DE102018119206A1 - Method for detecting the geometry of an area of an object using ultrasound - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Geometrie eines Bereichs (2c) eines Gegenstandes (2) mittels Ultraschall, bei dem durch Sonden-Elemente (1a bis 11) einzelne Schallwellen zeitversetzt erzeugt und die von einer Reflexionsfläche (3) des Bereichs (2c) des Gegenstandes (2) reflektierten Echos der Schallwellen durch ein oder mehrere der Sonden-Elemente (1a bis 11) erfasst werden, wobei die Gesamtlaufzeiten für die Dauer ab Erzeugung einer Schallwelle bis zur Erfassung ihres Echos gemessen werden.Um das Verfahren dahingehend zu verbessern, dass dieses insgesamt vereinfacht und insbesondere auch für komplexe Werkstücke mit nicht-paralleler Oberfläche ihrer Wände, von einer Seite aus durchführbar ist, werden die nachfolgenden Maßnahmen vorgeschlagen:1a) Messen der einzelnen Gesamtlaufzeiten für eine Vielzahl an Sonden-Elementen (1a bis 11), die das Echo derselben von jeweils einem der Sonden-Elemente (1a bis 11) erzeugten Schallwelle erfassen,1b) Aufstellen einer zugehörigen Laufzeit-Funktion für jede gemessene Gesamtlaufzeit, basierend auf den Ortspositionen des jeweils sendenden und des empfangenden Elementes, wobei die einzelnen Laufzeitkurven (4) aus möglichen Punkten auf der Reflexionsfläche (3) bestehen, und1c) zumindest abschnittsweises Rekonstruieren der Geometrie des Bereichs (2c) des Gegenstandes (2) auf Basis der Schar an Laufzeitkurven (4) mittels analytischer oder numerischer Berechnungen.The invention relates to a method for detecting the geometry of a region (2c) of an object (2) by means of ultrasound, in which individual sound waves are generated with a time delay by probe elements (1a to 11) and which are generated by a reflection surface (3) of the region (2c). of the object (2) reflected echoes of the sound waves are detected by one or more of the probe elements (1a to 11), the total transit times for the period from the generation of a sound wave to the detection of its echo being measured. The following measures are proposed so that this is simplified overall and can be carried out from one side in particular for complex workpieces with a non-parallel surface of their walls: 1a) measuring the individual total run times for a multiplicity of probe elements (1a to 11), which detect the echo of the sound wave generated by one of the probe elements (1a to 11), 1b) setting up one Associated transit time function for each measured total transit time, based on the location positions of the transmitting and receiving elements, the individual transit time curves (4) consisting of possible points on the reflection surface (3), and 1c) at least sectionally reconstructing the geometry of the area (2c ) of the object (2) based on the family of transit time curves (4) by means of analytical or numerical calculations.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Geometrie eines Bereichs eines Gegenstandes mittels Ultraschall, bei dem durch Sonden-Elemente einzelne Schallwellen zeitversetzt erzeugt werden und die von einer Reflexionsfläche des Bereichs des Gegenstandes reflektierten Echos der Schallwellen durch wenigstens einige der Sonden-Elemente erfasst werden, wobei die Laufzeiten für die Dauer ab Erzeugung einer Schallwelle bis zur Erfassung ihres Echos gemessen werden.The invention relates to a method for detecting the geometry of a region of an object by means of ultrasound, in which individual sound waves are generated with a time delay by probe elements and the echoes of the sound waves reflected by a reflection surface of the region of the object are recorded by at least some of the probe elements. the transit times are measured for the duration from the generation of a sound wave until the detection of its echo.
Der Einsatz von Schallwellen ist bereits seit langem für bildgebende Verfahren im Zusammenhang mit der zerstörungsfreien Untersuchung von Gegenständen etabliert, beispielsweise bei Objekten wie Bauteilen, Werkstücken und/oder Rohren. Die mit ihrer Frequenz im Ultraschallbereich liegenden Schallwellen werden hierzu mittels eines Prüfkopfes in den zu untersuchenden Gegenstand eingeleitet. Anhand der Laufzeit einer an einer Reflexionsfläche des Gegenstandes als Echo reflektierten Schallwelle ist in Kenntnis ihrer Geschwindigkeit eine Aussage über den Abstand der Reflexionsfläche relativ zum Prüfkopf möglich.The use of sound waves has long been established for imaging processes in connection with the non-destructive examination of objects, for example in objects such as components, workpieces and / or pipes. For this purpose, the sound waves with their frequency in the ultrasound range are introduced into the object to be examined by means of a test head. On the basis of the transit time of a sound wave reflected as an echo on a reflection surface of the object, knowledge of its speed makes it possible to make a statement about the distance of the reflection surface relative to the test head.
