DE2846153C2

DE2846153C2 - Verfahren zur Ersatzreflektor-Größenbestimmmung bei der automatischen Ultraschallprüfung

Info

Publication number: DE2846153C2
Application number: DE19782846153
Authority: DE
Inventors: Wilfried Ing.(grad.) 5042 Erftstadt Pies
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1978-10-24
Filing date: 1978-10-24
Publication date: 1985-03-21
Also published as: GB2034474B; JPS5559339A; JPS5858620B2; GB2034474A; DE2846153A1

Description

aus der auf konstante Echohöhe tiefenkorrigierten Echoamplitude der Rückwand und der mitkorrigierten Echoamplitude des Reflektors als Flächenverhältnis der rechteckförmigen Schallbündeiquerschnittsfläche (AJ) in der Reflektortiefe (ai) zur rechteckförmigen Ersatzreflektor- f\'iche (/1Ar; Ar) verwendet wird und daß dieser Quotient

( A.

\AA„

A.

AA_R

B;

10

15

daß die Schallbündelquerschnittsfläche (5) als eine in seiner Fläche tiefenabhängiges variables Rechteck vorgegeben wird, dessen längere Rechteckkante eine von der Tiefe (a) unabhängige Br*ke (B(a) = B), dessen kürzere Rechteckkante aber eine von der Tiefe (a) abhängige Länge (l(a)) ist, wobei die Schallbündelquerschnittsfläche als A „ - B · l(a) dargestellt wird,

daß zu jedem Prüfschuß aus der mitkorrigierten Echoamplitude des Reflektors eine zugehörige Teil- oder Gesamtfläche (JAr; Ar) des Reflektors ermittelt und als rechteckige Ersatzreflektorfläche mit einer tiefenabhängigen Ersatzbreite (bp) und der Länge l(ai) des rechteckigen Schallbündels in der Reflektortiefe (ai) als Pro- dukt Ar = ör ■ /(a,idargerslit wird,
daß der Quotient

35

40

45

reziprok mit der von der Tiefe (a) unabhängigen Breite fß,) multipliziert und dieses Produkt

50

als Ersatzfehlerbreite (Or) in der Reflektortiefe (ai) als Maß für die Reflektorgröße benutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Länge der Ersatzreflektorteilfläche (/IAr) der relative Weg (/JS) zwischen Prüfstück und Prüfkopf in der Zeit von Prüfschuß zu Prüfschuß verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche des Ersatzreflektors aus dem arithmetischen Mittel der Breitenwerten (Or,) der einzelnen aufeinanderfolgenden Prüfschüsse mit Reflektoranzeigen gebildet wird und dieser mittlere Breitenwert mit der Summe aller relativen Wege zwischen Prüfstück und Prüfkopf in der Zeit von Prüfschuß zu Prüfschuß, in denen aufeinanderfolgende Reflektorechos vorhanden sind, multipliziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufsummieren der Teilflächen von Prüfschuß zu Prüfschuß zur Gesamtfläche des Ersatzreflektors solange erfolgt, wie in aufeinanderfolgenden Prüfschüssen Reflektorechos noch vorhanden sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Rückwandechoamplitude aus dem letzten vorhergehenden Prüfschuß ohne Fehler- bzw. Reflektorecho zwischengespeichert und als Bezugsechoamplitude verwendet wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ersatzreflektor-Größenbestimmung bei der automatischen Ultraschallprüfung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei dieser Prüfung treten gewisse Schwierigkeiten auf: Jeder senkrecht einschallende Prüfkopf erfaßt mit einer Impulsaussendung einen bestimmten Prüfstückbereich. Die nachfolgende Impulsaussendung muß trotz einer Verschiebung des Prüfkopfes so erfolgen, daß das Innere des Prüfstückes lückenlos vom Schallstrahl erfaßt wird. Somit prüft jeder Prüfkopf eine bestimmte Spur im Prüfstück. Im Prüfkopfausgang liefern die Reflektoren nach der Größe der Amplitudenwerte zugehörige Anzeigen. Die automatische H-üfung wird aber dadurch erschwert, daß wegen unterschiedlicher Formen und Lagen der Reflektoren nicht die wahre Reflektorfläche angegeben wird, so daß hilfsweise mit krcisscheibenförmigjen Ersatzreflektorengrößen gearbeitet wird (vgl. J. und H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, dritte Auflage, Springer-Verlag, Berlin, 1975, Seiten 91 —93; ff.). Die Beziehung zum wahren Reflektor ist dadurch gegeben, daß der mit seiner Fläche parallel jiut PrüfrAückoberfläche liegende Ersat/.reflektor einen Durchmesser haben soll, der die gleiche Echoamplitude· wie die des wahren Reflektors erzeugt.

