WO2013013823A1 - Verfahren und vorrichtung zur ultraschallprüfung mit einem matrix phased array prüfkopf - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ultraschallprüfung mit einem matrix phased array prüfkopf Download PDF

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WO2013013823A1
WO2013013823A1 PCT/EP2012/003160 EP2012003160W WO2013013823A1 WO 2013013823 A1 WO2013013823 A1 WO 2013013823A1 EP 2012003160 W EP2012003160 W EP 2012003160W WO 2013013823 A1 WO2013013823 A1 WO 2013013823A1
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individual elements
unit
receiving
groups
control unit
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PCT/EP2012/003160
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Inventor
Otto Alfred BARBIAN
Herbert Willems
Hardy ERNST
Original Assignee
Ndt Systems & Services Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/26—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
    • G01N29/262—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by electronic orientation or focusing, e.g. with phased arrays
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • G10K11/341—Circuits therefor
    • G10K11/345—Circuits therefor using energy switching from one active element to another

Definitions

  • the invention relates to a method for ultrasonic testing of a test object with a matrix phased array test head.
  • group radiator is also used for such an ultrasound test head.
  • An array probe can be a linear array (linear phased array probe) or a matrix array (matrix phased array probe).
  • a matrix phased array probe includes a two-dimensional array of a number (N) of ultrasonic sensors. These ultrasonic sensors are also referred to as individual elements to distinguish them from a conventional ultrasonic probe.
  • an ultrasonic wave is sounded into the test object and received a reflected ultrasonic signal again, in each case a first selection of individual elements of the probe is selected by means of a control unit as a transmitter for emitting an ultrasonic wave and the selected individual elements are excited by means of a transmitting unit, respectively a second selection of individual elements of the test head is selected by means of the control unit as a receiver for receiving an ultrasound signal and the ultrasound signals of the selected individual elements are received by means of a receiving unit and the received ultrasound signals are evaluated for testing the test object.
  • Ultrasonic waves are mechanical vibrations that are mostly induced by an electrically excited, piezoelectric transmitter in an elastic medium (the test object).
  • the piezoelectric excitation is the normal case. There are also other possibilities of excitation, such as laser excitation or EMUS (Electromagnetic Ultrasonic Excitation). Typical frequencies of ultrasonic waves range from 0.1 MHz to 50 MHz, with most industrial applications requiring frequencies between 0.5 MHz and 15 MHz.
  • phased array probes are increasingly being used in nondestructive ultrasonic materials testing.
  • a phased array probe consists of a number of INI of individual elements (ultrasonic sensors, probes).
  • test heads were required for a test task, by means of purely electronic actuation with a single matrix test head several test functions (for example different angles of incidence or different focusing) can be carried out or even mechanical movements can be replaced.
  • linear arrays the ultrasonic propagation in one plane can be influenced.
  • each element can be considered as the source of an ultrasonic wave.
  • each individual element represents a point source.
  • the individual wavefronts interfere and produce an overall wavefront with structurally and destructively interfering regions.
  • the individual wavefronts can be time-delayed and synchronized in terms of phase and possibly be assigned different amplitudes to a desired wavefront to create.
  • the synchronization takes place via the time delays between the individual elements.
  • Amplitude adjustments can be realized via different transmission voltages of the individual elements or via different amplifications on the reception side.
  • This wavefront is based on superimposition and constructive interference and produces a beam whose direction can be controlled and which, if necessary, can also be focused.
  • a hallmark of ultrasound testing with phased array ultrasound technology is the computer-controlled or electronically controlled excitation (amplitude and delay) of individual elements in a multielement probe.
  • the excitation of the piezoelectric elements can generate sound fields with defined parameters such as insonification angle, focal length / focal distance and focus size controlled by software or software using so-called focal laws.
  • the echo signals are recorded again with the test head and evaluated.
  • the receiver side is usually synchronized in the same way as when transmitting.
  • the number of elements of a matrix array is proportional to the probe head area and thus increases quadratically with the probe dimensions.
  • a separate ultrasound channel with a transmitter and a receiver is required for each element.
  • a 16x16 matrix array e.g. 256 channels required, i. the electronic effort increases considerably with increasing number of elements.
  • the publication DE 27 33 920 C2 discloses a device for examining bodies by scanning by means of ultrasound, in which a drive device in interleaved send / receive clock switches groups of transducer elements.
  • the goal is to record homogeneous echo structures through a cathode ray tube with constant brightness.
  • the ultrasonic transducer used consists of parallel elements, which would be referred to as a phased array technique as a linear array, but not as a matrix array. However, it is not a phased array application because all active elements are always used simultaneously.
  • the generated ultrasound thus propagates perpendicular to the element plane. A control of the insonification or the depth of focus is thus not possible.
  • only one transmitter and one receiver are provided, both of which can be combined as required with different combinations of ultrasonic elements, wherein the assignment takes place via switches. There are as many switches as elements required, therefore, no simplification is achieved.
  • US 2010/0251821 A1 discloses the use of a matrix phased array test head. Element groups are selected both on the transmitter side and on the receiver side in order to optimize certain test tasks, in particular a 360 ° detection of errors in the test object without mechanical scanning to carry out. A separate transmitter and receiver is used for each individual element of the matrix array. This means that when using a total of N individual elements N transmitter and N receiver and a correspondingly high electronic complexity are required.
  • each measuring sensor can be used to realize a multiplicity of signal irradiations into the tube wall at different angles of incidence, whose penetration behavior into the tube wall can be adapted to the measuring requirements in a wide range.
  • a test head so as to be used, for example, as a (virtual) test probe. to scan electronically. In this case, however, a separate ultrasound channel is always required for each active individual element.
  • a known way to reduce the electronic effort is to reduce the number of required electronic channels by multiplexing, in particular by only one receiving unit is used, which is controlled by a control unit and a Multiplexer for the N read-out individual elements of the probe, but only an amplifier, an analog-to-digital converter and signal processing has.
  • the measurement duration increases due to the sequential processing of the signals.
  • the present invention has the object to provide a way for ultrasonic testing of a test object with a matrix phased array probe, in which the number of electronic ultrasonic channels is considerably reduced, in order to optimize the application of matrix To allow arrays for ultrasonic testing without significant restriction of functionality.
  • An inventive method for ultrasonic testing of a test object with a matrix phased array probe which comprises a two-dimensional arrangement of a number (N) of individual elements (ultrasonic sensors), wherein by means of the individual elements an ultrasonic wave is sounded into the test object and a reflected ultrasonic signal is received again, each a first selection of individual elements of the probe is selected by means of a control unit as a transmitter for emitting an ultrasonic wave and the selected individual elements are excited by means of a transmitting unit, respectively a second selection of individual elements of the probe is selected by means of the control unit as a receiver for receiving an ultrasonic signal and the ultrasonic signals the selected individual elements are received by means of a receiving unit and the received ultrasonic signals be evaluated for testing the test object, thus has the peculiarity that in each case a selection of individual elements of the test head by means of a circuit unit to a transmission group of a number (M) preconfigured in the control unit groups and electrically connected to each other, so that the each combined a selection
  • An inventive device for ultrasonic testing of a test object with a matrix phased array probe comprising a two-dimensional arrangement of a number (N) of individual elements (ultrasonic sensors), wherein the individual elements for transmitting (or einschallen) an ultrasonic wave in the test object and for receiving an ultrasonic signal are formed, comprising a transmitting unit for exciting individual elements of the probe and a receiving unit for receiving an ultrasonic signal with individual elements of the probe, a control unit, by means of each of which a first selection of individual elements of the probe as a transmitter for emitting an ultrasonic wave is selectable and the selected individual elements by means the transmitting unit can be excited, and by means of the respective second selection of individual elements of the test head as a receiver for receiving an ultrasonic signal is selectable and the ultrasonic signals of the selected Einzelelem
  • a signal processing unit for processing and / or evaluating the received ultrasonic signals for testing the test object has the special feature that it comprises a circuit unit for combining and electrically interconnecting each of
  • the advantage of the invention is that by combining ultrasonic sensors (probes, individual elements) of a matrix phased array probe in groups, in which each of the individual elements of a group connected together and controlled or read, the number of required electronic channels compared to a Single control of each individual element can be significantly reduced.
  • Each group of combined individual elements forms an electronic channel, so fewer electronic channels are required than individual elements.
  • advantageous embodiments may be that the number (M) of the pre-configured in the control unit transmitting and / or receiving groups smaller than the Number (N) of the individual elements of the test head is.
  • the number (M) of the transmitting and / or receiving groups preconfigured in the control unit is less than one third, more preferably less than one fifth, more preferably less than one eighth or one tenth the number (N). the individual elements of the probe is.
  • FIG. 1 shows the principle of a wall thickness measurement (left partial image) and a
  • FIG. 2 shows a plan view of a test object with ultrasonic probeheads for wall thickness measurement and for checking for cracks or crack-like longitudinal and transverse errors
  • Figure 3 is a schematic example of a matrix phased array probe of circular design
  • Figure 4 summarized the test head of Figure 3 with a group
  • Figure 5 shows the test head of Figure 3 combined into groups
  • Figure 6 shows the test head of Figure 3 combined into groups
  • Figure 7 shows the test head of Figure 3 combined into groups
  • FIG. 8 is a block diagram of conventional ultrasonic multi-channel electronics
  • FIG. 9 shows a block diagram of a construction according to the invention for the use of a matrix phased array test head with N individual elements and
  • FIG. 10 shows an example of an assignment of the groups of combined individual elements to ultrasonic channels.
  • FIG. 1 shows a side view of the principle of a wall thickness measurement and a crack test with ultrasound in a test object 1.
  • test objects 1 These are, for example, the testing of a pipe, a plate or a conventional pipeline test with a pig on which the probes 2 are arranged ,
  • a test head 2 serves as each Transmitter and receiver and each comprises a piezoelectric element.
  • the wall thickness measurement of the test object 1 is left and the crack test of a crack 3 or crack-like error is shown on the right in FIG.
  • ultrasound is perpendicularly scanned using longitudinal waves.
  • transversal waves are slanted obliquely into the pipe wall at an angle of for example 45 °.