Als Ultraschallwandler (hier auch kurz „Wandler“) werden im Folgenden Systeme bezeichnet, die Ultraschallwellen in einem Gegenstand (beispielsweise dem zu prüfenden Werkstück) erzeugen und/oder detektieren können. Dabei werden Ultraschallsignale (also akustische Schwingungen) in elektrische Signale umgewandelt und umgekehrt. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Konfigurationen, bei denen der Sender und der Empfänger durch den selben Ultraschallwandler dargestellt werden, und solchen, bei denen der Sender und der Empfänger durch zwei örtlich getrennte Ultraschallwandler realisiert werden (dies wird dann als SE-Technik bezeichnet). In vielen Fällen ist der Ultraschallwandler, der zur Erzeugung des Ultraschallpulses benutzt wird, mit dem zur Detektion verwendeten Ultraschallwandler identisch.Systems which can generate and / or detect ultrasonic waves in an object (for example the workpiece to be tested) are referred to below as ultrasonic transducers (here also briefly “transducers”). Ultrasound signals (i.e. acoustic vibrations) are converted into electrical signals and vice versa. A basic distinction is made between configurations in which the transmitter and the receiver are represented by the same ultrasound transducer and those in which the transmitter and the receiver are realized by two spatially separate ultrasound transducers (this is then referred to as SE technology). In many cases, the ultrasound transducer used to generate the ultrasound pulse is identical to the ultrasound transducer used for detection.
Bei der konventionellen Ultraschallprüfung besteht der Ultraschallwandler üblicherweise aus einem Piezokristall, der durch Anlegen einer elektrischen Spannung zum Schwingen angeregt wird beziehungsweise detektierte Schwingungen in elektrische Signale umwandelt. Andere Arten der Ultraschallwandler können Schwingungen beispielsweise elektromagnetisch (auch „EMUS“ oder „EMAT“ genannt) oder laserangeregt erzeugen und/oder generieren. Auch Kombinationen von verschiedenen Techniken in Empfänger und Sender sind bekannt. Ein zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzter Ultraschallwandler wird auch als Prüfkopf bezeichnet.In the conventional ultrasound test, the ultrasound transducer usually consists of a piezo crystal which is excited to vibrate by applying an electrical voltage or converts detected vibrations into electrical signals. Other types of ultrasonic transducers can generate and / or generate vibrations, for example, electromagnetic (also called “EMUS” or “EMAT”) or laser-excited. Combinations of different techniques in the receiver and transmitter are also known. An ultrasonic transducer used for non-destructive material testing is also called a test head.
Eine besondere Art der Prüfköpfe (auch im Falle der SE-Technik) ist die Gruppenstrahlertechnik (auch als Phased-Array-Technik bezeichnet), bei der die dem Werkstück zugewandte akustisch aktive Fläche in eine Vielzahl von einzelnen Ultraschallwandlern unterteilt ist, die durch eine geeignete Elektronik und elektrischer Verschaltung einzeln angesteuert werden können. Durch eine phasenversetzte Ansteuerung einer Teilmenge der Vielzahl von Ultraschallwandlern kann nun ein Schallstrahl mit einstellbarem Einschallwinkel oder Fokuslage erzeugt werden. Durch die elektronisch gesteuerte Schallerzeugung können mit einem einzelnen Prüfkopf in Gruppenstrahlertechnik (auch als Gruppenstrahler oder Gruppenstrahlerprüfkopf bezeichnet) viele verschiedene Einschallwinkel und Fokusabstände realisiert werden („elektronisches Scannen“). Die einzelnen Ultraschallwandler eines Gruppenstrahlers werden im Folgenden auch Sonden-Element oder nur Element genannt.A special type of probe (also in the case of SE technology) is group emitter technology (also known as phased array technology), in which the acoustically active surface facing the workpiece is divided into a large number of individual ultrasonic transducers, which are separated by a suitable one Electronics and electrical interconnection can be controlled individually. A phase-shifted control of a subset of the plurality of ultrasonic transducers can now generate a sound beam with an adjustable insonification angle or focus position. Thanks to the electronically controlled sound generation, many different insonification angles and focal distances can be realized with a single test head using group emitter technology (also referred to as group emitter or group emitter test head) (“electronic scanning”). The individual ultrasonic transducers of a group radiator are also called probe element or element only in the following.
Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden beispielsweise nach dem Puls-Echoverfahren mit Ultraschallwandlern Ultraschallimpulse erzeugt, die über ein Koppelmedium (beispielsweise Wasser) in das Werkstück eingeleitet werden. Trifft der so erzeugte Ultraschallpuls auf ein Hindernis (beispielsweise eine Ungänze) wird dort ein Ultraschallsignal durch Reflektion oder Diffraktion erzeugt, das sich wiederum im Werkstück ausbreitet, durch das Koppelmedium läuft und anschließend von einem Ultraschallwandler detektiert wird.In non-destructive material testing, ultrasonic pulses are generated, for example, using the pulse-echo method with ultrasonic transducers, which are introduced into the workpiece via a coupling medium (for example water). If the ultrasound pulse generated in this way encounters an obstacle (for example a discrepancy), an ultrasound signal is generated there by reflection or diffraction, which in turn propagates in the workpiece, runs through the coupling medium and is subsequently detected by an ultrasound transducer.
Die Amplitude des von dem Ultraschallwandler detektierten elektrischen Signals wird im Allgemeinen als Funktion der Zeit (Laufzeit des Ultraschallsignals) dargestellt. Diese Darstellung bezeichnet man als A-Scan.The amplitude of the electrical signal detected by the ultrasound transducer is generally represented as a function of time (transit time of the ultrasound signal). This is known as an A-scan.
Ein zentraler Begriff in dem nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist der Begriff „Laufzeitkurve“, der im Folgenden erläutert wird. Wird eine von einem Sonden-Element ausgesandte Ultraschallwelle an einer Position reflektiert und die reflektierte Ultraschallwelle von einem Sonden-Element empfangen, so kann die Gesamtlaufzeit der Ultraschallwelle vom sendenden zum empfangenden Element gemessen werden. Das sendende und das empfangende Element können hierbei identisch oder verschieden sein. Aus der Gesamtlaufzeit alleine kann die Position, an der die Reflexion stattgefunden hat, nicht eindeutig bestimmt werden. Die Positionen, an denen eine Reflexion mit der gemessenen Laufzeit stattgefunden haben kann, bilden eine Kurve, die so genannte Laufzeitkurve. Nach Messung der Gesamtlaufzeit vom Aussenden des Signals bis zum Empfang des Echos und Berechnung der Laufzeitkurve ist lediglich bekannt, dass die Reflexion an irgendeinem Punkt auf der Laufzeitkurve stattgefunden hat. An welchem Punkt der Kurve ist jedoch unklar.A central term in the method according to the invention described below is the term “transit time curve”, which is explained below. If an ultrasonic wave emitted by a probe element is reflected at a position and the reflected ultrasonic wave is received by a probe element, the total transit time of the ultrasonic wave can be measured from the transmitting to the receiving element. The sending and the receiving element can be identical or different. The position at which the reflection took place cannot be clearly determined from the total running time alone. The positions at which a reflection with the measured transit time can have taken place form a curve, the so-called transit time curve. After measuring the total transit time from the transmission of the signal to the reception of the echo and calculation of the transit time curve, it is only known that the reflection at some point on the transit time curve has taken place. At which point on the curve is unclear.
Sind das sendende und empfangende Element identisch und erfährt die Ultraschallwelle keinen Übergang von einem Medium in ein anderes Medium, so bildet die Laufzeitkurve einen Kreis um den Schallaustrittspunkt herum. Sind das sendende und empfangende Element verschieden und erfährt die Ultraschallwelle keinen Übergang von einem Medium in ein anderes Medium, so bildet die Laufzeitkurve eine Ellipse, wobei die Positionen des sendenden und empfangenden Ultraschallwandlers genau die Brennpunkte der Ellipse repräsentieren. Im Falle eines Medienüberganges, zum Beispiel von Wasser nach Stahl bei Verwendung einer Wasservorlaufstrecke, ist eine analytische Beschreibung der Laufzeitkurven deutlich schwieriger.If the transmitting and receiving element are identical and the ultrasonic wave does not experience a transition from one medium to another medium, the transit time curve forms a circle around the sound exit point. If the transmitting and receiving element are different and the ultrasound wave does not undergo a transition from one medium to another medium, the transit time curve forms an ellipse, the positions of the transmitting and receiving ultrasound transducer precisely representing the focal points of the ellipse. In the case of a media transfer, for example from water to steel when using a water inlet section, an analytical description of the transit time curves is much more difficult.
