DE4416829A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen Querschnitt eines PrüfkörpersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrich
tung zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen
Querschnitt eines Prüfkörpers auf einem den Querschnitt
überdeckenden Raster von Bildpunkten. Dabei sind zunächst
mehrere Serien von Echolaufzeitspektren aufzunehmen, wobei
in jeder Serie von vorgegebenen Meßpunkten an einem Umfang
des Querschnitts aus jeweils ein Echolaufzeitspektrum
eines Ultraschallsignals als Amplitude eines Echos des
Ultraschallsignals in Abhängigkeit von dessen Laufzeit auf
genommen wird derart, daß das Ultraschallsignal unter einem
der Serie zugehörigen Einschallwinkel mit einer zugehöri
gen Divergenz in den Prüfkörper eingestrahlt wird; an
schließend erfolgt eine Auswertung der Serien unter Er
stellung des Ultraschall-Tomogramms, welches eine drei
dimensionale Darstellung von Stellen in dem Querschnitt
sein soll, an welchen ein Ultraschallsignal reflektiert
wird. Solche Stellen werden vielfach "Reflektoren" ge
nannt.
Ein dertiges Ultraschall-Tomogramm kann perspektivisch
und/oder als Höhenliniendiagramm, gegebenenfalls farbig
unterlegt, dargestellt und unmittelbar zur Lokalisierung
von Reflektoren in dem untersuchten Querschnitt herange
zogen werden. In diesem Sinne ist ein Ultraschall-Tomo
gramm ein sehr nützliches Mittel beim Auffinden von Defek
ten in Prüfkörpern, insbesondere in Prüfkörpern in Form
von Turbinenteilen wie beispielsweise Turbinenwellen und
Turbinenradscheiben.
Detaillierte Information über die Ultraschall-Prüftechnik
und die dazu erforderlichen oder brauchbaren Gerätschaften
gehen hervor aus dem Buch "Ultrasonic Testing of Materials"
von J. Krautkrämer und H. Krautkrämer, 4. Auflage,
Springer-Verlag, Berlin 1990.
Die Grundlagen der Ultraschall-Prüfverfahren, die auf das
Aufnehmen und Auswerten von Echolaufzeitspektren gegründet
sind, sind in dem Kapitel 10 dieses Buches eingehend
beschrieben. Der Abschnitt 10.4, Seite 187 ff., betrifft
Transduktoren, d. h. piezoelektrische Elemente zur Erzeu
gung und zum Nachweis von Ultraschall, sowie ihre Einbin
dung in Prüfköpfe, die in der Praxis Verwendung finden
können. Neben Einzelprüfköpfen, d. h. Prüfköpfen, die je
weils nur ein einziges Ultraschallelement für Sende- und
Empfangszwecke oder ein einzelnes Element für Sendezwecke
und ein einzelnes Element für Empfangszwecke aufweisen,
sind Prüfköpfe bekannt, die aus vielzähligen, jeweils dem
selben Zweck dienenden Elementen bestehen. Derartige Prüf
köpfe, insbesondere solche, die als "phased arrays" aus
gestaltet sind, gestatten es, die Richtung des abgestrahl
ten Ultraschalls beziehungsweise die Richtung, aus der
Ultraschall empfangen werden kann, zu verschwenken. Solche
"Phased Arrays" oder "Gruppenstrahler" werden üblicher
weise eingesetzt zur Erstellung von Tomogrammen. Hinweise
zur Anwendung von Prüfköpfen gehen insbesondere aus dem
Abschnitt 10.5, Seite 205 ff., hervor. Prüfmethoden unter
Einbeziehung bilderzeugender Verfahren sind in dem Kapitel
13, Seite 241 ff., eingehend dargestellt. In dem Abschnitt
13.12, Seite 248 ff., sind verschiedene abtastende Ver
fahren erläutert, darunter Verfahren, die Tomogramme, d. h.
