WO2007144271A1 - Ultraschall-prüfgerät mit array-prüfköpfen - Google Patents

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WO2007144271A1
WO2007144271A1 PCT/EP2007/055298 EP2007055298W WO2007144271A1 WO 2007144271 A1 WO2007144271 A1 WO 2007144271A1 EP 2007055298 W EP2007055298 W EP 2007055298W WO 2007144271 A1 WO2007144271 A1 WO 2007144271A1
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ultrasonic
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Wolf-Dietrich Kleinert
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Ge Inspection Technologies Gmbh
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    • G01N2291/106—Number of transducers one or more transducer arrays

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic test apparatus for a non-destructive testing of a test specimen and to a method for displaying ultrasound signals obtained with the aid of an ultrasound tester.
  • angle probes which emit high-frequency sound pulses (about 1 - 10 MHz), which are sounded into the workpiece to be tested and then on the one hand reflected on the coupling surface and run back to Winkelprüfkopf and on the other hand penetrate into the workpiece where they be reflected at a back wall of the workpiece at least once.
  • Internal inhomogeneities such as, for example, a material defect, cause sound reflections, which are received again by the angle probe and processed in the ultrasound machine.
  • the pulse echo method is used.
  • the angle probe, or a transmitter preferably emits periodic ultrasonic pulses and a receiver then receives echo signals of these emitted ultrasonic pulses.
  • the further echo signals originate from the workpiece and in particular from the rear wall of the workpiece.
  • the test method is suitable for workpieces whose coupling surface is substantially parallel to the rear wall, so that it comes to the formation of several outgoing and longitudinal courses of the ultrasonic pulse in the workpiece.
  • An angle test head works via a foot made of lead material with oblique incident sound.
  • the ultrasonic wave travels into the material until partial or complete reflection occurs at an interface. If the reflecting surface is perpendicular to the direction of propagation, the sound wave is reflected in its original direction and, after a certain period of time, again reaches a piezoelectric oscillator arranged in the angle test head, which converts it back into an electrical impulse.
  • the angle test head is arranged next to the area to be tested and the sound signal is sounded into the relevant area, so to speak laterally. This is the case, for example, in the ultrasonic testing of welds.
  • the angle probe When inspecting welds, the angle probe is moved along the weld until a maximum error echo is obtained.
  • the received echo signals are displayed directly on the monitor.
  • the representation generally takes the form of a so-called A-type, in which the voltage values of the received echo signals are displayed over the time axis.
  • A-type In the case of multiple outward and forward paths between the coupling surface and the rear wall, a sequence of equidistant echo signals is obtained whose amplitude generally decreases with increasing time.
  • the individual back and forth courses ie the distance of the sound from the coupling surface to the rear wall and vice versa, are each referred to as a leg. Starting from the angle test head, therefore, a first leg is initially generated which extends obliquely from the coupling surface to the rear wall. There, the sound is reflected and it forms a second leg, which runs from the rear wall to the coupling surface, etc.
  • the position location of a reflector (error) in the test specimen is calculated on the basis of the known and measured data.
  • the echo amplitude is used for an estimation of the error size. However, this is not reliably possible because the echo amplitude is subjected to much more influences than the sound propagation time.
  • the examiner determines whether a detected defect reaches or exceeds the replacement reflector size specified as the limit (registration limit) in the regulations.
  • the examiner must perform further investigations, for example, to record length, echo sounding, etc., which will not be discussed further here.
  • test specimen geometry becomes particularly clear when the specimen is also shown in cross section. This is possible if the wall thickness of the test specimen is known. Since, in addition, the insonification angle with which the sound is emitted from the angle test head into the test specimen is known, it is also possible to represent the sound profile through the test specimen.
  • DE 102 59 658 describes a method with which the representation of an error, which was determined with the aid of an angle probe, is improved on a display.
  • the measurement result is not shown or not only as a so-called A-Bid, but it is the test specimen geometry shown on the display.
  • This representation is possible because two process steps consist of two is sounded into the test specimens.
  • a detected error is shown directly to scale, in each case in cross-sectional images, which are optically superposed, as it were.
  • the disadvantage of this method is that after a first test, the result must first be stored. A further check is then made from a different direction and the results are then linked together.
  • this method actually results in a better presentation on the display, it is time consuming and labor intensive.
  • the so-called breeding of the error is done separately from two directions, which also takes time and does not always lead to the optimum result.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1 and solved with an ultrasonic tester having the features of claim 10.
  • the term error is not only to be understood literally, meaning not only in the sense of discontinuity, but should rather be understood in the sense of a significant signal.
  • the invention involves finding any relevant locations in a specimen.
  • the invention uses two array test heads.
  • An array is in principle a single oscillator, which is divided into many individual elements. Typical element widths range from 0.5 mm to approx. 2.5 mm, other dimensions are also possible.
  • the term array also includes so-called ring-group radiators, ie round oscillators or elements that are divided into concentrically shaped individual elements.
  • phased array probes excite the individual elements at different times, whereby a wavefront is generated, which is characterized by mutually delayed einstrahlende sound lobes.
  • This wavefront looks like the sound field of a conventional angle probe. By varying the delay times, different sound fields can be generated.
  • the sound beam tilting is also used to dynamically focus a sound beam as part of an examination.
  • This is achieved by an electronic unit that allows a corresponding selection of the control of the individual elements and at the same time can cause pulse delays.
  • a focal point is passed through the test specimen.
  • the combination of dynamic focusing and beam oscillation causes a beam of sound that is simultaneously focused and incident at an angle.
  • the invention it is also possible to use a so-called linear scan, in which the adjacent groups of oscillators are actuated in succession. This creates a sampling effect.
  • the width of the sound lobe traveling through the test specimen and the scanning step size can be determined by the number of simultaneously activated individual elements and by the impulse to impulse offset.
  • the material testing is done with the pulse-echo technique, with two array test heads are used, which can einschallen from two directions in the test area.
  • an array probe may be disposed on one side of a weld and the other array probe on the opposite side of the weld on a coupling surface of a probe.
  • the two array probes both sound (but not at the same time) into the weld.
  • Both array probes or their transmitters and receivers can transmit and receive ultrasound signals. It is essential that the two array probes are calibrated to one another, i.e., the distance between the two array probes or the individual vibrator elements within the array probes is known. If this distance, the strength of the test specimen and the insonification angle are known, the distance of the array probes to one another can always be checked during the test. This can be calculated, for example, over the duration of the sound from one array probe to the other (V-sound).
  • the virtual probe is moved electronically, for example, from left to right within the array probe, so that the sonic beam largely covers the entire volume of the weld. Initially, it is only switched on with an array probe. If an error or an abnormality is found, the echo display is bred or maximized by electronic displacement of the virtual test head.
  • the error can be made directly or indirectly, ie after a reflection on the back wall.
  • at least three further insonification positions can be calculated with known wall thickness and with a known insonification angle, and the virtual probes can be correspondingly activated one after the other. Three further insonification positions arise z. B. when both array probes einschallen.
  • substitute reflector sizes can now be determined either by the comparison body method or by the so-called AVG method (distance, gain, size).
  • a significant advantage of the invention is that a statement can be made about whether the error is voluminous or areal. If, for example, it is a voluminous error, all four echo displays will have an approximately comparable amplitude. In the case of a two-dimensional error, on the other hand, two amplitudes have much greater values than the other two amplitudes.
  • the evaluation of the transit time values can be used to determine the size by comparing the sum of the transit times associated with a V-scan with the total transit time for an undisturbed V-scan. The difference between these two values gives the extent of the reflector in the corresponding insonification direction. The extent thus results from the difference of the transit time for a complete V-sound transmission and the sum of the transit times.
  • the method described is repeated for all errors and discontinuities in the cross section to be tested. If necessary, the test can be repeated with further insonification angles to further improve the determination of the actual defect size. To ensure a perfect measurement, a V-transmission between the two array probes for coupling control should be performed at intervals.
  • the method described can be repeated correspondingly frequently in a next dimension, that is to say, for example, along the course of a weld, in order thus to be able to check a weld seam or a single fault over its entire length. It is also according to the invention it is possible to virtually move the array probes along the weld or the defect, as it were.
  • the Einschalltician can thus be moved both transversely to the weld, as well as longitudinally to the weld. With an appropriate size of array probes, very large areas or lengths can thus be tested without mechanical movement of the array probes.