Mit der Offenlegungsschrift
Da es sich hierbei um ein iteratives Verfahren handelt, ist die jeweils erforderliche Zeit beziehungsweise die innerhalb einer vorgewählten Zeitspanne erreichbare Genauigkeit im Vorfeld unbekannt. Unabhängig davon ermöglicht das Verfahren nur die Rekonstruktion der jeweils nächsten Grenzfläche, d.h. aus einer Wasservorlaufstrecke heraus die den Sonden-Elementen zugewandte Oberfläche des zu prüfenden Bauteils oder bei Kontakt mit dessen Oberfläche die zugehörige Rückwand. Erst nachdem die Oberfläche vollständig rekonstruiert ist, können auf Basis der vorhandenen Daten etwaige Verzögerungsgesetze für die Laufzeiten der Schallwellen angewendet werden, um dann unter verschiedenen Winkeln in einer konstanten Tiefe des Bauteils quasi in Echtzeit zu fokussieren.Since this is an iterative process, the time required or the accuracy that can be achieved within a preselected period of time is unknown in advance. Regardless of this, the method only allows the reconstruction of the next interface, i.e. the surface of the component to be tested, which faces the probe elements, or, if it comes into contact with its surface, the associated rear wall from a water inlet section. Only after the surface has been completely reconstructed can any delay laws for the propagation times of the sound waves be applied on the basis of the available data, in order to then focus at different angles at a constant depth of the component, in real time.
Aus der
Für eine Dickenmessung der Wände eines Gegenstandes mit komplexer Geometrie, wie zum Beispiel Rohre mit nicht-konstanter Wanddicke, sind die bisher bekannten Verfahren der Ultraschallmessung nicht oder nur sehr eingeschränkt verwendbar. Zwar lassen im selben Abstand zueinander verlaufende und insofern parallele Oberflächen (Oberseite, Unterseite) eine aufgrund der Laufzeitdifferenz zwischen dem von der Ober- und Unterseite reflektierten Echo mögliche Bestimmung der Wanddicke zu, allerdings versagen derartige Verfahren zumeist dann, sobald die Oberflächen zueinander schief, also nicht parallel verlaufen. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass selbst bei paralleler Ausrichtung eines Prüfkopfes gegenüber der Oberseite des Werkstücks nicht bekannt ist, unter welchem Winkel die Schallwellen auf die gegenüberliegende schräge Unterseite auftreffen. Weitere bekannte bildgebende Verfahren wie etwa TFM (Total Focussing Method) oder SAFT (Synthetic Aperture Focussing Technique) erfordern eine mitunter aufwändige Extraktion der jeweiligen Werkstückgeometrie aus der Bildrekonstruktion, für die zunächst eine vollständige Erfassung der A-Scans notwendig ist. Letztlich erfordern auch bekannte optische Verfahren einen Zugang von beiden Seiten einer Wand, was bei Gegenständen mit großen Abmessungen oder hohler Ausgestaltung nur erschwert oder überhaupt nicht möglich ist. Angesichts dieser Beobachtungen bieten die bekannten Ultraschallverfahren zur Untersuchung beziehungsweise Prüfung von Gegenständen daher durchaus noch Raum für Verbesserungen.For a thickness measurement of the walls of an object with a complex geometry, such as pipes with a non-constant wall thickness, the previously known methods of ultrasonic measurement cannot be used or can only be used to a very limited extent. Surfaces running at the same distance from each other and, in this respect, parallel (top, bottom) allow the wall thickness to be determined based on the transit time difference between the echo reflected by the top and bottom, but such methods usually fail as soon as the surfaces are oblique to one another, i.e. do not run in parallel. This is essentially due to the fact that even when a test head is aligned parallel to the upper side of the workpiece, it is not known at what angle the sound waves strike the opposite oblique underside. Other well-known imaging methods such as TFM (Total Focussing Method) or SAFT ( Synthetic Aperture Focussing Technique) sometimes require a complex extraction of the respective workpiece geometry from the image reconstruction, for which a complete acquisition of the A-scans is first necessary. Ultimately, known optical methods also require access from both sides of a wall, which is difficult or impossible at all for objects with large dimensions or a hollow design. In view of these observations, the known ultrasonic methods for examining or testing objects therefore still offer room for improvement.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erfassen der Geometrie der Wanddicke eines Gegenstandes dahingehend zu verbessern, dass dieses insgesamt vereinfacht und insbesondere auch für komplexe Werkstücke mit nicht-paralleler Oberfläche ihrer Wände von einer Seite aus durchführbar ist.Against this background, the object of the present invention is to improve a method for detecting the geometry of the wall thickness of an object in such a way that it is simplified overall and in particular can also be carried out from one side for complex workpieces with a non-parallel surface of their walls.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method with the features of