  • Figure 2 illustrates in a plan view of a test object 1, e.g. a pipe or a plate, a conventional wall thickness measurement and crack test for longitudinal and transverse errors with individual ultrasonic probes 2.
  • a test object 1 e.g. a pipe or a plate
  • Relative to the tube axis 4 or direction or direction of travel of example moved on a pig probes 2 distinguishes the cracks 3a, 3b or crack-like error after longitudinal errors 3a and transverse errors 3b.
  • the wall thickness of the test object 1 is to be measured by means of vertical recording with high spatial resolution (that is to say with a focused sound field). Conventional technology requires five probes 2 to perform the test.
  • a test head 2a is used for the wall thickness measurement.
  • the probes 2b, 2c are clockwise or counterclockwise (longitudinal error 3a) or probes 2d, 2e are scanned in the direction 4 and against the direction of rotation 4 (transverse error 3b). If this is a pipeline test with a pig, then three separate passes of the pig through the pipeline are required, i. once for the wall thickness measurement, once for the longitudinal defect test and once for the transverse defect test, except when the structural conditions allow to use a pigging train with three successively arranged sensor carrier units.
  • the testing task instead of five Test probes 2 are solved with a single matrix phased array probe, thus also in a single pass of a pig in case of testing a pipeline.
  • 16x16 256 ultrasonic channels are required according to the prior art, namely an electronic channel for each element or sensor of the matrix array of the ultrasonic probe, which means a considerable increase in the device-side electronic complexity and thus in the test costs.
  • a matrix phased array test head which comprises a two-dimensional arrangement of a number of ultrasonic sensors / individual elements
  • FIG. 3 shows a schematic example of such a matrix phased array probe 5. Shown is an example of a circular, circular matrix array. Also common are square arrays. In the example, all 216 individual elements (sensors) 6 are the same size. The number of elements is then proportional to the array area. Depending on the application, different element sizes may also be advantageous.
  • FIG. 4 shows the test head 5 of FIG. 3 with individual elements 6 combined into a group 7, which are arranged in a line 8. Combining means that the individual elements 6 and Sensors are electrically connected together to form a group 7. The interconnection and connection of the individual elements 6 to a group 7 by means of an electrical circuit unit, which is not shown in this figure. The circuit unit can be arranged on the test head 5 or outside of this.
  • the line 8 in which the individual elements 6 of a group 7 are arranged can, for example, be a row, column, row, or diagonal.
  • FIG. 5 shows the test head 5 of FIG. 3 with individual elements 6 combined into eight groups 7, which are arranged in concentric polygons 9 for the wall thickness measurement. Shown is a possible summary of elements 6, as they are needed for a vertical sound. To summarize here also means that the individual individual elements 6 or sensors are electrically connected to one another to form a group 7. By combining the 216 individual elements 6 into eight groups 7, the test head 5 according to the invention can be operated instead of 216 with only eight electronic channels.
  • the circuit unit can be arranged on the test head 5 or outside of this.
  • the summarization is as concentric as possible in order to produce a comparable to a circular single oscillator sound field.
  • the sound field can also be focused in a certain range.
  • all individual elements 6, which lie on an illustrative line which illustrates a group 7, are connected to each other to the group 7.
  • the circles, rings, polygons 9 or polygons need neither have a geometrically exact shape nor have a precise common center, which in a practically given spatial matrix arrangement anyway will hardly be possible, but it is sufficient if the said geometric conditions approximately fulfill.
  • FIG. 6 shows the test head 5 of FIG. 3 with individual elements 6 combined to form groups 7, which are arranged for longitudinal defects in lines 8 for the crack test.
  • the elements 6 in lines 8 are summarized.
  • the test head 5 according to the invention can be operated instead of 216 with only eighteen electronic channels.
  • suitable time delay of the excitation pulses for the individual groups 7, an angle or oblique insonification into the test object can thus be accomplished so that a check for longitudinal errors is made possible.
  • the delay assignment is set in such a way that a transverse wave propagating below 45 ° is obtained in the test object. By reversing the delay times, one receives a corresponding sound in the opposite direction.
  • the individual individual elements 6 or elements are electrically connected to a group 7 the.
  • the interconnection and connection of the individual elements 6 to a group 7 by means of an electrical circuit unit, which is not shown in this figure.
  • the circuit unit can be arranged on the test head 5 or outside of this.
  • the sound field can be generated in a specific, arbitrary sounding direction or sounding direction 10 at a specific insonification angle.
  • all the individual elements 6 lying on a line 8, which illustrates a group 7, are connected to one another to the group 7.
  • some of the underlying elements under a line 8 6 do not include in the associated group 7, for example, to keep them free for another group 7.
  • the lines 8 need neither have a geometrically exact shape nor be parallel, which will hardly be possible anyway with a practically given spatial matrix arrangement, but it is sufficient if they meet approximately the said geometric conditions.
  • FIG. 7 shows the test head 5 of FIG. 3 with individual elements 6 combined into groups 7, which for the crack test are combined to form transverse defects with a line arrangement rotated by 90 ° with respect to FIG.
  • a matrix array can not only in longitudinal and Transverse direction, but in any direction (eg in the case of spiral seams) are checked.
  • FIG. 8 shows a block diagram of a conventional ultrasonic multichannel electronics for a number N of probes 2 or a number N of sensors / individual elements 6 of a matrix phased array probe 5.
  • a dedicated transmitter 11 is used, i. A total of N transmitter 11.
  • the receiving end usually not N receiver or receiving units 12 are used, but it is operated in series, the probes 2 or 6 individual elements are switched via a multiplexer 13. How many channels can be multiplexed depends on the requirement for the maximum test speed.
  • the receiving unit 12 comprises a multiplexer 13, an amplifier 14, an ADC 15 and a signal processor 16. The entire test sequence is controlled by a control unit 17, which controls the transmitters 11 and the receiving unit 12.
  • FIG. 9 shows a block diagram of a construction according to the invention for the use of a matrix phased array test head 5 with N individual sensors.
  • the dotted line in FIG. 9 contains the actual matrix array.
  • the N individual elements of the array are each connected to a circuit unit 18.
  • the circuit unit 18 has N outputs to which the N individual elements are connected, and M inputs, where M is smaller, preferably much smaller than N.
  • the arrangement comprises an ultrasound transmission unit 19 with M transmitters, an ultrasound reception unit 20 with M receivers, a signal processor 21 (for digitization, summation etc.) and a control unit 17, which i.a. M has configurations of individual elements combined into a group.
  • a method for ultrasonic testing of a test object 1 with a matrix phased array test head 5, which has a dimensional arrangement of a number N of individual elements (ultrasonic sensors) 6 comprises, wherein by means of the individual elements 6 an ultrasonic wave is sounded into the test object 1 and a reflected ultrasonic signal is received again, respectively a first selection of individual elements 6 of the test head 5 by means of a control unit 17 as a transmitter selected for emission of an ultrasonic wave and the selected individual elements 6 are excited by means of a transmitting unit 19, respectively a second selection of individual elements 6 of the probe 5 is selected by the control unit 17 as a receiver for receiving an ultrasonic signal and the ultrasonic signals of the selected individual elements 6 by means of a receiving unit 20 received and the received ultrasonic signals are evaluated for testing the test object 1.
  • a selection of individual elements 6 of the test head 5 is summarized by means of a circuit unit 18 to a transmission group 7 of a number M preconfigured in the control unit 17 groups 7 and electrically connected to each other, so that the combined individual elements 6 of each of the transmission groups 7 send together.
  • a selection of individual elements 6 of the test head 5 is summarized by means of the circuit unit 18 to a receiving group 7 of a number M of preconfigured in the control unit 17 receiving groups 7 and electrically connected together, so that the combined individual elements 6 receive one of the receiving groups 7 together.
  • the transmitting unit 19 has a number M of transmitters that is as large as the number M of the preconfigured in the control unit 17 transmission groups 7 and the receiving unit 20 has a number M of receivers that is as large as the number M in the Control unit 17 preconfigured receiving groups 7, so that by means of the circuit unit 18 each transmission group 7 with a selection of combined individual elements 6 one of the transmitters of the number M of transmitters of the transmitting unit 19 is assigned and each of the individual elements 6 (transmitter) one of the transmission groups 7 together from a associated transmitter of the transmitting unit 19 ange- are excited and by the circuit unit 18 each receiving group 7 with a selection of combined individual elements 6 one of the receivers of the number M of receivers of the receiving unit 20 is assigned and each of the received from the individual elements 6 ultrasonic signals of one of the receiving groups 7 together from an associated receiver of the receiving unit 20 are received.
  • the number M of the receiving elements may also differ from the number M of transmitting elements in special cases. In general, however, you will use the same number.
  • the transmission groups 7 are excited by means of the transmitter of the transmitting unit 19 in accordance with a predetermined by the control unit 17 clock and received by the individual elements 6 ultrasonic signals of the receiving groups 7 are received by the receiver of the receiving unit 20 according to the predetermined by the control unit 17 clock, the Control unit 17, the circuit unit 18, the transmitting unit 19 and the receiving unit 20 controls.
  • the individual elements of the test head 5 are electrically combined in accordance with the test cycle predetermined by the control unit 17 (wall thickness measurement, checking for longitudinal errors in the clockwise direction, etc.).
  • the combined element groups 7 (number M) are assigned to the M transmission channels of the transmission unit 19 and the M reception channels of the reception unit 20.
  • the transmission groups 7 are preferably the same as the reception groups 7.
  • the measurement is triggered via the control unit 17.
  • the control unit 17 controls the circuit unit 18, the transmitting unit 19 and the receiving unit 20.
  • the excitation of the M element groups is effected via the M transmitters of the transmitting unit 19 in accordance with the time assignment assigned to the respective checking clock.
  • the received signals of the M receivers of the receiving unit 20 are detected in accordance with the time assignment assigned to the respective test clock, amplified, digitized and fed in the signal unit 21 for further processing.
