DE202013101967U1

DE202013101967U1 - Flexibel einsetzbares universelles Ultraschallprüfsystem

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Publication number: DE202013101967U1
Application number: DE201320101967
Authority: DE
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2023-05-07
Also published as: DE202012104996U1

Abstract

Ultraschallprüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mindestens eines Prüfgegenstands aus jeweils mindestens einer Prüfposition durch Beaufschlagen des mindestens einen Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen und Erfassen der reflektierten Ultraschallwellen, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung mindestens einen Ultraschallsender (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8), mindestens einen Ultraschallempfänger (E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8) und mindestens eine Steuer- und Verarbeitungseinheit, insbesondere einen FPGA zur Steuerung der an den Ultraschallsender gesendeten und zur Verarbeitung der von dem Ultraschallempfänger empfangenen Signale zu mindestens einem Messergebnis aufweist, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung eine schnelle automatisierte Ultraschallprüfung mit mindestens 8 parallelen Kanälen auf einer Platine gestattet, oder einen Datendurchsatz von zumindest 30 MByte/sec mit mindestens 24 parallelen Sende- und Empfangskanälen gewährleistet.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Materialprüfung mittels Ultraschall, insbesondere auf dem Gebiet der kontinuierlichen Ultraschallprüfung eines Prüflings und betrifft ein modular aufgebautes rekonfigurierbares Ultraschallprüfsystem.
Bekannte Ultraschallprüfsysteme bedienen sich zur Signalaufnahme und -verarbeitung der VME-Bus-Technik (Versa Module Eurocard-bus), bzw. werden in bekannten Ultraschallprüfsystemen die, ggf. mit einem integrierten Messwertspeicher ausgestatteten, prüfkopfnahen Vorschalteinheiten über eine USB-Schnittstelle mit einer Signalverarbeitungseinheit verbunden. Daraus ergeben sich spürbare Nachteile, die vor allem auf den vergleichsweise langsamen Datentransfer von etwa 2 MByte/s zurückzuführen sind.
Ein weiterer Nachteil bekannter Prüfsysteme ergibt sich aus Einschränkungen durch feststehende Geräteparameter, die nicht an variierende Vor-Ort-Bedingungen angepasst werden können. Wesentliche Einschränkungen derzeitiger Ultraschallprüfsysteme ergeben sich somit bei der optimalen Anpassung an die Prüfbedingungen, insbesondere bei der Synchronisation der zahlreichen einzelnen Komponenten.
Eine Vielzahl von Prüfaufgaben auf dem Gebiet der automatisierten Ultraschallprüfung erfordert es jedoch, mehrere Prüfköpfe sowohl im Puls-Echo- wie auch im Sende-Empfangs-Modus parallel zu betreiben. Die dabei je Zeiteinheit anfallende Datenmenge übersteigt den mittels herkömmlicher VME-Bus-Technik zu bewältigenden Datenstrom. Eine beispielhafte Anforderung betrifft den Einsatz von jeweils fünf Prüfköpfen pro Schienenstrang, also zehn Prüfköpfen für einen Schienenprüfzug, der mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 km/h fährt, um die zerstörungsfreie Prüfung der Gleise einer Eisenbahnstrecke ohne Verkehrsunterbrechung zu ermöglichen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, dass sie schneller getaktete Ultraschallaufnahmen und eine exakte Synchronisation der Messdaten ermöglicht.
Vor diesem Hintergrund wird nunmehr ein modulares rekonfigurierbares System zur Signalaufnahme und -verarbeitung sowie zur frei programmierbaren Gestaltung der Wechselwirkung einzelner Komponenten miteinander vorgeschlagen, das auf der Verwendung rekonfigurierbarer Schaltkreise (FPGA) und eines leistungsfähigen Bus-Systems (PCI-Bus) basiert. Ein derartiges System ist optimal anpassbar für den mobilen Einsatz zur Ultraschallprüfung von Eisenbahnschienen bzw. Gleisen mit Hilfe eines Schienenprüfzuges.
Insbesondere wird eine Ultraschallprüfvorrichtung nach Schutzanspruch 1 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsbeispiele, Modifikationen und Verbesserungen ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mindestens eines Prüfgegenstands aus jeweils mindestens einer Prüfposition durch Beaufschlagen des mindestens einen Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen und Erfassen der reflektierten Ultraschallwellen vorgeschlagen, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung mindestens einen Ultraschallsender, mindestens einen Ultraschallempfänger und mindestens eine Steuer- und Verarbeitungseinheit, insbesondere einen FPGA zur Steuerung der an den Ultraschallsender gesendeten und zur Verarbeitung der von dem Ultraschallempfänger empfangenen Signale zu mindestens einem Messergebnis aufweist, und wobei die Ultraschallprüfvorrichtung eine schnelle automatisierte Ultraschallprüfung mit 8 parallelen Kanälen auf einer Platine gestattet, oder einen Datendurchsatz von zumindest 30 MByte/sec mit mindestens 24 parallelen Sende- und Empfangskanälen gewährleistet. Dabei stellt die bezeichnete Platine typischerweise ein Ultraschallmodul dar.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) über eine Schnittstelle mit mindestens einer Programmier-, Darstellungs- und/oder Speichereinheit, insbesondere mit einem PC, verbindbar ist, wobei über die Programmier-, Darstellungs- und Speichereinheit an die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) ein Programm, ein Programmpaket, oder eine Konfigurationsdatei für ein Programm oder ein Programmpaket, dass sich auf der Steuer- und Verarbeitungseinheit befindet, übermittelt werden kann. Dabei übernimmt das Programm oder Programmpaket die Steuerung der an den Ultraschallsender gesendeten und die Verarbeitung der von dem Ultraschallempfänger empfangenen Signale zu mindestens einem Messergebnis.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung einen Analog-Digital-Wandler (ADU) aufweist, um die durch den Ultraschallempfänger empfangenen analogen Signale digital der Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei der Analog-Digital-Wandler (ADU) zumindest ein 2-Kanal-, bevorzugt ein 8-Kanal-Analog-Digital-Wandler mit hoher Empfangsdynamik von 14 Bit ist und eine Abtastung pro Kanal mit 100 MSPS gewährleistet (Hierbei steht MSPS für Million Samples Per Second).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Programmier-, Darstellungs- und/oder Speichereinheit mittels darauf installierter Software angepasst ist, eine graphische Darstellung der vom FPGA übermittelten Messergebnisse eines laufenden und/oder eines abgeschlossenen Prüfvorganges bereitzustellen, wobei die Darstellung durch einen Bildschirm erfolgt und die Art der Darstellung hinsichtlich des ein Bild umfassenden Datenbereichs und/oder die Wahl der Bilddarstellung (z.B. A-Bild, B-Bild, C-Bild) durch einen Bediener einstellbar ist. Das Betriebssystem der Programmier-, Darstellungs- und Speichereinheit ist oder basiert beispielsweise auf dem Betriebssystem Linux oder Microsoft Windows.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, die zusätzlich einen Wegaufnehmer umfasst.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Schnittstelle zwischen Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) und geräteinterner Programmier-, Darstellungs- und Speichereinheit (Embedded-PC) ausgewählt ist unter einer PCI-Schnittstelle oder einer PCIe-Schnittstelle. Wobei ein Monitor zur Darstellung mittels VGA, DVI, oder DisplayPort-Schnittstelle sowie Eingabegeräte (Tastatur, Maus etc.) mittels USB oder PS/2 Schnittstelle am Embedded-PC anschließbar sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei an die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) direkt über I/O-Steckfelder mittels serieller Datenübertragung wie LVDS ein Monitor zur Darstellung sowie Eingabegeräte (Tastatur, Maus etc.) mittels USB, PS/2, EIA-232 oder I²C Schnittstelle anschließbar sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Schnittstelle zwischen Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA + Embedded-PC) und einer externen Programmier-, Darstellungs- und Speichereinheit (PC 8) unter einer Gigabit-Ethernet-Schnittstelle ausgewählt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) einen Datengenerator umfasst, der eingerichtet ist, aus einer vom Wegaufnehmer erhaltenen bzw. empfangenen Information eine Positionsinformation der mindestens einen Prüfposition mit dem empfangenen Signalen des mindestens einen Messergebnisses zu kombinieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) eingerichtet ist, mindestens ein Messergebnis mit Daten des Wegaufnehmers bezüglich der zumindest einen Prüfposition in einem gemeinsamen Datenpaket über die Schnittstelle an die Programmier-, Darstellungs- und/oder Speichereinheit zu übermitteln.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Ultraschallprüfvorrichtung, werden in dem gemeinsamen Datenpaket sowohl Positionsdaten übermittelt, die dem Beginn eines Prüfvorganges entsprechen, als auch Positionsdaten übermittelt, die dem Abschluss eines Prüfvorganges entsprechen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die vorgeschlagene Ultraschallprüfvorrichtung eingerichtet, über die Schnittstelle Konfigurationsdaten zu empfangen, mittels derer die Ultraschallprüfvorrichtung, insbesondere die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) rekonfigurierbar ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Möglichkeit den FPGA zu rekonfigurieren besteht darin, die Messung an aktuelle Belastungszustände, Betriebsszenarien, Ausfallrisiken oder die aktuelle Messsituation flexibel und ohne besonderen Aufwand anpassen zu können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei der mindestens eine Ultraschallsender ein Sendeprüfkopf ist und/oder wobei der mindestens eine Ultraschallempfänger ein Empfangsprüfkopf ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) eine Ultraschallsteuereinheit zum Steuern des mindestens einen Ultraschallsenders und/oder des mindestens einen Ultraschallempfängers umfasst.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung eingerichtet ist, Ultraschallmessungen mit einer frei einstellbaren Messwiederholrate, beispielsweise einer Messwiederholrate, die größer als 20 Hz ist, insbesondere 5 kHz ist und/oder mit einer Messwiederholrate, die kleiner als 30 kHz ist, insbesondere kleiner als 20 kHz ist, auszuführen.
Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass Messungen in Abhängigkeit eines aktuellen Belastungszustandes des überwachten Prüflings, bzw. eines Schädigungsrisikos beispielsweise wöchentlich, täglich, halbtäglich, stündlich oder häufiger wiederholt werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Ultraschallprüfvorrichtung ist die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) ausgewählt unter einem FPGA von Altera, insbesondere einem Cyclone oder einem Stratix, einem FPGA von Xilinx insbesondere einem Spartan, Virtex, Artix oder Kintex oder einem FPGA von Lattice.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Ultraschallprüfvorrichtung vorgeschlagen, wobei jeder Empfangskanal durch eine aktive Schutzschaltung vor Übersteuerung geschützt ist. Dadurch wird die Totzeit der Verstärkerstufen sowie die Dämpfung des Sendeimpulses auf ein Minimum reduziert, was sich in einer gesteigerten Messgenauigkeit widerspiegelt.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können beliebig miteinander kombiniert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Ultraschallprüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mindestens eines Prüfgegenstands an jeweils mindestens einer Prüfposition durch Beaufschlagen des mindestens einen Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen und Erfassen der reflektierten Ultraschallwellen zur Verfügung gestellt.
Dabei weist die Ultraschallprüfvorrichtung mindestens einen Ultraschallsender, mindestens einen Ultraschallempfänger und mindestens eine Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung der von dem Ultraschallempfänger empfangenen Signale zu mindestens einem Messergebnis auf.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Ultraschallprüfvorrichtung einen Analog-Digital-Wandler aufweist, um die durch den Ultraschallempfänger empfangenen analogen Signale digital der Verarbeitungseinheit bereitzustellen.
Dabei kann die Ultraschallprüfvorrichtung mindestens einen Positionsempfangseingang zum Verbinden mit einer Positionserfassungsvorrichtung umfassen.
In einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit eingerichtet sein, eine von der mindestens einen Positionserfassungsvorrichtung erfasste mindestens eine Position, die in einem vorbestimmten Zusammenhang mit der mindestens einen Prüfposition steht, und/oder die mindestens eine Prüfposition eindeutig mit mindestens einem über den Ultraschallempfänger erfassten Messergebnis an der mindestens einen Prüfposition zu verknüpfen.
Dabei ist die Ultraschallprüfvorrichtung derart eingerichtet, dass die durch die Positionserfassungsvorrichtung erfasste Position der Verarbeitungseinheit bereitgestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ultraschallprüfvorrichtung eingerichtet sein, eine Ultraschallmessung nach Erfassen einer Position und/oder damit in einem vorbestimmten Zusammenhang stehenden Prüfposition auszulösen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ultraschallprüfvorrichtung eingerichtet sein, über die Datenübertragungsschnittstelle Konfigurationsdaten zu empfangen, mittels derer die Ultraschallprüfvorrichtung, insbesondere die Verarbeitungseinheit, insbesondere von dem Rechner, rekonfigurierbar ist.
Insbesondere kann der Messablauf parametrisiert werden. Der Messablauf kann dabei Informationen über die an einer vorbestimmten Position durchzuführenden Messungen enthalten. Beispielsweise können mindestens zwei Messabläufe in der Verarbeitungseinheit parametrisiert werden, insbesondere für mehr als zwei Ultraschallsender, Ultraschallempfänger, Positionen, Messpositionen und/oder Positionserfassungsgeräte. Damit kann der Messablauf an den Prüfgegenstand und/oder die Prüfposition angepasst werden, beispielsweise können Frequenzen, Filter und/oder Blenden entsprechend eingestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit mehrfach parametrisiert werden, beispielsweise durch Überschreiben von Messabläufen.
Beispielsweise kann die Verarbeitungseinheit durch ein FPGA realisiert werden. Somit wird ein FPGA-basiertes Ultraschallprüfsystem ermöglicht, das über mindestens 4, beispielsweise 8, Sende-Empfangskanäle verfügt und in der automatisierten Ultraschallprüfung eingesetzt werden kann. Durch seine Rekonfigurierbarkeit ist es auf einfache Weise an unterschiedliche Prüfaufgaben und veränderte Anforderungen anpassbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Ultraschallprüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mindestens eines Prüfgegenstands an jeweils mindestens einer Prüfposition durch Beaufschlagen des mindestens einen Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen und Erfassen der reflektierten Ultraschallwellen bereitgestellt, das eingerichtet ist, folgende Schritte auszuführen: Erfassen von mindestens einer Position, die in einem vorbestimmten Zusammenhang mit der mindestens einen Prüfposition steht; Durchführen mindestens einer Ultraschallmessung an mindestens einer der Prüfpositionen durch Beaufschlagen des jeweiligen Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen und Erfassen der reflektierten Wellen in Abhängigkeit von der Prüfposition, um mindestens ein Messergebnis an der mindestens einen Prüfposition zu erzeugen; und Eindeutiges Verknüpfen des mindestens einen Messergebnis mit der jeweiligen mindestens einen Position und/oder Prüfposition.
Insbesondere wird in einer Ausführungsform das mindestens eine Messergebnis und die jeweilige Position und/oder Prüfposition über eine Datenverbindung übermittelt bzw. versendet. Durch die eindeutige Verknüpfung des Messergebnisses und der Position bzw. Prüfposition können mehrere Prüfvorgänge quasiparallel, d.h. unmittelbar hintereinander, verarbeitet werden, ohne dass es zu einer Verwechselung der Position, beispielsweise bei sich bewegenden Ultraschallsendern und/oder Ultraschallempfängern, kommen kann, die Ultraschallmessungen verschlechtern oder gar unbrauchbar machen können.