Erfolgt die Prüfung nicht manuell, sondern automatisch, wird die richtige Beurteilung der Meßwerte durch verschiedene physikalische Parameter stark beeinflußt und die Messung erschwert, z. B. durch Nahfeldeinschnürung, Divergenz des Schallstrahlcs im Fernfeid, der Abhängigkeit der Echohöhe von der Reflektorentfernung usw.

Es sind zwar verbesserte automatisch arbeitende Prüfverfahren bekannt, die mit vorbestimmten Schwellenamplitudem einer elektrischen Signalgröße arbeiten. Hierbei werden Rückwandecho- und Reflektorechoamplitudcn mit der Schwellcnamplitude für jeden einzelnen PrüfschuB verglichen und danach entweder der Klasse »fehlerhaft« oder »fehlerfrei« zugeordnet. Allerdings ist es erforderlich, mehrere aufeinanderfolgende Prüfschüsse zusammenzufassen, um das Prüfergebnis hinreichend beurteilen zu können. Vorher kann eine brauchbare Aussage, z. B. als Farbmarkierung auf dem Prüfstück, ah Aufzeichnung auf Diagrammpapicr oder

durch digitate elektronische oder magnetische Abspeicherung nicht erfolgen (vgl. J. H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer-Verlag, Berlin (1975). dritte Auflage. Seiten 355-356; Pies. W.: Fully automatic ultrasonic heavy plate testing insiallatiöncomplctely new both in its conception and technique. Eigth world conference on nondestructive testing, 1976 at Cannes; lecture 3 H 14; Pies. W.: Rechner prüft Grobblech. VDI-Nachrichten Nr. 17,29. April 1977. S. 7; Pies, W.: Vollautomatische rechnergesteuerte Randzonen- und Flächenprüfung von Grobblechen, Fachberichtc Hüttenpraxis Metallweiterverarbeiturig, Heft 10, Oktober 1977, Seiten 927-932).

Die bekannten Verfahren sind jedoch insoweit verbesserungsbedürftig, als immer mehrere aufeinanderfolgende Prüfschüsse zusammengefaßt werden müssen. Wenn aber Reflektoren in unterschiedlichen Tiefenlagen im Prüfstück vorhanden sind, werden zwei o. dgl. unabhängige Reflektoren als nur ein zusammenhängender und nunmehr fälschlich großer Reflektor angezeigt. Ferner ist es für einen Werkstoffprüfer schwierig, die Prüfergebnisse richtig zu beurteilen, wenn er eine flächenhafte Fehlerbewertung nach einer gegebenen Prüfnorm ausführen muß, denn die tatsächlichen Fehlerwerte sind beim bekannten Verfahren durch den absoluten oder relativen Schwellenwertvergleich insoweit nicht mehr vorhanden, als die bekannte Aussage auf eine einfache Ja/Nein-Entscheidung reduziert worden ist.

Das bekannte Verfahren ist weiter insoweit nachteilig, als der Fehler bzw. Reflektor bei einer Abtastung (Prüfschuß) mehrfach erfaßt werden kann, je nachdem, wie seine Tiefenlage im Prüfstück ist. Man kann also aus der Anzahl der bewerteten Echoanzeigen nicht direkt auf die Fehlergröße schließen.