  • An inventive apparatus for ultrasonic testing of a scholarob- jektes 1 with a matrix phased array probe 5, which comprises a two-dimensional arrangement of a number N of individual elements (ultrasonic sensors) 6, wherein the individual elements 6 for transmitting (or einschallen) an ultrasonic wave in the Test object 1 and for receiving an ultrasonic signal are formed comprises a transmitting unit 19 for exciting individual elements 6 of the test head 5 and a receiving unit 20 for receiving an ultrasonic signal with individual elements 6 of the test head 5, a control unit 17, by means of the respective first selection of individual elements.
  • the test head 5 can be selected as a transmitter for emitting an ultrasonic wave and the selected individual elements 6 can be excited by means of the transmitting unit 19, and by means of the respective second selection of individual elements 6 of the test head 5 as a receiver for receiving an ultrasonic signal is selectable and the Ultrasc It has a circuit unit 18, which for combining and electrically interconnecting each of a selection of individual elements 6 to a transmission group 7 of a number M of preconfigured in the control unit 17 transmission groups 7 is formed so that the combined individual elements 6 transmit a transmission group 7 together, and for combining and electrically interconnecting each of a selection of individual elements 6 to a receiving group.
  • the transmitting unit 19 has a number M of transmitters which is as large as the number M of the precontrol units in the control unit 17.
  • the receiving unit 20 has a number of receivers which is as large as the number M of preconfigured in the control unit 17 receiving groups 7, so that by means of the circuit unit 18 each transmitting group 7 with a selection of summarized individual elements 6 a the transmitter of the number M of transmitters of the transmitting unit 19 can be assigned and in each case the individual elements 6 (transmitters) of one of the transmission groups 7 can be excited jointly by an associated transmitter of the transmitting unit 19 and by means of the circuit unit 18 each receiving group 7 with a selection of combined individual elements 6 one of the receivers of the number M of receivers of the receiving unit 20 can be assigned and in each case received by the individual elements 6 ultrasonic signals of one of the receiving groups 7 are jointly receivable from an associated receiver of the receiving unit 20.
  • the number M of the receiving elements may also differ from the number M of transmitting elements in special cases. In general, however, you will use the same number.
  • the transmitting groups 7 can be excited by means of the transmitters of the transmitting unit 19 in accordance with a clock pulse predetermined by the control unit 17 and the ultrasonic signals of one of the receiving groups 7 received by the individual elements 6 can be received by the receivers of the receiving unit 20 in accordance with the clock set by the control unit 17, wherein the circuit unit 18, the transmitting unit 19 and the receiving unit 20 are controllable by means of the control unit 17.
  • the circuit unit 18 can be realized, for example, as a Complex Programmable Logic Device (CPLD), FPGA (Field Programmable Gate Array) or Application Specific Integrated Circuit (ASIC).
  • the clock or switching rate of the circuit unit 18 may be up to a few kHz, for example.
  • test head 5 For example, as shown in Figure 9 with the dashed line phased array probe 22 with integrated ultrasound electronics and signal processing are formed. All functional units can, as illustrated by the dashed line in the illustrated embodiment, be integrated into a (miniaturized) probe 22 which can be operated from the outside with a maximum of three lines (power supply 23, signal line 24 and control line 25). This represents a considerably reduced effort compared to a conventional control of the N channels.
  • a matrix phased array test head 22 in particular for use in a method or a device according to the invention for ultrasound testing of a test object 1 comprising a two-dimensional arrangement of a number N of individual elements (ultrasound sensors) 6, wherein the individual elements 6 for transmission ( or sounding) of an ultrasonic wave are formed in the test object 1 and for receiving an ultrasonic signal having the special feature that the test head 22 has a circuit unit 18 for combining and electrically interconnecting each of a first selection of individual elements 6 of the test head 22 to one Transmission group 7 is a number M of preconfigured in a control unit 17 transmission groups 7 is formed so that the combined individual elements 6 of each of the transmission groups 7 each send together, and the summarize and electrically interconnect each a second selection of individual elements 6 of the test head 22 to a receiving group 7 of a number M of preconfigured in the control unit 17 receiving groups 7 is formed so that the combined individual elements 6 receive one of the receiving groups 7 together, wherein the circuit unit 18 is formed such that it
  • the ultrasonic probe 22 may advantageously have a signal processing unit 21 for processing and / or evaluating the received ultrasonic signals for testing the test object 1.
  • the ultrasonic probe 22 may advantageously but also include one or more of the following units: A transmitting unit 19 for exciting individual elements 6, wherein the transmitting unit 19 has a number M of transmitters, which is as large as the number M of preconfigured in the control unit 17 transmission groups 7, a receiving unit 20 for receiving an ultrasonic signal with individual elements 6, wherein the receiving unit 20 has a number of receivers which is as large as the number M of pre-configured in the control unit 17 receiving groups 7.
  • each transmitting group 7 with a selection of combined individual elements 6 one of the transmitter of the number M of transmitters of the transmitting unit 19 assignable and each of the individual elements 6 of one of the transmission groups 7 are jointly excitable by an associated transmitter of the transmitting unit 19 and by means of the circuit unit 18 is each receiving group 7 with a choice of sixteengefa one of the receivers of the number M of receivers of the receiving unit 20 and each of the received from the individual elements 6 ultrasonic signals of one of the receiving groups 7 are jointly receivable from an associated receiver of the receiving unit 20.
  • the transmitting groups 7 can be excited by means of the transmitters of the transmitting unit 19 in accordance with a clock rate specified by the control unit 17 and the ultrasonic signals of one of the receiving groups 7 received by the individual elements 6 are detected by the receiver of the receiving unit 20 in accordance with FIG can be received by the control unit 17 predetermined clock, wherein the circuit unit 18, the transmitting unit 19 and the receiving unit 20 by means of the control unit 17 are controllable.
  • a pig for carrying out a wall thickness measurement and / or a crack test in a pipeline, in particular a pipeline advantageously has an ultrasonic test head 22 according to the invention. Furthermore, the pig advantageously also includes a control unit 17.
  • FIG. 10 shows an example of an assignment of the groups 7 of combined individual elements 6 to ultrasound channels 26.
  • the combined element groups 7 here in a configuration for perpendicular sounding analogous to FIG. 5
  • the ultrasound channels 26 both on the transmitter side and on the receiver side. In principle, any assignments are possible.

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Abstract

Für die Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes mit einem Matrix Phased Array Prüfkopf (5), der eine zweidimensionale Anordnung einer Anzahl von Ultraschallsensoren/Einzelelementen (6) umfasst, wird zur Verringerung der Zahl der erforderlichen elektronischen Kanäle vorgeschlagen, mittels einer Schaltungseinheit jeweils mehrere Einzelelemente (6) des Matrix-Arrays in geeigneter Weise in Gruppen (7) zusammenzufassen und elektrisch zusammenschalten, beispielsweise in Linien oder in Vielecken (9), und die Einzelelemente (6) einer Gruppe (7) jeweils gemeinsam anzusteuern.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschallprüfung
mit einem Matrix Phased Array Prüfkopf
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes mit einem Matrix Phased Array Prüfkopf. Im Deutschen wird für einen solchen Ultraschall-Prüfkopf auch der Ausdruck Gruppenstrahler verwendet. Ein Array Prüfkopf kann eine lineares Array (Linearer Phased Array Prüfkopf, im Englischen linear phased array probe) oder ein Matrix- Array (Matrix Phased Array Prüfkopf, im Englischen matrix phased array probe) sein. Ein Matrix Phased Array Prüfkopf umfasst eine zweidimensionale Anordnung einer Anzahl (N) von Ultraschallsensoren. Diese Ultraschallsensoren werden zur Unterscheidung von einem konventionellen Ultraschall-Prüfkopf auch als Einzelelemente bezeichnet. Mittels der Ultraschallsensoren/Einzelelemente wird eine Ultraschallwelle in das Prüfobjekt eingeschallt und ein reflektiertes Ultraschallsignal wieder empfangen, wobei jeweils eine erste Auswahl von Einzelelementen des Prüfkopfes mittels einer Steuereinheit als Sender zur Emission einer Ultraschallwelle ausgewählt wird und die ausgewählten Einzelelemente mittels einer Sendeeinheit angeregt werden, jeweils eine zweite Auswahl von Einzelelementen des Prüfkopfes mittels der Steuereinheit als Empfänger zum Empfangen eines Ultraschallsignals ausgewählt wird und die Ultraschallsignale der ausgewählten Einzelelemente mittels einer Empfangseinheit empfangen werden und die empfangenen Ultraschallsignale zum Prüfen des Prüfobjektes ausgewertet werden. Ultraschallwellen sind mechanische Schwingungen, die meist durch einen elektrisch angeregten, piezoelektrischen Sender in einem elastischen Medium (dem Prüfobjekt) induziert werden. Die piezoelektrische Anregung ist der Normalfall. Es gibt auch andere Möglichkeiten der Anregung, wie z.B. Laseranregung oder EMUS (elektromagnetische Ultraschall-Anregung). Typische Frequenzen von Ultraschallwellen liegen im Bereich von 0,1 MHz bis 50 MHz, wobei die meisten industriellen Anwendungen Frequenzen zwischen 0,5 MHz und 15 MHz erfordern.
Der Einsatz von Phased Array Technologien ist aus der Radartechnik und aus medizinischen Anwendungen bekannt. Phased Array Prüfkopfe finden zunehmend Verwendung in der zerstörungsfreien Ultraschall-Materialprüfung. Im Gegensatz zu konventionellen Ultraschallprüfköpfen besteht ein Phased Array-Prüfkopf aus einer Anzahl INI von Einzelelementen (Ultraschallsensoren, Sonden). Wo bisher mehrere Prüfköpfe für eine Prüfaufgabe erforderlich waren, können damit durch rein elektronische Ansteue- rung mit einem einzigen Matrix-Prüfkopf mehrere Prüffunktionen (z.B. unterschiedliche Einschallwinkel oder unterschiedliche Fokussierung) ausgeführt werden oder auch mechanische Bewegungen ersetzt werden. Mit sogenannten Linear-Arrays kann die Ultraschall-Ausbreitung in einer Ebene beeinflusst werden. Wesentlich flexibler sind dagegen Matrix- Arrays, mit denen im Prinzip die Schallausbreitung in eine beliebige Richtung eingestellt werden kann.