In einer Ausführungsform kann dabei das mindestens eine Messergebnis mit der jeweiligen Position und/oder Prüfposition in einem Datenpaket kombiniert werden.
Beispielsweise kann das Datenpaket über eine Datenschnittestelle an einen beabstandeten Rechner versendet werden.
In einer Ausführungsform kann nach Erfassen der mindestens einen Position die mindestens eine Ultraschallmessung an der mindestens einen mit der Position in einem vorbestimmten Zusammenhang stehenden Prüfposition ausgelöst werden.
Folglich kann autonom die Messung bzw. Messungen durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform kann die mindestens eine Ultraschallmessung an die jeweilige Prüfposition angepasst werden. Dafür kann, insbesondere über die Datenschnittstelle, ein Speicher mit einem Messablauf beschrieben werden, beispielsweise von dem beabstandeten Rechner.
Der gespeicherte Messablauf kann dabei Informationen über die an einer vorbestimmten Position auszuführenden Messungen enthalten. Somit ist auch die vorbestimmte Position gespeichert und kann mit von der Positionserfassungsvorrichtung erfassten Positionen verglichen werden.
Das Messprogramm bzw. der Messablauf für die mindestens eine Ultraschallmessung ist somit autonom von der Ultraschallprüfvorrichtung nach einer vorherigen Parametrisierung abrufbar. Daher kann das Verfahren schnell und unabhängig von einem Rechner zur Auswertung oder Ansteuerung durchgeführt werden. Insbesondere wird in einer Ausführungsform durch Erfassen mindestens einer vorbestimmten Position und/oder mindestens einer vorbestimmten Prüfposition mindestens eine Ultraschallmessung ausgelöst. Beispielsweise wird durch Gleichheit oder Verschiedenheit mindestens einer Position und/oder Prüfposition mit mindestens einer gespeicherten Position oder einem Positionsbereich mindestens eine Ultraschallprüfung ausgelöst.
Dabei kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei beabstandete Positionen für mindestens zwei beabstandete Prüfpositionen von mindestens zwei Positionserfassungsvorrichtungen erfasst werden.
In einer Ausführungsform können die Ultraschallmessungen und/oder Messergebnisse von den mindestens zwei Prüfpositionen in beliebiger Reihenfolge durchgeführt bzw. erfasst und/oder übermittelt werden.
In einer Ausführungsform können dabei mindestens eine erste Ultraschallmessung durch ein erstes Auslöseereignis, beispielsweise einer Gleichheit oder Unterschiedlichkeit von mindestens einer ersten Position und/oder ersten Prüfposition und mindestens einer ersten gespeicherten Position oder einem ersten Positionsbereich, und mindestens eine zweite Ultraschallmessung durch ein zweites Auslösereignis, beispielsweise Gleichheit oder Unterschiedlichkeit von mindestens einer zweiten Position und/oder zweiten Prüfposition und mindestens einer zweiten gespeicherten Position oder einem zweiten Positionsbereich ausgelöst werden.
Dabei kann in einer Ausführungsform die mit anderen Ausführungsformen kombinierbar ist, mindestens ein Messergebnis mit der jeweiligen mindestens einen Position und/oder Prüfposition vor dem Durchführen der Ultraschallmessung und mit der jeweiligen mindestens einen Position und/oder Prüfposition nach dem Durchführen der Ultraschallmessung eindeutig verknüpft werden. Dabei kann die Prüfposition die jeweilige Ist-Position des Ultraschallempfängers und/oder des Ultraschallsenders sein, beispielsweise bei sich bewegenden Ultraschallempfängern und/oder -sendern.
In einer Ausführungsform kann die Messwiederholrate der Ultraschallmessungen größer als 20kHz, insbesondere größer als 30 kHz, sein. Beispielsweise kann die Messwiederholrate bei 40kHz liegen. Dabei kann die Messwiederholrate kleiner als 150 kHz, insbesondere kleiner als 100 kHz sein, beispielsweise kleiner als 50 kHz sein.
Folglich ist es möglich, das System exakt zu synchronisieren und Messdaten zuverlässig den jeweiligen Ortspositionen zuzuordnen.
Aus der hohen Mess- und Reaktionsgeschwindigkeit der Ultraschallprüfvorrichtung resultiert Unvorhersehbarkeit des Datenstroms, wobei durch eine Synchronisation der Weggeber- und Messdaten in der Ultraschallprüfvorrichtung immer eine genaue Zuordnung im Nachhinein möglich ist.
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechend ähnliche Teile. Dabei zeigt:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Ultraschallprüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2 eine Spannungsversorgung des Ultraschall-Geräts gemäß der Ausführungsform aus 1;
3 eine schematische Ansicht von Komponenten in einem FPGA des Ultraschallgeräts gemäß einer Ausführungsform; und
4 eine Ultraschall Sensoransteuerung und Messdatenaufnahme und Blenden im FPGA.
5 zeigt den schematischen Aufbau des vorgeschlagenen flexiblen universellen Ultraschallprüfsystems (FUPS) als Blockschaltbild.
6 zeigt Baugruppen eines Moduls des flexiblen universellen Ultraschallprüfsystems (FUPS);
7 zeigt die Anordnung von Bauelementen des vorgeschlagenen universellen Prüfsystems (FUPS) auf einer Platine (Leiterplatte);
8 zeigt das Funktionsprinzip des Hardware-Treibers des vorgeschlagenen flexiblen universellen Ultraschallprüfsystems (FUPS);
9 zeigt in einem Blockschaltbild die Anordnung der aktiven Entkopplungsstufe zwischen Sendestufe und Empfangsverstärker des vorgeschlagenen flexiblen universellen Ultraschallprüfsystems (FUPS).
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ultraschallprüfvorrichtung. In dem Blockschaltbild von 1 sind nicht alle Verbindungen eingezeichnet. Die Ultraschallprüfvorrichtung weist eine Senderplatine 10 und eine Empfangs- und Verarbeitungsplatine 30 auf. Die Senderplatine 10 und die Empfangs- und Verarbeitungsplatine 30 sind über eine elektrische Verbindung 20, beispielsweise eine Steckverbindung, miteinander verbunden. Auf der Senderplatine 10 ist mindestens ein Ultraschallsender 12 angeordnet. Beispielsweise können 5 bis 16 Ultraschallsender auf der Senderplatine angeordnet sein. In 1 ist eine Ausführungsform mit 8 Sendern bzw. Sendekanälen gezeigt. In einer Ausführungsform können die Sender hochintegrierte Rechtecksender mit variabler Pulsbreite und Amplituden bis zu 350 V sein. Damit kann in der Ausführungsform eine hohe Sendeleistung durch optimal anpassbare Rechteckstufen mit Sendeamplituden von bis zu 350V bereitgestellt werden. Die Senderplatine 10 weist ferner einen Energieversorgungseingang 14 für Gleichspannung auf, beispielsweise 12V Gleichspannung mit einer Leistung von 18 W.
Auf der Empfangs- und Verarbeitungsplatine 30 ist mindestens ein Empfänger 32 für die Ultraschallsignale und eine Verstärker 34 angeordnet, um das oder die Empfangenen Signale zu verstärken. Beispielsweise können zwischen 5 und 16 Empfänger 32 für Ultraschallsignale auf der Empfangs- und Verarbeitungsplatine 30 angeordnet sein. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind acht Empfänger oder Empfangskanäle 32 für Ultraschallsignale auf der Empfangs- und Verarbeitungsplatine angeordnet. Die Empfänger bzw. die Empfangskanäle 32 für Ultraschallsignale können eine hohe Eingangsdynamik aufweisen. Die parallel empfangenen Signale von dem mindestens einen Empfänger 32 werden über einen Multiplexer 36 in einen Verstärker 34 zum Verstärken des Signals geführt, und anschließend durch einen Analogdigitalwandler 38 in ein Digitales Signal umgewandelt bevor es einer digitalen Verarbeitungseinheit 40, beispielsweise in Form eines Field Programmable Gate Array (FPGA), zugeführt wird. Dabei kann die Verarbeitungseinheit 40 den Multiplexer 36 steuern, dass heißt jeweils einen bestimmten Empfänger 32 für Ultraschallsignale mit dem Verstärker 34 verbinden.