Schnittbilder, liefern. Von großer Wichtigkeit bei allen
bildgebenden Verfahren ist die Ausmerzung des an sich nach
teiligen Effektes, daß ein Ultraschall-Sender stets ein
Ultraschall-Bündel endlicher Breite und endlicher Diver
genz emittiert. Die räumliche Auflösung eines Echolaufzeit
spektrums ist daher, gesehen entlang der Wellenfronten
eines Ultraschallsignals, sehr gering. Eine ausgesprochen
hohe räumliche Auflösung kann allerdings erzielt werden
senkrecht zu den Wellenfronten, da durch Auswertung des
zeitlichen Verlaufs der Echolaufzeitspektren durch ent
sprechende feine Unterteilung des dargestellten Zeitraums
(was im Rahmen der geläufigen digitalisierten Speicherung
von Daten stets der Fall ist) eine Auflösung erzielt werden
kann, die dem durch die Gesetze der Wellenoptik gegebenen
Maximum beliebig nahekommt. Dieses Maximum an Auflösung
entspricht im Wesentlichen der Wellenlänge des verwendeten
Ultraschallsignals. Verschiedene Methoden zur Eliminierung
der schlechten Auflösung entlang der Wellenfronten sind
bekannt und werden in dem Buch vorgestellt; bekannt sind
insbesondere sogenannte Schnittpunktverfahren, die darauf
hinauslaufen, Laufzeiten von Ultraschallsignalen, die aus
verschiedenen Richtungen auf einen Reflektor treffen, zu
einander in Beziehung zu setzen, sowie das sogenannte SAFT-
Verfahren ("SAFT" ist ein Kürzel für den Begriff "Synthetic
Aperture Focusing Technique"). Das SAFT-Verfahren erfordert
keine unmittelbare Auswertung von Korrelationen zwischen
verschiedenen Laufzeitspektren. Ausgehend von einer Zer
legung des untersuchten Querschnitts in ein Raster von
Bildpunkten und Untersuchung dieses Rasters von einer
großen Vielzahl von Meßpunkten aus wird jedem Bildpunkt in
dem Raster als Funktionswert eine Summe aus allen Meßwerten
in den Echolaufzeitspektren, denen eine Laufzeit zukommt,
die einem Abstand zwischen dem jeweiligen Meßpunkt und dem
betrachteten Bildpunkt entsteht, zugeordnet. Diese Zuord
nung geht von der Überlegung aus, daß zu jedem Bildpunkt
nur dann zugehörige hohe Amplituden in den Echolaufzeit
spektren auftreten, wenn sich an dem Bildpunkt tatsächlich
ein Reflektor befindet. Selbstverständlich kann sich auch
eine hohe Amplitude für einen Bildpunkt ergeben, an dem
sich kein Reflektor befindet; allerdings wird diese hohe
Amplitude dann weitgehend allein stehen und somit keinen
wesentlichen Beitrag zu dem dem Bildpunkt zuzuordnenden
Funktionswert liefern. Das Vorsehen einer hinreichenden
Anzahl von Echolaufzeitspektren, die an einer hinreichend
großen Anzahl von Meßpunkten gewonnen wurden, stellt
sicher, daß Störeinflüsse aus den wechselnden Gestalten
der Reflektoren, die zu Anisotropien hinsichtlich des
Reflexionsverhaltens führen, gering bleiben. Zur Be
stimmung des Funktionswertes ist aus allen in Frage
kommenden Amplituden ein Normwert zu bilden, wobei als
solcher Normwert insbesondere das Maximum oder ein Mittel
wert, vorzugsweise der arithmetische Mittelwert, in Frage
kommt. Selbstverständlich ist es auch möglich, als Mittel
wert einen gewichteten Mittelwert zu bilden, wobei bei der
Gewichtung der einzelnen Amplituden Faktoren wie Abstand
zwischen Bildpunkt und Meßpunkt sowie Geometrie des von
dem verwendeten Prüfkopf ausgesandten Ultraschallbündels
usw. berücksichtigt werden können. Der Erfahrung zeigt
allerdings, daß die Benutzung eines gewichteten Mittel
wertes in der Regel nicht erforderlich ist und die Wahl
des Maximums als Normwert den Anforderungen hinreichend
genügt. Von Bedeutung in dem erwähnten Buch ist auch das
Kapitel 15, Seite 257 ff., welches allgemeine Hinweise zur
Durchführung von Ultraschallmessungen gibt, insbesondere
Hinweise zur Sicherung eines für Ultraschall hinreichend
transparenten Kontaktes zwischen einem Prüfkopf und einem
Prüfkörper.
Weitere Hinweise, die im vorliegenden Zusammenhang von
Bedeutung sein können, sind der EP 0 125 635 B1, der
EP 0 352 117 A2, der EP 0 459 487 A2, Der EP 0 472 252 A1
und der EP 0 388 215 A2 entnehmbar. Alle Schriften stellen
verschiedene Verfahren und Einrichtungen für Ultraschall
prüfungen vor und geben Hinweise, wie Auswerteeinrichtun
gen, mit denen die Ultraschalldaten mehr oder weniger
automatisiert auswertbar sind, ausgestaltet sein können.
Von besonderem Interesse ist die EP 0 125 635 B1, da sie
Probleme anspricht, die sich bei der Verwendung eines
"Phased Array" ergeben können aufgrund der Tatsache,
daß ein solches "Phased Array" Ultraschall nicht nur
in einen einzigen hinreichend begrenzten Winkelbereich
abstrahlt, sondern in mehrere, nebeneinanderliegende und
voneinander beabstandete Winkelbereiche. Dies führt zu
einem relativ komplexen Echolaufzeitspektrum, welches in
der Regel mit hohem Aufwand analysiert werden muß, um ver
läßliche Aussagen über den Ort eines möglichen Reflektors
machen zu können. Ein Schnittpunktverfahren der weiter
oben bereits erwähnten Art geht hervor aus der
EP 0 352 117 A2. Eine Einrichtung zur Verarbeitung von
Ultraschallmeßdaten unter Einbeziehung eines Computers ist
der EP 0 459 487 A2 oder der EP 0 388 215 A2 entnehmbar.