Bei einem Matrix Phased Array Prüfkopf kann jedes Element als Quelle einer Ultraschallwelle angesehen werden. Im Idealfall stellt jedes Einzelelement eine Punktquelle dar. Die einzelnen Wellenfronten interferieren und erzeugen eine Gesamtwellenfront mit konstruktiv und destruktiv interferierenden Bereichen. Die einzelnen Wellenfronten können zeitverzögert und hinsichtlich Phase synchronisiert werden und ggf. mit unterschiedlichen Amplituden belegt werden, um eine gewünschte Wellenfront zu erzeugen. Die Synchronisation erfolgt über die zeitlichen Verzögerungen zwischen den Einzelelementen. Amplitudenanpassungen können über unterschiedliche Sendespannungen der Einzelelemente bzw. über unterschiedliche Verstärkungen auf der Empfangsseite realisiert werden. Diese Wellenfront basiert auf der Überlagerung und konstruktiven Interferenz und erzeugt einen Strahl, dessen Richtung gesteuert werden kann und der ggf. auch fokussiert werden kann. Ein Kennzeichen einer Ultraschallprüfung mit der Phased Array Ultraschalltechnologie ist die computergesteuerte bzw. elektronisch gesteuerte Anregung (Amplitude und Verzögerung) von individuellen Elementen in einem Multielementprüfkopf. Die Anregung der piezoelektrischen Elemente kann Schallfelder mit definierten Parametern wie Einschallwinkel, Brennweite/Fokusabstand und Fokusgröße mittels Software bzw. Software gesteuert unter Nutzung sogenannter Focal Laws erzeugen. Zur Ultraschallprüfung des Prüfobjektes werden die Echosignale wieder mit dem Prüfkopf aufgenommen und ausgewertet. Empfangsseitig wird im Normalfall genauso synchronisiert wie beim Senden.
Die Anzahl der Elemente eines Matrix-Arrays ist allerdings proportional zur Prüfkopffläche und steigt damit quadratisch mit der Prüfkopfabmessung. Um die volle Flexibilität eines Matrix-Arrays ausnützen zu können, ist für jedes Element ein eigener Ultraschallkanal mit einem Sender und einem Empfänger erforderlich. Für ein 16x16 Matrix-Array wären z.B. 256 Kanäle erforderlich, d.h. der elektronische Aufwand erhöht sich mit zunehmender Anzahl der Elemente beträchtlich.
Aus der Druckschrift DE 11 2005 003 446 T5 sind für medizinische Anwendungen Schaltkonfigurationen für rekonfigurierbare Arrays von Phase-Array Wandlern, die aus Subelementen bestehen, bekannt. Bei dem dort beschriebenen rekonfigurierbaren Ultraschallarray werden Gruppen von Subelementen in dynamischer Weise miteinander verbunden, wobei ein Subelement als eine Gruppe von elektrisch verbundenen Zellen definiert ist und ein Subelement die kleinste unabhängig steuerbare Einheit ist. Es wird ein iterativer Algorithmus eingesetzt, mit dem Ultraschallbilder optimiert werden können, indem durch dynamische Rekonfigurie- rung gewünschte Wellenfronten erzeugt werden. Die Rekonfigurierbarkeit kann mittels eines Schaltnetzwerks erreicht werden. Die Kanalanzahl wird insofern reduziert, als dass die kleinste Anzahl von Kanälen angestrebt wird, mit der man für eine bestimmte Anwendung noch eine brauchbare Bildqualität erzeugen kann.
Die Druckschrift DE 27 33 920 C2 offenbart ein Gerät zur Untersuchung von Körpern durch Abtastung mittels Ultraschall, bei der eine Ansteuer- vorrichtung in verschachteltem Send/Empfangstakt Gruppen von Wandlerelementen schaltet. Das Ziel dabei ist, homogene Echostrukturen über eine Kathodenstrahlröhre mit gleichbleibender Helligkeit aufzuzeichnen. Der eingesetzte Ultraschallwandler besteht aus parallel angeordneten Elementen, die im Sinne einer Phased Array-Technik als lineares Array, aber nicht als Matrix-Array bezeichnet würden. Es handelt sich jedoch nicht um eine Phased Array-Anwendung, da alle aktiven Elemente immer gleichzeitig eingesetzt werden. Der erzeugte Ultraschall breitet sich also senkrecht zur Elementebene aus. Ein Steuerung der Einschallrichtung oder der Fokussiertiefe ist damit nicht möglich. Weiterhin sind nur ein Sender und ein Empfänger vorgesehen, die beide nach Bedarf mit unterschiedlichen Kombinationen von Ultraschall-Elementen kombiniert werden können, wobei die Zuordnung über Schalter erfolgt. Es sind ebenso viele Schalter wie Elemente erforderlich, daher wird keine Vereinfachung erzielt.
Aus der Druckschrift US 2010/0251821 AI ist die Verwendung eines Matrix Phased Array Prüfkopfes bekannt. Es werden dabei Elementgruppen sowohl sendeseitig als auch empfangsseitig ausgewählt, um bestimmte Prüfaufgaben zu optimieren, insbesondere um eine 360°- Erfassung von Fehlern in dem Prüfobjekt ohne mechanisches Scannen durchführen zu können. Es wird für jedes Einzelelement des Matrix-Arrays ein eigener Sender und Empfänger benutzt. Das bedeutet, dass bei der Benutzung von insgesamt N Einzelelementen auch N Sender und N Empfänger und ein dementsprechend hoher elektronischer Aufwand erforderlich sind.
Aus der DE 10202432 AI und der Literaturstelle J. Bosch et al., Phased Array-Technologie für automatisierte Pipeline-Inspektion, DACH-Jahres- tagung 2004 Salzburg, Herausgeber DGfZP ist die Anwendung eines Ultraschall-Prüfverfahrens unter Verwendung sogenannter Phased Arrays zur Werkstoffprüfung in Rohrleitungen bekannt, wobei durch eine zeitlich variable individuelle Ansteuerung einzelner Sensorelemente eine umfassende hochaufgelöste Werkstoffprüfung ermöglicht wird. Dabei werden einzelne Sensorelemente der Messsensoren, insbesondere einzelne Sensorelemente einer einen virtuellen Sensor bildenden Teilgruppe von Sensorelementen eines Messsensors, in geeigneter Weise zeitlich versetzt angesteuert, so dass eine Ausbreitungsrichtung und/oder eine Fokussie- rungstiefe des ausgesandten Messimpulses in Umfangsrichtung bzw. in radialer Richtung veränderbar ist. Auf diese Weise lässt sich mit jedem Messsensor eine Vielzahl von Signaleinstrahlungen in die Rohrwandung unter verschiedenen Einstrahlwinkeln realisieren, deren Eindringverhalten in die Rohrwandung in einem weiten Bereich an die Messanforderungen anpassbar ist. Bei diesen bekannten Anwendungen mit Linear Arrays mit sehr vielen Einzelelementen wird nur ein jeweils kleiner Teil der Elemente als (virtueller) Prüfkopf benutzt, um so z.B. elektronisch zu scannen. Dabei wird allerdings auch für jedes aktive Einzelelement immer ein eigener Ultraschall-Kanal benötigt.