Der Verstärker 34 kann eine oder mehrere Verstärkerstufen 42 aufweisen. In der Ausführungsform von 1 sind zwei, in Reihe geschaltete Verstärkerstufen 42 gezeigt. Beispielweise kann der Verstärker 34 ein zweistufiger, spannungsgesteuerter Breitbandverstärker mit einer Bandbreite von 0,1 MHz bis 50 MHz, insbesondere 0,2 MHz bis 25 MHz sein. Die Verstärkung der einzelnen Verstärkerstufen kann jeweils zwischen 0 und 40 dB gewählt werden. Somit kann eine hohe Empfangsdynamik durch rauscharme Breitbandverstärker bzw. Verstärkerstufen mit feinstufiger Amplitudenstellung über 80 dB und programmierbarem Tiefenausgleich erreicht werden. In anderen Ausführungsformen können auch andere Verstärkungen für jeweils eine Verstärkerstufe wählbar sein, beispielsweise zwischen 0 und 80 dB.
Der Analogdigitalwandler 38 arbeitet in der Ausführungsform von 1 mit einer Abtastrate von 100 MHz und wandelt das Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal mit einer Auflösung von 14 Bit um. Dadurch wird eine hohe Signaldynamik erreicht. In anderen Ausführungsformen kann auch eine andere Auflösung, beispielsweise zwischen 10 und 20 Bit, insbesondere zwischen 12 und 16 Bit, und/oder eine Abtastrate, beispielsweise von mehr als 70 MHz, insbesondere mehr als 90 MHz, und/oder beispielsweise kleiner als 150 MHz, insbesondere kleiner als 120 MHz gewählt werden.
Ferner weist die Verarbeitungseinheit 40 bzw. der FPGA einen integrierten Speicher zur Parametersteuerung und Datenverarbeitung auf. Auf der Empfangs- und Verarbeitungsplatine 30 kann ferner eine Ein- und/oder Ausgangseinheit 44 für digitale Aus- und/oder Eingänge, für einen externen Trigger-Ein- und/oder Ausgang, und/oder für einen Synchronisationsein- und/oder ausgang bereitgestellt werden, die mit der Verarbeitungseinheit verbunden sind. Die Empfangs- und Verarbeitungsplatine 30 weist ferner eine Schnittstelle mit einer entsprechenden Übertragungsrate auf.
Ferner weist die Empfangs- und Verarbeitungsplatine 30 einen Weggebereingang 48 auf, der über einen Pulsformer 50 mit der Verarbeitungseinheit 40 verbunden ist. Über den Weggebereingang 48 werden Positionsinformationen der Sendeprüfköpfe 12 und der Empfangsprüfköpfe 32 übertragen, damit die Messergebnisse der richtigen Position zugeordnet werden können. Beispielsweise kann der Weggebereingang 48 vier Kanäle aufweisen, um vier verschiedene Positionsinformationen an die Verarbeitungseinheit 40 zu übertragen. Beispielsweise können vier verschiedene Positionserfassungsvorrichtungen eine Position an die Verarbeitungseinheit übertragen. In anderen Ausführungsformen kann der Weggebereingang 48 zwischen 1 und 20, insbesondere zwischen 2 und 10 Kanälen aufweisen.
Die in 1 auf der Senderplatine und der Empfangs- und Verarbeitungsplatine angeordneten Bauteile können auch auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen können auch mehr als zwei Platinen verwendet werden.
2 zeigt schematisch ein Blockschaltbild der Spannungsversorgung der Ultraschallprüfvorrichtung. Die Spannungsversorgung weist ein Schaltnetzteil 60 auf, das den Netzwechselstrom in eine 12V Gleichspannung mit einer Leistung von 18 W umwandelt. Beispielsweise kann der Transformator 60 in einem Steckernetzteil realisiert werden und über den Energieversorgungseingang 14 die Ultraschallprüfvorrichtung mit Energie versorgen. Ferner weist die Spannungsversorgung mehrere Elemente auf, die jeweils den entsprechenden Strom und/oder die entsprechende Spannung einzelnen Elementen der Ultraschallprüfvorrichtung bereitstellen.
3 zeigt schematisch einzelne Einheiten von Komponenten in der Verarbeitungseinheit 40. Dabei sind in 3 nicht alle Verbindungen und Elemente oder Komponenten in der Verarbeitungseinheit 40 gezeigt. Die Verarbeitungseinheit 40 weist eine Schnittstelle 52 auf, die mit dem Anschluss 46 kommuniziert und eine Verbindung zu einem externen Rechner bereitstellen kann, an den Messdaten zur Auswertung übertragen werden.
Ferner sind in der Verarbeitungseinheit mehrere FIFO (First in First out) Puffer angeordnet, ein FIFO Puffer 54 zum Schreiben in ein Register, ein FIFO Puffer 56 zum Lesen des Registers, und ein FIFO Puffer 58 zum Lesen der Messdaten. So können über die Schnittstelle Daten einer Messablauftabelle in einem Registersatz 60 gespeichert werden, und bei einem Messvorgang als Messablauftabelle 62 in einem Speicher bereitgestellt werden. Die Messablauftabelle 62 weist beispielsweise Informationen auf, wie viele Messungen mit welchen jeweiligen Prüftaktregistersätzen 66 durchgeführt werden. Die Art der Messungen kann je nach Ort der Messung variieren, da jedem Weggeberkanal eine beliebige Zeile, bzw. mehrere nacheinander folgende Zeilen der Messablauftabelle, zugeordnet werden können.
Ferner können über den FIFO Puffer 54 Parameter-Daten in weiteren Registersätzen 64, 66, 68 gespeichert werden. Die in den Registersätzen 60, 64, 66, 68 gespeicherten Parameter-Daten können in einer Ausführungsform über den FIFO Puffer 56 ausgelesen werden und zur Kontrolle über die Schnittstelle 52 zum Anschluss 46 übertragen werden.
Die Verarbeitungseinheit 40 umfasst einen Datengenerator 70, der Positionsinformationen mit Messergebnissen kombiniert. Diese Messdaten werden über den FIFO Puffer 58 ausgelesen und über die Schnittstelle 52 übertragen.
Schließlich weist die Verarbeitungseinheit 40 eine Ultraschallsteuereinheit 72 zum Steuern der Ultraschallsender und -empfänger auf. Die Ultraschallsteuereinheit 72 kann die von dem Digitalanalogumwandler 38 erzeugten Daten verarbeiten. Die in der Verarbeitungseinheit 40 gezeigten Einheiten können beispielsweise in kompakter Form als programmierte Einheiten in einem FPGA realisiert werden.
Eine Messung kann anhand von einem der Weggeber gelieferten Positionsinformationen ausgelöst werden, in dem die entsprechenden Informationen aus der Messablauftabelle 62 gelesen werden. Dabei können die Weggeber an verschiedenen Messobjekten oder an verschiedenen Positionen an dem Messobjekt angeordnet sein. Die Messablaufstabelle steuert den Datengenerator 70 übertragen, der dann entsprechende Instruktionen an die Ultraschallsteuereinheit 72 weiterleitet, die dann jeweils eine Messung mit dem jeweiligen Ultraschallsender und/oder -empfänger 12, 32 durchführt.
