EP1377795A1 - Ultraschall dickenmessung einer schwach reflektierenden teilschichten durch von echoperioden - Google Patents

Ultraschall dickenmessung einer schwach reflektierenden teilschichten durch von echoperioden

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EP1377795A1
EP1377795A1 EP02742855A EP02742855A EP1377795A1 EP 1377795 A1 EP1377795 A1 EP 1377795A1 EP 02742855 A EP02742855 A EP 02742855A EP 02742855 A EP02742855 A EP 02742855A EP 1377795 A1 EP1377795 A1 EP 1377795A1
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Definitions

  • the invention relates to an ultrasound method for measuring the thickness of weakly reflecting partial layers of a multi-layer component.
  • the different layers consist of materials with similar sound impedances.
  • a sound pulse generated by an ultrasonic test head is therefore only reflected to an extremely small extent at the interface between the materials, namely to approximately 1% and less.
  • the reflected interface echo accordingly has amplitudes which are in the range of the amplitude of normal interference signals caused, for example, by incomplete attenuation of the ultrasound head or by transverse wave echoes.
  • the achievable signal / interference ratio is therefore often not sufficient for measurements of this type to uniquely identify the boundary layer echo.
  • US Pat. No. 4,918,989 describes an ultrasound method for measuring the thickness of a liner layer of a nuclear fuel cladding tube, in which, in order to increase the signal / interference ratio, the effect is used that two multiply reflected echo impulses with different reflection characteristics are used. Overlay the path or beam path with the same duration. This should result in a stronger signal that is more clearly different from interference signals than is the case with an echo pulse that is simply reflected at the interface between the liner layer and the pipe material. These multiple reflections only become important with later wall thickness echoes, where interference from transverse waves is large and the useful echoes are small due to long distances. The improvement in the signal-to-noise ratio is therefore small.
  • the object of the invention is to propose a method of the type mentioned at the outset, with which the signal / interference ratio can be improved when determining the thickness of partial layers with poor reflection.
  • a method is achieved by a method according to claim 1. Then, with the aid of an ultrasound test head, a plurality of transmission pulses are generated at a predetermined location on a multilayer component, and the echo pulses associated with a transmission pulse are digitally recorded as an HF image.
  • the HF image averaged to suppress the electronic noise is then processed further with the aid of a computer program in such a way that a plurality of echo periods delimited in each case by two consecutive back-wall echoes, which include interference signals between them, are homologously superimposed.
  • the invention is based on the observation that the temporal sequence of the interference signals of the individual echo periods is largely different, while the interface echoes have a constant periodicity.
  • 3 cladding tubes can be used.
  • FIG. 1 shows a device for carrying out the method on a two-layer component
  • FIG. 2 shows the HF image of an ultrasound measurement carried out at a predetermined point on the 1 component
  • FIG. 3 shows the HF image corresponding to FIG. 2, however with a hundredfa- 3 rather amplification
  • 4 Fig. An RF image that shows the result of the superposition of 14 5 echo periods in single (thick line) and hundredfold 6 magnification (thin line), 7 Fig.
  • FIG. 5 an RF image, the shows the first echo period comprising the transmission pulse and the 8 first back wall echo at a simple 9 (thick line) and a hundred times magnification (thin line), 1 2
  • a typical structure for an ultrasound measurement 3 on a component 1 is shown schematically in FIG shown.
  • An ultrasound test head 2 is arranged on a surface 4 of the component. 5
  • the sound is coupled in, for example, in contact technology with or without a lead.
  • the echo signals received by the ultrasonic test head 2 are recorded by an ultrasonic test device 3 and recorded by a digital oscilloscope 4 9 in the form of, for example, an HF image.
  • a DV system for example a PC 5 is connected to the oscilloscope 1.
  • the component 1 to be tested is composed of two layers 6, 7, 5, which are very similar in terms of sound impedance. Chen materials exist.
  • a transmission pulse 8 generated by the test head 2 therefore largely penetrates the interface 9 between the two layers 6, 7. Only a share of max. 1 Rel.% Is reflected at the interface 9 and received by the probe 2 as a weak interface echo 10.
  • the rear wall echo 13 reflected by the rear wall 12 of the component 2 is considerably stronger. If, for example, the interface has a reflection factor of 0.01, the rear wall echo 13 is 99 times stronger than the interface echo 10. The latter is therefore no longer recognizable in an RF image with low amplification (see FIG. 2).
  • the image according to FIG. 2 can, however, serve to determine the wall thickness from the time interval between two successive rear wall echoes 13.
  • a recording with a higher amplification factor for example with a hundredfold amplification, is required.
  • Such an RF image is shown in Fig.3.
  • the ultrasound shots are identical except for the irregular electronic noise, for example, incomplete damping of the ultrasound test head and transversal wave echoes result in interference signals which are relatively amplified to the same extent as useful signals and only the electronic noise is filtered out.
  • the interface echoes 10 therefore often have amplitudes which are in the range of the interference signal amplitudes. It is therefore difficult to identify the interface echo 10 and to determine the partial layer thicknesses of the component 2. In order to remedy this, the 1 gital form available RF images according to Fig. 2 and 3 with the
  • the minima of the signals can be determined
  • 26 speed can be converted into a layer thickness.