  • the two array probes are mechanically interconnected. It has proved to be particularly advantageous if their distance from each other variable, or the mechanical connection is adjustable in length.
  • the mechanical connection may have a scaling on which the distance between the two array probes can be read to each other.
  • the mechanical connection consists of a type of frame which has two receiving areas for each array probe. These two receiving areas are connected to each other via a mechanical connection and can be moved towards and away from each other.
  • the distance between the two receiving areas is constantly determined electronically and transmitted to the electronic unit for further processing or calculation.
  • a double control is given, namely the duration of sound from one array probe to another and the electronic distance control.
  • the sound path is called a so-called V-way.
  • the frame-like mechanical connection is made flexible according to the invention, so that slight bumps on the coupling surface of the specimen can be compensated.
  • sonicating from two directions also causes an oblique fault to be rapidly determined with respect to its propagation in two directions.
  • the data from both array probes are received by an electronic unit and processed immediately.
  • two images of the error are generated simultaneously, which can be placed directly above one another and directly raised by the examiner.
  • the inventive method is thus very effective and fast.
  • the measurement result is not shown here or not just as a so-called A-image, but the test specimen geometry is shown on the display.
  • the educaciones is particularly clear when the test specimen is shown in cross section. This is possible if the wall thickness of the test specimen is known.
  • the insonification angle with which the sound from the array probes is collared into the test specimen is also known, it is also possible to represent the course of sound through the test specimen.
  • the presentation is particularly informative if the dimensions of relevant areas to be examined can also be included in the cross-sectional representation. This is especially helpful when investigating welds and is easily possible.
  • the AVG or comparison body method and / or determination of the extent of the error by the calculated sound path differences a detected error is shown directly to scale in this cross-sectional image.
  • the error found is thus indicated by at least two error signals, which have resulted from the two substitute reflector sizes or from the sound path differences, which makes it possible for the examiner, at first glance to recognize how the error extends in different directions. This results in a two-dimensional representation of the error.
  • the accuracy of the method according to the invention can be increased by examining the error not only from two but from several directions and displaying a corresponding number of images superimposed on one another.
  • the ultrasound device or a processor or computer located therein calculates a plan view of the error from the error variables already determined from different directions, so to speak a representation of the error in the test element plane.
  • this plan view can also be shown in parallel to the same time as the cross-sectional representation on the display, so the display is divided into two views.
  • the relevant area for example the weld, is represented by lines.
  • the evaluation of the error length in the strigoplastyebene can advantageously be done automatically by the half-value method. For this purpose, an electronic and / or mechanical movement of the array heads along the weld to determine the scholarkopfposition is necessary.
  • the error is preferably represented in an x-y diagram, in which the width on one of the axes and the length of the error in millimeters or another suitable unit can be read on the other axis.
  • the scaling is automatically determined in the calculation of this representation in plan view.
  • the A-pictures are also stored in the background.
  • the array test heads can be guided both manually and mechanically over the test specimen.
  • they have a button for recording the zero point position at the beginning of the test procedure.
  • the array probes have for this purpose means which serve to indicate the respective position on the surface of the body to be tested with respect to a location which was present at the time of the measurement start. This can for example be done with the aid of a digital camera, which is firmly connected to the housing of the array probes. It is aligned so that it captures the surface of the body to be tested.
  • this surface should provide an image of this surface as close as possible to the location at which a central beam of the active sound element passes through the surface.
  • this digital camera is at intervals an electronic image of the portion surface, which is in each case under the lens of the digital camera, that is, in the object plane.
  • the section may for example have the dimensions of a few millimeters, for example of 2 x 2 or 4 x 4 mm.
  • both spatial limit values and limit values with regard to the amplitude to be considered can be entered. If the zero point position was determined at the beginning of the measurement process, the distance of the array probes from the weld can be calculated at any time based on the leg length or wall thickness and the insonification angle. Thus, it is possible with the help of a diaphragm tracking, at any time and regardless of the position of the array probes only to represent the area of the weld on the monitor.
  • the aperture tracking it is also possible to make a selection of the errors to be displayed in the plan view. For example, it may be useful if an error is only displayed if it has a certain size. Regarding the error size is so a minimal and a maximum amplitude to be considered as the aperture entered. It is also possible to input only the maximum amplitude, wherein it is further determined that an error is shown only if it exceeds half of the maximum amplitude.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the sound profile of ultrasonic signals starting from a two array probes through a test specimen
  • Figure 2 an exemplary representation of the invention obtained measurement data as a plan view.
  • FIG. 3 an embodiment of an ultrasonic testing device according to the invention
  • Figure 1 shows the basic structure of an ultrasonic measurement with a first array probe 10 and a second array probe 11 in cross section.
  • more array test heads 10,11 can be used.
  • the array probes 10,11, each containing a plurality of transmitters and receivers are connected to an electronic unit 13 and above with a monitor 12, which in turn has a display 14, via a line 16.
  • there is an electronic connection 15 between the array probes 10,11 but they can also be individually connected to the electronic unit 13.
  • the line 16 is also another type of connection, for example by radio, conceivable.
  • the array test heads 10,11 can also be designed such that transmitter and receiver are arranged separately from each other. However, in the following description, it is assumed that the transmitters and receivers are in the array probes 10,11 and that is measured by means of the echo-pulse method.
  • the electronic unit 13 serves to control a transmission of transmission pulses and for calculating and evaluating the received ultrasound signals and for providing data for displaying results on the monitor 12. It has a suitable processor for this purpose.
  • the test specimen 18 here is a section of a steel plate, which is connected to a second steel plate via a weld 20.
  • the test specimen 18 has a coupling surface 22 and a rear wall 24, wherein the array test heads 10,11 are arranged on the coupling surface 22.
  • Inward directions or sound paths a, b, c, and d are indicated as lines (continuous or dashed) between the coupling surface 22 and the rear wall 24.
  • the oblique insonification can be achieved, for example, by the use of phased array probes 10, 11.
  • leg 30, 32 and the point of transition from one leg 30, 32 to calculate the next If it is known which leg 30, 32 has been hit by the error 36, it is possible to directly deduce the approximate distance of the error 36 to the array probes 10 or 11, at least it is clear that the error is on the path of the corresponding leg 30, 32 is located.
  • the representation of the measured data obtained takes place on the display 14 in a cross-sectional image.
  • the coupling surface 22 and the rear wall 24 and the weld 20 are shown as lines in a diagram in which length units can be respectively plotted on an x-axis and a y-axis.
  • the array test heads 10, 11 When testing the test specimen 18, the array test heads 10, 11 are first placed on the coupling surface 22 and ultrasound pulses with the second (right here) array probe 11 at certain angles ⁇ into the test specimen 18. If the sound encounters an error 36, an optimal error signal 40 is bred. Breeding in this context means that the examiner tries to find and display maximum error signals. In the present example, breeding takes place on the basis of the leg a of the second array test head 11. The breeding takes place in the present case by an electronic displacement of the virtual probe.
  • the further insonification positions can also be calculated and the virtual probes can be correspondingly driven one after the other (legs b, c and d).
  • the substitute reflector size is preferably determined from the measured values according to AVG or comparison body method and / or due to the sound path differences and displayed on the display 14, ie in the cross-sectional image, as a first error signal. This results in a measurement image, which the tester if necessary.
  • a data memory that may be provided in the electronic unit 13 stores.
  • error signals may also be useful if the representation of the error signals is coded in dependence on the determined amplitude, in particular color-coded. For example, errors 36 that exceed a certain size may be in one Signal color, eg red, are displayed.
  • the illustrated error signals are displayed to scale on the display 14.
  • the error 36 extends more strongly transversely to the sound path 28 than to the sound path 26.
  • the insonification positions along the alignment of the two array test heads 10, 11 are changed, that is to say transversely to the error 36 or to it and away from it , Additionally, the insonification positions may be varied along the length of the error 36, for example, either by manually or virtually shifting the transceivers of the array probes 10, 11.
  • the user of the ultrasonic testing device or the examiner thus gets with the aid of the representation according to the invention a very precise idea of the orientation, the size and the volume of the error 36, in particular whether it is a voluminous or planar error, for example a crack , acts.
  • the data underlying the measurement images or the evaluation image are further displayed in a plan view.
  • the test body 18 and the weld 20 are also represented by lines.
