Kalibrierungskerbe erforderlich ist. Für dazwischenliegende Kerbenwinkel kann wegen der Nichtlinearität des Systems aber keine zuverlässige Kalibrierung erhalten werden. Somit zeigen die Kalibrierungen in der bestehenden Praxis in Bezug auf den Kerbenwinkel „Lücken“ der Zuverlässigkeit der Kalibrierung.
In der bestehenden Praxis wird die Wirkung von Winkelkalibrierungslücken dadurch minimiert, dass es eine große Anzahl von Kalibrierungskerben in eng aneinanderliegenden Winkelinkrementen gibt. Allerdings leidet ein solches Verfahren an Nachteilen, dass der Aufwand für die Bearbeitung der großen Anzahl von Kerben erforderlich ist, und des Verlusts der Produktivität wegen der Zeit, die es dauert, die Kalibrierung an vielen Kerben auszuführen.
Ein weiterer Nachteil von Kalibrierungen in der bestehenden Praxis ist, dass sie sich für die Kalibrierung auf eine einzelne Kerbe stützen. Es ist bekannt, dass mehrere Kerben, die in Übereinstimmung mit derselben Spezifikation bearbeitet sind, in Bezug auf die Detektionsamplitude eine gewisse Abweichung zeigen. Dementsprechend sind vorhandene Verfahren sehr anfällig für diese Abweichungen, da die Kalibrierung vollständig von einer einzelnen Kerbe abhängt.
Ultraschallprüfsysteme sowie Verfahren zu deren Kalibrierung gehen aus US 2015 / 0 377 840 A1 , DE 10 2008 037 173 A1 und US 2011 / 0 238 798 A1 vor.
Somit gibt es einen Bedarf für ein „lückenloses“ Kalibrierungsverfahren, das eine kleine Anzahl von Kalibrierungskerben mit einem zuverlässigen Verfahren der Interpolation zwischen Kalibrierungskerbenwinkeln verwendet und in dem Amplitudenabweichungen von einer einzelnen Kerbe geeignet gemittelt werden. Angesichts dessen, dass sie sich auf Zwischenkerben und auf unzuverlässige Messwerte von einer einzelnen Kerbe stützen, sind vorhandene Verfahren nicht in der Lage, eine lückenlose Kalibrierung bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung die Schaffung eines Kalibrierungsverfahrens für die phasengesteuerte Ultraschallprüfung (PAUT-Prüfung), bei dem Echoantwortsignale von Defekten in der Weise kalibriert werden, dass im Wesentlichen äquivalente Defekte unabhängig von ihrer Winkelorientierung im Wesentlichen dieselbe Antwortsignalstärke erzeugen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Schaffung eines lückenlosen Kalibrierungsverfahrens, das eine minimale Anzahl von Kalibrierungskerben verwendet und das ein zuverlässiges Verfahren zur Interpolation zwischen Kalibrierungskerbenwinkeln bereitstellt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist die Schaffung von Echoantwortamplituden mit minimalen Schwankungen über ein Referenzniveau für Defekte einer definierten Größe über einen ununterbrochenen Bereich von Winkeln und Positionen an dem Rohr und unter Verwendung einer minimalen Anzahl von Kalibrierungskerben.
Die Aufgaben werden insbesondere gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung können insbesondere gelöst werden durch Ausführen einer einmaligen akustischen Normierung des Prüfsystems unter Verwendung eines Kalibrierungsrohrs mit einer kleinen Anzahl von Kerben, die sich sowohl an dem Rohr-ID als auch an dem Rohr-OD befinden und die verschiedene Kerbenwinkel in Bezug auf die Rohrachse aufweisen. In einer Ausführungsform sind die Kerben mit von null verschiedenen Kerbenwinkeln in Paaren mit gleichem und gegenüberliegendem Kerbenwinkel. Für jede Kerbe wird durch Messung der Spitzenantwortamplitude für eine Mehrzahl verschiedener Empfangswinkel eine Winkelantwortkurve dargestellt.
In einer ersten Ausführungsform werden die Winkelantwortkurven für jede Kerbe mit einer einzelnen phasengesteuerten Sonde (PA-Sonde) gemessen, wobei die Messung mit dem Kalibrierungsrohr zunächst in der normalen und daraufhin in der umgedrehten Orientierung wiederholt wird.
In einer zweiten Ausführungsform werden die Winkelantwortkurven für jede Kerbe mit zwei verschiedenen PA-Sonden mit gleichen und gegenüberliegenden mechanischen Winkeln in Bezug auf die Oberflächennormale des Kalibrierungsrohrs getrennt gemessen.
In einer dritten Ausführungsform wird eine einzelne zweidimensionale Matrix-PA-Sonde verwendet und können durch elektronische Lenkung des Ultraschallbündels in Bezug auf die Oberflächennormale des Kalibrierungsrohrs gleiche und gegenüberliegende Bündelwinkel erzielt werden.
Durch Konstruieren einer Einhüllenden der durchschnittlichen Spitzenwerte der Winkelantwortkurven für jeden Kerbenwinkel wird eine Normierungskurve erzeugt. In einer Ausführungsform wird die Normierungskurve durch Anpassen einer Lorentz-Kurve für jede Winkelantwortkurve und Konstruieren der Einhüllenden der modellierten Kurven konstruiert.
Nachdem eine Normierungskurve mit einer einmaligen akustischen Normierungsprozedur konstruiert worden ist, wird die Normierungskurve zum Einstellen von Kalibrierungszielen für nachfolgende periodische Systemkalibrierungen, die periodisch ausgeführt werden, um die Kerbenkalibrierungen zu überprüfen, verwendet.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Kalibrierungssystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Kalibrierungssystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
3 ist ein Ablaufplan eines Kalibrierungsverfahrens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
4A ist eine Seitenansicht einer Kalibrierungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
4B ist eine Vorderansicht einer Kalibrierungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
4C ist eine Draufsicht einer Kalibrierungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
5A ist eine schematische Darstellung einer Bündelsendung mit Empfang bei null Grad in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
5B ist eine schematische Darstellung einer Bündelsendung mit Empfang unter dem Winkel χ in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung.
6 ist ein Graph der Antwortabweichung von verschiedenen OD-Kerben.
7 zeigt Rx-Winkelantwortkurven für drei OD-Kerben.
8 ist ein Graph der Amplitude nach Kalibrierung für einen großen Satz von Kerben.
9 zeigt Rx-Winkelantwortkurven für drei OD-Kerben, einschließlich Rohrumkehr und Kerbensymmetrie.
10 ist ein Graph, der einen Vergleich von Normierungskurven zeigt.
11A zeigt eine Lorentz-Funktions-Anpassung an die Datenpunkte einer Rx-Winkelantwortkurve.
11B ist eine Darstellung eines Verfahrens zum Anpassen von Lorentz-Funktions-Parametern an eine Reihe von Rx-Winkelantwortkurven.
12 zeigt Lorentz-Funktions-Anpassungen an Rx-Winkelantwortkurven für drei OD-Kerben einschließlich der Rohrumkehr und der Kerbensymmetrie.
13A zeigt die Einhüllende eines Satzes wahrscheinlichster Lorentz-Funktions-Anpassungen für eine eng aneinanderliegende Reihe von Kerbenwinkeln.
13B stellt ein 2-dB-Homogenitätsziel dar, das aus der wahrscheinlichsten Einhüllenden hergeleitet ist.
14A zeigt angepasste Rx-Winkelantwortkurven und ausgewählte Rx-Kanäle für die Kalibrierung.
14B zeigt die Zuordnung zwischen einer Teilmenge angepasster Rx-Winkelantwortkurven und einem Rx-Kanal bei 1,5°.
15 ist ein Graph der erwarteten Antwortamplitude als eine Funktion des Kerbenwinkels.
16 zeigt Rx-Kanalauswahlen und Kalibrierungsziele, die aus den Daten von 9 hergeleitet sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In der folgenden Beschreibung ist eine einmalige Normierungsprozedur als „Normierung“ oder „akustische Normierung“ bezeichnet. Eine Systemkalibrierung, die während des normalen Systembetriebs periodisch (üblicherweise alle 8 Stunden) stattfindet, ist als „Kalibrierung“ oder „Systemkalibrierung“ bezeichnet. Es wird angemerkt, dass die Verwendung einer einmaligen Normierungsprozedur ein neuer und wichtiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist.