Zu bekannten Verfahren und Einrichtungen zur Erstellung
von Ultraschall-Tomogrammen ist zu vermerken, daß diese
oftmals den Einsatz von "phased arrays" erfordern mit den
entsprechenden Komplikationen hinsichtlich der Struktur
der Echolaufzeitspektren, andererseits aber von jedweder
Aufarbeitung der Echolaufzeitspektren zur Eliminierung der
Probleme hinsichtlich der geringen Auflösung parallel zu
den für die Messung verwandten Ultraschall-Wellenfronten
absehen. Hoher Wert wird gelegt auf die Schnelligkeit, mit
der anfallende Ultraschall-Meßdaten verarbeitet werden
können, was freilich für den praktischen Wert der Verfahren
von Bedeutung ist. Dementsprechend finden auch üblicher
weise "phased arrays" Einsatz, da diese mit rein elektro
nischen Mitteln eine Veränderung des Einschallwinkels des
in einen Prüfkörper eingestrahlten Ultraschallsignals er
lauben. Üblich ist es, die Daten der Echolaufzeitspektren
unmittelbar nach ihrem Anfall in den das Tomogramm bilden
den Satz von Daten einzuarbeiten. Damit gehen freilich
wesentliche Informationen verloren, die zu der bereits
mehrfach erwähnten Auflösungsverbesserung erforderlich
sind.
In Ansehung der geschilderten Probleme liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen
Querschnitt eines Prüfkörpers auf einem den Querschnitt
überdeckenden Raster von Bildpunkten anzugeben, womit eine
deutliche Verbesserung der Bildqualität durch den Einsatz
auflösungsverbessernder Prozeduren möglich ist und womit
von komplexen und teuren Apparaturen zur Erzeugung des
Ultraschalls abgesehen werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren
wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Erstellung eines
Ultraschall-Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüf
körpers auf einem den Querschnitt überdeckenden Raster
von Bildpunkten angegeben, umfassend
- a) Aufnahme mehrerer Serien von Echolaufzeitspektren, wobei in jeder Serie von vorgegebenen Meßpunkten an einem Umfang des Querschnitts aus jeweils ein Echolaufzeit spektrum eines Ultraschallsignals als Amplitude eines Echos des Ultraschallsignals in Abhängigkeit von dessen Laufzeit aufgenommen wird, wobei das Ultraschallsignal unter einem der Serie zugehörigen Einschallwinkel mit einer zugehörigen Divergenz in den Prüfkörper eintritt;
- b) für jede Serie Erstellen eines zugehörigen Teiltomogramms auf dem Raster, wobei jedem Bildpunkt ein Wert zugeordnet wird durch Ermittlung einer Verteilung von Reflektoren auf dem Raster aus den Echolaufzeitspektren der Serie unter Berücksichtigung des Einschallwinkels und der Divergenz;
- c) Erstellen des Ultraschall-Tomogramms, in dem jedem Bildpunkt ein Normwert der entsprechenden Werte der Teiltomogramme zugeordnet wird.
Erfindungsgemäß wird vor dem Einarbeiten der Echolaufzeit
spektren in das zu erstellende Ultraschall-Tomogramm jede
Serie von Echolaufzeitspektren einer die räumliche Auf
lösung verbessernden Bearbeitung unterzogen, wobei insbe
sondere der zugehörige Einschallwinkel und die zugehörige
Divergenz des zur Aufnahme der Serie verwendeten Ultra
schallsignals, wie gegeben durch die verwendete Prüfkopf
anordnung, berücksichtigt werden. Diese Berücksichtigung
erfolgt bei der Erstellung eines Teiltomogrammes, wobei
für jedes Teiltomogramm nur Echolaufzeitspektren einer
einzigen Serie Verwendung finden. Für eine derartige Be
arbeitung stehen grundsätzlich mehrere Prozeduren zur Ver
fügung; so ist die Anwendung von Schnittpunktverfahren
denkbar, wobei einem Schnittpunktverfahren gegebenenfalls
für jedes Echolaufzeitspektrum ein Erkennungsverfahren für
Echos von Reflektoren vorzuschalten ist, auch ist grund
sätzlich die Anwendung der bekannten SAFT-Prozedur möglich.
Ein Teiltomogramm kann in gewissem Sinne bereits als regel
rechtes Tomogramm angesehen werden; seine Aussagekraft ist
allerdings deshalb eingeschränkt, weil in einer Serie von
Echolaufzeitspektren Reflektoren in dem untersuchten Quer
schnitt je nachdem nicht aus allen denkbaren Richtungen
beschallt wurden und dementsprechend nur als Projektionen
in bestimmte Ebenen in das Teiltomogramm Eingang finden.