Bei einem Verfahren eingangs genannter Art, das auf die Anmelderin zurückgeht, wird ein sogenanntes AVG-Diagramm eingesetzt, um bei vollautomatisch arbeitenden Prüfanlagen eine Tiefenkorrektur der Echoamplitude der Prü'jtückrückwand und eine Bewertung unabhängig von der Tiefenlage eines Fehlers durchführen zu können. Jedem Prüfkopf ist eine AVG-Kennlinie zugeordnet. Die Kennlinienwerte sind digital in Speichern festgehalten und werden mit dein Echosignal mitlaufend abgerufen. Hierdurch steht ein linearisiertes Signal zur Fehlerbev.ertung zur Verfügung. Allerdings wird hier nicht das Problem angesprochen, die Prüfgenauigkeit für Ersatzreflektorflächen bei mehreren aufeinander folgenden Prüfschüssen zu verbessern, insbesondere bei ausgedehnten SchallbünJeln (Fachberichtc Hütlenpraxis Metallverarbeitung,Oktober 1977,Seitc927—932).

Bei einem anderen Verfahren zur Messung und Auswertung von Ultraschallimpulsen einer gwählten Impulsfolgefrequenz bei der Prüfung von Blechen u. dgl. mit einer Mehrzahl von Senderempfängerprüfköpfen und bei dem die Amplitude des Rückwandechos tiefenkorrigierl sind, wird zur Bewertung ein Quotient zwischen dem maximalen Fehlerecho und dem Rückwandecho eines und desselben Impulses gebildet. Diese Verhältnisbildung wird auch als Amplitudenverdichtung bezeichnet und setzt voraus, daß die Fehler relativ klein, z. B. nicht größer als 4 mm. sind. Ist dies nicht der Fall, ergeben sich beachtliche Bewertungsabweichungen. Größere Fehler »fließen« dann im Anzcigenwcrl ineinander über, wcrdsn nicht notwendigerweise getrennt und können nicht im einzelnen bewertet werden. Insbesondere wird nicht das !'.oblcm angesprochen, bei mehreren aufeinander folgenden Prüfschüssen die lirsat/.reflcktorfliiche einfach und genau, ohne Schwellenwcrtvergieich, darzustellen (DE-AS 22 26 172).

Ferner behandelt ein Verfahren zur Einstellung des Tiefenausgleichs die von der Rückwand des Prüfstücks ausgehende Mehrfachechofolge im Vergleich zu Meßwerten, die die Entfernungsabhängigkeit der Ersatzreflektoren je bestimmter Prüfkopftype festlegen und besorgt die Einstellung des Tiefenausgleichs äth Gerät in Abhängigkeit der Rückwandmehrfachechös durch Nachstellung der Verstärkung. Durch Ausnutzung der ίο Mehrfächechofolge wird die Justierung des Tiefenausgleichs für jeden Prüfkopftyp unabhängig vom Prüfkopfdurchmesser und der Frequenz (DE-OS 19 60 458 der Arimelderin) durchgeführt.

Allerdings wird das Problem einer genaueren Untersuchung einer Ersatzreflektorfläche bei einer Mehrzahl von einander folgenden Prüfschüssen hier nicht behandelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren- eingangs genannter Art die Ersatzreflektbrfläche ohne Schwellenwertvergleici. einfach und genau auch bei unterschiedlichen Prüfvorschr.ften und unter Ausschluß der Ausdehnung des Schallfeldes in der Tastrichiung auf die Bewertung anzugeben.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Echoamplituden von Reflektoren in Abhängigkeit von der Reflektortiefe nach erfolgter Tiefenkorrektur der Rückwandechoamplitude,

Fig.2 eine perspektivische Darstellung eines Prüfkopfes und eines zu prüfenden Bleches mit dem pyramidenstumpf förmigen Schallbündelverlauf,

Fig.3 eine Darstellung eines abgebrochen gezeichneten Prüfstücks mit schematischer Wiedergabe eines nacheinander von mehreren Prüfschüssen erfaßten Reflektors im Prüfstück.