In der folgenden Beschreibung ist der Begriff „Kerbe“ oder „Kerben“ zur Bezeichnung einer Kerbe oder eines Satzes von Kerben, die während der Normierungsprozedur verwendet werden, verwendet. Der Begriff „Kalibrierungskerbe“ oder „Kalibrierungskerben“ ist zur Bezeichnung einer Kerbe oder einer Teilsatzes von Kerben, die während der Systemkalibrierung verwendet werden, verwendet.
In der folgenden Beschreibung sind die folgenden Symbole verwendet:

Tx - gesendetes Bündel
Rx - empfangenes Bündel
ID, OD - Innen-, Außendurchmesser
θ - Kerbenwinkel relativ zu der Rohrachse
χ - Rx-Empfangswinkel
ϕ - mechanischer Sondenwinkel
c₁, c₂, c₃, c₄ - Lorentz-Anpassungsparameter

1 zeigt ein akustisches Normierungssystem, das ein Kalibrierungsrohr 2 nutzt, das eine Mehrzahl geritzter Kerben 4a - 4e aufweist. Es wird angemerkt, dass 1 fünf Kerben zeigt, dass aber irgendeine Anzahl von Kerben genutzt werden kann und dass alle im Schutzumfang der Erfindung liegen. Außerdem wird angemerkt, dass die Kerben 4a - 4e Kerben repräsentieren, die auf den ID und/oder auf den OD des Kalibrierungsrohrs 2 geritzt sind. Die Kerben 4a - 4e weisen in Bezug auf die Rohrachse unterschiedliche Kerbenwinkel θ auf. In einer Ausführungsform sind die Kerben mit von null verschiedenen Kerbenwinkeln in Paaren mit gleichem und gegenüberliegendem Kerbenwinkel.
Mit dem Kalibrierungsrohr 2 ist, üblicherweise mittels einer Wassersäule (nicht gezeigt), ultraschalltechnisch eine PA-Sonde 6 gekoppelt. Wie in 1 durch Pfeile angegeben ist, kann das Kalibrierungsrohr 2 während der Normierungsprozedur um seine Achse rotiert werden, in einer Axialrichtung verschoben werden oder zwischen der normalen und der umgedrehten Orientierung umgedreht werden. Die Normierungsprozedur enthält eine hochauflösende Abtastung, die die Abtastung des Kalibrierungsrohrs 2 mit hoher Auflösung, sowohl in Bezug auf die räumliche Auflösung der Rotation und Verschiebung als auch in Bezug auf die Winkelauflösung der Empfangswinkel, umfasst. Der Zweck der hochauflösenden Abtastung ist die Erfassung der maximal möglichen Signalamplitude für jede Kerbe 4a - 4e. Während der Abtastung sendet eine aktive Öffnung 3 der PA-Sonde 6 Ultraschallenergie und empfängt sie Echosignale 4 von den Kerben 4a - 4e, während das Kalibrierungsrohr 2 in der normalen Orientierung ist und rotiert und verschoben wird. Um bei der Messung von Echos von den Kerben 4a - 4e eine bessere Statistik zu erhalten, wird die Prozedur daraufhin mit dem Kalibrierungsrohr 2 in der umgedrehten Orientierung wiederholt. Es wird angemerkt, dass die Echosignale im Vergleich dazu, wenn das Rohr in der normalen Orientierung ist, von den gegenüberliegenden Seiten jeder der Kerben 4a - 4e empfangen werden, wenn das Rohr in der umgedrehten Orientierung ist.
Von der PA-Sonde 6 werden hochauflösende Abtastdaten an eine Erfassungseinheit 8 übergeben und die Daten werden in einer Datenbank 24 für hochauflösende Abtastung, die mit einem Prozessor 10 in Verbindung steht, gespeichert. Der Prozessor 10 enthält einen Winkelantwortkurvengenerator 12, einen Normierungskurvengenerator 14, eine Rx-Kanalauswahleinrichtung 15 und einen Kalibrierungszielgenerator 16. Der Winkelantwortkurvengenerator 12 erzeugt Winkelantwortkurven, die graphische Darstellungen der maximalen Echoantwortamplitude von jeder der Kerben 4a - 4e als Funktion des Empfangswinkels der Öffnung 3 sind. Ein Graph 12a stellt beispielhafte Winkelantwortkurven von drei Kerben dar. Wie im Folgenden weiter beschrieben wird, kann es für jede der Kerben 4a - 4e bis zu vier verschiedene Winkelantwortkurven geben. Die beispielhaften Winkelantwortkurven des Graphen 12a können als Darstellung eines Satzes von Winkelantwortkurven angesehen werden.
Der Normierungskurvengenerator 14 erzeugt eine Normierungskurve, die eine Interpolation der Einhüllenden der Winkelantwortkurven von den Kerben 4a - 4e ist. Ein Graph 14a stellt eine beispielhafte Normierungskurve dar, die aus den in dem Graphen 12a gezeigten Winkelantwortkurven erzeugt worden ist.
Die Rx-Kanalauswahleinrichtung 15 wählt einen optimalen Satz von Empfangskanalwinkeln aus, die in nachfolgenden Systemkalibrierungen verwendet werden sollen. Der Kalibrierungszielgenerator 16 verwendet die Normierungskurve, um für jeden der ausgewählten Rx-Kanäle beim Empfang von einer spezifischen Kalibrierungskerbe ein Kalibrierungsziel in % Skalenendhöhe (%FSH) zu erzeugen. Der Satz von Rx-Kanälen und der %FSH-Kalibrierungsziele zusammen bildet eine Systemkalibrierungsdatenbank 26, die die Ausgabe des akustischen Normierungssystems ist und die für alle nachfolgenden Systemkalibrierungen verwendet wird.
2 stellt eine alternative Ausführungsform eines akustischen Normierungssystems dar. Eine zweite PA-Sonde 7 ist in der Weise angeordnet, dass die Sonden 6 und 7 in Bezug auf die Oberflächennormale des Kalibrierungsrohrs (siehe 4A) gleiche und gegenüberliegende mechanische Winkel aufweisen, und die Erfassungseinheit 8 empfängt sowohl von der PA-Sonde 6 als auch von der PA-Sonde 7 hochauflösende Abtastdaten. Da die Funktion, eine bessere Messstatistik zu erhalten, durch die zweite PA-Sonde 7 ersetzt ist, ist das Umdrehen des Rohrs zwischen der normalen und der umgedrehten Orientierung wie in 1 in der Ausführungsform aus 2 nicht erforderlich. Außerdem wird angemerkt, dass die PA-Sonde 6 und die PA-Sonde 7 Echosignale von gegenüberliegenden Seiten der Kerben 4a - 4e empfangen. Auf der Grundlage der Annahme, dass die durchschnittliche Kerbenantwort, die sowohl von der PA-Sonde 6 als auch von der PA-Sonde 7 gesehen wird, somit näherungsweise gleich sein sollte, werden die Empfindlichkeiten der PA-Sonde 6 und der PA-Sonde 7 durch Mitteln der Gesamtantwort von den Kerben 4a - 4e angeglichen.
In einer dritten Ausführungsform eines akustischen Normierungssystems ist die Sonde 6 eine zweidimensionale Matrixsonde, die eine erste Dimension in einer Ebene senkrecht zu der Kalibrierungsrohrachse und eine zweite Dimension parallel zu der Kalibrierungsrohrachse aufweist. In der ersten Dimension empfängt die Matrixsonde Daten durch elektronische Verarbeitung in zwei Richtungen, die in Bezug auf die Oberflächennormale des Kalibrierungsrohrs gleiche und gegenüberliegende Winkel bilden. Die zweite Dimension der Matrixsonde dient zur Erfassung hochauflösender Abtastdaten zur Erzeugung von Winkelantwortkurven. Somit beseitigt die Verwendung einer einzelnen Matrixsonde das Erfordernis, das Kalibrierungsrohr umzudrehen.