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Abstract

Ultraschallmessung einer Teilschichtdicke in einem Mehrschichtbauteil mit geringer Grenzflächenreflexion. Mit Hilfe eines Ultraschallprüfkopfes werden an einer vorgegebenen Stelle des Bauteils mehrere Sendeimpulse erzeugt. Die resultierenden, einem Sendeimpuls zugeordneten Echosignal werden digital als HF-Bild aufgezeichnet. Mit Hilfe eines Computerprogramms werden mehrere Wanddicken-Echoperioden aus unterschiedlichen Laufzeiten homolog überlagert.

Description

ULTRASCHALL DICKENMESSUNG EINER SCHWACH REFLEKTIERENDEN TEILSCHICHT DURCH AUFSUMMIERUNG VON ECHOPERIODEN
Die Erfindung betrifft ein Ultraschallverfahren zur Dicken- messung von schwach reflektierenden Teilschichten eines Mehr- Schichtbauteils. Bei einem solchen Bauteil bestehen die un- terschiedlichen Schichten aus Materialien mit ähnlichen Schallimpedanzen. Ein von einem Ultraschallprufkopf erzeugter Schallimpuls wird daher an der Grenzfläche zwischen den Materialien nur zu einem äußerst geringen Anteil, nämlich zu etwa 1% und weniger reflektiert. Das reflektierte Grenzflächenecho weist dementsprechend Amplituden auf, die im Bereich der Amp- lituden von üblichen, beispielsweise durch unvollständige Dämpfung des Ultraschallkopfes oder durch Transversalwellen- Echos hervorgerufen Störsignalen liegen. Das erreichbare Sig- nal/Stör-Nerhältnis reicht daher bei Messungen der vorliegen- den Art oft nicht aus, um das Grenzschichtecho eindeutig zu identifizieren.
Aus US 4,918,989 ist ein Ultraschallverfahren zur Messung der Dicke einer Liner-Schicht eines Kernbrennstoff-Hüllrohres be- schrieben, bei dem zur Erhöhung des Signal/Stör-Verhältnisses der Effekt ausgenutzt wird, dass sich zwei mehrfach reflek- tierte Echoimpulse mit zwar unterschiedlichem Reflexionsver- lauf bzw. Strahlengang aber mit gleicher Laufzeit überlagern. Dabei soll sich ein stärkeres, sich von Störsignalen deutli- eher abhebendes Signal ergeben, als dies bei einem an der Grenzfläche zwischen Liner-Schicht und Rohrmaterial einfach reflektierten Echoimpuls der Fall ist. Diese Mehrfachreflexi- onen erlangen erst bei späteren Wanddicken-Echos Bedeutung, wo Störungen durch Transversalwellen groß sind und die Nutz- echos aufgrund weiter Lauf ege klein sind. Die Verbesserung des Signal/ Stör-Verhältnisses ist daher klein. Ein weiteres Ultraschallverf hren zur Dickenbestimmung einer Innenschicht eines Kernbrennstoff-Hüllrohres ist in DE 4102576A1 beschrieben. Um das an der Grenzfläche zwischen Innenschicht und Hüllrohr reflektierte Signal gegenüber Stör- Signalen deutlicher hervortreten zu lassen, werden Zeitgatter eingesetzt, die Störsignale vor und nach dem Grenzflächenecho herausfiltern. Unberührt bleiben jedoch Störungen in der Nähe des Grenzschichtechos.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit dem sich das Signal/Stδr- Verhältnis bei der Dickenbestimmung von Teilschichten mit schwacher Reflexion verbessern lässt .
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 ge- löst. Danach werden mit Hilfe eines Ultraschallprufkopfes an einer vorgegebenen Stelle eines Mehrschichtbauteils mehrere Sendeimpulse erzeugt und die einem Sendeimpuls zugeordneten Echoimpulse digital als HF-Bild aufgezeichnet. Das zur Unter- drückung des elektronischen Rauschens gemittelte HF-Bild wird dann mit Hilfe eines Computerprogramms so weiter bearbeitet, dass mehrere jeweils durch zwei zeitlich auf einander folgen- de, Störsignale zwischen sich einschließende Rückwandechos begrenzte Echoperioden homolog überlagert werden. Die Erfin- düng geht dabei