  • the data obtained, which are based on the error signals, are converted in such a way that the extension of the error 36 in the longitudinal plane of the test specimen 18, ie in the plane which runs transversely to the cross-sectional image 38, is displayed on the display 14.
  • This representation is also made in a diagram which has units of length on both the x and the y axis, so that the length and the width of the error 36 in the longitudinal plane of the test body 18 can be easily recognized.
  • A-images can also be generated. These can either be stored in the background or simultaneously displayed on the display 14. In any case, different representations, that is to say the cross-sectional images 38, the evaluation images 44 and the top-view images 46 can be displayed simultaneously on the display 14, but it can also be useful if the examiner can change between these representations.
  • both spatial limit values and limit values with regard to the amplitudes to be considered are input to the ultrasound tester and taken into account before the measurement. This means that only signals are displayed whose origin is either the area and / or the environment of the weld seam 20 to be examined and / or whose signal strength exceeds the minimum limit value.
  • FIG. 3 shows, by way of example, an embodiment variant according to the invention of an ultrasound tester or a preferred arrangement of the array probes 10, 11.
  • a frame construction 40 has reception areas 42 for the two array probes 10, 11.
  • the two receiving areas 42 are also formed like a frame and connected to each other via a mechanical connection 44.
  • a cable 46 is shown that the two receiving areas 42 also connects to each other.
  • the mechanical connection 44 has an adjusting device 48, via which the distance between the receiving regions 42 is adjustable.
  • a scaling 50 can be provided, via which the spacing of the receiving areas 42 relative to each other can be read.
  • connection (not shown) for the array probes 10, 11 is provided via which they are energetically supplied and also a data exchange is possible.
  • the frame construction 40 preferably has a connection 52 for the electronic unit 13, not shown here, or another electronic device, such as a computer (PC) or the monitor 12, on only one receiving area 42.
  • PC computer
  • the frame construction is tion 40 or the array test heads 10, 11 are not manually, so by hand, passed over the test specimen 18, but the tracking is done automatically.
  • the inventive design of the ultrasonic testing device or the inventive method is very helpful because a lot of data is collected in a very short time and breeding the error is also possible due to the already determined data or error signals in retrospect.
  • the device according to the invention and in particular also the method performed therewith for testing workpieces are suitable for a series measurement.
  • An example of a series measurement is the testing of welded joints of pipelines. The tester is first adjusted to a workpiece or a few workpieces, then the series test is performed.
  • the structure of an ultrasonic testing device according to the invention can be very different.
  • array probes 10, 11 of different types can be used.
  • the surface opposite the coupling surface 22 can be used as the coupling surface 22.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung von Ultraschallsignalen, die mit Hilfe eines Ultraschall-Prüfgeräts für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüfkörpers (18) gewonnen werden. Das Ultraschall-Prüfgerät weist mindestens zwei Array-Prüfköpfe (10, 11), die jeweils mehrere einzelne Sender, und jeweils mehrere Empfänger, aufweisen, und einen Monitor (12) mit einem Display (14) auf. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf: Aufsetzen der Array- Prüfköpfe (10, 11) auf eine Ankoppelfläche (22), des Prüfkörpers (18), Einschallen von Ultraschallimpulsen mit dem ersten Array-Prüfkopf (10) unter bestimmten Winkeln (α) in den Prüfkörper (18), Empfangen von Ultraschallsignalen mit Hilfe des ersten Array-Prüfköpfes (10), Auffinden und Züchten eines Fehlers (36) aus einer ersten Einschallrichtung (a), Berechnen weiterer Einschallpositionen und -richtungen (b, c, d) der beiden Array-Prüfköpfe (10, 11) auf Basis bekannter Wanddicke (34) des Prüfkörpers (18) und bekanntem Winkel (α) der ersten Richtung (a), Ermitteln der Erstreckung des Fehlers (36) auf Basis von Laufzeiten und Amplituden der Einschallrichtungen (a, b, c, d).

Description

Bezeichnung: Ultraschall-Prüfgerät mit Array-Prüfköpfen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Prüfgerät für eine zerstörungsfreie Prüfung eines Prüfkörpers und ein Verfahren zur Darstellung von Ultraschallsignalen, die mit Hilfe eines Ultraschall-Prüfgeräts gewonnen werden.
Für die zerstörungsfreie Prüfung eines Werkstücks durch Ultraschall sind geeignete Prüfgeräte bekannt. Ganz allgemein verwiesen wird auf das DE-Buch von J. und. H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, sechste Auflage.
Es sind insbesondere Winkelprüfköpfe bekannt, die hochfrequente Schallimpulse (ca. 1 - 10 MHz) abgeben, die in das zu prüfende Werkstück eingeschallt werden und die dann einerseits an der Ankoppelfläche reflektiert werden und zum Winkelprüfkopf zurücklaufen und die andererseits in das Werkstück eindringen, wo sie an einer Rückwand des Werkstücks mindestens einmal reflektiert werden. An inneren Inhomogenitäten, wie zum Beispiel an einem Materialfehler, treten Schallreflexionen auf, die vom Winkelprüfkopf wieder empfangen und im Ultraschallgerät verarbeitet werden.
Es wird in der Regel nach dem Impuls-Echoverfahren gearbeitet. Der Winkelprüfkopf, bzw. ein Sender gibt vorzugsweise periodisch Ultraschallimpulse ab und ein Empfänger empfängt danach Echosignale dieser abgegebenen Ultraschallimpulse. Die weiteren Echosignale stammen aus dem Werkstück und insbesondere von der Rückwand des Werkstücks. Insoweit ist das Prüfungsverfahren für Werkstücke geeignet, deren Ankoppelfläche im Wesentlichen parallel zur Rückwand verläuft, so dass es zur Ausbildung mehrerer Hin- und Hergänge des Ultraschallimpulses im Werkstück kommt.
Ein Winkelprüfkopf arbeitet über einen Fuß aus Vorlaufmaterial mit Schrägein- schallung. Die Ultraschallwelle läuft in das Material hinein, bis an einer Grenzfläche eine teilweise oder völlige Reflexion stattfindet. Liegt die reflektierende Fläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, so wird die Schallwelle in ihre ursprüngliche Richtung reflektiert und erreicht nach einer gewissen Laufzeit wieder einen im Winkelprüfkopf angeordneten piezoelektrischen Schwinger, der sie in einen elektrischen Impuls zurückverwandelt. Der Winkelprüfkopf wird neben den zu prüfenden Bereich angeordnet und das Schallsignal wird sozusagen seitlich in den relevanten Bereich eingeschallt. Dies ist beispielsweise bei der Ultraschallprüfung von Schweißnähten der Fall.
Bei einem ungestörten Prüfkörper wird der Schall also jeweils zwischen Ankoppelfläche und Rückwand des Prüfkörpers reflektiert und läuft unter einem bestimmten Winkel immer weiter in die vom Winkelprüfkopf wegweisende Richtung in den Prüfkörper hinein.
Bei der Überprüfung von Schweißnähten wird der Winkelprüfkopf entlang der Schweißnaht bewegt, bis ein maximales Fehlerecho entsteht. Die empfangenen Echosignale werden dabei unmittelbar auf dem Monitor dargestellt. Die Darstellung erfolgt allgemein als sogenanntes A-BiId, bei dem über der Zeitachse die Spannungswerte der empfangenen Echosignale dargestellt werden. Bei mehrfachen Hin- und Hergängen zwischen Ankoppelfläche und Rückwand erhält man eine Folge gleichabständiger Echosignale, deren Amplitude mit wachsender Zeit im Allgemeinen abnimmt. Dabei werden die einzelnen Hin- und Hergänge, also die Strecke des Schall von der Ankoppelfläche zur Rückwand und umgekehrt, jeweils als Bein bezeichnet. Ausgehend vom Winkelprüfkopf wird also zunächst ein erstes Bein erzeugt, das von der Ankoppelfläche schräg bis hin zur Rückwand verläuft. Dort wird der Schall reflektiert und es bildet sich ein zweites Bein, welches von der Rückwand bis zur Ankoppelfläche verläuft, usw.
Die Position Ortung eines Reflektors (Fehlers) im Prüfkörper wird auf Basis der bekannten und gemessenen Daten errechnet. Die Echoamplitude wird für eine Abschätzung der Fehlergröße herangezogen. Dies ist jedoch nicht zuverlässig möglich, da die Echoamplitude wesentlich mehr Einflüssen unterworfen ist als die Schallaufzeit.