Die Reflektor- und die Rückwandechoamplitude werden mit den gegenläufigen AVG-Rückwandechokennlinie·"; nach bekannten Verfahren korrigiert (vgl. DE-OS

19 60 458, DE-OS 26 23 522), jedoch mit der Abwandlung, daß nicht die Fehler- bzw. Reflektorechoämplitude auf eine tiefenunabhängige Größe korrigiert wird, sondern die Tiefenkorrektur so ausgelegt wird, daß die Rückwandechoamplitude eine tiefenunabhängige. also konstante Höhe hat. Das ist in Fig. 1 die Kurve 1. Mit einer solchen Korrektur liefert ein Reflektor bestimmter Größe, z. B. mit 5 mm Durchmesser bzw. 20 mm² Reflektorfläche, ein Echo, dessen Höhe von der Tiefe

so des Reflektors im Prüfstück abhängt, wie in Kurve 2 dargestellt. Die konstanten Echohöhen gemäß der Kurve 1 v/Orden auch erzeugt werden von Reflektoren in dem verschiedenen Tiefen, die in ihrer Fläche gleich oder größer der in diesen Tiefen vorhandenen Schallbüiidelquerschnittsflächen sind. Die Schallbündelquerschnitts flächen sind für vier verschiedene Tiefen a_t bis a* durch die Kreise 3a bis 3ddargestellt und mit A„(a\) bis A*(a*) bezeichnet. Die Fläche eines Reflektors (im Beispiel

20 mm²), gezeichnet in vier möglichen Tiefenlagen, ist mit Ar bezeichnet.

Für jeden Prüfschuß wird, z. B. in einen Digitalrechner, ein Quotient aus tiefenkorrigierter Rückwandechoamplitude und mitkorrigierter Reflektorechoamplitude gebildet. Dieser Quotient wird nicht, wie bisher geo5 brauchlich, mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen, sondern als flächenproportionale Größe, nämlich als der Quotient der unbekannten Reflektorfläche An oder Rcflcktorteilfläche ΔΑκ, wenn der Reflek-

tor vom Schallbündelquerschnitt in einem Schuß nicht voll erfaßt wird, zu der an sich bekannten Schallbündelquerschnittsfläche A„ in der Fehlertiefe — die im AVG-Diagramm als unendlich großer Reflektor bezeichnet ist — verwendet. In Fig. I soll die Kurve 2 die konstante Fläche Ar von 5 mm Durchmesser entsprechend ca. 20 mm² Flächengröße repräsentieren, und die Kurve 1 stellt die Rückwandechokurve als eine Flächenvariable A„(a) über der Tiefe dar. Der Zusammenhang zwischen den beiden Flächen Ar und A„(a) wird durch den Abstand x(a) im dB-Maß zwischen beiden Kurven angegeben, das sind die Werte x(a\), x(a-i). x(ai) und x(a*) in der Fig. 1. Ausgehend davon, daß die der Rückwandechokurve zugeordneten Flächen A_x die Schallbündelqucrschnitte in einzelnen Tiefen darstellen, lassen sich diese Werte meßtechnisch ermitteln oder auch in einem AVG-Diagramm mit Hilfe der Abstände x(u) im dB-Maß errechnen. Somit sind diese Werte bekannt. Die Bestimmung einer gesuchten Fehlerfläche vereinfacht sich auf die Formel

A. =

x(a)

Der als unendlich groß bezeichnete Reflektor im AVG-Diagramm aus der jeweiligen Reflcktortiefe dient also als Bezugsreflektor mit bekannter Fläche, der ein direktes Umsetzen einer Echoamplitude eines Reflektors in eine Reflektorfläche ermöglicht, unter Verwendung des Quotientenwertes der beiden von der Ultraschallelektronik angelieferten Echoamplituden. Zu berücksichtigen ist, das der Begriff »Fläche« sich im Zusammenhang mit der A VG-Methode immer auf Ersatzreflektorflächen bezieht.