Eine bekannte Möglichkeit, den elektronischen Aufwand zu verringern, besteht darin, die Anzahl der erforderlichen elektronischen Kanäle durch Multiplexen zu verkleinern, insbesondere indem nur eine Empfangseinheit verwendet wird, die von einer Steuereinheit gesteuert wird und einen Multiplexer für die N auszulesenden Einzelelementen des Prüfkopfes, aber nur einen Verstärker, einen Analog-Digital-Converter und eine Signalverarbeitung aufweist. Allerdings vergrößert sich durch die sequenzielle Verarbeitung der Signale die Messdauer.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes mit einem Matrix Phased Array Prüfkopf zu schaffen, bei der die Anzahl der elektronischen Ultraschallkanäle erheblich reduziert ist, um auf diese Weise eine optimierte Anwendung von Matrix-Arrays für die Ultraschallprüfung ohne wesentliche Einschränkung der Funktionalität zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ultraschallprüfung mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den nebengeordneten und abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes mit einem Matrix Phased Array Prüfkopf, der eine zweidimensionale Anordnung einer Anzahl (N) von Einzelelementen (Ultraschallsensoren) umfasst, wobei mittels der Einzelelemente eine Ultraschallwelle in das Prüfobjekt eingeschallt und ein reflektiertes Ultraschallsignal wieder empfangen wird, wobei jeweils eine erste Auswahl von Einzelelementen des Prüfkopfes mittels einer Steuereinheit als Sender zur Emission einer Ultraschallwelle ausgewählt wird und die ausgewählten Einzelelemente mittels einer Sendeeinheit angeregt werden, jeweils eine zweite Auswahl von Einzelelementen des Prüfkopfes mittels der Steuereinheit als Empfänger zum Empfangen eines Ultraschallsignals ausgewählt wird und die Ultraschallsignale der ausgewählten Einzelelemente mittels einer Empfangseinheit empfangen werden und die empfangenen Ultraschallsignale zum Prüfen des Prüfobjektes ausgewertet werden, weist also die Besonderheit auf, dass jeweils eine Auswahl von Einzelelementen des Prüfkopfes mittels einer Schaltungseinheit zu einer Sendegruppe einer Anzahl (M) von in der Steuereinheit vorkonfigurierten Gruppen zusam- mengefasst und elektrisch miteinander verbunden wird, so dass die zusammengefassten Einzelelemente einer der Sendegruppen jeweils gemeinsam senden, jeweils eine Auswahl von Einzelelementen des Prüfkopfes mittels der Schaltungseinheit zu einer Empfangsgruppe einer Anzahl (M) von in der Steuereinheit vorkonfigurierten Empfangsgruppen zusammengefasst und elektrisch miteinander verbunden wird, so dass die zusammengefassten Einzelelemente einer der Empfangsgruppen jeweils gemeinsam empfangen, die Sendeeinheit eine Anzahl (M) von Sendern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl (M) der in der Steuereinheit vorkonfigurierten Sendegruppen und die Empfangseinheit eine Anzahl von Empfängern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl (M) der in der Steuereinheit vorkonfigurierten Empfangsgruppen, so dass mittels der Schaltungseinheit jede Sendegruppe mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen einem der Sender der Anzahl (M) von Sendern der Sendeeinheit zugeordnet wird und mittels der Schaltungseinheit jeweils die Einzelelemente (Sender) einer der Sendegruppen gemeinsam von einem zugeordneten Sender der Sendeeinheit angeregt werden und jede Empfangsgruppe mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen einem der Empfänger der Anzahl (M) von Empfängern der Empfangseinheit zugeordnet wird und jeweils die von den Einzelelementen empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen (d.h. die Empfänger einer Empfangsgruppe) gemeinsam von einem zugeordneten Empfänger der Empfangseinheit empfangen werden, und die Sendegruppen mittels der Sender der Sendeeinheit entsprechend einem von der Steuereinheit vorgegebenen Takt angeregt werden und die von den Einzelelementen (6) empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen mittels der Empfänger der Empfangseinheit entsprechend dem von der Steuereinheit vorgegebenen Takt empfangen werden, wobei die Steuereinheit die Schaltungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit steuert.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes mit einem Matrix Phased Array Prüfkopf, der eine zweidimensionale Anordnung einer Anzahl (N) von Einzelelementen (Ultraschallsensoren) umfasst, wobei die Einzelelemente zum Senden (bzw. Einschallen) einer Ultraschallwelle in das Prüfobjekt und zum Empfangen eines Ultraschallsignals ausgebildet sind, umfassend eine Sendeeinheit zum Anregen von Einzelelementen des Prüfkopfes und eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Ultraschallsignals mit Einzelelementen des Prüfkopfes, eine Steuereinheit, mittels der jeweils eine erste Auswahl von Einzelelementen des Prüfkopfes als Sender zur Emission einer Ultraschallwelle auswählbar ist und die ausgewählten Einzelelemente mittels der Sendeeinheit anregbar sind, und mittels der jeweils eine zweite Auswahl von Einzelelementen des Prüfkopfes als Empfänger zum Empfangen eines Ultraschallsignals auswählbar ist und die Ultraschallsignale der ausgewählten Einzelelemente mittels einer Empfangseinheit empfangbar sind, und eine Signalverarbeitungseinheit zum Verarbeiten und/oder Auswerten der empfangenen Ultraschallsignale zum Prüfen des Prüfobjektes, weist die Besonderheit auf, dass sie eine Schaltungseinheit aufweist, die zum Zusammenfassen und elektrisch miteinander Verbinden jeweils einer Auswahl von Einzelelementen zu einer Sendegruppe einer Anzahl (M) von in der Steuereinheit vorkonfigurierten Sendegruppen ausgebildet ist, so dass die zusammengefassten Einzelelemente einer Sendegruppe jeweils gemeinsam senden, und die zum Zusammenfassen und elektrisch miteinander Verbinden jeweils einer Auswahl von Einzelelementen zu einer Empfangsgruppe einer Anzahl (M) von in der Steuereinheit vorkonfigurierten Empfangsgruppen ausgebildet ist, so dass die zusammengefassten Einzelelemente einer Empfangsgruppe jeweils gemeinsam empfangen, die Sendeeinheit eine Anzahl (M) von Sendern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl (M) der in der Steuereinheit vorkonfigurierten Sendegruppen und die Empfangseinheit eine Anzahl von Empfängern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl (M) der in der Steuereinheit vorkonfigurierten Empfangsgruppen, so dass mittels der Schaltungseinheit jede Sendegruppe mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen einem der Sender der Anzahl (M) von Sendern der Sendeeinheit zuordbar ist und jeweils die Einzelelemente (Sender) einer der Sendegruppen gemeinsam von einem zugeordneten Sender der Sendeeinheit anregbar sind und mittels der Schaltungseinheit jede Empfangsgruppe mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen einem der Empfänger der Anzahl (M) von Empfängern der Empfangseinheit zuordbar ist und jeweils die von den Einzelelementen (Empfängern) empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen gemeinsam von einem zugeordneten Empfänger der Empfangseinheit empfangbar sind, und die Sendegruppen mittels der Sender der Sendeeinheit entsprechend einem von der Steuereinheit vorgegebenen Takt anregbar sind und die von den Einzelelementen empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen mittels der Empfänger der Empfangseinheit entsprechend dem von der Steuereinheit vorgegebenen Takt empfangbar sind, wobei die Schaltungseinheit, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit mittels der Steuereinheit steuerbar sind.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Zusammenfassung von Ultraschallsensoren (Sonden, Einzelelementen) eines Matrix Phased Array Prüfkopfes in Gruppen, bei denen jeweils die Einzelelemente einer Gruppe zusammengeschaltet und gemeinsam angesteuert bzw. ausgelesen werden, die Zahl der erforderlichen elektronischen Kanäle gegenüber einer Einzelansteuerung jedes Einzelelements erheblich reduziert werden kann. Jede Gruppe zusammengefasster Einzelelemente bildet einen elektronischen Kanal, somit werden weniger elektronische Kanäle als Einzelelemente benötigt. Beispielsweise können vorteilhafte Ausführungsformen darin bestehen, dass die Anzahl (M) der in der Steuereinheit vorkonfigurierten Sende- und/oder Empfangsgruppen kleiner als die Anzahl (N) der Einzelelemente des Prüfkopfes ist. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen können darin bestehen, dass die Anzahl (M) der in der Steuereinheit vorkonfigurierten Sende- und/oder Empfangsgruppen kleiner als ein Drittel, besonders bevorzugt kleiner als ein Fünftel, weiter bevorzugt kleiner als ein Achtel oder ein Zehntel der Anzahl (N) der Einzelelemente des Prüfkopfes ist.
Durch die Reduzierung der Anzahl der erforderlichen elektronischen Kanäle ergeben sich nicht nur erhebliche Einsparungen, sondern es werden auch neue Möglichkeiten der Anwendung von Matrix Phased Array Prüfköpfen geschaffen, die wegen des bisher erforderlichen erheblichen elektronischen Aufwandes nicht gegeben waren. So besteht beispielsweise eine vorteilhafte Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in der Durchführung einer Wanddickenmessung und/oder einer Rissprüfung mittels eines Molchs in einer Rohrleitung, insbesondere einer Pipeline, wobei auf dem Molch angeordnete Prüfköpfe mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angesteuert und ausgelesen werden oder entsprechend ausgestaltet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben, auch wenn sie bei anderen Ausführungsformen vorteilhaft eingesetzt werden können. Es zeigen :
Figur 1 das Prinzip einer Wanddickenmessung (linkes Teilbild) und einer
Rissprüfung mit Ultraschall (rechtes Teilbild), Figur 2 eine Aufsicht auf ein Prüfobjekt mit Ultraschallprüfköpfen zur Wanddickenmessung und zur Prüfung auf Risse bzw. rissartige Längs- und Querfehler,
Figur 3 ein schematisches Beispiel eines Matrix Phased Array Prüfkopfes mit kreisförmiger Ausführung,
Figur 4 den Prüfkopf von Figur 3 mit einer Gruppe zusammengefasster
Einzelelemente, die in einer Linie angeordnet sind,
Figur 5 den Prüfkopf von Figur 3 mit zu Gruppen zusammengefassten
Einzelelementen, die für die Wanddickenmessung in konzentrischen Polygonen angeordnet sind,
Figur 6 den Prüfkopf von Figur 3 mit zu Gruppen zusammengefassten
Einzelelementen, die für die Prüfung auf Risse bzw. rissartige Längsfehler in Linien parallel zur Fahrtrichtung angeordnet sind,
Figur 7 den Prüfkopf von Figur 3 mit zu Gruppen zusammengefassten
Einzelelementen, die für die Prüfung auf Risse bzw. rissartige Querfehler in Linien senkrecht zur Fahrtrichtung angeordnet sind,
Figur 8 ein Blockschaltbild einer konventionellen Ultraschall-Mehrkanalelektronik,
Figur 9 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Aufbaus zum Einsatz eines Matrix Phased Array Prüfkopfes mit N Einzelelementen und
Figur 10 ein Beispiel einer Zuordnung der Gruppen von zusammengefassten Einzelelementen zu Ultraschallkanälen.
Die Figur 1 veranschaulicht in einer Seitenansicht das Prinzip einer Wanddickenmessung und einer Rissprüfung mit Ultraschall in einem Prüfobjekt 1. Dabei handelt es sich beispielsweise um die Prüfung eines Rohres, einer Platte oder um eine gebräuchliche Pipelineprüfung mit einem Molch, auf dem die Prüfköpfe 2 angeordnet sind. Ein Prüfkopf 2 dient jeweils als Sender und Empfänger und umfasst jeweils ein piezoelektrisches Element. Die Wanddickenmessung des Prüfobjekts 1 ist links und die Rissprüfung eines Risses 3 bzw. rissartigen Fehlers ist rechts in Figur 1 dargestellt. Für die Wanddickenmessung, mittels der Korrosionsstellen gefunden werden können, wird Ultraschall senkrecht eingeschallt, wobei Longitudinalwellen benutzt werden. Für die Rissprüfung werden Transversalwellen unter einem Winkel von beispielsweise 45° schräg in die Rohrwand eingeschallt.
Die Figur 2 veranschaulicht in einer Aufsicht auf ein Prüfobjekt 1, z.B. ein Rohr oder eine Platte, eine konventionelle Wanddickenmessung und Rissprüfung auf Längs- und Querfehler mit einzelnen Ultraschallprüfköpfen 2. Bezogen auf die Rohrachse 4 bzw. Laufrichtung oder Fahrrichtung der beispielsweise auf einem Molch bewegten Prüfköpfe 2 unterscheidet man die Risse 3a, 3b bzw. rissartigen Fehler nach Längsfehlern 3a und Querfehlern 3b. Gleichzeitig soll die Wanddicke des Prüfobjekts 1 mittels Senkrecht- einschallung mit hoher Ortsauflösung (d.h. mit fokussiertem Schallfeld) gemessen werden. Mit konventioneller Technik sind für die Durchführung der Prüfung fünf Prüfköpfe 2 erforderlich. Ein Prüfkopf 2a dient für die Wanddickenmessung. Zur Rissprüfung wird mit den Prüfköpfen 2b, 2c im Uhrzeigersinn bzw. Gegenuhrzeigersinn (Längsfehler 3a) bzw. mit den Prüfköpfen 2d, 2e in Laufrichtung 4 und gegen die Laufrichtung 4 eingeschallt (Querfehler 3b). Wenn es sich dabei um eine Pipelineprüfung mit einem Molch handelt, sind also drei getrennte Durchläufe des Molches durch die Pipeline erforderlich, d.h. einmal für die Wanddickenmessung, einmal für die Längsfehlerprüfung und einmal für die Querfehlerprüfung, außer wenn es die baulichen Verhältnisse gestatten, einen Molchzug mit drei hintereinander angeordneten Sensorträgereinheiten zu benutzen.