Es sind Verfahren bekannt, die eine Abschätzung der Fehlergröße oder der Un- gänze erlauben. In diesen Verfahren wird die Größe (Durchmesser) eines Modellreflektors (Kreisscheibe, zylinderförmiger Reflektor) abgeschätzt. Die so ermittelte Größe ist nicht identisch mit der tatsächlichen Fehlergröße und wird daher als äquivalenter Kreisscheiben- bzw. Querbohrungsdurchmesser bezeichnet. Bei Verwendung von Kreisscheibenreflektoren hat sich die kürzere Bezeichnung Ersatzreflektorgröße (ERG) durchgesetzt. Dass die tatsächliche Fehlergröße nicht mit der Ersatzreflektorgröße übereinstimmt, liegt daran, dass die von einem natürlichen Fehler reflektierten Schallanteile zusätzlich durch die Form, Orientierung und Oberflächenbeschaffenheit des Fehlers beeinflusst werden. Da bei der manuellen Ultraschallprüfung weitergehende Untersuchungen hierzu schwierig und wenig praktikabel sind, werden in den meisten Spezifikationen und Richtlinien zur Ultraschallprüfung deshalb die Kriterien zur Registrierung von Fehlstellen an eine bestimmte Ersatzreflektorgröße geknüpft. Das bedeutet: Der Prüfer ermittelt, ob eine aufgefundene Fehlstelle die Ersatzreflektorgröße erreicht oder überschreitet, die als Grenzwert (Registriergrenze) im Regelwerk angegeben wurde. Darüber hinaus muss er weitere Untersuchungen durchführen, zum Beispiel zu Registrierlänge, Echodynamik usw., die aber an dieser Stelle nicht weiter diskutiert werden sollen.
Problematisch ist jedoch insbesondere bei der Untersuchung mit einem Winkelprüfkopf, dass dann wenn die Fehlstelle, beispielsweise ein Riss, im Extremfall parallel zum Schallweg ausgerichtet ist, die Wahrscheinlichkeit sehr hoch ist, dass der Schall die Fehlstelle verfehlt. Trifft der Schall dagegen auf die Fehlstelle, wird er reflektiert und das Signal registriert. Auf Basis der Ersatzreflektorgröße ergibt sich eine Fehlstelle, die auf dem Monitor sehr klein erscheint. Es wird nicht deutlich, dass sich die Fehlstelle in Richtung des Schallwegs in erheblich größerem Maße erstreckt.
Die Prüfkörpergeometrie wird besonders deutlich, wenn der Prüfkörper auch im Querschnitt dargestellt wird. Dies ist möglich, wenn die Wanddicke des Prüfkörpers bekannt ist. Da zusätzlich auch der Einschallwinkel, mit dem der Schall ausgehend vom Winkelprüfkopf in den Prüfkörper eingeschallt wird, bekannt ist, ist es auch möglich den Schallverlauf durch den Prüfkörper darzustellen.
Die DE 102 59 658 beschreibt ein Verfahren mit dem die Darstellung eines Fehlers, der mit Hilfe eines Winkelprüfkopfes ermittelt wurde, auf einem Display verbessert wird. Das Messergebnis wird nicht oder nicht nur als sog. A-BiId dargestellt, sondern es wird die Prüfkörpergeometrie auf dem Display gezeigt. Diese Darstellung ist deshalb möglich, weil in zwei Verfahrensschritten aus zwei Rieh- tungen in den Prüfkörper eingeschallt wird. Mit Hilfe der Vergleichskörpermetho- de wird ein ermittelter Fehler direkt maßstäblich jeweils in Querschnittsbildern dargestellt, die optisch sozusagen übereinander gelegt werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass nach einer ersten Prüfung das Ergebnis zunächst gespeichert werden muss. Es wird dann eine weiter Prüfung aus einer anderen Richtung vorgenommen und die Ergebnisse werden erst dann miteinander verbunden. Dieses Verfahren führt zwar tatsächlich zu einer besseren Darstellung auf dem Display, es ist jedoch zeitaufwendig und arbeitsintensiv. Hinzu kommt, dass das so genannte Züchten des Fehlers aus zwei Richtungen getrennt erfolgt, was ebenfalls Zeit beansprucht und auch nicht immer zum optimalen Ergebnis führt.
Hier setzt nun die vorliegende Erfindung an. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Auswertung von Ultraschallsignalen die mit Hilfe eines Ultraschall- Prüfgeräts für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüfkörpers gewonnen werden, zu verbessern. Aussagen über die Ausrichtung des Fehlers und die Fehlerart, beispielsweise ob der Fehler flächig oder voluminös ist, sollen möglichst genau sein. Der Prüfvorgang soll schneller und einfacher möglich sein, als dies bei bekannten Prüfverfahren der Fall ist. Es soll außerdem auch ein geeignetes Ultraschall- Prüfgerät und ein Verfahren zur Prüfung eines Prüfkörpers vorgeschlagen werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht und ein mit einem Ultraschall-Prüfgerät mit den Merkmalen des Anspruch 10 gelöst.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Begriff Fehler nicht nur wörtlich, also nicht nur im Sinne von Ungänze zu verstehen, sondern soll vielmehr im Sinne von signifikantem Signal verstanden werden. Die Erfindung beinhaltet also das Auffinden jeglicher relevanter Stellen in einem Prüfkörper.
Die Erfindung nutzt zwei Array- Prüf köpfe. Ein Array ist im Prinzip ein Einzelschwinger, der in viele einzelne Elemente unterteilt ist. Typische Elementbreiten reichen von 0,5 mm bis ca. 2,5 mm, andere Abmessungen sind natürlich auch möglich. Der Begriff Array umfasst auch so genannte Ring-Gruppenstrahler, also runde Schwinger oder Elemente, die in konzentrisch geformte Einzelelemente aufgeteilt sind.
Die Verwendung mehrerer kleiner Schwinger bewirkt, dass eine dynamische Fo- kussierung und ein Schwenken des Schallbündels möglich wird. Außerdem ergibt sich eine besonders wirksame Schallübertragung, da kleinerer Elemente weniger Anregungsenergie benötigen. Als Empfänger sprechen sie bereits wegen der geringen anzuregenden Masse äußerst effizient an. Ein großer Schwinger liefert zwar eine große ebene Abtastung, seine relativ geringe Auffächerung (die kleine Divergenz) begrenzt die Fehlerauffindbarkeit. Kleine Schwinger hingegen haben einen viel größeren Divergenzwinkel.
Weiterhin spricht für die Verwendung eines Array-Prüfkopfs die Fähigkeit ein dynamisch veränderbares Ultraschallbündel zu erzeugen und so über einen „Virtuellen Prüfkopf" zu verfügen. Es können somit beliebige Einschallwinkel innerhalb der Schallbündelcharakteristik des Einzelschwingers eingestellt werden.
Sogenannte Phased-Array-Prüfköpfe regen die einzelnen Elemente zu unterschiedlichen Zeitpunkten an, wodurch eine Wellenfront erzeugt wird, die durch gegeneinander verzögert einstrahlende Schallkeulen charakterisiert ist. Diese Wellenfront sieht wie das Schallfeld eines konventionellen Winkelprüfkopfs aus. Durch Variationen der Verzögerungszeiten können verschiedene Schallfelder erzeugt werden.
Erfindungsgemäß wird im Rahmen einer Prüfung die Schallbündelschwenkung auch dazu benutzt, um einen Schallstrahl dynamisch zu fokussieren. Dies wird durch eine elektronische Einheit erreicht, die eine entsprechende Auswahl der Ansteuerung der Einzelelemente ermöglicht und gleichzeitig Impulsverzögerungen bewirken kann. Im Prinzip wird ein Fokuspunkt durch den Prüfkörper hindurchgefahren. Die Kombination aus dynamischer Fokussierung und Schallbündelschwenkung bewirkt ein Schallbündel, das gleichzeitig fokussiert ist und unter einem Winkel einfällt.