Für das Verfahren wird die Prüfschußdichte innerhalb einer Prüfspur so hoch gewählt, daß auch ein kleiner Reflektor bei der höchsten Abtastgeschwindigkeit von mehreren Prüfschüssen getroffen wird. Wie oft er getroffen wird, hängt von seiner Ausdehnung in Abtastrichtung (vgl. Pfeil in Fig. 2) und seiner Tiefenlage ab. Die Aussage über die Flächenausdehnung eines Reflektors setzt sich aus vielen Einzelergebnissen zusammen, da der Reflektor bei der Abtastbewegung, also der Relativbewegung zwischen Prüfkopf und Prüfstück, durch ein Schallfeld endlicher Ausdehnung wandert. Jc nach Reflektorfläche und Schallbündelqucrschnittsfläche in der Tiefe des Reflektors wird je Prüfschuß die Ersatzreflektorfläche Ar oder nur eine Teilfläche OAr davon ermittelt Diese Flächen sind nun zu der wirklichen Gesamtfläche eines in sich abgeschlossenen Reflektors zusammenzufassen. Hierzu wird das Schallbündel der verwendeten Sender-Empfänger-Prüfköpfc (SE-Prüfköpfe) auf eine vereinfachte Modellform gebracht. Das Schallbündel wird als Pyramidenstumpf 4 mit rechteckiger Querschnittsfläche 5 angenommen, vgl. F i g. 2. Die Breite des Schallbündels B(a) und die Länge l(a) des Schallbündels sind der Tiefe a im Prüfstück proportional. In Fig.2 sind diese Größen für vier verschiedene Tiefen a\ bis at, dargestellt, zu denen jeweils entsprechenden Längen /(I... 4) gehören. Die Fläche des Bezugsreflektors An(a)als Schallbündelquerschnittsfläche 5 in der Tiefe a ist somit das Rechteck B(a) ■ l(a).

Die Ersatzreflektorfläche wird also hier nicht als Kreisfläche, sondern als eine Rechteckfläche dargestellt

In F i g. 3 ist der prinzipielle Ablauf einer Teilflächenermittiung und die Zusammenfassung zu einer Ersatzreflektor-Gesamtfläche dargestellt Die Bahnen 7a—7/" stellen die Priifspur eines Prüfkopfes mit der Breite B in

sechs aufeinanderfolgenden Prüfschüssen dar. Die Breite B ist hier zur Vereinfachung der Darstellung als konstant über der Tiefe angenommen, was in der Praxis oft ausreichend ist; also B(a) — konstant. Das sich in den Bahnen nach rechts verschiebende Rechteck 8 stellt einen Schallbündclquerschnitt in der Tiefe a, dar, der sich von Prüfschuß zu Prüfschuß über einen Reflektor 9 in der gleichen Tiefe hinwegbewegt. Während im ersten Prüfschuß 7a durch Prüfkopf 10 der Reflektor noch nicht erfaßt wird, ist er im zweiten Prüfschuß Tb (später 7c, Td, Te, Tf) als Teilfläche OAr _{(la.), das ist die Schnittfläche zwischen B ■ l(a,) und A^aJ zu bewerten. Der Quotient aus der Bezugsfläche A„ für die Reflektorticfe .7, und der erkannten Teilflächc ΔAr(Z₁) wird gebildet und mit der von der Ultraschallclcktronik bereitgestellten Amplitudcnverhältnis/.ahl x(a,) gleichgesetzt

X(O₁) -

Ersetzt man die Fläche A„ durch den äquivalenten Ausdruck B ■ l(a,) und die Reflektorteilflächc aA_H(ai) durch ein flächenglciches Rechteck mit ebenfalls der Länge l(a,) und der Ersatzbreite or, so ergibt sich foigendc Formel:

X(O₁)

Β-Ι(α,) ₌ _B_ 1>κ · '(^fli) *Ä

Es entfällt bei der Quotientenbildung die tiefenabhängige Länge \(ai), und der Ausdruck reduziert sich auf das Breitenverhältnis B/Ör, womit die Ausdehnung des Schallbündels in Abtastrichtung ihren Einfluß auf die Bewertung verliert. Es ergibt sich είπε dem rncrr.enianen Prüfschuß zugeordnete Ersatzfehlerbreite