Wenn die fünf Prüfköpfe 2a, 2b, 2c, 2d, 2e durch einen Prüfkopf mit in dem dargestellten Beispiel einem 16x16 Matrix-Array (in anderen Fällen beispielsweise mit einem 12x12 Matrix-Array oder allgemein mit einem NxN Matrix-Array) ersetzt werden, kann die Prüfaufgabe statt mit fünf Prüfköpfen 2 mit einem einzigen Matrix Phased Array Prüfkopf gelöst werden, somit auch in einem einzigen Durchlauf eines Molches im Falle der Prüfung einer Pipeline. Allerdings sind nach dem Stand der Technik nun 16x16 = 256 Ultraschall-Kanäle erforderlich, nämlich für jedes Element bzw. jeden Sensor des Matrix-Arrays des Ultraschallprüfkopfes ein elektronischer Kanal, was eine erhebliche Zunahme des geräteseitigen elektronischen Aufwandes und damit der Prüfkosten bedeutet. Hier setzt die Erfindung an, denn durch diese kann dieser Aufwand von 256 Kanälen auf ca. 20 Kanäle reduziert werden. Dies geschieht dadurch, dass für jede der Einzelprüfungen mehrere Elemente des Matrix-Arrays in geeigneter Weise so zusammengefasst werden, so dass die gleiche Prüfung nun mit wesentlich weniger Ultraschall-Kanälen ohne Beeinträchtigung des Prüfergebnisses möglich ist. Mit anderen Worten, für die Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes mit einem Matrix Phased Array Prüfkopf, der eine zweidimensio- nale Anordnung einer Anzahl von Ultraschallsensoren/Einzelelementen umfasst, wird erfindungsgemäß zur Verringerung der Zahl der erforderlichen elektronischen Kanäle vorgeschlagen, mittels einer Schaltungseinheit jeweils mehrere Einzelelemente des Matrix-Arrays in geeigneter Weise in Gruppen zusammenzufassen und elektrisch zusammenschalten, beispielsweise in Linien oder in Vielecken, und die Einzelelemente einer Gruppe jeweils gemeinsam anzusteuern.
Die Figur 3 zeigt ein schematisches Beispiel eines solchen Matrix Phased Array Prüfkopfes 5. Gezeigt ist ein Beispiel für ein kreisförmiges, rundes Matrix-Array. Üblich sind auch quadratische Arrays. Im Beispiel sind alle 216 Einzelelemente (Sensoren) 6 gleich groß. Die Elementanzahl ist dann proportional zur Array-Fläche. Je nach Anwendung können auch unterschiedliche Elementgrößen vorteilhaft sein. Die Figur 4 zeigt den Prüfkopf 5 von Figur 3 mit zu einer Gruppe 7 zusam- mengefassten Einzelelementen 6, die in einer Linie 8 angeordnet sind. Zusammenfassen bedeutet, dass die einzelnen Einzelelemente 6 bzw. Sensoren elektrisch miteinander zu einer Gruppe 7 verbunden werden. Das Zusammenschalten und Verbinden der Einzelelemente 6 zu einer Gruppe 7 erfolgt mittels einer elektrischen Schaltungseinheit, die in dieser Figur nicht dargestellt ist. Die Schaltungseinheit kann auf dem Prüfkopf 5 oder außerhalb von diesem angeordnet sein. Die Linie 8, in der die Einzelelemente 6 einer Gruppe 7 angeordnet sind, kann beispielsweise eine Zeile, Spalte, Reihe, oder Diagonale sein.
Die Figur 5 zeigt den Prüfkopf 5 von Figur 3 mit zu acht Gruppen 7 zusammengefassten Einzelelementen 6, die für die Wanddickenmessung in konzentrischen Vielecken 9 angeordnet sind. Gezeigt ist eine mögliche Zusammenfassung von Elementen 6, wie man sie für eine Senkrechtein- schallung benötigt. Zusammenfassen bedeutet auch hier, dass die einzelnen Einzelelemente 6 bzw. Sensoren elektrisch miteinander zu einer Gruppe 7 verbunden werden. Durch das Zusammenfassen der 216 Einzelelemente 6 in acht Gruppen 7 kann der Prüfkopf 5 erfindungsgemäß statt mit 216 nur mit acht elektronischen Kanälen betrieben werden.
Das Zusammenschalten und Verbinden der Einzelelemente 6 zu einer Gruppe 7 erfolgt mittels einer elektrischen Schaltungseinheit, die in dieser Figur nicht dargestellt ist. Die Schaltungseinheit kann auf dem Prüfkopf 5 oder außerhalb von diesem angeordnet sein. Allgemein ist es vorteilhaft, wenn für eine senkrechte Einschallung in das Prüfobjekt 1, beispielsweise für eine Wanddickenmessung, Einzelelemente 6 zu Sende- und/oder Empfangsgruppen 7 zusammengefasst werden, die so angeordnet sind, dass die Sende- und/oder Empfangsgruppen 7 die Form konzentrischer Kreise, Ringe, Vielecke 9 oder Polygone haben. Das Zusammenfassen erfolgt möglichst konzentrisch, um ein zu einem kreisförmigen Einzelschwinger vergleichbares Schallfeld zu erzeugen. Über geeignete Zeitverschiebungen zwischen den sukzessiven Anregeimpulsen für die einzelnen Gruppen 7, d.h. Vielecke 9 bzw. Ringe, kann das Schallfeld auch in einem bestimmten Bereich fokussiert werden. Dabei werden in der Regel alle Einzelelemente 6, die auf einer veranschaulichenden Linie liegen, die eine Gruppe 7 veranschaulicht, miteinander zu der Gruppe 7 verbunden. Es kann aber in manchen Anwendungsfällen zweckmäßig sein, manche der unter einer veranschaulichenden Linie liegende Einzelelemente 6 nicht in die zugehörige Gruppe 7 einzuschließen, beispielsweise um sie für eine andere Gruppe 7 freizuhalten. Ebenso kann es auch zweckmäßig sein, dicht neben einer veranschaulichenden Linie liegende Einzelelemente 6 in die zugehörige Gruppe 7 einzuschließen. Die Kreise, Ringe, Vielecke 9 oder Polygone müssen dabei weder eine geometrisch exakte Form haben noch einen präzisen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen, was bei einer praktisch vorgegebenen räumlichen Matrix-Anordnung ohnehin kaum möglich sein wird, sondern es genügt, wenn sie die genannten geometrischen Bedingungen ungefähr erfüllen.
Die Figur 6 zeigt den Prüfkopf 5 von Figur 3 mit zu Gruppen 7 zusammen- gefassten Einzelelementen 6, die für die Rissprüfung auf Längsfehler in Linien 8 angeordnet sind. Hier sind die Elemente 6 in Linien 8 zusammen- gefasst. Durch das Zusammenfassen der 216 Einzelelemente 6 in achtzehn Gruppen 7 kann der Prüfkopf 5 erfindungsgemäß statt mit 216 nur mit achtzehn elektronischen Kanälen betrieben werden. Durch geeignete zeitliche Verzögerung der Anregungsimpulse für die einzelnen Gruppen 7 kann damit eine Winkel- bzw. Schrägeinschallung in das Prüfobjekt bewerkstelligt werden, so dass eine Prüfung auf Längsfehler ermöglicht wird. Im vorliegenden Fall wird die Verzögerungsbelegung beispielsweise so eingestellt, dass man im Prüfobjekt eine sich unter 45° ausbreitende Transversalwelle erhält. Durch Umkehrung der Verzögerungszeiten erhält man entsprechend eine Einschallung in die entgegengesetzte Richtung.
Zusammenfassen bedeutet auch hier, dass die einzelnen Einzelelemente 6 bzw. Elemente elektrisch miteinander zu einer Gruppe 7 verbunden wer- den. Das Zusammenschalten und Verbinden der Einzelelemente 6 zu einer Gruppe 7 erfolgt mittels einer elektrischen Schaltungseinheit, die in dieser Figur nicht dargestellt ist. Die Schaltungseinheit kann auf dem Prüfkopf 5 oder außerhalb von diesem angeordnet sein. Allgemein ist es vorteilhaft, wenn für eine schräge Einschallung in das Prüfobjekt, beispielsweise für eine Rissprüfung, Einzelelemente 6 zu Sende- und/oder Empfangsgruppen 7 zusammengefasst werden, die so angeordnet sind, dass die Sende- und/oder Empfangsgruppen 7 die Form nebeneinander verlaufender gerader Linien 8 haben. Über geeignete Zeitverschiebungen zwischen den sukzessiven Anregeimpulsen für die einzelnen Gruppen 7 kann das Schallfeld in einer bestimmten, beliebigen Einschallrichtung bzw. Einschallrichtung 10 unter einem bestimmten Einschallwinkel erzeugt werden. Dabei werden in der Regel alle Einzelelemente 6, die auf einer Linie 8 liegen, die eine Gruppe 7 veranschaulicht, miteinander zu der Gruppe 7 verbunden. Es kann aber in manchen Anwendungsfällen zweckmäßig sein, manche der unter einer Linie 8 liegende Einzelelemente 6 nicht in die zugehörige Gruppe 7 einzuschließen, beispielsweise um sie für eine andere Gruppe 7 freizuhalten. Ebenso kann es auch zweckmäßig sein, dicht neben einer Linie 8 liegende Einzelelemente 6 in die zugehörige Gruppe 7 einzuschließen. Die Linien 8 müssen dabei weder eine geometrisch exakte Form haben noch parallel liegen, was bei einer praktisch vorgegebenen räumlichen Matrix-Anordnung ohnehin kaum möglich sein wird, sondern es genügt, wenn sie die genannten geometrischen Bedingungen ungefähr erfüllen.