Erfindungsgemäß bietet das Verfahren zum Erfassen der Geometrie eines Bereichs eines Gegenstandes mittels Ultraschall, bei dem durch Sonden-Elemente einzelne Schallwellen zeitversetzt erzeugt und die von einer Reflexionsfläche des Bereichs des Gegenstandes reflektierten Echos der Schallwellen durch ein oder mehrere der Sonden-Elemente erfasst und wobei die Gesamtlaufzeiten für die Dauer ab Erzeugung einer Schallwelle bis zur Erfassung ihres Echos gemessen werden, welches durch die nachfolgenden Maßnahmen gekennzeichnet ist:
- 1a) Messen der einzelnen Gesamtlaufzeiten für eine Vielzahl an Sonden-Elementen , die das Echo derselben von jeweils einem der Sonden-Elemente erzeugten Schallwelle erfassen,
- 1b) Aufstellen einer zugehörigen Laufzeit-Funktion für jede gemessene Gesamtlaufzeit, basierend auf den Ortspositionen des jeweils sendenden und des empfangenden Elementes, wobei die einzelnen Laufzeitkurven aus möglichen Punkten auf der Reflexionsfläche bestehen, und
- 1c) zumindest abschnittsweises Rekonstruieren der Geometrie des Bereichs des Gegenstandes auf Basis der Schar an Laufzeitkurven mittels analytischer oder numerischer Berechnungen,
- 1a) measuring the individual total transit times for a multiplicity of probe elements which detect the echo of the same from each sound wave generated by one of the probe elements,
- 1b) setting up an associated transit time function for each measured total transit time, based on the location positions of the transmitting and the receiving element, the individual transit time curves consisting of possible points on the reflection surface, and
- 1c) at least sectionally reconstructing the geometry of the area of the object on the basis of the family of runtime curves by means of analytical or numerical calculations,
Erfindungsgemäß wird nun im Kern vorgeschlagen, für verschiedene Kombinationen aus Schallwellen sendenden und diese in Form von Echos empfangenden Sonden-Elementen bevorzugt ausschließlich die hierzu erfassten Werte für die Gesamtlaufzeiten der Schallwellen zu nutzen, um mittels eines geeigneten Algorithmus die jeweilige Geometrie eines Bereichs des zu untersuchenden Gegenstandes direkt aus den Gesamtlaufzeiten zu rekonstruieren.According to the invention, it is now basically proposed to use, for various combinations of sound elements that transmit sound waves and receive them in the form of echoes, preferably only the values recorded for this purpose for the total transit times of the sound waves in order to use a suitable algorithm to determine the respective geometry of a region of the area to be examined To reconstruct the object directly from the total run times.
Der Begriff „Gesamtlaufzeit“ meint dabei die Summe aus den Werten der erforderlichen Zeit für die einfache Strecke (Hinweg) einer Schallwelle von einem Sonden-Element hin zu einer Reflexionsfläche des Gegenstandes und der anschließend erforderlichen Zeit für die einfache Strecke (Rückweg) der reflektierten Schallwelle in Form eines Echos zurück zu einem Sonden-Element. Anders als zum Beispiel bei bildgebenden Rekonstruktionsverfahren ist es hier nicht notwendig, die vollständigen A-Scans zu speichern, was eine drastische Reduzierung der zu übertragenen Ultraschalldaten zur Folge hat.The term “total transit time” means the sum of the values of the time required for the simple distance (one way) of a sound wave from a probe element to a reflection surface of the object and the time required for the simple distance (way back) of the reflected sound wave in the form of an echo back to a probe element. In contrast to, for example, imaging reconstruction methods, it is not necessary to save the complete A-scans here, which results in a drastic reduction in the ultrasound data to be transmitted.
Im Kern senden somit mehrere Elemente nacheinander, das heißt zeitlich versetzt, Ultraschallsignale, wobei die ausgesendeten Signale von jeweils einem oder mehreren Elementen empfangen werden. Zu jedem empfangenen Signal wird die Laufzeit einer eventuellen Reflexion extrahiert. Basierend auf den Positionen des jeweils sendenden und des empfangenden Elements werden zu allen Laufzeiten die zugehörigen Laufzeitkurven bestimmt. Somit ergibt sich schließlich für eine Prüfkopfposition eine Kurvenschar, auf der eine Vielzahl an Reflexionspunkten liegt.In essence, several elements send ultrasound signals in succession, that is to say at different times, the transmitted signals being received by one or more elements in each case. The runtime of a possible reflection is extracted for each received signal. Based on the positions of the sending and receiving elements, the associated transit time curves are determined for all transit times. This finally results in a family of curves for a test head position on which there are a large number of reflection points.