In den folgenden Prüfschüssen wird in der gleichen Weise verfahren, so daß nacheinander eine Reihe von Werten der Ersatzreflektorbreiten, z. B. or ι bis 6« _h, vorliegen. Um nun die gesuchte Gesamtfläche des Reflektors Ar zu erhalten, wird die während der Abtastung von Prüfschuß zu Prüfschuß stattfindende Längsbewegung JS als weitere Dimension herangezogen. AS ist der relative Weg zwischen Prüfstück und Prüfkopf in der Zeit von Prüfschuß zu Prüfschuß. Diese Größe /JS, also Summe aus JSi... usw. bis /ISs. ist bei wechse'nden Schlißabständen zwangsläufig keine Konstante. In unserem Beispiel ist jedoch angenommen, daß die Schußabständc in einem äquidistanten Raster erfolgen und somit die Größe AS konstant bleibt. Diese Längsbewegungsgrößen ergeben sich aus den von der automatisch arbeitenden Prüfanlage bereitgestellten Daten. Mit diesen Längsbewegungen kann die gesamte Fehlerfläche auf zwei unterschiedlichen Wegen errechnet werden:

1. Für jeden Prüfschuß mit Reflektoranzeige wird entsprechend dem momentanen Schußabstand eine Reflektorteilfläche /IAr, aus b_Ki - /IS errechnet, die dann von Prüfschuß zu Prüfschuß aufsummiert wird.

45).

V)

Z Die Reflektorbreiten Or, werden über die »Erkennungslänge« 5* eines Reflektors arithmetisch gemitteil und mit dieser Erkennungslänge S^# multipliziert.

wobei hier die »Erkennungslänge« die Summe aufcinandcrfolgcndcr Schußabstündc AS* mit Reflektoranzeigc becirulcl. Nach einem der beiden Verfahrcnsschritlc liegt am Ende eines in sich abgeschlossenen Reflektors die Gesamtfläche des Reflektors An vor. In einer Prüfanlage werden viele benachbarte Spuren lückenlos durch eine entsprechende Anzahl von Prüfköpfen geprüft. Die Reflektorflächcn benachbarter Prüfspuren können mit Hilfe eines Rechners zusammengefaßt werden, bevor nach vorgegebenen Bezugsgrößen die Entscheidung, ob ein Reflektor als Fehler oder als Nichtfehler zu bezeichnen ist, getroffen wird. In einem Digitalrechner kann die ermittelte Fläche eines Reflektors An uuuruic uus bciiac'iiuariüii ri üfspüicfi /.üsumincfigeiaß-(e Reflektorfläche mit einem Flächengrenzwert verglichen werden, so daß ein Reflektor mit einer Fläche, die kleiner als dieser Grenzwert ist, nicht als Fehler, und ein Reflektor, dessen Fläche größer als dieser Grenzwert ist, als Fehler klassifiziert wird.

Mit diesem Verfahren werden Flächen von Reflektoren direkt aus einem Flächenbezug, d. h. einem Quotienten aus Flächen A*, :An angegeben, unabhängig von Reflektorgröße und -ausdehnung, Schallbündelform und Prüfgeschwindigkeit, ohne den Amplitudenvergleich von Echoliöhe mit Schwellenwerten heranziehen zu .Müssen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ersatzreflektor-Größenbestimmung bei der automatischen Ultraschallprüfung nach dem Impulsechoverfahren, bei dem ein oder mehrere Prüfköpfe relativ zur Prüfstückoberfläche bewegt werden und bei dem aus den Meßwerten jedes Prüfschusses ein Quotient aus der auf konstante Echohöhe tiefenkorrigierten Echoamplitude der Rückwand und der mitkorrigierten Echoamplitude eines Reflektors gebildet wird, dadurch gekennzeichnet,