3 ist ein Ablaufplan eines lückenlosen Kalibrierungsverfahrens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren umfasst einen Schritt der akustischen Normierung 300 und einen Systemkalibrierungsschritt 320, wobei der Schritt der akustischen Normierung 300 ein einmaliger Schritt ist und der Systemkalibrierungsschritt 320 periodisch, z. B. alle 8 Stunden, während des regulären Systembetriebs ausgeführt werden kann. Der Schritt der akustischen Normierung 300 und der Systemkalibrierungsschritt 320 sind durch eine Systemkalibrierungsdefinition 330 verknüpft, die ein Satz von Rx-Kanälen und %FSH-Kalibrierungszielen ist, die zur Verwendung durch den Systemkalibrierungsschritt 320 durch den Schritt der akustischen Normierung 300 erzeugt werden.
In Schritt 302 des Schritts der akustischen Normierung 300 wird, entweder automatisch oder durch Betreibereingabe, ein gewünschter Kerbenwinkelbereich der Kalibrierung ausgewählt und ein Kalibrierungsrohr ausgewählt, das wenigstens drei OD-Kerben und/oder wenigstens drei ID-Kerben mit Kerbenwinkeln im Wesentlichen innerhalb des gewünschten Bereichs enthält. In Schritt 304 wird mit dem Rohr in normaler Orientierung unter Verwendung einer einzelnen Sondenöffnung mit einem breiten gesendeten Bündel und mehreren Empfangswinkeln eine hochauflösende Abtastung des Kalibrierungsrohrs ausgeführt. In Schritt 306 wird mit dem Rohr in der umgedrehten Orientierung eine ähnliche hochauflösende Abtastung des Kalibrierungsrohrs ausgeführt. In alternativen Ausführungsformen können andere Verfahren als die Abtastverfahren der Schritte 304 und 306 verwendet werden, um Antwortinformationen von den Kerben zu erheben, wobei alle solche Verfahren im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegen. In Schritt 307 werden C-Abtastdaten von den hochauflösenden Abtastungen verwendet, um die maximale Antwortamplitude von jeder Kerbe herzuleiten und dadurch Winkelantwortkurven zu erzeugen, die graphische Darstellungen der maximalen Antwortamplitude als Funktion des Öffnungsempfangswinkels χ sind. Für jede Kerbe können bis zu vier Winkelantwortkurven erzeugt werden, die jeweils der normalen Rohrorientierung, dem positiven Kerbenwinkel (im Folgenden normal+), der umgedrehten Rohrorientierung, dem positiven Kerbenwinkel (umgedreht+), der normalen Rohrorientierung, dem negativen Kerbenwinkel (normal-), der umgedrehten Rohrorientierung, dem negativen Kerbenwinkel (umgedreht-) entsprechen.
In einem optionalen Schritt 308 können irgendwelche inkonsistenten Kerbenmesswerte aus der Menge von Winkelantwortkurven entfernt werden. Ein inkonsistenter Kerbenmesswert kann z. B. einer von vier Winkelantwortkurven für dieselbe Kerbe sein, wobei sich eine der Kurven stark von den anderen drei unterscheidet. Solche Inkonsistenzen können eine Folge von Mängeln bei der Bearbeitung der Kerben oder von Dickenänderungen des Rohrs auf den verschiedenen Signalwegen der vier Winkelantwortkurven sein. Durch optionales Beseitigen von Kerbendaten mit solchen Inkonsistenzen kann vermieden werden, dass die akustische Normierung durch die Qualität einzelner Kerben einen systematischen Fehler aufweist.
In Schritt 310 wird aus den Winkelantwortkurven von verschiedenen Kerben eine Normierungskurve erzeugt. Die Normierungskurve kann durch Extrapolieren zwischen den Maximalwerten der wahrscheinlichsten Antwortkurve bei jedem Kerbenwinkel erzeugt werden, wobei der Maximalwert der wahrscheinlichsten Antwortkurve für jeden Kerbenwinkel als der Durchschnitt der Maximalwerte der Winkelantwortkurven für jede Kerbe genommen werden kann. In einer alternativen Ausführungsform kann die Normierungskurve durch Anpassen einer Lorentz-Kurve an jede Winkelantwortkurve und Konstruieren der Einhüllenden der modellierten Kurven erzeugt werden.
In Schritt 312 wird eine Menge von Rx-Kanälen zur Verwendung in der Systemkalibrierung 320 ausgewählt. In Schritt 314 werden für jeden der ausgewählten Rx-Kanäle %FSH-Kalibrierungsziele definiert, wobei jedes Kalibrierungsziel mit einer Spezifischen einer definierten Menge von Kalibrierungskerben verknüpft ist. Die verknüpften Kerben zur Verwendung in der Systemkalibrierung 320 werden im Folgenden als „Kalibrierungskerben“ bezeichnet. Eine alternative Ausführungsform ist die Verwendung eines Fehlers, der keine Kerbe ist, zur Kalibrierung (z. B. eines durchgebohrten Lochs). In diesem Fall ist es notwendig, den gewünschten Kalibrierungsfehler in die hochauflösende Abtastung des Normierungsschritts aufzunehmen. Ein Fehler, der keine Kerbe ist, kann nicht zum Erzeugen der Normierungskurve verwendet werden, da er keinen realen Fehler mit einem gegebenen Winkel repräsentiert. Allerdings kann ein solcher Fehler weiterhin als eine Referenz zum Kalibrieren des Systems verwendet werden, da seine Beziehung relativ zu der Normierungskurve bekannt ist und somit die Verstärkung auf der Grundlage der Fehlerantwort eingestellt werden kann, wenn er in der hochauflösenden Kurve enthalten ist. Der Vorteil ist, dass alle Fehler an diesem einzigen Loch kalibriert werden können, da das Loch unter allen Winkeln reflektiert, falls der Fehler ein Loch ist.
In Schritt 322 der Systemkalibrierung 320 werden die Kalibrierungskerben unter Verwendung aller gewünschten Öffnungen der PA-Sonde 6 abgetastet. Es wird angemerkt, dass die Abtastung der Kalibrierungskerben nur bei den in Schritt 312 ausgewählten Rx-Kanälen ausgeführt wird, d. h., dass die Abtastung des Schritts 322 in Bezug auf den Rx-Winkel mit niedrigerer Auflösung als die Normierungsabtastungen des Schritts 304 oder 306 ausgeführt wird. In Schritt 324 wird die Verstärkung jeder der gewünschten Öffnungen auf der Grundlage der %FSH-Kalibrierungsziele für jeden ausgewählten Rx-Kanal und der entsprechenden verknüpften Kalibrierungskerben kalibriert.
Es wird angemerkt, dass es in der bestehenden Praxis notwendig ist, Sende- und Empfangswinkel zu haben, die von jeder Kalibrierungskerbe eine optimale Spiegelreflexion bereitstellen, um eine maximale Signalantwort zu erhalten. Dies verkompliziert die Auswahl der Kalibrierungskerben und begrenzt die Wahl der Empfangswinkel. Im Gegensatz dazu ermöglicht die vorliegende Erfindung eine zuverlässige Kalibrierung unter Verwendung einer Auswahl von Rx-Kanälen und verknüpften Kalibrierungskerben, wobei der Empfangswinkel keine optimale Spiegelreflexion von der Kalibrierungskerbe bereitzustellen braucht und die Signalantwort für die verknüpfte Kalibrierungskerbe nicht maximal zu sein braucht.
Die 4A, 4B und 4C stellen ein PAUT-Prüfsystem für die lückenlose Fehlerdetektion in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dar. 4A ist eine Seitenansicht des Systems, die eine PA-Sonde 7 für die Prüfung in Uhrzeigerrichtung (CW-Prüfung) und eine PA-Sonde 6 für die Prüfung entgegen der Uhrzeigerrichtung (CCW-Prüfung) zeigt. Somit ist es mit dem in 4A, 4B und 4C gezeigten Prüfsystem nicht notwendig, das Rohr 2 umzudrehen. Die Sonden 6 und 7 sind unter mechanischen Winkeln ±ϕ zu der Oberflächennormale des Rohrs 2 geneigt und jeweils durch eine Wassersäule der Länge WC mit dem Rohr 2 akustisch gekoppelt. Jede aktive Öffnung der Sonde 6 oder der Sonde 7 erzeugt ein einzelnes breites defokussiertes gesendetes Bündel und in der Nachverarbeitung werden mehrere empfangene Bündel mit hoher Winkelselektivität verwendet, um die Informationen aus dem Bereich von Kerbenwinkeln zu unterscheiden und zu verarbeiten.