Zur Rekonstruktion der eigentlichen zu bestimmenden Geometrie aus dieser Kurvenschar werden nun zwei vorteilhafte erfindungsgemäße Verfahrensvarianten beschrieben.For the reconstruction of the actual geometry to be determined from this family of curves, two advantageous method variants according to the invention will now be described.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Verfahrensvariante wird die Geometrie des Bereichs des Gegenstandes zumindest abschnittsweise an einer Prüfkopfposition in Form einer an die Schar der Laufzeitkurven entsprechend der Prüfkopfanordnung gewählten Einhüllenden extrahiert beziehungsweise rekonstruiert. Dies bedeutet, dass zunächst festgestellt wird, dass sich für eine feste Prüfkopfposition die Schar der Laufzeitkurven in einem bestimmten Bereich an die zu bestimmende Geometrie anschmiegt. Durch Berechnung einer Einhüllenden an die Kurvenschar wird dann die zu bestimmende Geometrie in dem vorher bestimmten Bereich abhängig von der Position des Prüfkopfes beschrieben.According to a first advantageous method variant, the geometry of the area of the object is extracted or reconstructed at least in sections at a test head position in the form of an envelope selected for the family of transit time curves in accordance with the test head arrangement. This means that it is first determined that the family of runtime curves clings to the geometry to be determined in a certain area for a fixed probe head position. By calculating an envelope on the family of curves, the geometry to be determined is then described in the previously determined area depending on the position of the test head.
Die Einhüllende an die Kurvenschar wird hierbei aus der dem Prüfkopf entgegengesetzten Richtung gebildet. Ist der Prüfkopf also beispielsweise auf der Oberseite des Prüfstücks positioniert, so wird die untere Einhüllende gebildet.The envelope to the family of curves is formed from the opposite direction to the test head. So is the test head open, for example positioned on the top of the test piece, the lower envelope is formed.
Dann werden vorteilhafterweise an weiteren Prüfkopfpositionen jeweils die Einhüllenden der Laufzeitkurven rekonstruiert und durch die Bildung einer Gesamteinhüllenden an die Vielzahl an einzelnen Einhüllenden wird die Geometrie des gesamten Bereiches rekonstruiert. Hierfür wird der Prüfkopf nun verschoben und dieses Verfahren an weiteren Prüfkopf-Positionen durchgeführt, so erhält man weitere Einhüllende, die die zu bestimmende Geometrie in anderen Bereichen beschreiben. Durch das weitere Bilden einer entsprechenden Einhüllenden an diese Vielzahl von einzelnen Einhüllenden kann schließlich eine finale Repräsentation der zu bestimmenden Geometrie erlangt werden.The envelopes of the transit time curves are then advantageously reconstructed at further test head positions, and the geometry of the entire region is reconstructed by forming an overall envelope to the large number of individual envelopes. For this purpose, the test head is now moved and this method is carried out at further test head positions, so that additional envelopes are obtained which describe the geometry to be determined in other areas. A further representation of the geometry to be determined can finally be obtained by further forming an appropriate envelope on this plurality of individual envelopes.
In der zweiten vorteilhaften Verfahrensvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass für zwei oder mehrere ein Echo empfangende Sonden Elemente aus der zeitlichen Differenz des empfangenen Echos eine gemittelte Richtung des eintreffenden Schallsignals berechnet und daraus der Schnittpunkt des Schallstrahls mit einer zugehörigen Laufzeitkurve errechnet wird.In the second advantageous method variant of the invention it is provided that for two or more probes receiving an echo, elements from the temporal difference of the received echo calculate an average direction of the incoming sound signal and from this the intersection of the sound beam with an associated transit time curve is calculated.
Diese Elemente sind vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, nebeneinander und somit benachbart angeordnet. Aus der zeitlichen Differenz des Echo-Empfangs bei den empfangenden Elementen kann nun eine gemittelte Richtung des eintreffenden Schalls berechnet werden.These elements are preferably, but not necessarily, arranged next to one another and thus adjacent. An average direction of the incoming sound can now be calculated from the time difference of the echo reception in the receiving elements.
Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass die verwendete Laufzeitkurve zu der Ortsposition des Senders und der Ortsposition eines der verwendeten empfangenen Elemente oder einer gemittelten Ortsposition der empfangenden Elemente gehört. Furthermore, it is advantageously provided that the transit time curve used belongs to the location position of the transmitter and the location position of one of the received elements used or an averaged location position of the receiving elements.
Hierbei wird zu den empfangenden Elementen eine gemittelte Ortskoordinate bestimmt, von der aus der Schall in die zuvor berechnete Richtung auf einem Schallstrahl zurückverfolgt werden kann. Der Schnittpunkt dieses Schallstrahls mit der zugehörigen Laufzeitkurve bildet sodann einen Reflexionspunkt auf der gesuchten Geometrie.Here, an averaged position coordinate is determined for the receiving elements, from which the sound can be traced back in the previously calculated direction on a sound beam. The intersection of this sound beam with the associated transit time curve then forms a reflection point on the geometry sought.