Erfindungsgemäß kann auch eine so genannte lineare Abtastung genutzt werden, bei der zusammenliegende Schwingergruppen nacheinander angesteuert werden. So wird ein Abtasteffekt erzeugt. Die Breite der durch den Prüfkörper hindurch wandernden Schallkeule und die Abtastschrittweite können durch die Anzahl der gleichzeitig angesteuerten Einzelelemente und durch den Versatz von Impuls zu Impuls festgelegt werden.
Vorteilhafterweise erfolgt die Materialprüfung mit der Impuls-Echo-Technik, wobei zwei Array- Prüf köpfe eingesetzt werden, die aus zwei Richtungen in den Prüfbereich einschallen können. Beispielsweise kann ein Array-Prüfkopf auf einer Seite einer Schweißnaht und der andere Array-Prüfkopf auf der gegenüberliegenden Seite der Schweißnaht auf einer Ankoppelfläche eines Prüfkörpers angeordnet sein. Die beiden Array-Prüfköpfe schallen beide (aber nicht zeitgleich) in die Schweißnaht hinein. Beide Array-Prüfköpfe bzw. deren Sender und Empfänger können Ultraschallsignale senden und empfangen. Wesentlich ist dabei, dass die beiden Array-Prüfköpfe zueinander kalibriert sind, d.h., der Abstand zwischen den beiden Array-Prüfköpfen bzw. der einzelnen Schwingerelemente innerhalb der Array-Prüfköpfe bekannt sind. Sind dieser Abstand, die Stärke des Prüfkörpers und der Einschallwinkel bekannt, kann während der Prüfung stets der Abstand der Array-Prüfköpfe zueinander kontrolliert werden. Dies kann zum Beispiel über die Zeitdauer des Schalls von einem Array-Prüfkopf zum anderen errechnet werden (V-Durchschallung).
Der virtuelle Prüfkopf wird innerhalb des Array-Prüfkopfs elektronisch beispielsweise von links nach rechts verschoben, so dass das Schallbündel weitgehend das ganze Volumen der Schweißnaht erfasst. Zunächst wird dabei nur mit einem Array-Prüfkopf eingeschaltet. Wird ein Fehler oder eine Ungänze gefunden, wird durch elektronische Verschiebung des virtuellen Prüfkopfes die Echoanzeige gezüchtet bzw. maximiert. Der Fehler kann dabei direkt oder indirekt, also nach einer Reflektion an der Rückwand getroffen werden. Nach der Optimierung des Fehlersignals können bei bekannter Wanddicke und bei bekanntem Einschallwinkel mindestens drei weitere Einschallpositionen berechnet und die virtuellen Prüfköpfe hintereinander entsprechend angesteuert werden. Drei weitere Einschallpositionen ergeben sich z. B. dann, wenn beide Array-Prüfköpfe einschallen. Es ergeben sich zwei direkte Schallwege und zwei indirekte, also an der Rückwand reflektierte Schallwege zum Fehler. Daraus können für die vier Einschallpositionen acht Messwerte, nämlich vier Laufzeitwerte und vier Amplitu- denwerte abgeleitet bzw. ermittelt werden. Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, durch Variation der Einschallwinkel weitere Laufzeitwerte und Amplitudenwerte zu erzeugen und zu berechnen.
Aus den Amplitudenwerten können nun entweder nach der Vergleichskörpermethode oder nach der so genannten AVG-Methode (Abstand, Verstärkung, Größe) Ersatzreflektorgrößen bestimmt werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Aussage darüber getroffen werden kann, ob der Fehler voluminös oder flächig ist. Handelt es sich beispielsweise um einen voluminösen Fehler, werden alle vier Echoanzeigen eine etwa vergleichbare Amplitude aufweisen. Bei einem flächigen Fehler dagegen weisen zwei Amplituden wesentlich größere Werte als die beiden anderen Amplituden auf.
Zusätzlich zu der Amplitudenbewertung kann die Auswertung der Laufzeitwerte zu einer Größenermittlung herangezogen werden, indem die Summe der Laufzeiten, die zu einer V-Durchschallung gehören, mit der Gesamtlaufzeit für eine ungestörte V-Durchschallung verglichen werden. Die Differenz dieser beiden Werte ergibt die Ausdehnung des Reflektors in der entsprechenden Einschallrichtung. Die Ausdehnung ergibt sich also aus der Differenz der Laufzeit für eine komplette V-Durchschallung und der Summe der Laufzeiten.
Erfindungsgemäß wird das beschriebene Verfahren für alle Fehler und Ungänzen im zu prüfenden Querschnitt wiederholt. Je nach Bedarf kann die Prüfung mit weiteren Einschallwinkeln entsprechend wiederholt werden, um die Ermittlung der tatsächlichen Fehlergröße noch weiter zu verbessern. Zur Sicherstellung einer einwandfreien Messung sollte in zeitlichen Abständen jeweils eine V- Durchschallung zwischen den beiden Array-Prüfköpfen zur Ankoppelkontrolle erfolgen.
Das beschriebene Verfahren kann in einer nächsten Dimension, also beispielsweise entlang des Verlaufs einer Schweißnaht entsprechend häufig wiederholt werden, um somit eine Schweißnaht oder auch einen einzelnen Fehler über ihre/seine gesamte Länge überprüfen zu können. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Array- Prüf köpfe sozusagen virtuell entlang der Schweißnaht oder des Fehlers zu bewegen. Der Einschallpunkt kann also sowohl quer zur Schweißnaht, als auch längs zur Schweißnaht verschoben werden. Bei entsprechender Größe von Array-Prüfköpfen können ohne ein mechanisches Verschieben der Ar- ray-Prüfköpfe somit sehr große Flächen oder Längen geprüft werden.
Erfindungsgemäß sind die beiden Array-Prüfköpfe mechanisch miteinander verbunden. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn ihr Abstand zueinander veränderbar, bzw. die mechanische Verbindung in ihrer Länge einstellbar ist. Die mechanische Verbindung kann eine Skalierung aufweisen, auf der der Abstand der beiden Array-Prüfköpfe zueinander abgelesen werden kann.
Vorteilhafterweise besteht die mechanische Verbindung aus einer Art Rahmen, der zwei Aufnahmebereiche für jeweils einen Array-Prüfkopf aufweist. Diese beiden Aufnahmebereiche sind über eine mechanische Verbindung miteinander verbunden und können aufeinanderzu- und voneinanderweg bewegt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante wird der Abstand zwischen den beiden Aufnahmebereichen ständig elektronisch ermittelt und an die elektronische Einheit zur Weiterverarbeitung bzw. Berechnung übermittelt. Somit ist eine doppelte Kontrolle gegeben, nämlich über die Schalldauer von einem Array- Prüfkopf zum anderen und über die elektronische Abstandskontrolle. Der Schallweg wird als so genannter V-Weg bezeichnet.
Die rahmenartige mechanische Verbindung ist erfindungsgemäß flexibel ausgeführt, so dass leichte Unebenheiten auf der Ankoppelfläche des Prüfkörpers ausgeglichen werden können.
Die Beschallung aus zwei Richtungen bewirkt insbesondere auch, dass ein schräg liegender Fehler bezüglich seiner Ausbreitung in zwei Richtungen schnell bestimmt werden kann. Die Daten beider Array-Prüfköpfe werden von einer elektronischen Einheit empfangen und unmittelbar aufbereitet. So werden gleichzeitig zwei Bilder des Fehlers erzeugt, die unmittelbar übereinander gelegt und vom Prüfer direkt hochgezüchtet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit sehr effektiv und schnell. Das Messergebnis wird dabei nicht oder nicht nur als sog. A-BiId dargestellt, sondern es wird die Prüfkörpergeometrie auf dem Display gezeigt. Die Prüfkörperge- ometrie wird besonders deutlich, wenn der Prüfkörper im Querschnitt dargestellt wird. Dies ist möglich, wenn die Wanddicke des Prüfkörpers bekannt ist. Da zusätzlich auch der Einschallwinkel, mit dem der Schall ausgehend von den Array- Prüfköpfen in den Prüfkörper eingeschallt wird, bekannt ist, ist es auch möglich den Schallverlauf durch den Prüfkörper darzustellen. Besonders informativ ist die Darstellung dann, wenn auch die Abmessungen relevanter zu untersuchender Bereiche in die Querschnittsdarstellung aufgenommen werden können. Dies ist insbesondere bei der Untersuchung von Schweißnähten hilfreich und leicht möglich. Es ergibt sich also eine Darstellung, in der beispielsweise zwei Stahlplatten, die endseitig über eine Schweißnaht miteinander verbunden sind, im Querschnitt dargestellt sind. Entsprechend ist zwischen den beiden Stahlplatten die Schweißnaht durch Linien dargestellt. Mit Hilfe der AVG oder Vergleichskörpermethode und/oder Ermittlung der Ausdehnung des Fehlers durch die berechneten Schallwegdifferenzen wird ein ermittelter Fehler direkt maßstäblich in diesem Querschnittsbild dargestellt.