Die Figur 7 zeigt den Prüfkopf 5 von Figur 3 mit zu Gruppen 7 zusam- mengefassten Einzelelementen 6, die für die Rissprüfung auf Querfehler mit einer gegenüber Figur 6 um 90° gedrehten Linienanordnung zusammengefasst sind. Mit einem Matrix-Array kann nicht nur in Längs- und Querrichtung, sondern in einer beliebigen Richtung (z.B. im Falle von Spiralnähten) geprüft werden.
Die Figur 8 zeigt ein Blockschaltbild einer konventionellen Ultraschall- Mehrkanalelektronik für eine Anzahl N von Prüfköpfen 2 oder eine Anzahl N von Sensoren/Einzelelementen 6 eines Matrix Phased Array Prüfkopfes 5. Für jeden Kanal (Prüfkopf) wird ein eigener Sender 11 benutzt, d.h. insgesamt N Sender 11. Empfangsseitig werden meist nicht N Empfänger oder Empfangseinheiten 12 verwendet, sondern es wird seriell gearbeitet, wobei die Prüfköpfe 2 oder Einzelelemente 6 über einen Multiplexer 13 umgeschaltet werden. Wie viele Kanäle gemultiplext werden können, hängt von der Anforderung an die maximale Prüfgeschwindigkeit ab. Die Empfangseinheit 12 umfasst einen Multiplexer 13, einen Verstärker 14, einen ADC 15 und eine Signalverarbeitung 16. Der gesamte Prüfablauf wird von einer Steuereinheit 17 gesteuert, die die Sender 11 und die Empfangseinheit 12 ansteuert.
Die Figur 9 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Aufbaus zum Einsatz eines Matrix Phased Array Prüfkopfes 5 mit N Einzelsensoren. Die gepunktete Linie in Figur 9 enthält das eigentliche Matrix-Array. Die N Einzelelemente des Arrays sind jeweils an eine Schaltungseinheit 18 angeschlossen. Die Schaltungseinheit 18 hat N Ausgänge, an die die N Einzelelemente angeschlossen sind, und M Eingänge, wobei M kleiner, bevorzugt viel kleiner als N ist. Ferner umfasst die Anordnung eine Ultra- schall-Sendeeinheit 19 mit M Sendern, eine Ultraschall-Empfangseinheit 20 mit M Empfängern, eine Signalverarbeitung 21 (zur Digitalisierung, Summation etc.) und eine Steuereinheit 17, die u.a. M Konfigurationen von zu jeweils einer Gruppe zusammengefassten Einzelelementen aufweist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes 1 mit einem Matrix Phased Array Prüfkopf 5, der eine zwei- dimensionale Anordnung einer Anzahl N von Einzelelementen (Ultraschallsensoren) 6 umfasst, wobei mittels der Einzelelemente 6 eine Ultraschallwelle in das Prüfobjekt 1 eingeschallt und ein reflektiertes Ultraschallsignal wieder empfangen wird, wird jeweils eine erste Auswahl von Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 5 mittels einer Steuereinheit 17 als Sender zur Emission einer Ultraschallwelle ausgewählt und die ausgewählten Einzelelemente 6 werden mittels einer Sendeeinheit 19 angeregt, jeweils eine zweite Auswahl von Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 5 wird mittels der Steuereinheit 17 als Empfänger zum Empfangen eines Ultraschallsignals ausgewählt und die Ultraschallsignale der ausgewählten Einzelelemente 6 werden mittels einer Empfangseinheit 20 empfangen und die empfangenen Ultraschallsignale werden zum Prüfen des Prüfobjektes 1 ausgewertet. Jeweils eine Auswahl von Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 5 wird mittels einer Schaltungseinheit 18 zu einer Sendegruppe 7 einer Anzahl M von in der Steuereinheit 17 vorkonfigurierten Gruppen 7 zusammengefasst und elektrisch miteinander verbunden, so dass die zusammengefassten Einzelelementen 6 einer der Sendegruppen 7 jeweils gemeinsam senden. Jeweils eine Auswahl von Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 5 wird mittels der Schaltungseinheit 18 zu einer Empfangsgruppe 7 einer Anzahl M von in der Steuereinheit 17 vorkonfigurierten Empfangsgruppen 7 zusammengefasst und elektrisch miteinander verbunden, so dass die zusammengefassten Einzelelementen 6 einer der Empfangsgruppen 7 jeweils gemeinsam empfangen. Die Sendeeinheit 19 weist eine Anzahl M von Sendern auf, die so groß ist wie die Anzahl M der in der Steuereinheit 17 vorkonfigurierten Sendegruppen 7 und die Empfangseinheit 20 weist eine Anzahl M von Empfängern auf, die so groß ist wie die Anzahl M der in der Steuereinheit 17 vorkonfigurierten Empfangsgruppen 7, so dass mittels der Schaltungseinheit 18 jede Sendegruppe 7 mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen 6 einem der Sender der Anzahl M von Sendern der Sendeeinheit 19 zugeordnet wird und jeweils die Einzelelemente 6 (Sender) einer der Sendegruppen 7 gemeinsam von einem zugeordneten Sender der Sendeeinheit 19 ange- regt werden und mittels der Schaltungseinheit 18 jede Empfangsgruppe 7 mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen 6 einem der Empfänger der Anzahl M von Empfängern der Empfangseinheit 20 zugeordnet wird und jeweils die von den Einzelelementen 6 empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen 7 gemeinsam von einem zugeordneten Empfänger der Empfangseinheit 20 empfangen werden. Die Anzahl M der Empfangselemente kann sich in Spezialfällen auch von der Anzahl M der Sendeelemente unterscheiden. In der Regel wird man jedoch die gleiche Anzahl benutzen. Die Sendegruppen 7 werden mittels der Sender der Sendeeinheit 19 entsprechend einem von der Steuereinheit 17 vorgegebenen Takt angeregt und die von den Einzelelementen 6 empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen 7 werden mittels der Empfänger der Empfangseinheit 20 entsprechend dem von der Steuereinheit 17 vorgegebenen Takt empfangen, wobei die Steuereinheit 17 die Schaltungseinheit 18, die Sendeeinheit 19 und die Empfangseinheit 20 steuert.
In der Schaltungseinheit 18 werden die Einzelelemente des Prüfkopfes 5 gemäß dem von der Steuereinheit 17 vorgegebenen Prüftakt (Wanddickenmessung, Prüfung Längsfehler im Uhrzeigersinn etc.) elektrisch zusammengefasst. Ebenfalls über die Schaltungseinheit 18 werden die zusammengefassten Elementgruppen 7 (Anzahl M) den M Sendekanälen der Sendeeinheit 19 und den M Empfangskanälen der Empfangseinheit 20 zugeordnet. Bevorzugt sind die Sendegruppen 7 gleich den Empfangsgruppen 7. Über die Steuereinheit 17 wird die Messung ausgelöst. Die Steuereinheit 17 steuert die Schaltungseinheit 18, die Sendeeinheit 19 und die Empfangseinheit 20. Die Anregung der M Elementgruppen erfolgt über die M Sender der Sendeeinheit 19 entsprechend der dem jeweiligen Prüftakt zugeordneten Zeitbelegung. Empfangsseitig werden die Empfangssignale der M Empfänger der Empfangseinheit 20 entsprechend der dem jeweiligen Prüftakt zugeordneten Zeitbelegung erfasst, verstärkt, digitalisiert und in der Signaleinheit 21 für die weitere Verarbeitung zugeführt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Prüfob- jektes 1 mit einem Matrix Phased Array Prüfkopf 5, der eine zweidimensionale Anordnung einer Anzahl N von Einzelelementen (Ultraschallsensoren) 6 umfasst, wobei die Einzelelemente 6 zum Senden (bzw. Ein- schallen) einer Ultraschallwelle in das Prüfobjekt 1 und zum Empfangen eines Ultraschallsignals ausgebildet sind, umfasst eine Sendeeinheit 19 zum Anregen von Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 5 und eine Empfangseinheit 20 zum Empfangen eines Ultraschallsignals mit Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 5, eine Steuereinheit 17, mittels der jeweils eine erste Auswahl von Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 5 als Sender zur Emission einer Ultraschallwelle auswählbar ist und die ausgewählten Einzelelemente 6 mittels der Sendeeinheit 19 anregbar sind, und mittels der jeweils eine zweite Auswahl von Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 5 als Empfänger zum Empfangen eines Ultraschallsignals auswählbar ist und die Ultraschallsignale der ausgewählten Einzelelemente 6 mittels einer Empfangseinheit 20 empfangbar sind, und eine Signalverarbeitungseinheit 21 zum Verarbeiten und/oder Auswerten der empfangenen Ultraschallsignale zum Prüfen des Prüfobjektes 1. Sie weist eine Schaltungseinheit 18 auf, die zum Zusammenfassen und elektrisch miteinander Verbinden jeweils einer Auswahl von Einzelelementen 6 zu einer Sendegruppe 7 einer Anzahl M von in der Steuereinheit 17 vorkonfigurierten Sendegruppen 7 ausgebildet ist, so dass die zusammengefassten Einzelelemente 6 einer Sendegruppe 7 jeweils gemeinsam senden, und die zum Zusammenfassen und elektrisch miteinander Verbinden jeweils einer Auswahl von Einzelelementen 6 zu einer Empfangsgruppe 7 einer Anzahl M von in der Steuereinheit 17 vorkonfigurierten Empfangsgruppen 7 ausgebildet ist, so dass die zusam- mengefassten Einzelelemente 6 einer Empfangsgruppe 7 jeweils gemeinsam empfangen. Die Sendeeinheit 19 weist eine Anzahl M von Sendern auf, die so groß ist wie die Anzahl M der in der Steuereinheit 17 vorkonfi- gurierten Sendegruppen 7 und die Empfangseinheit 20 weist eine Anzahl von Empfängern auf, die so groß ist wie die Anzahl M der in der Steuereinheit 17 vorkonfigurierten Empfangsgruppen 7, so dass mittels der Schaltungseinheit 18 jede Sendegruppe 7 mit einer Auswahl von zusam- mengefassten Einzelelemente 6 einem der Sender der Anzahl M von Sendern der Sendeeinheit 19 zuordbar ist und jeweils die Einzelelemente 6 (Sender) einer der Sendegruppen 7 gemeinsam von einem zugeordneten Sender der Sendeeinheit 19 anregbar sind und mittels der Schaltungseinheit 18 jede Empfangsgruppe 7 mit einer Auswahl von zusammengefass- ten Einzelelementen 6 einem der Empfänger der Anzahl M von Empfängern der Empfangseinheit 20 zuordbar ist und jeweils die von den Einzelelementen 6 empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen 7 gemeinsam von einem zugeordneten Empfänger der Empfangseinheit 20 empfangbar sind. Die Anzahl M der Empfangselemente kann sich in Spezialfällen auch von der Anzahl M der Sendeelemente unterscheiden. In der Regel wird man jedoch die gleiche Anzahl benutzen. Die Sendegruppen 7 sind mittels der Sender der Sendeeinheit 19 entsprechend einem von der Steuereinheit 17 vorgegebenen Takt anregbar und die von den Einzelelementen 6 empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangs- gruppen 7 sind mittels der Empfänger der Empfangseinheit 20 entsprechend dem von der Steuereinheit 17 vorgegebenen Takt empfangbar, wobei die Schaltungseinheit 18, die Sendeeinheit 19 und die Empfangseinheit 20 mittels der Steuereinheit 17 steuerbar sind. Die Schaltungseinheit 18 kann beispielsweise als Complex Programmable Logic Device (CPLD), FPGA (Field Programmable Gate Array) oder Application Specific Integrated Circuit (ASIC) realisiert werden. Die Takt- bzw. Schaltrate der Schaltungseinheit 18 kann beispielsweise bis zu einigen kHz betragen.