Ferner stellen die 5A und 5B das Verfahren der Einzelsendung und des Mehrfachempfangs dar. In 5A wird von einer Öffnung 3 der PA-Sonde 6 ein divergierendes gesendetes Bündel 52 emittiert, wobei sich ein Brennpunkt 50 hinter der Öffnung 3 befindet. Der Mittelwinkelstrahl des gesendeten Bündels 52 bildet einen Winkel β mit der Normalen zur Öffnung 3. In der Nachverarbeitung wird ein empfangenes Bündel 56a normal zur Öffnung 3 verwendet. In 5B emittiert die Öffnung 3 dasselbe gesendete Bündel 52, wobei ein in der Nachverarbeitung verwendetes empfangenes Bündel 56b relativ zu der Normalen zu der Öffnung 3 einen Winkel χ aufweist. Somit stellt eine gegebene Sendedefinition (Tx-Definition) durch Verwendung von Mehrfachempfängen (Rx) eine Detektionsfähigkeit über einen Winkelbereich χ bereit. Im Betrieb des PAUT-Prüfsystems wird durch Erzeugen der Tx-Definition von einer Mehrzahl verschiedener Öffnungspositionen an der Sonde die gesamte Oberfläche der PA-Sonden 6 oder 7 erfasst. Mehrere Öffnungen mit derselben Tx-Definition werden als eine „Tx-Gruppe“ bezeichnet.
Nun zurückkehrend zu 4A sind beispielhafte Rx-Bündel 46 und 46' gezeigt, die durch die PA-Sonden 6 bzw. 7 empfangen werden. Das Rx-Bündel 46 enthält Hinweise von ID-Fehlern, die sich in einem ID-Gebiet 42 befinden, und Hinweise von OD-Fehlern, die sich in einem OD-Gebiet 43 befinden. Das Rx-Bündel 46' enthält Hinweise von ID-Fehlern, die sich in einem ID-Gebiet 42' befinden, und Hinweise von OD-Fehlern, die sich in einem OD-Gebiet 43' befinden.
4B ist eine Vorderansicht des Prüfsystems, die die Öffnung 3 und beispielhafte Rx-Bündel 46a und 46b mit Rx-Winkeln -χ bzw. χ zeigt. Es wird angemerkt, dass der Rx-Winkel χ mittels verschiedener Rx-Gesetze in der Nachverarbeitung über einen weiten Bereich geändert werden kann.
4C ist eine Draufsicht des Prüfsystems, die eine beispielhafte ID-Kerbe 4', die sich in dem ID-Gebiet 42 befindet, und eine beispielhafte OD-Kerbe 4", die sich in dem OD-Gebiet 43 befindet, zeigt. Die Kerben 4' und 4'' weisen in Bezug auf die Achse des Rohrs 2 die Winkel θ_ID und θ_OD auf. Die Kerben 4' und 4'' werden durch das Rx-Bündel 46 detektiert, wobei aber angemerkt wird, dass das Rx-Bündel 46 bei dem Rx-Winkel χ nicht notwendig senkrecht zu der langen Richtung entweder der Kerbe 4' oder der Kerbe 4" ist. Es ist ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass die Verstärkung der Öffnung 3, wie im Folgenden beschrieben ist, kalibriert werden kann, auch wenn das Rx-Bündel 46 weder zu der Kerbe 4' noch zu der Kerbe 4" senkrecht ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kalibrierte Detektion irgendeiner Kerbe mit einem Winkel θ zwischen -45 und +45 Grad zu schaffen. In einer Ausführungsform der Erfindung können die folgenden Cluster von Sonden, mechanischen Sondenwinkeln und Tx-Gruppen verwendet werden, um die Aufgabe zu lösen:

Cluster Nr. 1:
- ϕ = 17 Grad für Kerbenwinkel von -22 bis 22 Grad.

Die Sonde 7 ist für die Prüfung in Uhrzeigerrichtung (CW-Prüfung) orientiert.
Eine erste Tx-Gruppe mit positivem Rx-Winkel χ für Kerben von -22 bis 0 Grad.
Eine zweite Tx-Gruppe mit negativem Rx-Winkel χ für Kerben von 0 bis 22 Grad.
Cluster Nr. 2:

ϕ = 17 Grad für Kerbenwinkel von -22 bis 22 Grad.

Die Sonde 6 ist für die Prüfung entgegen der Uhrzeigerrichtung (CCW-Prüfung) orientiert.
Eine erste Tx-Gruppe mit positivem Rx-Winkel χ für Kerben von -22 bis 0 Grad.
Eine zweite Tx-Gruppe mit negativem Rx-Winkel χ für Kerben von 0 bis 22 Grad.
Cluster Nr. 3:

ϕ = 14 Grad für Kerbenwinkel von |22 bis 45| Grad.

Die Sonde 7 ist für die Prüfung in Uhrzeigerrichtung (CW-Prüfung) orientiert.
Eine erste Tx-Gruppe mit positivem Rx-Winkel χ für Kerben von -22 bis -45 Grad.
Eine zweite Tx-Gruppe mit negativem Rx-Winkel χ für Kerben von 22 bis 45 Grad.
Cluster Nr. 4:

ϕ = 14 Grad für Kerbenwinkel von |22 bis 45| Grad.

Die Sonde 6 ist für die Prüfung entgegen der Uhrzeigerrichtung (CCW-Prüfung) orientiert.
Eine erste Tx-Gruppe mit positivem Rx-Winkel χ für Kerben von -22 bis -45 Grad.
Eine zweite Tx-Gruppe mit negativem Rx-Winkel χ für Kerben von 22 bis 45 Grad.
Es wird angemerkt, dass diese Cluster nur beispielhaft dargestellt sind. Sie sind ausreichend, um die Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu lösen, wobei aber andere Clusterkombinationen verwendet werden, um dieselben oder andere Aufgaben zu lösen, und wobei alle solche Kombinationen im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Extrapolationen auszuführen, um den Winkelbereich zwischen vorhandenen Kalibrierungskerben zu erfassen. Da die Kalibrierungskerben nicht perfekt sind, sollte aber vermieden werden, dass das Extrapolationsverfahren durch schlechte Qualität irgendeiner einzelnen Kerbe einen systematischen Fehler aufweist. Als ein Beispiel zeigt 6 die gemessene Antwort von OD-Kerben, die mit hoher Präzision an einem Referenzrohr bearbeitet sind. Die Kerben weisen in Bezug auf die Rohrachse Winkel von 0°, ±5°, ±11°, ±15°, ±18°, ±22° auf und jedes Kerbenpaar wurde mit dem Rohr sowohl in normaler als auch in umgedrehter Orientierung gemessen. Die Daten sind relativ zu der erwarteten Antwort an einem „perfekten“ Rohr mit „perfekten“ Kerben graphisch aufgetragen, für das die Antworten für positiven oder negativen Kerbenwinkel und normale oder umgedrehte Rohrorientierung alle gleich sein sollten. 6 zeigt, dass die realen Kerben große Abweichungen von dem Idealfall zeigen, wobei leicht verständlich ist, dass es schwere Ungenauigkeiten der Kalibrierung geben kann, falls für die Kalibrierung eine schlechte Kerbe ausgewählt wird (z. B. eine, die 5° umgedreht+ ist). Solche Abweichungen von dem Ideal können durch wechselnde Qualität der Kerben oder durch irgendeine Ungleichförmigkeit (wie etwa Wanddickenänderungen oder eine wechselnde Rohrkrümmung), die auf dem Schallweg liegt, verursacht sein. Es wird angemerkt, dass Daten wie etwa die in 6 gezeigten verwendet werden können, um inkonsistente Kerbenmesswerte in Übereinstimmung mit dem Schritt 308 aus 3 aus der Kalibrierungsdatenmenge zu beseitigen. Zum Beispiel können die Daten, die 5° umgedreht+ entsprechen, aus den Interpolationsdaten entfernt werden. Die Entfernung inkonsistenter Daten kann durch optionale Hinzufügung einer Konsistenzüberprüfungseinheit (nicht gezeigt) zu den in 1 und 2 dargestellten Kalibrierungssystemen implementiert werden.