Es ist also erkennbar, welchen Weg der Schall ausgehend von den Array- Prüfköpfen durch den Prüfkörper nimmt und in welchen Beinen bzw. an welchen Stellen der Schall auf den Fehler trifft. Voraussetzung für ein solches System ist, wie bereits erläutert, dass die Einschallwinkel sowie die Wanddicke des Prüfkörpers bekannt sind. Aus diesen Informationen lässt sich der Schallweg für jedes Bein und damit der Übergang von einem Bein zum nächsten bzw. der Punkt an dem die Reflektion des Schalls an der Ankoppelfläche oder an der Rückwand erfolgt, leicht berechnen.
Auf Basis dieser Darstellung ist es möglich, den Prüfer mit relevanten Informationen über den Fehler, insbesondere über seine Größe und Ausrichtung zu informieren, wenn der Prüfer nach dem nachfolgend beschriebenen Verfahren vorgeht.
Der aufgefundene Fehler ist also durch mindestens zwei Fehlersignale, die sich aus den beiden Ersatzreflektorgrößen ergeben haben bzw. aus den Schallwegdifferenzen, angezeigt, wodurch es dem Prüfer möglich ist, auf den ersten Blick zur erkennen, wie sich der Fehler in verschiedene Richtungen erstreckt. Es ergibt sich somit eine zweidimensionale Darstellung des Fehlers.
Die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch erhöht werden, dass der Fehler nicht nur aus zwei, sondern aus mehreren Richtungen untersucht wird und eine entsprechende Anzahl Bilder übereinander gelegt dargestellt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante errechnet das Ultraschallgerät bzw. ein darin befindlicher Prozessor oder Rechner aus den bereits aus verschiedenen Richtungen ermittelten Fehlergrößen eine Draufsicht auf den Fehler, sozusagen eine Darstellung des Fehlers in der Prüfkörperebene. Vorteilhafterweise kann diese Draufsicht auch parallel zur gleichzeitig mit der Querschnittsdarstellung auf dem Display dargestellt werden, das Display wird also in zwei Ansichten unterteilt. Vorzugsweise ist auch in dem Draufsichtbild der relevante Bereich, beispielsweise die Schweißnaht, durch Linien dargestellt. Die Auswertung der Fehlerlänge in der Prüfkörperebene kann dabei vorteilhafterweise automatisch nach der Halbwertsmethode erfolgen. Dazu ist eine elektronische und/oder mechanische Bewegung der Array-Köpfe längs der Schweißnaht zur Ermittlung der Prüfkopfposition notwendig.
In der Draufsicht wird der Fehler vorzugsweise in einem x-y-Diagramm dargestellt, bei dem auf einer der Achsen die Breite und auf der anderen Achse die Länge des Fehlers in Millimeter oder einer anderen geeigneten Einheit ablesbar ist. Erfindungsgemäß wird bei der Berechnung dieser Darstellung in der Draufsicht die Skalierung automatisch ermittelt.
Vorteilhafterweise werden bei der Speicherung einzelner relevanter Querschnittsbilder auch die A-Bilder im Hintergrund abgespeichert.
Die Array- Prüf köpfe können sowohl manuell als auch mechanisch über den Prüfkörper geführt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante weisen sie einen Taster zur Aufnahme der Nullpunktposition zu Anfang des Prüfvorgangs auf. Dies bedeutet, dass die Prüfung an einer definierten Stelle auf den Prüfkörper beginnt, wobei diese Stelle im System gespeichert wird. Somit ist es möglich, relevante Positionen der Array-Prüfköpfe im Nachhinein auf Basis der gespeicherten Daten nachzuvollziehen. Die Array-Prüfköpfe weisen hierzu Mittel auf, die dazu dienen, die jeweilige Position auf der Oberfläche des zu prüfenden Körpers in Bezug auf einen Ort anzugeben der zum Zeitpunkt des Mess-Startes vorlag. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Digitalkamera erfolgen, die mit dem Gehäuse der Array-Prüfköpfe fest verbunden ist. Sie ist so ausgerichtet, dass sie die Oberfläche des zu prüfenden Körpers erfasst. Dabei soll sie möglichst nahe an der Stelle ein Bild dieser Oberfläche liefern, an der einen Zentralstrahl des aktiven Schallelements die Oberfläche durchtritt. Mittels dieser Digitalkamera wird in Zeitabständen ein elektronisches Bild von dem Teilstück Oberfläche, das sich jeweils unter der Linse der Digitalkamera befindet, dass also in der Gegenstandsebene liegt. Das Teilstück kann beispielsweise die Abmessungen von wenigen Millimetern, beispielsweise von 2 x 2 oder 4 x 4 mm haben. Vorzugsweise wird in vorgegebenen festen Zeitabständen von der Digitalkamera ein Bild des jeweiligen Teilstücks Oberfläche. Hierzu wird auf die Anmeldung DE 100 58 174 A 1 der gleichen Anmelderin verwiesenen.
Grundsätzlich ist also möglich, den Fehler dreidimensional darzustellen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Array-Prüfköpfe entlang des Fehlers bewegt werden oder eine derartige Bewegung simuliert wird.
Ist die Schweißnahtgeometrie bekannt und im Ultraschallprüfgerät bzw. im Rechner gespeichert, können sowohl räumliche Grenzwerte als auch Grenzwerte bezüglich der zu berücksichtigenden Amplitude eingegeben werden. Wenn die Nullpunktposition zu Anfang des Messvorgangs ermittelt wurde, kann die Entfernung der Array-Prüfköpfe von der Schweißnaht auf Basis der Beinlänge bzw. der Wanddicke und des Einschallwinkels jederzeit berechnet werden. Somit ist es mit Hilfe einer Blendennachführung möglich, jederzeit und unabhängig von der Position der Array-Prüfköpfe lediglich den Bereich der Schweißnaht auf dem Monitor darzustellen.
Mit Hilfe der beschriebenen Blendennachführung ist es auch möglich, eine Selektion der in der Draufsicht darzustellenden Fehler vorzunehmen. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, wenn ein Fehler nur dann dargestellt wird, wenn er eine bestimmte Größe aufweist. Bezüglich der Fehlergröße wird also eine minimal und eine maximal zu berücksichtigende Amplitude als Blende eingegeben. Möglich ist auch die Eingabe lediglich der maximalen Amplitude, wobei weiter bestimmte wird, dass ein Fehler nur dann gezeigt wird, wenn er die Hälfte der maximalen Amplitude übersteigt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung im folgenden näher erläutert werden. In dieser Zeichnung zeigen :
Figur 1 : eine Prinzipdarstellung des Schallverlaufs von Ultraschallsignalen ausgehend von ein zwei Array-Prüfköpfen durch einen Prüfkörper,
Figur 2: eine beispielhafte erfindungsgemäße Darstellung der gewonnenen Messdaten als Draufsicht.
Figur 3: eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Ultraschallprüfgerätes
Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Ultraschallmessung mit einem ersten Array-Prüfkopf 10 und einem zweiten Array-Prüfkopf 11 im Querschnitt. Grundsätzlich können auch mehr Array- Prüf köpfe 10,11 eingesetzt werden. Die Array- Prüfköpfe 10,11, die jeweils mehrere Sender und Empfänger beinhalten, sind mit einer elektronischen Einheit 13 und darüber mit einem Monitor 12, der wiederum ein Display 14 aufweist, über eine Leitung 16 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht zwischen den Array-Prüfköpfen 10,11 eine elektronische Verbindung 15, sie können aber auch jeweils einzeln mit der elektronischen Einheit 13 verbunden sein. An Stelle der Leitung 16 ist auch eine andere Verbindungsart, beispielsweise per Funk, denkbar. Die Array- Prüf köpfe 10,11 können auch derart ausgeführt sein, dass Sender und Empfänger getrennt voneinander angeordnet sind. Im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung wird jedoch vorausgesetzt, dass sich die Sender und Empfänger in den Array-Prüfköpfen 10,11 befinden und das mit Hilfe des Echo-Impuls Verfahren gemessen wird.