Eine oder mehrere Positionsinformationen von den Weggebern werden auch an den Datengenerator 70 übertragen, so dass der Datengenerator die einen oder mehrere Positionsinformationen mit den Messergebnissen bzw. Messdaten eindeutig verknüpfen kann. Dadurch wird ein Versatz zwischen den Positionsinformationen und den Messergebnissen vermieden. Ferner können auch weitere Daten mit den Messergebnissen verknüpft werden, beispielsweise Daten weiterer digitaler Kanäle und/oder Überwachungsdaten.
Zum Zeitpunkt einer Messung können somit sämtliche Daten, insbesondere die Messdaten und die Positionsdaten, in einem Datenpaket zusammengefasst werden. Das Datenpaket kann weiterhin mit einer laufenden Nummer und/oder einem Zeitstempel versehen werden. Außerdem kann beispielsweise das Ereignis, welche die Messung auslöste, vermerkt werden.
Beispielsweise können in einer Ausführungsform Weggeberdaten zum Beginn der Ultraschallmessung, sowie nach der Ultraschallmessung aufgenommen werden und in ein durch den Datengenerator 70 erstelltes Datenpaket eingefügt. Dies ermöglicht die Bestimmung der Wegposition während einer Messung. Es können in dieser Ausführungsform, obwohl nur ein Weggeber der Auslöser für die Messung sein kann, immer alle Weggeberdaten in das Datenpaket eingetragen werden.
Die Ultraschallprüfvorrichtung kann daher die aktuellen Weggeberdaten selbstständig auswerten und reagiert entsprechend eines programmierten Ablaufes.
Die Verarbeitungseinheit 40 umfasst einen nicht gezeigten Zähler, der zum Auslösen von Messungen dient. Mittels des Zählers wird in einer Ausführungsform eine Untersetzung realisiert, so dass nach einer gewissen Anzahl eingehender Zählimpulse eine Messung ausgeführt und somit ein Datenpaket erzeugt wird. In anderen Ausführungsformen können mit jedem Takt des Zählers durch den Datengenerator eine Messung ausgelöst werden. Beispielsweise kann dadurch eine Wiederholtaktrate von 40 kHz für jede Messung erreicht werden.
Die Ultraschallprüfvorrichtung kann auf einer Mehrzahl von Kanälen für die Weggeber Weggeberdaten aufnehmen und auswerten. Jedem Weggeber kann dabei eine andere Messfunktion zugeordnet werden. Somit kann quasi gleichzeitig, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Weggeber, gemessen werden. Dabei werden selbsttätig Datenpakete, beispielsweise in dem Datengenerator 70, erzeugt, in denen als Triggerquelle der jeweilige Weggeber vermerkt ist. Das heißt, bei jeder Weggeberinformation wird aus der Messablauftabelle 62 der entsprechende Messablauf gelesen und mit dem entsprechenden Sender 12 und Empfänger 32 durchgeführt.
Beispielsweise kann erst an einer ersten Messposition eine Messung mit einem ersten Sendeprüfkopf und/oder Empfänger durchgeführt werden, die durch einen ersten Weggeber bzw. dessen gemessene erste Position ausgelöst wird, eine an einer zweiten Messposition eine Messung mit einem zweiten Sendeprüfkopf und/oder Empfangsprüfkopf 91 durchgeführt werden, die durch einen zweiten Weggeber bzw. dessen gemessene Position ausgelöst wird, wieder an einer dritten Messposition eine Messung mit dem ersten Sendeprüfkopf und/oder Empfangsprüfkopf durchgeführt werden, die durch den ersten Weggeber bzw. dessen gemessene zweite Position ausgelöst wird. Der erste Weggeber und der zweite Weggeber und die zugeordneten Sendeprüfkopf und/oder Empfangsprüfkopf können dabei unabhängig voneinander bewegt werden. Wie bereits beschrieben, wird ein Datenpaket mit der Position und dem dazugehörigen Messergebnis gebildet und über die Schnittstelle 52 und Anschluss 46 an einen Rechner zur Auswertung versendet.
Bei der Auswertung der aufgenommenen Daten in einem an Anschluss 46 angeschlossenen Rechner weiß man daher erst nach Dekodierung, mit welchen Daten, welcher Messung und welchem Auslöseereignis für die Messung man es zu tun hat, da das die Ultraschallprüfvorrichtung selbsttätig, und, da abhängig von den Triggerquellen, unvorhersehbar misst oder eine Messung auslöst und Daten liefert. Durch die Koppelung und gemeinsame Speicherung der von den Weggebern gelieferten Positionsdaten und der Messdaten bereits in der Ultraschallprüfvorrichtung ist immer eine genaue Zuordnung der Messdaten im Nachhinein möglich. Durch das Erfassen der Weggeberpositionen vor und nach einer Messung und das Hinzufügen dieser Daten zum erzeugten Datenpaket ist der örtliche Versatz während einer Messung nachvollziehbar. Dies ermöglicht eine räumliche Zuordnung des Messsignals, denn das eigentlich akustische Messsignal kann über einer räumlichen Ausdehnung, nämlich dem Fahrweg des Weggebers, verteilt aufgenommen werden.
4 zeigt ein Blockschaltbild der Ultraschallsteuereinheit 72. Die Ultraschallsteuereinheit 72 weist eine Sensoransteuerung 74 für die Ultraschallsender und eine Messdatenverarbeitungseinrichtung 76, die ein digitales Filter 78, beispielsweise ein digitales Filter vierter Ordnung, umfasst. Ferner sind auch eine Mehrzahl von Blenden 80, beispielsweise zwischen 2 und 8 Blenden, insbesondere vier Blenden 80, in der Ultraschallsteuereinheit 72 angeordnet. Die Mehrzahl von Blenden wird von den durch das Filter 78 gefilterten Daten nach einer Gleichrichtung durch einen Gleichrichter 82 versorgt. Zur Überwachung von definierten Werkstoffbereichen stehen die vier Blenden 80 bzw. Monitorblenden zur Verfügung, von denen eine als Master die anderen Blenden laufzeitmäßig steuern kann.
Die für die Datenübertragung der Messergebnisse der Ultraschallprüfvorrichtung verwendete Datenschnittstelle stellt auch bei hohen Messgeschwindigkeiten und hohen Datenraten eine ausreichende Übertragungsbandbreite zur Verfügung. Ferner kann der Datengenerator 70 die Messdaten derart kombinieren und/oder komprimieren, dass eine Datenrate von 36 MByte/s zur Datenübertragung ermöglicht wird. In anderen Ausführungsformen kann die Datenrate mindestens 20 MByte/s, insbesondere mindestens 30 MByte/s betragen, wobei die Übertragungsrate beispielsweise unter 100 MByte/s, insbesondere unter 50 MByte/s liegt.
Die Steuerungsvorrichtungen, insbesondere die Hardware, der Ultraschallprüfvorrichtung kann so aufgebaut sein, dass sie selbstständig eine Datenverbindung zu einem Rechner aufbauen kann und die empfangenen Daten über unterschiedliche interne Schnittstellen an die dahinter angeschlossenen Komponenten weiterleiten kann. Dadurch ist es möglich, die Firmware der Ultraschallprüfvorrichtung bei jedem Systemstart neu einzuspielen. Dies spart nicht nur weitere Hardware und die sonst erforderliche JTAG(Joint Test Action Group)-Schnittstelle, die üblicherweise im Gehäuse auf der Leiterplatte untergebracht ist, sondern erlaubt auch eine flexible Implementierung von neuen Systemanforderungen, sofern sie durch Änderungen der Firmware realisiert werden können. Hierfür muss lediglich die neue Firmware erstellt werden und mit dem Steuer-Rechner eingespielt werden. Beim nächsten Systemstart stehen die neuen Funktionen dann zur Verfügung. Die Ultraschallprüfvorrichtung muss nicht aufwendig demontiert und geöffnet werden, um eine neue Firmware einzuspielen.