Wenn also das Reflexionsverhalten eines Reflektors
anisotrop ist, so kann nicht sichergestellt werden, daß er
in einem konkreten Teiltomogramm auch tatsächlich er
scheint. Um eine vollständige Aussage über alle in dem
untersuchten Querschnitt vorkommenden Reflektoren zu er
halten, müssen in das zu erstellende Ultraschall-Tomogramm
Echolaufzeitspektren eingehen, die unter verschiedenen
Einschallwinkeln gewonnen wurden. Dies bedeutet letztlich,
daß die Teiltomogramme in einem letzten Schritt mitein
ander kombiniert werden müssen; freilich können erfindungs
gemäß die Daten jedes Teiltomogrammes im Sinne einer Ver
besserung der räumlichen Auflösung bearbeitet werden unter
Berücksichtigung der spezifischen Begebenheiten, unter
denen sie entstanden sind.
Mit besonderem Vorzug ist jedes Laufzeitspektrum, das beim
Erstellen eines Teiltomogramms zur Zuordnung eines Wertes
zu einem bestimmten Bildpunkt berücksichtigt wird, dadurch
ausgezeichnet, daß es an einem Meßpunkt aufgenommen wurde,
von dem aus ein einen entsprechenden Einschallwinkel sowie
eine entsprechende Divergenz habendes Ultraschallsignal
dem Bildpunkt erreichen kann. Dies bedeutet, daß zur Ver
besserung der räumlichen Auswertung alle Daten außer Be
tracht bleiben, die auf Grund ihrer geometrischen Bedin
gungen nicht in Frage kommen zur Lieferung eines Beitrages
an dem betrachteten Bildpunkt. Auf diese Weise wird eine
Verschlechterung des erwünschten Ultraschall-Tomogramms
durch Berücksichtigung irrelevanter Daten, was sich gemäß
dem Stand der Technik nicht verhindern läßt, vermieden. In
diesem Sinne ist es weiterhin bevorzugt, daß bei der beim
Erstellen jedes Teiltomogramms jedem Bildpunkt zugeordnete
Wert ein Normwert aus allen Amplituden ist, die zu Lauf
zeiten korrespondieren, deren jede einem Abstand zwischen
dem entsprechenden Meßpunkt und dem Bildpunkt entspricht.
Dieses Verfahren entspricht einer Anwendung der SAFT-Pro
zedur zur Erstellung des Teiltomogramms, wobei allerdings
in Ergänzung der bekannten SAFT-Prozedur geometrische
Spezifika, die den betrachteten Daten eigen sind, Berück
sichtigung finden.
Der erwähnte Normwert beim Erstellen eines Teiltomogramms
ist außerdem bevorzugt ein Maximum oder ein Mittelwert,
insbesondere ein arithmetischer Mittelwert. Es ist sogar
denkbar, einen gewichteten Mittelwert unter Berücksichti
gung der genauen Gestalt und Intensitätsverteilung des zum
Erstellen eines Echolaufzeitspektrums benutzen Ultraschall
signals zu wählen; erfahrungsgemäß ist allerdings die mit
diesem hohen Aufwand erzielbare Verbesserung gering.
Üblicherweise bevorzugt wird als Normwert ein Maximalwert
herangezogen.
Auch beim Erstellen des gewünschen Ultraschall-Tomogramms
aus den Teiltomogrammen sind Normwerte zu bilden; auch ein
solcher Normwert entspricht bevorzugtermaßen einem Maximum
oder einem Mittelwert, insbesondere einem arithmetischen
Mittelwert, wobei auch hier Verallgemeinerungen im Sinne
der Verwendung gewichteter Mittelwerte denkbar sind.
Üblicherweise wird die Wahl des Maximums als Normwert
bevorzugt, aus den bereits erwähnten Gründen.
Eine andere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens liegt in der Verwendung jeweils einer besonde
ren Prüfkopfanordnung zur Aufnahme jeder Serie von Echo
laufzeiten. Im Sinne der Erfindung erhält die Verwendung
von einzelnen Prüfkopfanordnungen an Stelle von "Gruppen
strahlern" eine neue Bedeutung, da vielfach die Abspei
cherung kompletter Echolaufzeitspektren erforderlich sein
wird. Es gibt daher keine grundsätzlichen Einwände gegen
die Erstellung mehrerer Serien von Echolaufzeitspektren in
zeitlicher Trennung hintereinander, womit als wesentlicher
Vorteil verbunden ist, daß die komplexen Abstrahleigen
schaften von "Gruppenstrahllern" vermieden sind und auf
Einzelprüfköpfe mit einfachen Geometrien hinsichtlich des
abgestrahlten Ultraschalls zurückgegriffen werden kann.
Von großer Bedeutung ist auch, daß im Sinne dieser Weiter
bildung für die eigentliche Aufnahme der Echolaufzeit
spektren relativ einfache Ultraschallgeräte eingesetzt
werden können. Es ist durchaus denkbar, möglich und vor
teilhaft, die gesamte weitere Verarbeitung der Echolauf
zeitspektren auf übliche Computer zu verlagern; in einem
solchen Fall ist für ein zu verwendendes Ultraschallgerät
lediglich ein angemessener eigener digitaler Speicher nebst
einer Anschlußmöglichkeit zur Übertragung eines gespeicher
ten Echolaufzeitspektrums an den Computer zu verlangen.