Die elektronische Einheit 13 dient einer Steuerung einer Aussendung von Sende- impulsen und zur Berechnung und Auswertung der empfangenen Ultraschallsignale sowie zur Bereitstellung von Daten zur Darstellung von Ergebnissen auf dem Monitor 12. Sie weist hierzu einen geeigneten Prozessor auf.
Der Prüfkörper 18 ist hier ein Teilstück einer Stahlplatte, die mit einer zweiten Stahlplatte über eine Schweißnaht 20 verbunden ist. Der Prüfkörper 18 weist eine Ankoppelfläche 22 und eine Rückwand 24 auf, wobei die Array- Prüf köpfe 10,11 auf der Ankoppelfläche 22 angeordnet sind. Zwischen der Ankoppelfläche 22 und der Rückwand 24 sind Einschallrichtungen bzw. Schallwege a, b, c, und d als Linien (durchgehend oder gestrichelt) angedeutet. Ausgehend von den Array- Prüfköpfen 10,11 wird der Schall jeweils zunächst in Form von Sendeimpulsen unter einem vorbestimmten Winkel α schräg in den Prüfkörper 18 eingeschallt, bildet ein erstes Bein 30 aus, wird dann an der Rückwand 24 reflektiert, bildet ein zweites Bein 32 aus, gelangt wieder zur Ankoppelfläche 22 und zum anderen Array-Prüfkopf 10 bzw. 11. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es sich hier nur um eine prinzipielle, stark vereinfachte Darstellung handelt, die nicht technisch zu verstehen ist, sondern vielmehr die grundsätzlichen Zusammenhänge der Erfindung besser verdeutlichen soll.
Die schräge Einschallung kann beispielsweise durch die Verwendung von Phased- Array-Prüfköpfen 10, 11 erreicht werden.
Aus einer Wanddicke 34 und dem Winkel α ist es leicht möglich, die Länge eines
Beines 30, 32 bzw. den Punkt des Übergangs von einem Bein 30, 32 zum nächsten zu berechnen. Ist bekannt, welches Bein 30, 32 auf den Fehler 36 getroffen ist, kann unmittelbar auf den ungefähren Abstand des Fehlers 36 zu den Array- Prüfköpfen 10 bzw. 11 geschlossen werden, zumindest ist klar, dass sich der Fehler auf der Wegstrecke des entsprechenden Beins 30, 32 befindet.
Trifft der Schall auf einen Fehler 36, beispielsweise einen Riss, wird er zumindest teilweise reflektiert und gelangt je nach Ausrichtung des Fehlers 36 als Echosignal zurück zum Empfänger.
Vorteilhafterweise erfolgt die Darstellung der gewonnenen Messdaten auf dem Display 14 in einem Querschnittsbild. Die Ankoppelfläche 22 und die Rückwand 24 sowie die Schweißnaht 20 sind als Linien in einem Diagramm dargestellt, bei dem auf einer x-Achse und einer y-Achse jeweils Längeneinheiten aufgetragen sein können.
Bei der Prüfung des Prüfkörpers 18 werden die Array- Prüf köpfe 10, 11 zunächst auf die Ankoppelfläche 22 aufgesetzt und Ultraschallimpulse mit dem zweiten (hier rechten) Array-Prüfkopf 11 unter bestimmten Winkeln α in den Prüfkörper 18 eingeschallt. Trifft der Schall auf einen Fehler 36, wird ein optimales Fehlersignal 40 gezüchtet. Züchten bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Prüfer versucht, maximale Fehlersignale zu finden und darzustellen. Im vorliegenden Beispiel erfolgt das Züchten auf Basis des Beins a des zweiten Array- Prüf kopfes 11. Das Züchten erfolgt im vorliegenden Fall durch ein elektronisches Verschieben des virtuellen Prüfkopfs.
Da die Wanddicke 34 und der Winkel α bekannt sind, können auch die weiteren Einschallpositionen berechnet und die virtuellen Prüfköpfe hintereinander entsprechend angesteuert werden (Beine b, c und d).
Es entstehen somit vier Einschallpositionen, aus denen acht Messwerte, nämlich vier Laufzeitwerte und vier Amplitudenwerte herleitbar sind. Aus einem Vergleich der Amplitudenwerte kann unmittelbar eine Aussage über die Form des Fehlers 36, nämlich ob der voluminös oder flächig ist, gezogen werden. Auch kann die Auswertung der vier Laufzeitwerte zu einer Größenermittlung herangezogen werden, da sich die Ausdehnung aus der Differenz der Laufzeit für eine komplette V- Durchschallung und der Summe der Laufzeiten (hier Beine b und d) ergibt.
Aus den Messwerten wird vorzugsweise nach AVG oder Vergleichskörpermethode und/oder aufgrund der Schallwegdifferenzen die Ersatzreflektorgröße bestimmt und auf dem Display 14, also im Querschnittsbild, als erstes Fehlersignal dargestellt. Es ergibt sich ein Messbild, welches der Prüfer ggfs. in einem Datenspeicher, der in der elektronischen Einheit 13 vorgesehen sein kann, speichert.
Auch kann es sinnvoll sein, wenn die Darstellung der Fehlersignale in Abhängigkeit an die ermittelte Amplitude kodiert, insbesondere farbkodiert erfolgt. Beispielsweise können Fehler 36, die eine bestimmte Größe überschreiten, in einer Signalfarbe, z.B. rot, dargestellt werden.
Die dargestellten Fehlersignale werden maßstäblich auf dem Display 14 angezeigt. Es zeigt sich also in der beispielhaften Darstellung, dass sich der Fehler 36 stärker quer zum Schallweg 28 als zum Schallweg 26 erstreckt. Werden weitere Einschallwinkel zur Auswertung herangezogen, ergibt sich ein noch genaueres Bild des Fehlers 36. Grundsätzlich werden die Einschallpositionen entlang der Ausrichtung der beiden Array- Prüf köpfe 10, 11 verändert, also sozusagen quer zum Fehler 36 bzw. auf ihn zu und von ihm weg. Zusätzlich können die Einschallpositionen zum Beispiel längs zum Fehler 36 variiert werden, entweder durch manuelles oder virtuelles Verschieben der Sender/Empfänger der Array- Prüfköpfe 10, 11.
Der Benutzer des Ultraschallprüfgeräts bzw. der Prüfer bekommt also mit Hilfe der erfindungsgemäßen Darstellung eine sehr genaue Vorstellung von der Ausrichtung, der Größe und dem Volumen des Fehlers 36, insbesondere davon, ob es sich um einen voluminösen oder flächigen Fehler, zum Beispiel um einen Riss, handelt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante werden die den Messbildern bzw. dem Auswertungsbild zu Grunde liegenden Daten weiterhin in einer Draufsicht dargestellt. Dies bedeutet, dass beispielsweise auf dem Monitor 12 bzw. dem Display 14 der Prüfkörper 18 und die Schweißnaht 20 ebenfalls durch Linien dargestellt werden. Die gewonnenen Daten, die den Fehlersignalen zu Grunde liegenden, werden derart umgerechnet, dass die Erstreckung des Fehlers 36 in der Längsebene des Prüfkörpers 18, also in der Ebene die quer zum Querschnittsbild 38 verläuft, auf dem Display 14 angezeigt wird. Auch diese Darstellung erfolgt in einem Diagramm, welches sowohl auf der x- als auch um der y- Achse Längeneinheiten aufweist, so dass die Länge und die Breite des Fehlers 36 in der Längsebene des Prüfkörpers 18 leicht erkennbar ist.
Parallel zur erfindungsgemäßen Darstellung der Messdaten können auch A-Bilder erzeugt werden. Diese können entweder im Hintergrund abgespeichert oder gleichzeitig auf dem Display 14 angezeigt werden. Ohnehin können verschiedenen Darstellungen, also die Querschnittsbilder 38, die Auswertungsbilder 44 und die Draufsichtbilder 46 gleichzeitig auf dem Display 14 dargestellt werden, es kann aber auch sinnvoll sein, wenn der Prüfer zwischen diesen Darstellungen wechseln kann.
Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Darstellung ist auch, dass auf dem Monitor 12 bzw. dem Display 14 lediglich der Bereich des zu untersuchenden Prüfkörpers 18 dargestellt wird, der bei der Untersuchung von Interesse ist. Dies kann beispielsweise die zu untersuchende Schweißnaht 20 sein. Hierzu werden sowohl räumliche Grenzwerte als auch Grenzwerte bezüglich der zu berücksichtigenden Amplituden vor der Messung in das Ultraschall-Prüfgerät eingegeben und berücksichtigt. Dies bedeutet, dass nur Signale angezeigt werden, deren Ursprung entweder der Bereich und/oder das Umfeld der zu untersuchenden Schweißnaht 20 ist und/oder deren Signalstärke den minimalen Grenzwert übersteigt.
Figur 3 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante eines Ultraschall-Prüfgeräts bzw. einer bevorzugten Anordnung der Array-Prüfköpfe 10, 11. Eine Rahmenkonstruktion 40 weist Aufnahmebereiche 42 für die beiden Array-Prüfköpfe 10, 11 auf. Die beiden Aufnahmebereiche 42 sind ebenfalls rahmenartig ausgebildet und über eine mechanische Verbindung 44 miteinander verbunden. Weiterhin ist ein Kabel 46 dargestellt, dass die beiden Aufnahmebereiche 42 ebenfalls miteinander verbindet. In die Aufnahmebereiche 42 können die Array-Prüfköpfe 10, 11 eingebracht werden. Sie sind in den Aufnahmebereichen 42 sicher gehalten. Vorzugsweise weist die mechanische Verbindung 44 eine Verstelleinrichtung 48 auf, über die der Abstand zwischen dem Aufnahmebereichen 42 verstellbar ist. Darüber hinaus kann eine Skalierung 50 vorgesehen sein, über die der Abstand der Aufnahmebereiche 42 zueinander ablesbar ist. Innerhalb der Aufnahmebereiche 42 ist ein Anschluss (nicht dargestellt) für die Array-Prüfköpfe 10, 11 vorgesehen, über die diese energetisch versorgt werden und auch ein Datenaustausch möglich ist. Die Rahmenkonstruktion 40 weist vorzugsweise an nur einem Aufnahmebereich 42 einen Anschluss 52 für die hier nicht dargestellte elektronische Einheit 13 oder ein anderes elektronisches Gerät, wie beispielsweise einen Rechner (PC) oder den Monitor 12 auf.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante wird die Rahmenkonstruk- tion 40 bzw. werden die Array- Prüf köpfe 10, 11 nicht manuell, also per Hand, über den Prüfkörper 18 geführt, sondern die Nachführung erfolgt automatisch. Gerade für diesen Anwendungsfall ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ultraschall-Prüfgerätes bzw. das erfindungsgemäße Verfahren sehr hilfreich, da sehr viele Daten in sehr kurzer Zeit erhoben werden und ein Züchten des Fehlers auch aufgrund der bereits ermittelten Daten oder Fehlersignale im Nachhinein möglich ist.
Aus dem Vorangegangenen ist ersichtlich, dass sich das erfindungsgemäße Gerät und insbesondere auch das damit durchgeführte Verfahren zur Prüfung von Werkstücken für eine Serienmessung eignen. Beispiel für eine Serienmessung ist die Prüfung von Schweißverbindungen von Rohrleitungen. Das Prüfgerät wird zunächst an einem Werkstück oder wenigen Werkstücken einjustiert, anschließend wird die Serienprüfung durchgeführt.
Die Erfindung wurde nur beispielhaft erläutert, der Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Prüfgerätes kann sehr unterschiedlich sein. Auch sind Array- Prüfköpfe 10, 11 unterschiedlicher Bauart verwendbar. Je nach Prüfkörper 18 kann es sinnvoll sein, die Prüfung aus einer anderen Richtung zu wiederholen. Bei flächigen Prüfkörpern 18 kann beispielsweise die der Ankoppelfläche 22 gegenüberliegende Oberfläche als Ankoppelfläche 22 genutzt werden.

Claims

Bezeichnung: Ultraschall-Prüfgerät mit Array-PrüfköpfenPatentansprüche
1. Verfahren zur Darstellung von Ultraschallsignalen, die mit Hilfe eines Ultraschall-Prüfgeräts für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüfkörpers (18) gewonnen werden, wobei das Ultraschall-Prüfgerät mindestens einen ersten Ar- ray-Prüfkopf (10) und einen zweiten Array-Prüfkopf (11), jeweils mehrere einzelne Sender, die Sendeimpulse erzeugen, und jeweils mehrere Empfänger, die Ultraschallsignale empfangen, aufweist, mit den Verfahrensschritten : Aufsetzen der Array-Prüfköpfe (10, 11) auf eine Ankoppelfläche (22), des Prüfkörpers (18),
Einschallen von Ultraschallimpulsen mit dem ersten Array-Prüfkopf (10) unter bestimmten Winkeln (α) in den Prüfkörper (18), Empfangen von Ultraschallsignalen mit Hilfe des ersten Array-Prüfköpfes (10),
Auffinden und Züchten eines Fehlers (36) aus einer ersten Einschallrichtung (a),
Berechnen weiterer Einschallpositionen und -richtungen (b, c, d) der beiden Array-Prüfköpfe (10, 11) auf Basis bekannter Wanddicke (34) des Prüfkörpers (18) und bekanntem Winkel (α) der ersten Richtung (a) Ermitteln der Erstreckung des Fehlers (36) auf Basis von Laufzeiten und Amplituden der Einschallrichtungen (a, b, c, d).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehler (36) aus mindestens vier Einschallpositionen beschallt wird und entsprechend vier Laufzeitwerte und vier Amplitudenwerte ausgewertet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehler (36) aus weiteren Einschallpositionen beschallt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschallpositionen quer zum Fehler (36) variieren.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschallpositionen längs zum Fehler (36) variieren.
6. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehler (36) maßstäblich in einem Auswertungsbild auf dem Display (14) eines Monitors (12) dargestellt wird.
7. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswertungsbild ein Querschnittsbild (38) beinhaltet und zumindest eine Ankoppelfläche (22) und eine Rückwand (24) des Prüfkörpers (18) erkennbar ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Untersuchung einer Schweißnaht (20) diese ebenfalls dargestellt ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Position des Winkelprüfkopfs (10) auf der Oberfläche des Prüfkörpers (18) permanent ermittelt wird.
10. Ultraschall-Prüfgerät für eine zerstörungsfreie Prüfung eines Prüfkörpers (18) mit
- mindestens einem ersten Array-Prüfkopf (10) und einem zweiten Array-Prüfkopf (11), die jeweils mehrere einzelne Sender, die Sendeimpulse erzeugen, und jeweils mehrere Empfänger, die Ultraschallsignale empfangen, aufweisen,
- einer elektronischen Einheit, die mit den Array-Prüfköpfen (10, 11) verbunden ist und einen Prozessor zur Steuerung der Aussendung der Sendeimpulse und zur Berechnung und Auswertung der empfangenen Ultraschallsignale sowie zur Bereitstellung von Daten zur Darstellung von Ergebnissen aufweist,
11. Ultraschall-Prüfgerät für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüfkörpers (18) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Array- Prüfköpfe (10, 11) mechanisch miteinander verbunden sind.
12. Ultraschall-Prüfgerät für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüfkörpers (18) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Array- Prüfköpfe (10, 11) derart mechanisch miteinander verbunden sind, dass der Abstand zwischen den Array-Prüfköpfe (10, 11) variierbar ist.
13. Ultraschall-Prüfgerät für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüfkörpers (18) nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Array-Prüfköpfe (10, 11) in einer Rahmenkonstruktion (40) angeordnet sind.
14. Ultraschall-Prüfgerät für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüfkörpers (18) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Array-Prüfköpfen (10, 11) permanent elektronisch ermittelt und der Betrag zur weiteren Berechnung an die elektronische Einheit (13) weitergegeben wird.
15. Ultraschall-Prüfgerät für die zerstörungsfreie Prüfung eines Prüfkörpers (18) nach einem der Ansprüche 10 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf fest mit einem Mittel (38) verbunden ist, das dazu dient, die jeweilige Position des Winkelprüfkopfs (10) auf der Oberfläche des Prüfkörpers (18) zu ermitteln
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