Somit handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Ultraschallprüfvorrichtung um eine digitale Ultraschalleinheit, die die Funktionalität und Bedienbarkeit von herkömmlichen Ultraschallgeräten vereinig. Insbesondere ist das System durch Implementierung von unterschiedlichen FPGA-Codes über die Schnittstelle rekonfigurierbar.
Ferner ist ein EMV(Elektromagnetische Verträglichkeit)-sicherer Aufbau mit mindestens zwei Multilayerplatinen, die über Onboard-Steckverbinder gekoppelt sind, möglich.
Die Rekonfigurierbarkeit der Verarbeitungseinheit, beispielsweise durch Beschreiben des FPGA mit einem modifizierten Code, eröffnet für den Anwender die einzigartige Möglichkeit, das Prüfsystem an die spezifischen Gegebenheiten der Prüfaufgabe anzupassen. So kann z.B. die Dekodereinheit per Firmwareupdate für unterschiedliche Weggeber umgestellt werden, oder die Ablaufsteuerung dem durch den Produktionsprozess vorgegebenen Timing angepasst werden. Durch die Übertragung des Codes über die Schnittstelle gelingt eine signifikante Vereinfachung der Geräte-Handhabung, da das Ultraschall-Gerät lediglich über eine Datenschnittstelle bei geschlossenem Gehäuse konfiguriert und sofort weiterbetrieben werden kann.
Ausführungsformen betreffen:

1. Ultraschallprüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mindestens eines Prüfgegenstands an jeweils mindestens einer Prüfposition durch Beaufschlagen des mindestens einen Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen und Erfassen der reflektierten Ultraschallwellen, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung mindestens einen Ultraschallsender (12), mindestens einen Ultraschallempfänger (32) und mindestens eine Verarbeitungseinheit (40) zur Verarbeitung der von dem Ultraschallempfänger empfangenen Signale zu mindestens einem Messergebnis aufweist.
2. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung einen Analog-Digital-Wandler (38) aufweist, um die durch den Ultraschallempfänger empfangenen analogen Signale digital der Verarbeitungseinheit (40) bereitzustellen.
3. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung mindestens einen Positionsempfangseingang (48) zum Verbinden mit einer Positionserfassungsvorrichtung umfasst.
4. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung eine Datenübertragungsschnittstelle (46, 52) aufweist, wobei die Verarbeitungseinheit eingerichtet ist, das mindestens eine Messergebnis, mindestens eine Position, die in einem vorbestimmten Zusammenhang mit der mindestens einen Prüfposition steht, und/oder die mindestens eine Prüfposition, insbesondere in einem gemeinsamen Datenpaket, über die Datenübertragungs-schnittstelle, insbesondere an einen Rechner, zu übermitteln.
5. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung eingerichtet ist, über die Datenübertragungsschnittstelle Konfigurationsdaten zu empfangen, mittels derer die Ultraschallprüfvorrichtung, insbesondere die Verarbeitungseinheit, insbesondere von dem Rechner, rekonfigurierbar ist.
6. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Ultraschallsender ein Sendeprüfkopf ist und/oder wobei der mindestens eine Ultraschallempfänger ein Empfangsprüfkopf ist.
7. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit (40) einen Datengenerator (70) umfasst, der eingerichtet ist, eine Positionsinformation der mindestens einen Prüfposition mit dem empfangenen Signalen des mindestens einen Messergebnisses zu kombinieren.
8. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit (40) eine Ultraschallsteuereinheit (72) zum Steuern des mindestens einen Ultraschallsenders (12) und/oder des mindestens einen Ultraschallempfängers (32) umfasst.
9. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Ultraschallsteuereinheit (72) eine Sensoransteuerung (74) für den mindestens einen Ultraschallsender (12) umfasst, und/oder wobei die Ultraschallsteuereinheit (72) eine Messdatenverarbeitungs-einrichtung (76) umfasst, die ein digitales Filter (78), beispielsweise ein digitales Filter vierter Ordnung, umfasst.
10. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung eingerichtet ist, Ultraschallmessungen mit einer Messwiederholrate die größer als 20 kHz ist, insbesondere größer als 30 kHz ist, auszuführen.
11. Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung eingerichtet ist, Ultraschallmessungen mit einer Messwiederholrate die kleiner als 150 kHz ist, insbesondere kleiner als 100 kHz ist, auszuführen.

Die beschriebenen Ausführungsformen bzw. -beispiele können beliebig miteinander kombiniert werden.
Eine Besonderheit des vorgeschlagenen Ultraschallprüfsystems besteht darin, dass es sich um ein rekonfigurierbares Prüfsystem mit PCI-Bus Steuerung und einer integrierten Signalverarbeitungs- und Auswerteeinheit in Gestalt eines on-board-embedded PC, z.B. eines PCI-104 und hochminiaturisierten integrierten Bausteinen (FPGA, 8-Kanal ADU) handelt, wobei FPGA für Field Programmable Gate Array (rekonfigurierbarer Integrierter Schaltkreis der Digitaltechnik) und ADU für Analog-Digital-Umsetzer steht.
Das flexible universelle Ultraschallprüfsystem (FUPS) ist modular aufgebaut und kann gemäß einem Ausführungsbeispiel auf bis zu vier Moduleinheiten mit je 8 Sende- und Empfangskanälen ausgebaut werden. Weitere Erweiterungen sind möglich. Es enthält ein Embedded-PC-Board, über dessen PCI-Bus die einzelnen Module miteinander verbunden sind. Das Embedded-PC-Board wirkt als Steuer- und Auswerteeinheit. Dabei wird unter einem Embedded-PC ein modular aufgebauter und kompakter Industrie-PC verstanden. Er stellt ein eingebettetes Rechnersystem dar, dessen Rechnerarchitektur sich am Standard-PC (Personal-Computer) orientiert und standardisierte Abmessungen aufweist (PCI-104).
Die Verbindung zur Außenwelt ist über die Gigabit-Ethernet-Schnittstelle des Rechnerboards (PCI-104) realisiert, wobei als Gegenstelle nach einem Ausführungsbeispiel ein handelsüblicher PC oder Laptop-Computer zum Einsatz kommen kann, wenn dieser über eine entsprechende Schnittstelle verfügt. Ein derartiger PC oder Laptop-Computer dient als Programmier-, Darstellungs- und/oder Speichereinheit zur Eingabe der Konfigurations- bzw. Rekonfigurations-Daten durch einen Operator und zur Visualisierung und Speicherung der Messdaten bzw. Prüfergebnisse, beispielsweise über einen Bildschirm, von laufenden oder abgeschlossenen Messungen bzw. Prüfprozessen.
Das flexible universell einsetzbare Ultraschallprüfsystem (FUPS) ist aufgrund seiner Universalität für eine große Anzahl von Prüfaufgaben auf dem Gebiet der automatisierten Ultraschallprüfung geeignet. Im Vollausbau können beispielsweise bis zu 32 konventionelle Prüfköpfe sowohl im Puls-Echo- wie auch im Sende-Empfangs-Modus parallel betrieben werden. Eine mögliche Anwendung stellt der Einsatz des FUPS in einem Schienenprüfzug dar, wobei insgesamt zehn Prüfköpfe pro Schiene erforderlich sind und typischerweise eine Fahrtgeschwindigkeit des Prüfzuges von bis zu 100 km/h erreicht wird.