Im Hinblick auf den im Rahmen des erfindungsgemäßen Ver
fahrens zum untersuchenden Prüfkörper kann bemerkt werden,
daß dieser sowohl konvex, insbesondere zylindrisch, und
alle Meßpunkte auf einem Außenumfang tragen kann. In
gleicher Weise ist es möglich, einen Prüfkörper aus einer
konvexen Ausnehmung, insbesondere einer Bohrung, heraus zu
untersuchen, wobei alle Meßpunkte auf einem Innenumfang
des Prüfkörpers in der Ausnehmung liegen. Der Prüfkörper
ist insbesondere ein Schmiedestück, beispielsweise ein
Bauteil einer Turbomaschine wie z. B. eine Turbinenwelle
oder eine Turbinenradscheibe.
Im Hinblick auf eine Einrichtung wird zur Lösung der Auf
gabe eine Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall-
Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers auf
einem den Querschnitt überdeckenden Raster von Bildpunkten
angegeben, umfassend
- a) eine Vorrichtung zur Aufnahme mehrerer Serien von Echo laufzeitspektren und Bereitstellung der Echolaufzeitspek tren in einem ersten Speicher, wobei in jeder Serie von vorgegebenen Meßpunkten an einem Umfang des Querschnitts aus jeweils ein Echolaufzeitspektrum eines Ultraschall signals als Amplitude eines Echos des Ultraschallsignals in Abhängigkeit von dessen Laufzeit aufnehmbar ist und jeweils aus einer an einem Meßpunkt auf den Prüfkörper aufgesetzten Prüfkopfanordnung das Ultraschallsignal unter einem der Serie zugehörigen Einschallwinkel mit einer zugehörigen Divergenz in den Prüfkörper einstrahlbar ist;
- b) ein System zur Erstellung eines zugehörigen Teiltomo gramms auf dem Raster für jede Serie und Zuordnung eines Wertes zu jedem Bildpunkt durch Ermittlung einer Vertei lung von Reflektoren auf dem Raster aus den aus dem ersten Speicher abzurufenden Echolaufzeitspektren der Serie unter Berücksichtigung des Einschallwinkels und der Divergenz, sowie Abspeicherung des Teiltomogramms in einem zweiten Speicher;
- c) eine Einrichtung zum Erstellen des Ultraschall-Tomo gramms, wobei jedem Bildpunkt ein Normwert der entsprechen den Werte der aus dem zweiten Speicher abzurufenden Teil tomogramme zugeordnet wird, sowie Abspeicherung und Bereit stellung des Ultraschall-Tomogramms in einem dritten Speicher.
Der Einrichtung ist vorzugsweise ein Satz mit mehreren
Prüfkopfanordnungen zugeordnet, wobei jede Prüfkopfanord
nung ausgebildet ist zur Einstrahlung von Ultraschall in
einen Prüfkörper unter einem zugehörigen Einschallwinkel
und mit einer zugehörigen Divergenz. Mit weiterem Vorzug
ist allen Prüfkopfanordnungen ein einzelner Prüfkopf
gemeinsam, wobei insbesondere jede Prüfkopfanordnung
besteht aus dem Prüfkopf und einem zwischen dem Prüfkopf
und dem Prüfkörper einzufügenden Zwischenelement, welches
als Keil ausgestaltet sein kann und welches das von dem
Prüfkopf ausgesandte Ultraschallsignal so umlenkt, daß der
jeweils gewünschte Einschallwinkel erzielt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung gehen aus der Zeichnung
hervor. In der Zeichnung zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall-
Tomogramms im Sinne der Erfindung, an einem zylindrischen
Prüfkörper;
Fig. 2 einen Prüfkörper mit zylindrischer Ausnehmung
sowie einen Ultraschallprüfkopf;
Fig. 3 ein Teiltomogramm, erstellt aus einer Serie von
Echolaufzeitspektren ohne Maßnahmen zur Verbesserung der
Auflösung;
Fig. 4 ein Teiltomogramm, erstellt unter Bearbeitung der
Fig. 3 zugrundeliegenden Echolaufzeitspektren im Sinne
der Erfindung;
Fig. 5 ein Teiltomogramm ähnlich dem in Fig. 4 darge
stellten, erstellt aus Echolaufzeitspektren zu einem
anderen Einschallwinkel;
Fig. 6 ein erfindungsgemäß erstelltes Ultraschall-
Tomogramm.