Angesichts der Abweichungen der Kerbenantworten können Kalibrierungsungenauigkeiten ebenfalls auftreten, falls es ungenügende statistische Daten für die Kalibrierung gibt. 7 zeigt Winkelantwortkurven für ein Kalibrierungsrohr von 177 mm × 10 mm, gemessen nur in der normalen Orientierung für nur drei Kerben mit Kerbenwinkeln von 0°, +11° und +22° und mit dem Tx-Bündel, das in Richtung des Kerbenbereichs von 0 bis +22 Grad orientiert ist. Die Winkelantwortkurven weisen Maximalwerte 72a, 72b und 72c auf und die Normierungskurve 70 ist durch Interpolation zwischen den Maximalwerten konstruiert. Daraufhin werden auf das System Kalibrierungsverstärkungsparameter angewendet, die auf der Normierungskurve 70 beruhen, um die Normierungskurve auf eine konstante Antwortamplitude von 80 % FSH zu bringen. Unter Verwendung dieser Kalibrierungsverstärkungsparameter wurden daraufhin eine große Menge von Kerben mit Kerbenwinkeln von +1° bis +23° in Inkrementen von 2° mit dem Rohr sowohl in normaler als auch in umgedrehter Orientierung abgetastet. 8 zeigt die resultierende Amplitude nach der Kalibrierung für jede Kerbe. Es ist zu sehen, dass es für alle Kerben eine inakzeptabel große Abweichung (von bis zu 5,8 dB) von der gewünschten Amplitude von 80 % FSH gibt. Die Schlussfolgerung ist, dass die Kalibrierung mit nur einer Winkelantwortkurve von nur 3 Kerben nicht erfolgreich war.
9 zeigt das Ergebnis des Hinzufügens von mehr Statistik zu den Kalibrierungsdaten. Dies wurde durch Aufnahme von Abtastungen über jede Kerbe sowohl in der normalen als auch in der umgedrehten Rohrorientierung und durch Betrachtung des Systems als symmetrisch (d. h. durch die Annahme, dass die Normierungskurven für Kerben mit positiven und negativen Kerbenwinkeln von derselben Größe dieselben sind) erzielt. Somit zeigt 9 für jeden Kerbenwinkel vier Winkelantwortkurven, d. h. normal+, umgedreht+, normal- und umgedreht-. Eine Normierungskurve 90 wird durch Interpolation zwischen den durchschnittlichen Maximalwerten (nicht gezeigt) der vier Winkelantwortkurven für jeden Kerbenwinkel konstruiert.
10 vergleicht die mit drei verschiedenen Verfahren erhaltenen Normierungskurven. Die mit „3 Kerben - 7“ bezeichnete Kurve und ihre Polynomanpassung entsprechen der Normierungskurve 70 in 7, die nur mit normaler Rohrorientierung und ohne Symmetrieannahme erhalten wurde. Die mit „3 Kerben - 9“ bezeichnete Kurve und ihre Polynomanpassung entsprechen der Normierungskurve 90 in 9, die sowohl mit normaler als auch mit umgedrehter Rohrorientierung erhalten wurde und die sowohl positive als auch negative Kerbenwinkel enthält. Die mit „alle Kerben“ bezeichnete Kurve entspricht Messungen unter Verwendung einer großen Menge von Kerben mit Kerbenwinkeln von +1° bis +23° in Inkrementen von 2°, sodass diese Kurve die genaueste Darstellung der richtigen Normierungskurve ist. Es ist zu sehen, dass die Polynomanpassung für „3 Kerben - 9“ eng der Polynomanpassung für „alle Kerben“ entspricht, während die Polynomanpassung für „3 Kerben - 7“ wesentlich abweicht. Somit ermöglicht die Verwendung zusätzlicher Daten, die durch Umkehr der Rohrorientierung und Verwendung symmetrisch gegenüberliegender Kerbenwinkel erhalten werden, eine Normierungskurve, die von nur 3 Kerben abweicht und eng der von einer großen Anzahl (12 oder mehr) vom Kerben hergeleiteten Normierungskurve entspricht. Es wird angemerkt, dass dies ein neuer und wichtiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist.
Die Normierungskurven der vorhergehenden Figuren wurden durch Interpolation zwischen Maxima oder durchschnittlichen Maxima der Winkelantwortkurven unter Verwendung einer einfachen Polynomanpassungsprozedur hergeleitet. Die folgende Beschreibung in Verbindung mit 11-15 ist eine Übersicht über eine optionale Erweiterung der Anpassungsverfahren, die für jede Winkelantwortkurve ein Anpassungsmodell und die Herleitung einer Einhüllenden für die Normierungskurve enthält.
11A zeigt eine Anpassung an eine empirische Winkelantwortkurve unter Verwendung einer Lorentz-Funktion der Form: $L (γ) = \frac{c_{1} + c_{2} (γ - c_{4})}{1 + c_{3} {(γ - c_{4})}^{2}},$
wobei
c₁ der maximale Amplitudenwert über den Bereich des Rx- Winkels χ (nicht schiefer Fall) ist,
c₂ der Parameter der Schiefe ist,
c₃ der Breitenparameter ist,
c₄ der Wert des Rx-Winkels χ bei der Position des Maximums ist.
Die Werte der für die Anpassung verwendeten Parameter c_n sind wie in dem Eckeinsatz in 11A gezeigt. Es ist festgestellt worden, dass eine solche Lorentz-Funktion innerhalb des Bereichs der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung für alle Winkelantwortkurven eine gute Anpassung bereitstellen kann.
11B stellt ein Verfahren dar, durch das Lorentz-Anpassungen für Winkelantwortkurven, die drei Kerbenwinkeln entsprechen, verwendet werden können, um eine vollständige Menge von Lorentz-Kurven zu erzeugen, die irgendeinem Kerbenwinkel innerhalb des anwendbaren Bereichs zugeordnet werden können. In 11B stellt ein Graph 110 die Lorentz-Anpassung für eine Winkelantwortkurve für die n-te Kerbe dar, wobei die Lorentz-Anpassungsparameter c₁ ⁿ, c₂ ⁿ, c₃ ⁿ und c₄ ⁿ sind. Ein Graph 112 stellt Lorentz-Anpassungen für drei Kerben mit Kerbenwinkeln θ¹, θ² und θ³ und mit c-Parametern c_i ¹, c_i ² und c_i ³ mit i = 1, 2, 3 und 4 dar. In dem Graphen 114 sind c₄ ¹, c₄ ² und c₄ ³ gegen θ¹, θ² und θ³ graphisch dargestellt und sind die drei Punkte auf dem Graphen mit einem Polynom angepasst. In dem Graphen 116 sind c₄ ¹, c₄ ² und c₄ ³ gegen c₁ ¹, c₁ ² und c₁ ³ graphisch dargestellt und sind die drei Punkte auf dem Graphen mit einer Gauß-Funktion oder mit einem Polynom angepasst. In dem Graphen 117 sind c₄ ¹, c₄ ² und c₄ ³ gegen c₂ ¹, c₂ ² und c₂ ³ graphisch dargestellt und sind die drei Punkte auf dem Graphen mit einer Gauß-Funktion oder mit einem Polynom angepasst. In dem Graphen 118 sind c₄ ¹, c₄ ² und c₄ ³ gegen c₃ ¹, c₃ ² und c₃ ³ graphisch dargestellt und sind die drei Punkte auf dem Graphen mit einer Gauß-Funktion oder mit einem Polynom angepasst.
Der Regressionsprozess aus 11B wird für alle Winkelantwortkurven (einschließlich der umgedrehten Orientierung und der Ausrichtung mit negativen Tx) und für jede der drei Kerben wiederholt. 12 zeigt ein Beispiel des Ergebnisses dieses Regressionsprozesses für 3 Kerben, jeweils mit 4 Winkelantwortkurven. Mit diesen Daten können die wahrscheinlichsten Parameterwerte der Lorentz-Funktion über den vollständigen Bereich von Kerbenwerten θ bestimmt werden und kann die Einhüllende der wahrscheinlichsten Werte bestimmt werden. 13A zeigt die wahrscheinlichsten Lorentz-Funktionen auf der Grundlage der Referenzdatenmenge aus 9. Die vielen in 13A dargestellten Kurven sind für eine eng aneinanderliegende Reihe von Werten des Kerbenwinkels θ (θ = 0° bis 22° in Schritten von 1°) graphisch dargestellt und sind in Übereinstimmung mit der Evolution der geschätzten Lorentz-c-Parameter über den interessierenden Bereich von Kerbenwinkeln θ die wahrscheinlichsten. Eine Kurve 130 bildet die Einhüllende der übereinander angeordneten Lorentz-Kurven und entspricht der Normierungskurve für das System. Im Prinzip repräsentiert die Kurve 130 das maximal detektierbare Signal von irgendeinem Kerbenwinkel θ und ist somit eine gute Kalibrierungsreferenz.