Ein Ausführungsbeispiel des FUPS ist in 5 gezeigt. Insbesondere zeigt diese Figur das Prüfsystem mit drei Modulen und insgesamt 24 Kanälen, die über den PCI-Bus miteinander verbunden sind. Auf dem obersten der Module 93 ist das Embedded-PC-Board 95 aufgesteckt, von dem eine LAN-Verbindung 97 zur Programmier-, Darstellungs- und/oder Speichereinheit 98 führt. Beispielsweise können – wie im Bild gezeigt – frontseitig angeordnete Steckerbuchsen 94 für den Anschluss der jeweils benötigten Ultraschallprüfköpfe 91 genutzt werden. Durch das Anbringen von Drahtbrücken können die Sende- und Empfangskanäle miteinander verbunden werden, sodass vom Sende-Empfangs- in den Puls-Echo-Betrieb umgeschaltet wird. Die in 5 schematisch dargestellten Module enthalten die Baugruppen, die für den Betrieb von bis zu 8 S/E-Prüfköpfen erforderlich sind. Dazu gehören, wie in 6 dargestellt:

– 8 Sendestufen (S1–S8) zur steuerbaren Rechteckanregung der Ultraschallschwinger;
– 8 Empfangskanäle (E1–E8) mit steuerbaren Breitbandverstärkern und vorgeschalteter aktiver Entkopplungsstufe;
– 8-Kanal Analog-Digital-Umsetzer (ADU);
– 8 digitale Filtereinheiten vom Typ IIR (FPGA);
– 8 unabhängige Stufen zur Datenverdichtung, Pixelierung für HF- und gleichgerichtete Daten (FPGA);
– 8-Kanal Offsetkompensation (FPGA);
– 8 Blenden pro Kanal mit Schwellwert-Detektion und Laufzeiterfassung (FPGA);
– Analoge und digitale Datenausgänge;
– 4 Eingänge zur Positionsdaten-Erfassung;
– Trigger- und Synchronisations-Schnittstelle;
– Steckfeld für digitale Ein- und Ausgangssignale (nicht entkoppelt);
– Nichtflüchtiger Speicher für FPGA-Konfigurationsdaten (ROM, Flash) und
– Nichtflüchtiger Speicher für Geräte- oder Messparameter (ROM, Flash).

Die Sendestufen S1 bis S8 sind angepasst, um Spannungspulse mit einer Dauer von 20 ns bis 500 ns mit einer im Bereich von 50 V bis 300 V liegenden Amplitude Ultraschallimpulse in einem für den jeweiligen Prüfkopf spezifischen Frequenzbereich auszusenden.
Die Empfangskanäle sind angepasst, Ultraschallsignale über einen Stellbereich von 80 dB zu empfangen, wobei die Eingangsstufen durch eine aktive Schutzschaltung (9), die aus zwei selbstleitenden Feldeffekt-Transistoren (FET) aufgebaut ist, vor Übersteuerung geschützt werden, sodass die Totzeit der Kanäle und die Belastung der Sendestufen auf ein Minimum begrenzt wird.
Die extern durch eine Speisespannung versorgte Spannungsversorgung ist angepasst, sowohl Hochspannung als auch Niederspannung bereitzustellen. Insbesondere liefert die Spannungsversorgung Spannung zur Anregung der Prüfköpfe, beispielsweise an SE-Prüfköpfe (z.B. in Form von Piezoschwingern mit Anpassschicht), das System selbst (z.B. Anzeige, Betriebsspannung der Steuer- und Auswerteeinheit bzw. eines PC), den FPGA, externe Verbraucher und analoge Spannungen.
Der FPGA ist optional über eine PCI-Schnittstelle oder eine JTAG-Schnittstelle zugänglich. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit über die Pins im Steckfeld mittels digitaler Schnittstellen wie EIA232, I²C, LVDS, USB usw. zu kommunizieren.
Weiterhin verfügt der FPGA über vollständig entkoppelte digitale Signal-Ausgänge und Eingänge.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind alle Baugruppen auf einer Platine angeordnet. Insbesondere kann so ein hochintegrierter Aufbau des Basismoduls mit 8 parallelen Sende- und Empfangskanälen realisiert werden, der durch ein Aufstecksystem beispielsweise auf bis zu 32 parallele Sende- und Empfangskanäle skalierbar ist.
Die Anordnung sämtlicher Komponenten des universell einsetzbaren Ultraschallmoduls auf einer einzigen Platine erleichtert die Unterbringung in einem Standard-19"-Gehäuse für den üblichen industriellen Einsatz. Das Doppeleuropaformat kommt dieser Bauform entgegen, da es den mechanischen Vorgaben entspricht und eine ausreichende Bestückungsfläche bietet. Wegen der hohen Anzahl von Verbindungsleitungen sowie aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit wird die Schaltung in Form einer Mehrlagenleiterplatte mit beispielsweise 10 Lagen realisiert.
In 7 ist die Anordnung der Komponenten auf der Platine gezeigt. Das FPGA ist zentral zwischen dem Verbindungsstecker für den PCI-Bus und dem ADU-Baustein angeordnet. An den Seiten befinden sich die Digital-I/O Stufen und mehrere DC/DC-Wandler zur Spannungsversorgung. Das Embedded-PC Prozessorboard wird mit Hilfe von Distanzstücken über den Digital I/O-Stufen montiert. Im Weiteren befinden sich die Bausteine mit FPGA-Anbindung zur Systemüberwachung, sowie die Bauteile zur Ansteuerung der Hochspannung (UHV) und die analogen Blenden-Ausgänge auf der Platinenoberseite. Die Buchsen für die Prüfkopfanschlüsse sowie die beiden Empfangsstufen VV und HV sind zur besseren Entstörung auf der Platinenrückseite angeordnet.
Der Gerätetreiber des FUPS fungiert als Bindeglied zwischen der Software-Oberfläche (Steuer- und Auswerte-PC) und den Hardwaremodulen. In ihm sind, neben den Programmroutinen zur Parametrisierung, auch Steuerungs- und Überwachungsfunktionen implementiert. Darüber hinaus wird nach jeder Geräteinbetriebnahme ein selbsttätiger Gerätetest ausgeführt.
Das Kernel-Modul stellt einem Server-Prozess, der im Benutzer-Modus ausgeführt wird, verschiedene Shared-Memory-Speicherbereiche und FIFOs (first-in-first-out) zur Verfügung. Im Shared-Memory können die Messdaten ausgelesen werden. Die FIFOs übertragen Steuerkommandos und Statusinformationen. Die zugehörige 8 zeigt das Ineinandergreifen der verschiedenen Soft- und Hardwareschichten.
Dabei reagiert der Interrupt-Handler (ausgeführt im Kernel-Modus) auf Ereignisse, die im FPGA ausgelöst werden. Er meldet diese über FIFOs an den Server-Prozess (ausgeführt im Benutzer-Modus). Normierte Zugriffe auf den Treiber werden durch die in einer Datei definierten Strukturen und Kommandos definiert. Weiterhin ist an dieser Stelle die Partitionierung der Shared-Memory-Bereiche zwischen Kernel-Modul und Server-Prozess festgelegt. Ereignisse, die einen Interrupt auslösen können sind:

– Messung beendet, neue Messdaten im Speicher des Embedded-PC verfügbar;
– Überschreitung der eingestellten Grenzwerte der Systemüberwachung;
– sonstige Fehlerzustände (Speicher voll, Manipulation) oder
– Externe Triggerung, Ereignis am digitalen Eingang.

Ein Vorteil der beschriebenen Vorrichtung besteht in der Möglichkeit zur schnellen automatisierten Ultraschallprüfung mit beispielsweise 8 parallelen Kanälen pro Ultraschall-Modul (Platine). Insbesondere wird ein Prüfsystem umfassend 3 Platinen mit 24 parallelen Sende- und Empfangskanälen und einem Datendurchsatz von mind. 30 MByte/sec zur Verfügung gestellt.