Fig. 1 zeigt einen zylindrischen Prüfkörper 1, an den zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Prüf
kopfanordnung 2 zur Einschallung von Ultraschall ange
koppelt ist. Die Prüfkopfanordnung 2 beaufschlagt den Prüf
körper 1 mit einem Ultraschallsignal 3, welches unter
einem (von der Vertikalen 4 aus gemessenen) Einschallwin
kel 5 in den Prüfkörper 1 eintritt. Das Ultraschallsignal
3 ist räumlich nicht lokalisiert und hat eine endliche
Divergenz 6. Diese Divergenz 6 führt zu spezifischen
Problemen bei der Auswertung eines von dem Steuergerät 7
unter Benutzung der Prüfkopfanordnung 2 aufgenommenen
Echolaufzeitspektrums. Diese Schwierigkeiten wurden be
reits eingehend erläutert und werden daher an dieser
Stelle nicht erneut behandelt. Aus dem Steuergerät 7
werden gewonnene Echolaufzeitspektren übertragen auf einen
Computer 8, der sie in einem ersten Speicher 9 zunächst
abspeichert. Wenn alle Serien von Echolaufzeitspektren
vorliegen, wozu der Prüfkopf 2 an einer Vielzahl von
Meßpunkten 10 am Außenumfang des Prüfkörpers 1 angeordnet
und gegebenenfalls gegen einen Prüfkopf 2 mit anderem
Einschallwinkel ausgetauscht werden muß, vorliegen, kann
mit Hilfe des Computers 8 das gewünschte Ultraschall-Tomo
gramm des dargestellten Querschnitts des Prüfkörpers 1 er
stellt werden. Hierzu sind zunächst unter Verwendung be
sonderer, bereits eingehend abgehandelter auflösungsver
bessernder Prozeduren Teiltomogramme zu erstellen, wobei
in einem Teiltomogramm nur Echolaufzeitspektren einer
einzigen Serie berücksichtigt werden. Diese Teiltomogramme
werden in einem zweiten Speicher 11 abgelegt. Aus allen
Teiltomogrammen wird schließlich das gewünsche Ultraschall-
Tomogramm kombiniert und in einem dritten Speicher 12 be
reitgestellt. Dort kann es abgerufen und dargestellt
werden, beispielsweise auf einem Bildschirm 13. Für das
Tomogramm ist der untersuchte Querschnitt des Prüfkörpers 1
zu überdecken mit einem hinreichend dichten Raster von
Bildpunkten 20; der Übersicht halber sind in Fig. 1 nur
wenige dieser Bildpunkte 20 dargestellt. Alle verarbeite
ten Daten, soweit sie Teiltomogramme oder das Ultraschall-
Tomogramm betreffen, sind auf die Gesamtheit der Bildpunk
te 20 zu beziehen.
Anhand der Fig. 2 sei darauf hingewiesen, daß erfindungs
gemäß nicht nur zylindrische oder immerhin konvexe Prüf
körper 1 von einem Außenumfang aus untersuchbar sind; es
ist auch möglich, einen eine konvexe Ausnehmung 14, vor
zugsweise eine Bohrung 14, aufweisenden Prüfkörper 1 von
einem in dieser Ausnehmung 14 befindlichen Innenumfang aus
zu untersuchen. Beispielhaft hierfür ist ein in der Aus
nehmung 14 befindlicher Prüfkopf 2 gezeigt.
Anhand der nun folgenden Figuren sei ein wesentlicher
Vorteil der Erfindung demonstriert. Die Fig. 3 und 4
zeigen jeweils ein Teiltomogramm, gewonnen aus einer Serie
von Echolaufzeitspektren mit einem zugehörigen Einschall
winkel von 21°. Das dargestellte Raster ist sehr fein, so
daß einzelne Bildpunkte 20 nicht mehr erkennbar sind. Für
das Teiltomogramm gemäß Fig. 3 wurden die Echolaufzeit
spektren keiner weiteren Bearbeitung unterzogen, sondern
unmittelbar unter Berücksichtigung der Laufzeiten der
einzelnen Amplitudenwerte sowie der Geometrie in das Teil
tomogramm eingefügt. Zur Erstellung des Teiltomogramms
nach Fig. 4 wurden die Daten einer auflösungsverbessernden
Bearbeitung im Sinne der Erfindung unter Berücksichtigung
der Geometrie, die für die Aussendung der Ultraschallsig
nale 3 von dem verwendeten Prüfkopf 2 maßgeblich ist,
unterzogen. Die Fig. 4 zeigt recht deutlich auf der
rechten Seite einen größeren Reflektor 15 und auf der
linken Seite einen kleineren Reflektor 16. In Fig. 3 ist
der größere Reflektor 15 noch einigermaßen zu erkennen;
der kleinere Reflektor 16 ist kaum zu erahnen. Darüber
hinaus findet sich eine große Anzahl von Störungen 17, die
bedingt sind durch die komplexe Geometrie des von dem
verwendeten Prüfkopf 2 ausgesandten Ultraschallsignals 3.