Wenn aus den mehreren Datenregressionen die Einhüllendenkurve 130 bestimmt worden ist, ist es möglich, nach einer geeigneten Auswahl von Rx-Winkeln zur Verwendung für die Prüfung zu suchen. Es versteht sich, dass eine hochdichte Abtastung des Rx-Winkels wegen Vorrichtungs- und Produktivitätsbeschränkungen nicht ausführbar ist. Durch den Nutzer wird eine gewünschte Anzahl für die Prüfung zu verwendender Rx-Winkel spezifiziert und mittels eines nutzerdefinierten Antworthomogenitätsziels für alle Kerben innerhalb des Bereichs werden die optimalen Werte für diese Winkel bestimmt. 13B stellt ein Antworthomogenitätsziel 132 dar, das 2 dB unter der Normierungskurve 130 liegt. Die Bedeutung des Antworthomogenitätsziels 132 ist, dass alle Kerben innerhalb des interessierenden θ-Bereichs eine erwartete Detektionsamplitude zwischen der Kurve 130, die die wahrscheinlichste maximale Antwort ist, und dem Homogenitätsziel 132 haben sollten. Es wird angemerkt, dass der Wert von 2 dB in 13B eine mögliche Nutzerauswahl für das Homogenitätsziel repräsentiert, dass aber irgendeine Wahl möglich ist und dass alle innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Die Auswahl von Rx-Kanälen wird durch Konstruieren der Lorentz-WinkelAntwortkurven L(χ, θ_min) und L(χ, θ_max), wie sie durch Gleichung (1) für den Minimal- und für den Maximalwert θ_min und θ_max des gewünschten Kerbenwinkelbereichs bestimmt werden, ausgeführt. Die Kurven L(χ, θ_min) und L(χ, θ_max) werden in 13B übereinandergelegt (nicht gezeigt) und es werden ein minimaler und ein maximaler Rx-Winkel χ_min und χ_max in der Weise ausgewählt, dass eine erwartete Antwortamplitude erhalten wird, die zwischen der Normierungskurve 130 und dem Homogenitätsziel 132 liegt. Nachdem χ_min und χ_max ausgewählt worden sind, können die verbleibenden Rx-Kanäle durch Spezifizieren von Werten von χ, die zwischen χ_min und χ_max äquidistant sind, ausgewählt werden.
14A ist eine Darstellung der wahrscheinlichsten Rx-Winkelantwortkurven für OD-Kerben mit Winkeln θ innerhalb des interessierenden Bereichs und zeigt fünf ausgewählte Rx-Kanäle (vertikale Strichlinien) bei Rx-Winkeln von -0,5, 1,5, 3,5, 5,5 und 7,5 Grad. In der Figur sind jedem Rx-Kanal auf der Grundlage der Kapazität eines gegebenen Kanals zum Detektieren einer gegebenen Kerbe mit einer Amplitude über dem Homogenitätsziel 132 eine Anzahl von Winkelantwortkurven zugeordnet. Ein spezifisches Beispiel der Zuordnung ist in 14B dargestellt, in der nur Winkelantwortkurven gezeigt sind, die dem Rx-Winkel von 1,5 Grad zugeordnet sind. Es ist zu sehen, dass die zugeordneten Winkelantwortkurven bei dem zugeordneten Rx-Winkel χ = 1,5 Grad alle Werte zwischen der Normierungskurve 130 und dem Homogenitätsziel 132 aufweisen.
Aus den zugeordneten Winkelantwortkurven aus 14A und 14B kann für jeden der ausgewählten Rx-Kanäle die erwartete Antwort als eine Funktion des Kerbenwinkels bestimmt werden. In 15 zeigen die Kurven 150, 152, 154, 156 und 158 die erwartete Antwortamplitude als Funktion des Kerbenwinkels jeweils für Rx-Winkel von -0,5, 1,5, 3,5, 5,5 und 7,5 Grad. Die Amplitude ist bei jedem Rx-Kanal auf eine maximale Antwort von 80 % kalibriert worden. Mit einer Ausnahme bei etwa 4 Grad ist die Antwort für jeden Kerbenwinkel innerhalb des Bereichs von 0 bis 22 Grad immer größer als 63 %, was einer Amplitudenverringerung von 2 dB entspricht, wie sie durch das Homogenitätsziel 132 spezifiziert ist.
Wenn die Rx-Kanäle ausgewählt worden sind, können Kalibrierungsziele für irgendeine ausgewählte Kalibrierungskerbe hergeleitet werden. Für einen Rx-Kanal bei χ = χ_m ist der Verstärkungsfaktor, der notwendig ist, um für die maximale Kerbenantwort eine Amplitude von 80 % FSH zu erzielen, durch $g (χ_{m}) = 80 / C (χ_{m})$
gegeben, wobei C(χ_m) der Wert der Normierungskurve 130 bei dem Empfangswinkel χ_m ist. Allerdings wird die maximale Antwort für die ausgewählte Kerbe wahrscheinlich nicht bei dem Empfangswinkel χ_m auftreten. Die erwartete Antwortamplitude r(χ_m) ist durch den Wert der wahrscheinlichsten Winkelantwortkurve der ausgewählten Kerbe bei χ = χ_m gegeben. Somit ist das Kalibrierungsziel für die ausgewählte Kerbe bei dem Empfangswinkel χ_m durch: $Kalibrierungsziel = g (χ_{m}) r (χ_{m})$
oder $Kalibrierungsziel = 80 (χ_{m}) / C (χ_{m})$
gegeben.
Es wird angemerkt, dass der Normierungsschritt 300 (siehe 3) im Allgemeinen für jede ausgewählte Kalibrierungskerbe und für jeden Rx-Winkel vier verschiedene Kalibrierungsziele erzeugt, da es vier Winkelantwortkurven gibt, die den Orientierungen normal+, umgedreht+, normal- und umgedreht- entsprechen. Die Kalibrierungsziele sind in der Systemkalibrierungsdefinition 330 enthalten. Daraufhin verwendet der Systemkalibrierungsschritt 320 nur diejenigen Kalibrierungsziele, die für die für die Systemkalibrierung verwendete Systemorientierung geeignet sind.
Außerdem wird angemerkt, dass die hier beschriebene Lorentz-Anpassungsprozedur optional ist und dass irgendeine geeignete Anpassungsprozedur verwendet werden kann. Zum Beispiel zeigt 16 Kalibrierungen und Rx-Kanalauswahlen, die aus den Daten in 9 hergeleitet wurden. Die Normierungskurve 90 ist durch Interpolation zwischen durchschnittlichen Maximalwerten der Rx-Winkelantwortkurven aus 9 hergeleitet worden. In 16 ist nur die Rx-Winkelantwortkurve normal+ für jede Kerbe gezeigt, da dies die für die Kalibrierung zu verwendende Orientierung ist. Wie durch die vertikalen Doppellinien in 16 gezeigt ist, sind für diese Normierung die ausgewählten Rx-Kanäle χ_m = 2, 3, 4, 5 und 6 Grad. Durch Anwendung von Gleichung (4) mit C(χ), was der Normierungskurve 90 entspricht, kann gezeigt werden, dass die geeigneten Kalibrierungsziele 78 % FSH-Ziel bei Rx = 2° bei der 0°-Kerbe (der Schnittpunkt 142), 68 % FSH-Ziel bei Rx = 3° bei der 0°-Kerbe (der Schnittpunkt 143), 64 % FSH-Ziel bei Rx = 4° bei der 11°-Kerbe (der Schnittpunkt 144), 65 % FSH-Ziel bei Rx = 5° bei der 11°-Kerbe (der Schnittpunkt 145) und 87 % FSH-Ziel bei Rx = 6° bei der 22°-Kerbe (der Schnittpunkt 146) sind.