von der Beobachtung aus, dass die zeitliche Abfolge der Störsignale der einzelnen Echoperioden weitgehend unterschiedlich ist, während die Grenzflächenechos eine gleichbleibende Periodizität aufweisen. Bei der Überlagerung mehrerer Echoperioden werden nun die Grenzflächenechos auf- grund ihrer strengen Periodizität verhältnismäßig mehr ver- stärkt als die Störsignale. Als Ergebnis der Überlagerung wird daher eine digitale Aufzeichnung erhalten, bei der sich das Grenzflächenecho deutlich von den Störsignalen abhebt, so dass es sich leichter identifizieren und auswerten lässt. Be- 1 sonders vorteilhaft ist das vorgeschlagene Verfahren für die
2 Bestimmung der Dicke einer Linerschicht von Kernbrennstoff-
3 Hüllrohren einsetzbar.
4
5 Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen nä- β her erläutert. Es zeigen:
7 s Fig.l eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens an 9 einem zweischichtigen Bauteil, 0 Fig.2 das HF-Bild einer an einer vorgegebenen Stelle des 1 Bauteiles vorgenommenen Ultraschallmessung, 2 Fig.3 das HF-Bild entsprechend Fig.2, jedoch mit hundertfa- 3 eher Verstärkung, 4 Fig. ein HF-Bild, das das Ergebnis der Überlagerung von 14 5 Echoperioden in einfacher (dicke Linie) und hundertfacher 6 Vergrößerung (dünne Linie) zeigt, 7 Fig.5 ein HF-Bild, das die erste, den Sendeimpuls und das 8 erste Rückwandecho umfassende Echoperiode bei einfacher 9 (dicke Linie) und hundertfacher Vergrößerung (dünne Li- 0 nie) zeigt, 1 2 In Fig.l ist ein typischer Aufbau für eine Ultraschallmessung 3 an einem Bauteil 1 schematisch dargestellt. An einer Oberflä- 4 ehe des Bauteils ist ein Ultraschallprufkopf 2 angeordnet. 5 Die Schalleinkopplung erfolgt beispielsweise in Kontakttech- 6 nik mit oder ohne Vorlaufstrecke. Die vom Ultraschallprüf- 7 köpf 2 empfangenen Echosignale werden von einem Ultraschall- 8 prufgerat 3 aufgenommen und von einem digitalen Oszilloskop 4 9 in Form beispielsweise eines HF-Bildes aufgezeichnet. Zur 0 Weiterverarbeitung der Daten des HF-Bildes ist an das Oszil- 1 loskop 4 eine DV-Anlage, beispielsweise ein PC 5 angeschlos- 2 sen . 3 4 Das zu prüfende Bauteil 1 setzt sich aus zwei Schichten 6,7, 5 zusammen, die aus hinsichtlich der Schallimpedanz sehr ähnli- chen Materialien bestehen. Ein vom Prüfköpf 2 erzeugter Sen- deimpuls 8 durchdringt daher zum Großteil die Grenzfläche 9 zwischen den beiden Schichten 6,7. Nur ein Anteil von max. 1 Rel.% wird an der Grenzfläche 9 reflektiert und als schwa- ches Grenzflächenecho 10 vom Prüfköpf 2 empfangen. Das von der Rückwand 12 des Bauteils 2 reflektierte Rückwandecho 13 ist dagegen wesentlich stärker. Wenn die Grenzfläche bei- spielsweise einen Reflexionsfaktor von 0,01 aufweist, ist das Rückwandecho 13 99 mal stärker als das Grenzflächenecho 10. Letzteres ist daher bei einem HF-Bild mit geringer Verstär- kung nicht mehr erkennbar (siehe Fig.2) . Das Bild nach Fig.2 kann aber dazu dienen, die Wanddicke aus dem zeitlichen Ab- stand zweier aufeinanderfolgender Rückwandechos 13 zu bestim- men .
Um die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rückwandechos 13 bzw. innerhalb einer von diesen begrenzten Echoperiode 14 liegenden Signale sichtbar zu machen, ist eine Aufzeichnung mit höherem Verstärkungsfaktor, beispielsweise mit hundertfa- eher Verstärkung erforderlich. Ein derartiges HF-Bild ist in Fig.3 gezeigt. Wie bei dem HF-Bild von Fig.2 handelt es sich dabei nicht um die Aufzeichnung eines einzelnen, sondern um die Überlagerung mehrerer HF-Bilder von mehreren Ultraschall- Schüssen. Da die Ultraschallschüsse bis auf das regellose