Fig. 4 zeigt dergleichen Störungen 17 nicht mehr. Im
Inneren beider Teiltomogramme stellt man einen Freiraum 18
fest; dieser Freiraum 18 ergibt sich zwangsläufig, da zur
Erstellung der Echolaufzeitspektren, die zu den beiden
Teiltomogrammen geführt haben, die Ultraschallsignale mit
einem Einschallwinkel von 21° in den Prüfkörper 1 ein
gestrahlt wurden. Sie können daher dessen Mittelpunkt
aus geometrischen Gründen nicht erreichen. Aussagen über
den Innenraum 18 lassen sich nur mit Teiltomogrammen ge
winnen, die unter Benutzung kleinerer Einschallwinkel 5
erhalten wurden. Ein derartiges Teiltomogramm zeigt Fig.
5, nämlich ein Teiltomogramm, das unter einem Einschall
winkel 5 von 0° erhalten wurde. Die in Fig. 5 dargestell
ten Daten wurden einer erfindungsgemäßen Behandlung unter
zogen. Fig. 5 zeigt den gesamten untersuchten Querschnitt,
wobei Reflektoren 15, 16 im Bereich des Mittelpunktes im
Rahmen der für Fig. 5 maßgeblichen Geometrie vollständig
erfaßt werden, sie werden nämlich von allen Seiten
gleichermaßen untersucht. Dies gilt nicht mehr für
Reflektoren 15, 16 im Bereich des Randes des Prüfkörpers
1; in der für Fig. 5 maßgeblichen Geometrie, also unter
einem Einschallwinkel von 0° werden diese Reflektoren 15,
16 nur zweimal untersucht, nämlich einmal von einem ihnen
jeweils am nächsten Punkt des Umfanges, und einmal von
einem ihnen jeweils am fernsten Punkt des Umfanges. Um
solche Reflektoren 15, 16 vollständig zu erfassen, sind
daher Echolaufzeitspektren mit von Null deutlich ver
schiedenen Einschallwinkeln 5 erforderlich. In Fig. 5
erkennbar sind drei weitere Reflektoren 19, links von dem
kleineren Reflektor 16. Es ist verständlich, daß diese
weiteren Reflektoren 19 in dem Teiltomogramm gemäß Fig. 4
nicht auftauchen, denn sie sind am Innenumfang des vom
Teiltomogramm gemäß Fig. 4 erfaßten Bereiches angesiedelt
und bezüglich dieses Innenumfangs etwa tangential gerich
tet; sie können daher von unter einem entsprechenden Ein
schallwinkel eingestrahlten Ultraschallsignalen kaum er
faßt werden.
Ein vollständiges Ultraschall-Tomogramm geht hervor aus
Fig. 6. Deutlich erkennbar und fein strukturiert sind dort
die Reflektoren 15 und 16; auch lassen sich die weiteren
Reflektoren 19 ausmachen. Die Qualität dieses Ultraschall-
Tomogramms, frei von Störungen, ist unmittelbar erkennbar;
die Auflösung geht bis zur Darstellung feiner Strukturen
der erkennbaren Reflektoren 15, 16, 19. Das Ultraschall-
Tomogramm wurde erstellt mit insgesamt vier Serien von
Echolaufzeitspektren, wobei die Einschallwinkel 0°, 7°,
14° und 21° waren. Als Normwert bei der Auswertung der
Echolaufzeitspektren und Erstellung der Teiltomogramme
sowie bei der Erstellung des Ultraschall-Tomogramms selbst
wurde jeweils der Maximalwert angesetzt.
Claims (14)
1. Verfahren zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms
für einen Querschnitt eines Prüfkörpers (1) aus einem den
Querschnitt überdeckenden Raster von Bildpunkten (20),
umfassend:
- a) Aufnahme mehrerer Serien von Echolaufzeitspektren, wobei in jeder Serie von vorgegebenen Meßpunkten (10) an einem Umfang des Querschnitts aus jeweils ein Echolaufzeit spektrum eines Ultraschallsignals (3) als Amplitude eines Echos des Ultraschallsignals (3) in Abhängigkeit von dessen Laufzeit aufgenommen wird, wobei das Ultraschall signal (3) unter einem der Serie zugehörigen Einschall winkel (5) mit einer zugehörigen Divergenz (6) in den Prüfkörper (1) eintritt;
- b) für jede Serie Erstellung eines zugehörigen Teiltomo gramms auf dem Raster, wobei jedem Bildpunkt (20) ein Wert zugeordnet wird durch Ermittlung einer Verteilung von Re flektoren (15, 16, 19) auf dem Raster aus den Echolaufzeit spektren der Serie unter Berücksichtigung des Einschall winkels (5) und der Divergenz (6);
- c) Erstellung des Ultraschall-Tomogramms, indem jedem Bild punkt (20) ein Normwert der entsprechenden Werte der Teil tomogramme zugeordnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim Erstellen jedes
Teiltomogramms jedes Laufzeitspektrum, das zur Zuordnung
eines Wertes zu einem Bildpunkt (20) berücksichtigt wird,
an einem Meßpunkt (10) aufgenommen wurde, von dem aus ein
einen entsprechenden Einschallwinkel (5) sowie eine ent
sprechende Divergenz (6) habendes Ultraschallsignal (3)
den Bildpunkt (20) erreichen kann.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der beim Erstellen
jedes Teiltomogramms jedem Bildpunkt (20) zugeordnete Wert