Claims

Phased-array Ultraschallprüfsystem mit einem Kalibrierungssystem, wobei das Kalibrierungssystem umfasst: ein Kalibrierungsobjekt mit einer Achse mit einer Axialrichtung, wobei das Kalibrierungsobjekt eine Mehrzahl von Fehlern aufweist, wobei jeder Fehler eine lange Richtung aufweist, die in Bezug auf die Axialrichtung einen Fehlerwinkel bildet; wenigstens eine phased-array Sonde mit einer Sondenoberfläche, die schalltechnisch mit dem Kalibrierungsobjekt gekoppelt ist, wobei jede der wenigstens einen phased-array Sonde wenigstens eine Öffnung aufweist, die ein Ultraschallbündel emittiert und von jedem der Mehrzahl von Fehlern unter einer Reihe von Empfangswinkeln in Bezug auf eine Normalenrichtung der Sondenoberfläche eine maximale Echoantwort empfängt; eine Erfassungseinheit, die dafür konfiguriert ist, Abtastdaten von der wenigstens einen Sonde zu erfassen; einen Prozessor, der dafür konfiguriert ist, eine Systemkalibrierungsdatenbank zu erzeugen, wobei der Prozessor umfasst: einen Winkelantwortkurvengenerator, der dafür konfiguriert ist, für jeden der Mehrzahl von Fehlern Winkelantwortkurven zu erzeugen, wobei die Winkelantwortkurven graphische Darstellungen der maximalen Echoantwort als eine Funktion des Empfangswinkels sind; einen Normierungskurvengenerator, der dafür konfiguriert ist, eine Normierungskurve zu erzeugen, wobei die Normierungskurve eine graphische Darstellung eines wahrscheinlichsten maximalen Echoantwortwerts als eine Funktion des Empfangswinkels ist; eine Empfangskanalauswahleinrichtung, die dafür konfiguriert ist, eine Mehrzahl von Empfangskanälen auszuwählen, wobei jeder Empfangskanal einem ausgewählten Empfangswinkel entspricht; und einen Kalibrierungszielgenerator, der dafür konfiguriert ist, eine Mehrzahl von Kalibrierungszielen zu erzeugen, wobei jedes Kalibrierungsziel in der Weise definiert ist, dass es die Normierungskurve nach der Kalibrierung auf ein vorgegebenes Niveau bringt, wobei jedes Kalibrierungsziel ein Ziel für die maximale Echoantwort von einem einer Mehrzahl von Kalibrierungsfehlern bei einem entsprechenden Empfangskanal ist und wobei die Kalibrierungsfehler Ausgewählte der Mehrzahl von Fehlern sind; und wobei die Systemkalibrierungsdatenbank die Mehrzahl von Empfangskanälen und die Kalibrierungsziele für die Kalibrierungsfehler umfasst.
Prüfsystem nach Anspruch 1, wobei das Kalibrierungsobjekt ein Kalbrierungsrohr ist.
Prüfsystem nach Anspruch 2, wobei die Mehrzahl von Fehlern an einer Innenoberfläche des Kalibrierungsrohrs und/oder an einer Außenoberfläche des Kalibrierungsrohrs herausgearbeitet ist.
Prüfsystem nach Anspruch 2, wobei das Kalibrierungsrohr während der Erfassung der Abtastdaten um die Achse rotiert wird und in der Axialrichtung verschoben wird.
Prüfsystem nach Anspruch 4, wobei die Abtastdaten Daten umfassen, die mit dem Kalibrierungsrohr in einer normalen Orientierung und in einer umgekehrten Orientierung erfasst werden, wobei das Kalibrierungsrohr umgedreht wird, um die Axialrichtung zwischen der normalen und der umgekehrten Orientierung umzukehren.
Prüfsystem nach Anspruch 4, wobei die wenigstens eine Sonde zwei Sonden umfasst, wobei die zwei Sonden in der Weise montiert sind, dass die zwei Normalenrichtungen der Sondenoberflächen in Bezug auf eine Kalibrierungsrohroberflächennormale gleiche und gegenüberliegende Winkel bilden und wobei die durch die zwei Sonden erfassten Abtastdaten im Wesentlichen äquivalent den Abtastdaten einer Einzelsondenerfassung sind, bei der das Kalibrierungsrohr während der Einzelsondenerfassung umgedreht wird, um die Axialrichtung umzukehren.
Prüfsystem nach Anspruch 4, wobei die wenigstens eine Sonde eine zweidimensionale Matrixsonde mit einer ersten Dimension in einer Ebene senkrecht zu der Axialrichtung und mit einer zweiten Dimension parallel zu der Axialrichtung umfasst, wobei die Matrixsonde dafür konfiguriert ist, Daten in zwei Matrixempfangsrichtungen in der ersten Dimension zu empfangen, wobei die zwei Matrixempfangsrichtungen in Bezug auf eine Oberflächennormale des Kalibrierungsrohrs gleiche und gegenüberliegende Winkel bilden und wobei die durch die zweidimensionale Matrixsonde erfassten Abtastdaten in der zweiten Dimension äquivalent den Abtastdaten einer Einzelsondenerfassung sind, wobei das Kalibrierungsrohr während der Einzelsondenerfassung umgedreht wird, um die Axialrichtung umzukehren.
Prüfsystem nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Fehlern Fehlerpaare umfasst, wobei die Fehlerwinkel jedes Paars ein positiver Fehlerwinkel und ein negativer Fehlerwinkel sind, wobei der positive Fehlerwinkel gleich und gegenüberliegend dem negativen Fehlerwinkel ist und wobei der Winkelantwortkurvengenerator für jedes Fehlerpaar zwei Winkelantwortkurven erzeugt, wobei die zwei Winkelantwortkurven dem positiven Fehlerwinkel und dem negativen Fehlerwinkel entsprechen.
Prüfsystem nach Anspruch 5, wobei die Mehrzahl von Fehlern Fehlerpaare umfasst, wobei die Fehlerwinkel jedes Paars ein positiver Fehlerwinkel und ein negativer Fehlerwinkel sind, wobei der positive Fehlerwinkel gleich und gegenüberliegend zu dem negativen Fehlerwinkel ist und wobei der Winkelantwortkurvengenerator für jedes Fehlerpaar vier Winkelantwortkurven erzeugt, wobei die vier Winkelantwortkurven Kombinationen der normalen Orientierung und der umgedrehten Orientierung mit dem positiven Fehlerwinkel und mit dem negativen Fehlerwinkel entsprechen.
Prüfsystem nach Anspruch 8, wobei der wahrscheinlichste maximale Echoantwortwert für jedes Fehlerpaar ein Durchschnittswert von Maxima der zwei Winkelantwortkurven ist.
Prüfsystem nach Anspruch 9, wobei der wahrscheinlichste maximale Echoantwortwert für jedes Fehlerpaar ein Durchschnittswert von Maxima der vier Winkelantwortkurven ist.
Prüfsystem nach Anspruch 9, das ferner eine Konsistenzüberprüfungseinheit umfasst, die dafür konfiguriert ist, die Konsistenz der vier Winkelantwortkurven zu überprüfen und inkonsistente Winkelantwortkurven zu entfernen, wobei die inkonsistenten Winkelantwortkurven eine oder mehrere der vier Winkelantwortkurven sind, die von einem nutzerdefinierten Konsistenzkriterium abweichen.
Prüfsystem nach Anspruch 1, wobei der Winkelantwortkurvengenerator eine Kurvenanpassungsfunktion mit Anpassungsparametern zum Erzeugen angepasster Kurven für jede der Winkelantwortkurven und Parameteranpassungsfunktionen zum Anpassen der Abhängigkeit eines jeden der Anpassungsparameter von dem Fehlerwinkel nutzt.
Prüfsystem nach Anspruch 13, wobei der Winkelantwortkurvengenerator die Parameteranpassungsfunktionen zum Konstruieren angepasster Winkelantwortkurven für eine Reihe von Fehleranpassungswinkeln verwendet, wobei wenigstens einer der Fehleranpassungswinkel nicht einem Fehlerwinkel entspricht.