Das vorgeschlagene Ultraschall-Prüfsystem ist auf dem neuesten Stand der Mikroelektronik und dient dem Transfer von innovativen Prüftechniken in die industrielle Praxis wie z.B. Anwendungen zur Schienenprüfung mit einem Schienenprüfzug bei einer Fahrtgeschwindigkeit von bis zu 100 km/h. Damit dient die Vorrichtung der Gewährleistung einer hohen öffentlich-technischen Sicherheit und erlaubt zuverlässig eine zeit- und kostensparende Schienenprüfung.
Wenngleich hierin spezifische Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben worden sind, liegt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die gezeigten Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele geeignet zu modifizieren, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgenden Ansprüche stellen einen ersten, nicht bindenden Versuch dar, die Erfindung allgemein zu definieren.
Bezugszeichenliste

10: Senderplatine
12: Ultraschallsender / Sendeprüfkopf
14: Energieversorgungseinheit
30: Empfangs- und Verarbeitungsplatine
32: Empfänger oder Empfangskanäle / Empfangsprüfkopf
34: Verstärker
36: Multiplexer
38: Analogdigitalwandler, Digitalanalogumwandler
40: Verarbeitungseinheit
42: Verstärkerstufe
44: Ausgangseinheit für digitale Aus- und/oder Eingänge
46: Anschluss, z.B. an einen Rechner
48: Weggebereingang
50: Pulsformer
52: Schnittstelle
54: FIFO-Puffer zum Schreiben in ein Register
56: FIFO-Puffer zum Lesen des Registers
58: FIFO-Puffer zum Lesen der Messdaten
60: Registersatz, Schaltnetzteil / Transformator
62: Messablauftabelle
64, 68: Registersatz
66: Prüftaktregistersatz
70: Datengenerator
72: Ultraschallsteuereinheit
74: Sensoransteuerung
76: Messdatenverarbeitungseinrichtung
78: digitales Filter
80: Blende
82: Gleichrichter
91: Ultraschallprüfkopf
92: Prüfobjekt, z.B. Schiene
93: Ultraschallmodule
94: Anschluss-Buchsen
95: Embedded-PC-Board
96: PCI-104-Stecker
97: LAN-Verbindung
98: Programmier-, Darstellungs- und/oder Speichereinheit / PC

Claims

Ultraschallprüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung mindestens eines Prüfgegenstands aus jeweils mindestens einer Prüfposition durch Beaufschlagen des mindestens einen Prüfgegenstands mit Ultraschallwellen und Erfassen der reflektierten Ultraschallwellen, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung mindestens einen Ultraschallsender (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8), mindestens einen Ultraschallempfänger (E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7, E8) und mindestens eine Steuer- und Verarbeitungseinheit, insbesondere einen FPGA zur Steuerung der an den Ultraschallsender gesendeten und zur Verarbeitung der von dem Ultraschallempfänger empfangenen Signale zu mindestens einem Messergebnis aufweist, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung eine schnelle automatisierte Ultraschallprüfung mit mindestens 8 parallelen Kanälen auf einer Platine gestattet, oder einen Datendurchsatz von zumindest 30 MByte/sec mit mindestens 24 parallelen Sende- und Empfangskanälen gewährleistet.
Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) über eine Schnittstelle mit einer Programmier-, Darstellungs- und Speichereinheit (8), insbesondere mit einem PC, verbindbar ist, wobei über die Programmier-, Darstellungs- und Speichereinheit (8) an die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) ein Programm, ein Programmpaket, oder eine Konfigurationsdatei für ein Programm oder ein Programmpaket auf die Steuer- und Verarbeitungseinheit übermittelt werden kann, wobei das Programm oder Programmpaket die Steuerung der an den Ultraschallsender (S1...S8) gesendeten und die Verarbeitung der von dem Ultraschallempfänger (E1...E8) empfangenen Signale zu mindestens einem Messergebnis übernimmt.
Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung einen Analog-Digital-Wandler (ADU) aufweist, um die durch den Ultraschallempfänger empfangenen analogen Signale digital der Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) bereitzustellen.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Analog-Digital-Wandler (ADU) zumindest ein 2-Kanal-, insbesondere ein 8-Kanal Analog-Digital-Wandler mit einer Empfangsdynamik von 14 Bit ist und eine Abtastung pro Kanal von 100 MSPS gewährleistet.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Programmier-, Darstellungs- und/oder Speichereinheit (8) mittels darauf installierter Software angepasst ist, eine graphische Darstellung der vom FPGA übermittelten Messergebnisse eines laufenden und/oder eines abgeschlossenen Prüfvorganges bereitzustellen, wobei die Darstellung durch einen Bildschirm erfolgt und Wahl der Bilddarstellung oder der Wahl des ein Bild umfassenden Datenbereichs einstellbar ist.
Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Betriebssystem der Programmier-, Darstellungs- und/oder Speichereinheit Linux oder Microsoft Windows ist oder darauf basiert.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Wegaufnehmer.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Schnittstelle zwischen FPGA und Embedded-PC ausgewählt ist unter einer PCI-Schnittstelle und die Schnittstelle zwischen Embedded-PC (5) und Programmier-, Darstellungs- und/oder Speichereinheit (8) ausgewählt ist unter einer Gigabit-Ethernet-Schnittstelle.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) direkt über I/O-Steckfelder mittels serieller Datenübertragung mindestens ein Monitor sowie mindestens ein Eingabegerät anschließbar ist.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schnittstelle zwischen Steuer- und Verarbeitungseinheit und einer externen Programmier-, Darstellungs- und/oder Speichereinheit einer Gigabit-Ethernet-Schnittstelle ist.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) einen Datengenerator umfasst, der eingerichtet ist, aus einer Information des Wegaufnehmers eine Positionsinformation der mindestens einen Prüfposition mit dem empfangenen Signalen des mindestens einen Messergebnisses zu kombinieren.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) eingerichtet ist, mindestens ein Messergebnis mit Daten des Wegaufnehmers bezüglich der zumindest einen Prüfposition in einem gemeinsamen Datenpaket über die Schnittstelle an die Programmier-, Darstellungs- und/oder Speichereinheit (8) zu übermitteln.
Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 9, wobei in dem gemeinsamen Datenpaket Positionsdaten, die dem Beginn eines Prüfvorganges entsprechen und Positionsdaten, die dem Abschluss eines Prüfvorganges entsprechen übermittelt werden.
Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung eingerichtet ist, über die Schnittstelle Konfigurationsdaten zu empfangen, mittels derer die Ultraschallprüfvorrichtung, insbesondere die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) rekonfigurierbar ist.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Ultraschallsender ein Sendeprüfkopf ist und/oder wobei der mindestens eine Ultraschallempfänger ein Empfangsprüfkopf ist.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) eine Ultraschallsteuereinheit (72) zum Steuern des mindestens einen Ultraschallsenders (S1...S8) und/oder des mindestens einen Ultraschallempfängers (E1...E8) umfasst.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallprüfvorrichtung eingerichtet ist, Ultraschallmessungen mit einer frei einstellbaren Messwiederholrate, insbesondere mit einer Messwiederholrate, die größer als 20 Hz ist und/oder mit einer Messwiederholrate, die kleiner als 30 kHz ist, auszuführen.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Verarbeitungseinheit (FPGA) ausgewählt ist unter einem FPGA von Altera, insbesondere einem Cyclone oder Stratix oder einem FPGA von Xilinx insbesondere Spartan, Virtex, Artix oder Kintex oder einem FPGA von Lattice.
Ultraschallprüfvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Empfangskanal durch eine aktive Schutzschaltung vor Übersteuerung geschützt.