Sollten sich zwischen den Prüfkopf-Elementen und den möglichen Reflexionspunkten ein oder mehrere Medienübergänge (Grenzflächen), zum Beispiel bei einer Wasservorlaufstrecke befinden, so können diese bei der Rückverfolgung des Schallstrahls leicht berücksichtigt werden.If there are one or more media transitions (interfaces) between the test head elements and the possible reflection points, for example in the case of a water inlet section, these can easily be taken into account when tracing the sound beam.
Das Durchführen dieses Verfahrens für verschiedene Sender-Empfänger-Kombinationen ergibt dann eine Vielzahl an Reflexionspunkten, die auf der gesuchten Geometrie liegen. Wieder ergibt ein Verschieben des Prüfkopfes eine Menge an Punkten an weiteren Prüfkopfpositionen auf der gesuchten Geometrie, die zusammengenommen eine finale Repräsentation der zu bestimmenden Geometrie bilden.Carrying out this method for different transmitter-receiver combinations then results in a large number of reflection points which lie on the geometry sought. Again, moving the test head results in a number of points at further test head positions on the geometry sought, which together form a final representation of the geometry to be determined.
In beiden erfindungsgemäßen Verfahrensvarianten ist es vorstellbar, die Amplitude des empfangenen Signals mit zu berücksichtigen, um beispielsweise eine Gewichtung des zugehörigen Teils der gesuchten Geometrie zu erhalten.In both variants of the method according to the invention, it is conceivable to also take the amplitude of the received signal into account in order, for example, to obtain a weighting of the associated part of the geometry sought.
Zudem ist es mit den erfindungsgemäßen Verfahren möglich, aus der Kenntnis einer Grenzfläche mit gleichen Mitteln immer die nächste Grenzfläche zu berechnen, wenn mit Hilfe des Fermat'schen Prinzips die Laufzeiten zu Punkten hinter der Grenzfläche berechnet werden.In addition, the method according to the invention makes it possible to always calculate the next interface from the knowledge of an interface using the same means, if the transit times are calculated at points behind the interface using Fermat's principle.
Die oben verwendeten Prüfkopf-Elemente können erfindungsgemäß Elemente eines Gruppenstrahlers oder einzelne konventionelle Prüfköpfe sein.According to the invention, the test head elements used above can be elements of a group radiator or individual conventional test heads.
Im Rahmen der Erfindung wird es grundsätzlich als vorteilhaft angesehen, wenn die Geometrie des Werkstückbereichs ausschließlich auf Basis der gemessenen Laufzeiten rekonstruiert wird.In the context of the invention, it is fundamentally considered advantageous if the geometry of the workpiece area is reconstructed exclusively on the basis of the measured transit times.
Ungeachtet hiervon ist selbstverständlich denkbar, dass überdies auch die den erfassten Echos zugehörigen Amplituden der Ultraschallsignale mitverwendet werden. Diese können bei der Berechnung der Einhüllenden genutzt werden, um hierbei beispielsweise wenigstens einen Teilabschnitt der Reflexionsfläche in Bezug auf dessen Echointensität zu gewichten.Regardless of this, it is of course conceivable that the amplitudes of the ultrasound signals associated with the detected echoes are also used. These can be used in the calculation of the envelope, for example in order to weight at least a portion of the reflection surface in relation to its echo intensity.
Hiernach kann die Berücksichtigung von Amplituden zusätzlich zum Erhalt weitergehender Informationen erfolgen, wohingegen die eigentliche Rekonstruktion der Geometrie des Bereichs des Gegenstandes auf Basis der Gesamtlaufzeiten erfolgt.After this, amplitudes can be taken into account in addition to obtaining further information, whereas the actual reconstruction of the geometry of the area of the object takes place on the basis of the total running times.