Prüfsystem nach Anspruch 14, wobei die Normierungskurve einer Einhüllenden der Maximalwerte der angepassten Winkelantwortkurven entspricht.
Prüfsystem nach Anspruch 13, wobei die Kurvenanpassungsfunktion eine Lorentz-Funktion ist.
Verfahren zum Kalibrieren eines phased-array Ultraschallprüfsystems, wobei das Verfahren einen Normierungsschritt und einen Kalibrierungsschritt umfasst; wobei der Normierungsschritt umfasst: Ausführen eines Normierungsabtastens zum Erfassen von Normierungsabtastdaten mit wenigstens einer phased-array Sonde, die schalltechnisch mit einem Kalibrierungsobjekt mit einer Achse mit einer Axialrichtung gekoppelt ist, wobei das Kalibrierungsobjekt eine Mehrzahl von Fehlern aufweist, wobei jeder Fehler eine lange Richtung aufweist, die in Bezug auf die Axialrichtung einen Fehlerwinkel bildet, wobei jede der wenigstens einen phasengesteuerten Sonde wenigstens eine Öffnung aufweist, die ein Ultraschallbündel emittiert und von jedem der Mehrzahl von Fehlern unter einer Reihe von Empfangswinkeln in Bezug auf eine Normalenrichtung der Sondenoberfläche eine maximale Echoantwort empfängt; Erzeugen von Winkelantwortkurven für jeden der Mehrzahl von Fehlern, wobei die Winkelantwortkurven graphische Darstellungen der maximalen Echoantwort als eine Funktion des Empfangswinkels sind; Erzeugen einer Normierungskurve, wobei die Normierungskurve eine graphische Darstellung eines wahrscheinlichsten maximalen Echoantwortwerts als eine Funktion des Empfangswinkels ist; Auswählen einer Mehrzahl von Empfangskanälen, wobei jeder Empfangskanal einem ausgewählten Empfangswinkel entspricht; Erzeugen einer Mehrzahl von Kalibrierungszielen, wobei jedes Kalibrierungsziel in der Weise definiert ist, dass es die Normierungskurve nach der Kalibrierung auf ein vorgegebenes Niveau bringt, wobei jedes Kalibrierungsziel ein Ziel für die maximale Echoantwort von einem einer Mehrzahl von Kalibrierungsfehlern bei einem entsprechenden Empfangskanal ist und wobei die Kalibrierungsfehler Ausgewählte der Mehrzahl von Fehlern sind; und wobei der Kalibrierungsschritt umfasst: Ausführen einer Kalibrierungsabtastung der Kalibrierungsfehler an dem Kalibrierungsobjekt, wobei eine Mehrzahl von Öffnungen von jeder der wenigstens einen phasengesteuerten Sonde Ultraschallbündel emittiert und von den Kalibrierungsfehlern bei den entsprechenden Empfangskanälen die maximalen Echoantworten empfängt; und Kalibrieren der Verstärkung jeder der Mehrzahl von Öffnungen auf der Grundlage der Kalibrierungsziele.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Kalibrierungsobjekt ein Kalibrierungsrohr ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Normierungsabtastung in Bezug auf die Empfangswinkel eine höhere Auflösung als die Kalibrierungsabtastung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Normierungsschritt einmal für ein System-Setup ausgeführt wird und wobei der Kalibrierungsschritt mehrmals in spezifizierten Intervallen ausgeführt wird, um die Kalibrierungsziele zu überprüfen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Mehrzahl von Fehlern an einer Innenoberfläche des Kalibrierungsrohrs und/oder an einer Außenoberfläche des Kalibrierungsrohrs herausgearbeitet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Kalibrierungsrohr während des Ausführens des Normierungsabtastens um die Achse rotiert wird und in der Axialrichtung verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Normierungsabtasten mit dem Kalibrierungsrohr in einer normalen Orientierung und in einer umgekehrten Orientierung ausgeführt wird und wobei das Kalibrierungsrohr umgedreht wird, um die Axialrichtung zwischen der normalen und der umgekehrten Orientierung umzukehren.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die wenigstens eine Sonde zwei Sonden umfasst, wobei die zwei Sonden in der Weise montiert sind, dass die zwei Normalenrichtungen der Sondenoberflächen in Bezug auf eine Kalibrierungsrohroberflächennormale gleiche und gegenüberliegende Winkel bilden und wobei die durch die zwei Sonden erfassten Normierungsabtastdaten äquivalent den Normierungsabtastdaten einer Einzelsondenerfassung sind, wobei das Kalibrierungsrohr während der Einzelsondenerfassung umgedreht wird, um die Axialrichtung umzukehren.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die wenigstens eine Sonde eine zweidimensionale Matrixsonde mit einer ersten Dimension in einer Ebene senkrecht zu der Axialrichtung und mit einer zweiten Dimension parallel zu der Axialrichtung umfasst, wobei die Matrixsonde dafür konfiguriert ist, Daten in zwei Matrixempfangsrichtungen in der ersten Dimension zu empfangen, wobei die zwei Matrixempfangsrichtungen in Bezug auf eine Oberfläche normal zu dem Kalibrierungsrohr gleiche und gegenüberliegende Winkel bilden und wobei die durch die zweidimensionale Matrixsonde in der zweiten Dimension erfassten Normierungsabtastdaten äquivalent den Normierungsabtastdaten einer eindimensionalen Einzelsondenerfassung sind, wobei das Kalibrierungsrohr während der Einzelsondenerfassung umgekehrt wird, um die Axialrichtung umzukehren.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Mehrzahl von Fehlern Fehlerpaare umfasst, wobei die Fehlerwinkel jedes Paars ein positiver Fehlerwinkel und ein negativer Fehlerwinkel sind, wobei der positive Fehlerwinkel gleich und gegenüberliegend von dem negativen Fehlerwinkel ist und wobei der Winkelantwortkurvengenerator für jedes Fehlerpaar zwei Winkelantwortkurven erzeugt, wobei die zwei Winkelantwortkurven dem positiven Fehlerwinkel und dem negativen Fehlerwinkel entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Mehrzahl von Fehlern Fehlerpaare umfasst, wobei die Fehlerwinkel jedes Paars ein positiver Fehlerwinkel und ein negativer Fehlerwinkel sind, wobei der positive Fehlerwinkel gleich und gegenüberliegend von dem negativen Fehlerwinkel ist und wobei der Winkelantwortkurvengenerator für jedes Fehlerpaar vier Winkelantwortkurven erzeugt, wobei die vier Winkelantwortkurven Kombinationen der normalen Orientierung und der umgekehrten Orientierung mit dem positiven Fehlerwinkel und mit dem negativen Fehlerwinkel entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der wahrscheinlichste maximale Echoantwortwert für jedes Fehlerpaar ein Durchschnittswert von Maxima der zwei Winkelantwortkurven ist.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der maximale Echoantwortwert für jedes Fehlerpaar ein Durchschnittswert von Maxima der vier Winkelantwortkurven ist.
Verfahren nach Anspruch 27, das ferner einen Konsistenzüberprüfungsschritt zum Überprüfen der Konsistenz der vier Winkelantwortkurven und zum Entfernen inkonsistenter Winkelantwortkurven umfasst, wobei die inkonsistenten Winkelantwortkurven eine oder mehrere der vier Winkelantwortkurven sind, die von einem nutzerdefinierten Konsistenzkriterium abweichen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Erzeugens von Winkelantwortkurven ferner das Nutzen einer Kurvenanpassungsfunktion mit Anpassungsparametern zum Erzeugen angepasster Kurven für jede der Winkelantwortkurven und von Parameteranpassungsfunktionen zum Anpassen der Abhängigkeit eines jeden der Anpassungsparameter an den Fehlerwinkel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Schritt des Erzeugens von Winkelantwortkurven ferner das Verwenden der Parameteranpassungsfunktionen zum Konstruieren angepasster Winkelantwortkurven für eine Reihe von Fehleranpassungswinkeln umfasst, wobei wenigstens einer der Fehleranpassungswinkel nicht einem Fehlerwinkel entspricht.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Normierungskurve einer Einhüllenden von Maximalwerten der angepassten Winkelantwortkurven entspricht.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Kurvenanpassungsfunktion eine Lorentz-Funktion ist.