elektronische Rauschen identisch sind, werden beispielsweise durch unvollständige Dämpfung des Ultraschallprufkopfes und durch Transversalwellen-Echos entstandene Störsignale in gleichem Maße wie Nutzsignale relativ verstärkt und nur das elektronische Rauschen herausgefiltert. Bei Messaufgaben der vorliegenden Art, also bei der Bestimmung von Teilschichtdi- cken von Bauteilen 2 weisen daher die Grenzflächenechos 10 oft Amplituden auf, die im Bereich der Störsignalamplituden liegen. Es ist deshalb schwierig, das Grenzflächenecho 10 zu identifizieren und die Teilschichtdicken des Bauteils 2 zu bestimmen. Um hier Abhilfe zu schaffen, werden nun die in di- 1 gitaler Form vorliegenden HF-Bilder gemäß Fig.2 und 3 mit dem
2 oben genannten PC 5 weiter verarbeitet. Mit einem Computer-
3 programm wird das HF-Bild gemäß Fig.3 in seine Echoperioden
4 zerlegt, und diese homolog überlagert. Das Ergebnis der Über-
5 lagerung der ersten 14 Echoperioden 14 ist in Fig.4 gezeigt. e Aus einem Vergleich mit Fig.5, das die erste, aus Sendeimpuls
7 8 und erstem Rückwandecho 13a bestehende Echoperiode 14a β zeigt, wird deutlich, dass die meisten Störsignale 15a an In-
9 tensität verloren haben. Dies liegt daran, dass sich das Aussehen dieser Störsignale in aufeinanderfolgenden Echoperioden 14 verändert. D.h. die Maxima der Stδrsignale 15a sind in den einzelnen Echoperioden an unterschiedlichen Positionen, so dass die Überlagerung zu einer Abschwächung der Amplituden
14 führt. Lediglich die sich an ein Rückwandecho 13 unmittelbar
15 anschließende Signalgruppe 15b ist eng an die Periodizität
16 der Rückwandechos gekoppelt, so dass hier keine Signalab-
17 Schwächung erfolgt . Dieses Signal kann aber aufgrund seiner ιβ Lage von vornherein ausgeschlossen werden. Das Grenzflachen-
19 echo 10 ist somit eindeutig detektierbar . Zur Bestimmung der
20 Dicke der Teilschicht 7 wird jeweils auf das Minimum von
21 Grenzflächenecho 10 und Rückwandecho 12 zurückgegriffen. Die
22 Dicke der Teilschicht 7 ergibt sich in bekannter Weise aus
23 der Zeitdifferenz 16 zwischen den genannten Signalen. Dazu
24 können beispielsweise die Minima der Signale bestimmt werden
25 und ihr Zeitunterschied mittels der bekannten Ultraschallge-
26 schwindigkeit in eine Schichtdicke umgerechnet werden.
27 28 29 Bezugszeichenliste
1 Bauteil
2 Ultraschallprufkopf
3 Ultraschallprüfgerät
4 Oszilloskop
5 PC
6 Teilschicht
7 Teilschicht
8 Sendeimpuls
9 Grenzfläche
10 Grenzflächenecho
11 Schalleinstrahlungsfläche
12 Rückwand
13 Rückwandecho
14 Echoperiode
15 Stδrsignal
16 Zeitdifferenz

Claims

1 P010006DE
2 27. Februar 2002
3 4
5 /Ansprüche
6
7 1. Verfahren zur Ultraschallmessung einer Teilschichtdicke in s einem Mehrschichtbauteil (1) mit geringer Grenzflächenre- s flexion, mit folgenden Verfahrensschritten:
a) mit Hilfe eines Ultraschallprufkopfes (2) werden an einer vorgegebenen Stelle des Bauteils (1) mehrere Sendeimpulse (8) erzeugt, b) die resultierenden, einem Sendeimpuls (8) zugeordneten
15 Echosignale werden digital als HF-Bild aufgezeichnet,
16 c) mit Hilfe eines Computerprogramms werden mehrere Wand-
17 dicken-Echoperioden (14) aus unterschiedlichen Laufzei- ιβ ten homolog überlagert .
19
20 2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
21 dadurch gekennzeichnet,
22 dass es zur Bestimmung der Linerschichtdicke von Kern-
23 brennstoff-Hüllrohren verwendet wird.
24
EP02742855A 2001-03-28 2002-03-01 Ultraschall dickenmessung einer schwach reflektierenden teilschichten durch von echoperioden Withdrawn EP1377795A1 (de)

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