Mit den nunmehr vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren gemäß seiner beiden Varianten ist es möglich, eine vereinfachte und insbesondere auch für komplexe Werkstücke, wie beispielsweise Rohre mit nicht-paralleler Oberfläche ihrer Wände von nur einer Seite aus erfolgende Erfassung der Geometrie und/oder Messung der Wanddicke eines Gegenstandes durchzuführen. Je nach Ausgestaltung des jeweiligen Verfahrens, wie beispielsweise durch die Anzahl der hierfür eingesetzten Sonden-Elemente und entsprechender Laufzeitkurven kann dies zu einer signifikanten Verbesserung in der Erfassung der Geometrie und/oder der Messung der Wanddicke eines Gegenstandes beitragen. Aufgrund der Reduzierung der hierfür notwendigen Daten kann dies im Vergleich mit anderen bekannten Verfahren durchaus schneller und entsprechend dynamischer erfolgen. Aufgrund der hierzu vorgeschlagenen Algorithmen können auch komplexe Werkstücke in Bezug auf ihre Geometrie erfasst werden.With the now presented method according to the invention according to its two variants, it is possible to record the geometry and / or measure the wall thickness of an object from a single side, in particular for complex workpieces, such as, for example, pipes with a non-parallel surface of their walls perform. Depending on the design of the respective method, such as the number of probe elements used for this and corresponding runtime curves, this can contribute to a significant improvement in the detection of the geometry and / or the measurement of the wall thickness of an object. Due to the reduction in the data required for this, this can be done faster and correspondingly more dynamically compared to other known methods. Because of the proposed Algorithms can also record complex workpieces in terms of their geometry.
Anhand der nachfolgenden Beschreibung und zugehörigen Figuren wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung von Rohren, -
2 eine schematische Ansicht eines auf eine Oberfläche eines Gegenstandes aufgelegten Prüfkopfs, -
3 eine Simulation von Laufzeiten von Schallwellen und/oder Echos an einer schrägen Geometrie eines Gegenstandes, -
4 eine Grafik mit Laufzeitkurven aus einer realen Messung und -
5 eine schematische Ansicht gemäß1 mit von der Oberfläche des Gegenstandes über einen Wassermantel beabstandeten Prüfkopf.
-
1 1 shows a schematic view of a device for non-destructive ultrasonic testing of pipes, -
2 1 shows a schematic view of a test head placed on a surface of an object, -
3 a simulation of transit times of sound waves and / or echoes on an oblique geometry of an object, -
4 a graph with runtime curves from a real measurement and -
5 a schematic view according1 with a test head spaced from the surface of the object via a water jacket.
Die
Die
In
In üblicher Weise werden vor der Ultraschall-Prüfung eines Bereichs
Die Menge an möglichen Punkten, die eine feste Laufzeit vom sendenden Sonden-Element
Dies beschreibt das Grundprinzip der erfindungsgemäßen vorteilhaften ersten Verfahrensvariante, wonach die gesuchte Geometrie zumindest abschnittsweise in Form einer die Schar der Laufzeitkurven
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Prüfkopfprobe
- 1a1a
- erstes Sonden-Elementfirst probe element
- 1b1b
- zweites Sonden-Elementsecond probe element
- 1c1c
- drittes Sonden-Elementthird probe element
- 1d1d
- viertes Sonden-Elementfourth probe element
- 1e1e
- fünftes Sonden-Elementfifth probe element
- 1f1f
- sechstes Sonden-Elementsixth probe element
- 1g1g
- siebtes Sonden-Elementseventh probe element
- 1h1h
- achtes Sonden-Elementeighth probe element
- 1i1i
- neuntes Sonden-Elementninth probe element
- 1j1j
- zehntes Sonden-Elementtenth probe element
- 1k1k
- elftes Sonden-Elementeleventh probe element
- 1111
- zwölftes Sonden-Elementtwelfth probe element
- 22
- Gegenstandobject
- 2a2a
- Oberseitetop
- 2b2 B
- Unterseitebottom
- 2c2c
- BereichArea
- 33
- Reflexionsflächereflecting surface
- 44
- LaufzeitkurveMaturity curve
- 55
- Abschnitt section
- αα
- Winkelangle
- BB
- Winkelangle
- Ee
- Echostrahlecho beam
- LL
- Längsrichtunglongitudinal direction
- PP
- Punkt auf einer Reflexionsfläche des GegenstandesPoint on a reflection surface of the object
- RR
- Rohrachsepipe axis
- SS
- Schallstrahlsupersonic jet
- UU
- Umfangsrichtungcircumferentially
- VV
- Vorschubrichtungfeed direction
- WW
- WasservorlaufstreckeWater path
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2014/0330127 A1 [0010]US 2014/0330127 A1 [0010]
- DE 102014105308 A1 [0012]DE 102014105308 A1 [0012]
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DE102018119206.1A DE102018119206A1 (en) | 2018-08-07 | 2018-08-07 | Method for detecting the geometry of an area of an object using ultrasound |
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ID=69186109
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Citations (3)
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US9060669B1 (en) * | 2007-12-20 | 2015-06-23 | Zonare Medical Systems, Inc. | System and method for providing variable ultrasound array processing in a post-storage mode |
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2018
- 2018-08-07 DE DE102018119206.1A patent/DE102018119206A1/en active Granted
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division |