ein Normwert aus allen Amplituden, die zu Laufzeiten
korrespondieren, deren jede einem Abstand zwischen dem
entsprechenden Meßpunkt (10) und dem Bildpunkt (20)
entspricht, der berücksichtigten Echolaufzeitspektren ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem alle Normwerte beim
Erstellen eines Teiltomogramms jeweils einem Maximum oder
einem Mittelwert, insbesondere einem arithmetischen Mittel
wert, entsprechen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem alle Normwerte beim Erstellen des Tomogramms aus den
Teiltomogrammen jeweils einem Maximum oder einem Mittel
wert, insbesondere einem arithmetischen Mittelwert, ent
sprechen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem zur Aufnahme jeder Serie von Echolaufzeitspektren
jeweils eine besondere Prüfkopfanordnung (2) verwendet
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem jede Prüfkopfanord
nung (2) einen einzelnen Prüfkopf (2) aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem der Prüfkörper (1) konvex, insbesondere zylindrisch,
ist und alle Meßpunkte (10) auf einem Außenumfang des
Prüfkörpers (1) liegen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der
Prüfkörper (1) eine konvexe Ausnehmung (14), insbesondere
eine Bohrung (14), aufweist und alle Meßpunkte (10) auf
einem Innenumfang des Prüfkörpers (1) in der Ausnehmung
(14) liegen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem der Prüfkörper (1) ein Schmiedestück, insbesondere ein
Bauteil für eine Turbomaschine, ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Prüfkörper (1)
eine Turbinenwelle oder eine Turbinenradscheibe ist.
12. Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall-Tomo
gramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers (1) auf
einem den Querschnitt überdeckenden Raster von Bildpunk
ten (20), umfassend:
- a) eine Vorrichtung (2, 7, 8) zur Aufnahme mehrerer Serien von Echolaufzeitspektren und Bereitstellung der Echolaufzeitspektren in einem ersten Speicher (9), wobei in jeder Serie von vorgegebenen Meßpunkten (20) an einem Umfang des Querschnitts aus jeweils ein Echolaufzeitspek trum eines Ultraschallsignals (3) als Amplitude eines Echos des Ultraschallsignals (3) in Abhängigkeit von dessen Laufzeit aufnehmbar ist, und jeweils aus einer an einem Meßpunkt (10) auf den Prüfkörper (1) aufgesetzten Prüfkopfanordnung (2) das Ultraschallsignal (3) unter einem der Serie zugehörigen Einschallwinkel (5) mit einer zugehörigen Divergenz (6) in den Prüfkörper (1) einstrahl bar ist;
- b) ein System zur Erstellung eines zugehörigen Teiltomo gramms auf dem Raster für jede Serie unter Zuordnung eines Wertes zu jedem Bildpunkt (20) durch Ermittlung einer Ver teilung von Reflektoren (15, 16, 19) auf dem Raster aus den aus dem ersten Speicher (9) abzurufenden Echolaufzeit spektren der Serie unter Berücksichtigung des Einschall winkels (5) und der Divergenz (6), sowie Abspeicherung des Teiltomogramms in einem zweiten Speicher (11);
- c) eine Einrichtung zum Erstellen des Ultraschall-Tomo gramms, wobei jedem Bildpunkt (20) ein Normwert der ent sprechenden Werte der aus dem zweiten Speicher (11) abzu rufenden Teiltomogramme zugeordnet wird, sowie Abspeiche rung und Bereitstellung des Ultraschall-Tomogramms in einem dritten Speicher (12).
13. Einrichtung nach Anspruch 12, welcher ein Satz mit
mehreren Prüfkopfanordnungen (2) zugeordnet ist, wobei
jede Prüfkopfanordnung (2) ausgebildet ist zur Einstrah
lung eines Ultraschallsignals (3) in einen Prüfkörper (1)
unter einem zugehörigen Einschallwinkel (5) und mit einer
zugehörigen Divergenz (6).
14. Einrichtung nach Anspruch 13, bei der allen Prüfkopf
anordnungen (2) ein einzelner Prüfkopf (2) gemeinsam ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944416829 DE4416829A1 (de) | 1994-05-16 | 1994-05-16 | Verfahren und Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944416829 DE4416829A1 (de) | 1994-05-16 | 1994-05-16 | Verfahren und Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4416829A1 true DE4416829A1 (de) | 1995-11-23 |
Family
ID=6518000
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944416829 Withdrawn DE4416829A1 (de) | 1994-05-16 | 1994-05-16 | Verfahren und Einrichtung zur Erstellung eines Ultraschall-Tomogramms für einen Querschnitt eines Prüfkörpers |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE4416829A1 (de) |
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