Die elektrische Verschaltung der Einzelelemente 6 kann bevorzugt auf dem Prüfkopf 5 selbst erfolgen. Dementsprechend kann der Prüfkopf 5 beispielweise als in Figur 9 mit der gestrichelten Linie dargestellter Phased Array-Prüfkopf 22 mit integrierter Ultraschallelektronik und Signalverarbeitung ausgebildet werden. Alle Funktionseinheiten können, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die gestrichelte Linie veranschaulicht, in einen (miniaturisierten) Prüfkopf 22 integriert werden, der von außen mit maximal drei Leitungen (Spannungsversorgung 23, Signalleitung 24 und Steuerleitung 25) betrieben werden kann. Dies stellt gegenüber einer konventionellen Ansteuerung der N Kanäle einen sehr erheblich verringerten Aufwand dar.
Allgemein kann ein erfindungsgemäßer Matrix Phased Array Prüfkopf 22, insbesondere zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes 1, der eine zweidimensionale Anordnung einer Anzahl N von Einzelelementen (Ultraschallsensoren) 6 umfasst, wobei die Einzelelemente 6 zum Senden (bzw. Einschallen) einer Ultraschallwelle in das Prüfobjekt 1 und zum Empfangen eines Ultraschallsignals ausgebildet sind, die Besonderheit aufweisen, dass der Prüfkopf 22 eine Schaltungseinheit 18 aufweist, die zum Zusammenfassen und elektrisch miteinander Verbinden jeweils einer ersten Auswahl von Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 22 zu einer Sendegruppe 7 einer Anzahl M von in einer Steuereinheit 17 vorkonfigurierten Sendegruppen 7 ausgebildet ist, so dass die zusammengefassten Einzelelemente 6 einer der Sendegruppen 7 jeweils gemeinsam senden, und die zum Zusammenfassen und elektrisch miteinander Verbinden jeweils einer zweiten Auswahl von Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 22 zu einer Empfangsgruppe 7 einer Anzahl M von in der Steuereinheit 17 vorkonfigurierten Empfangsgruppen 7 ausgebildet ist, so dass die zusammengefassten Einzelelemente 6 einer der Empfangsgruppen 7 jeweils gemeinsam empfangen, wobei die Schaltungseinheit 18 derart ausgebildet ist, dass sie mittels der Steuereinheit 17 ansteuerbar ist, um jeweils eine der ersten Auswahlen von Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 22 als Sender zur Emission einer Ultraschallwelle auszuwählen und die ausgewählten Einzelelemente 6 mittels einer Sendeeinheit 19 anzuregen, und um jeweils eine der zweiten Auswahlen von Einzelelementen 6 des Prüfkopfes 22 als Empfänger zum Empfangen eines Ultraschallsignals auszuwählen und die Ultraschallsignale der ausgewählten Einzelelemente 6 mittels einer Empfangseinheit 20 zu empfangen.
Der Ultraschallprüfkopf 22 kann dabei vorteilhafterweise eine Signalverarbeitungseinheit 21 zum Verarbeiten und/oder Auswerten der empfangenen Ultraschallsignale zum Prüfen des Prüfobjektes 1 aufweisen. Der Ultraschallprüfkopf 22 kann vorteilhafterweise aber auch eine oder mehrere der folgenden Einheiten umfassen: Eine Sendeeinheit 19 zum Anregen von Einzelelementen 6, wobei die Sendeeinheit 19 eine Anzahl M von Sendern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl M der in der Steuereinheit 17 vorkonfigurierten Sendegruppen 7, eine Empfangseinheit 20 zum Empfangen eines Ultraschallsignals mit Einzelelementen 6, wobei die Empfangseinheit 20 eine Anzahl von Empfängern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl M der in der Steuereinheit 17 vorkonfigurierten Empfangsgruppen 7. Somit ist mittels der Schaltungseinheit 18 jede Sendegruppe 7 mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen 6 einem der Sender der Anzahl M von Sendern der Sendeeinheit 19 zuordbar und jeweils die Einzelelemente 6 einer der Sendegruppen 7 sind gemeinsam von einem zugeordneten Sender der Sendeeinheit 19 anregbar und mittels der Schaltungseinheit 18 ist jede Empfangsgruppe 7 mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen 6 einem der Empfänger der Anzahl M von Empfängern der Empfangseinheit 20 zuordbar und jeweils die von den Einzelelementen 6 empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen 7 sind gemeinsam von einem zugeordneten Empfänger der Empfangseinheit 20 empfangbar. Die Sendegruppen 7 sind mittels der Sender der Sendeeinheit 19 entsprechend einem von der Steuereinheit 17 vorgegebenen Takt anregbar und die von den Einzelelementen 6 empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen 7 sind mittels der Empfänger der Empfangseinheit 20 entsprechend dem von der Steuereinheit 17 vorgegebenen Takt empfangbar, wobei die Schaltungseinheit 18, die Sendeeinheit 19 und die Empfangseinheit 20 mittels der Steuereinheit 17 steuerbar sind.
Ein Molch zur Durchführung einer Wanddickenmessung und/oder einer Rissprüfung in einer Rohrleitung, insbesondere einer Pipeline, weist vorteilhafterweise einen erfindungsgemäßen Ultraschallprüfkopf 22 auf. Ferner umfasst der Molche vorteilhafterweise auch eine Steuereinheit 17.
Die Figur 10 zeigt ein Beispiel einer Zuordnung der Gruppen 7 von zusammengefassten Einzelelementen 6 zu Ultraschallkanälen 26. In diesem Beispiel ist dargestellt, wie die zusammengefassten Elementgruppen 7 (hier in einer Konfiguration für die Senkrechteinschallung analog zu Figur 5) den Ultraschallkanälen 26 zugeordnet werden können, und zwar sowohl sendeseitig als auch empfangsseitig. Prinzipiell sind beliebige Zuordnungen möglich.
Bezugszeichenliste
1 Prüfobjekt
2 Prüfkopf
3 Riss bzw. rissartiger Fehler
4 Laufrichtung
5 Matrix Phased Array Prüfkopf
6 Einzelelement des Phased Array Prüfkopfes
7 Gruppe
8 Linie
9 Vieleck
10 Einschallrichtung
11 Sender
12 Empfangseinheit
13 Multiplexer
14 Verstärker
15 ADC
16 Signalverarbeitung
17 Steuereinheit
18 Schaltungseinheit
19 Sendeeinheit
20 Empfangseinheit
21 Signalverarbeitung
22 Prüfkopf
23 Spannungsversorgung
24 Signalleitung
25 Steuerleitung
26 Ultraschallkanal

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes (1) mit einem Matrix Phased Array Prüfkopf (5), der eine zweidimensionale Anordnung einer Anzahl (N) von Einzelelementen (6) umfasst, wobei mittels der Einzelelemente (6) eine Ultraschallwelle in das Prüfobjekt (1) eingeschallt und ein reflektiertes Ultraschallsignal wieder empfangen wird,
wobei jeweils eine erste Auswahl von Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (5) mittels einer Steuereinheit (17) als Sender zur Emission einer Ultraschallwelle ausgewählt wird und die ausgewählten Einzelelemente (6) mittels einer Sendeeinheit (19) angeregt werden, jeweils eine zweite Auswahl von Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (5) mittels der Steuereinheit (17) als Empfänger zum Empfangen eines Ultraschallsignals ausgewählt wird und die Ultraschallsignale der ausgewählten Einzelelemente (6) mittels einer Empfangseinheit (20) empfangen werden
und die empfangenen Ultraschallsignale zum Prüfen des Prüfobjektes (1) ausgewertet werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils eine Auswahl von Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (5) mittels einer Schaltungseinheit (18) zu einer Sendegruppe (7) einer Anzahl (M) von in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Gruppen (7) zusammengefasst und elektrisch miteinander verbunden wird, so dass die zusammengefassten Einzelelemente (6) einer der Sendegruppen (7) jeweils gemeinsam senden, jeweils eine Auswahl von Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (5) mittels der Schaltungseinheit (18) zu einer Empfangsgruppe (7) einer Anzahl (M) von in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Empfangsgruppen (7) zusammengefasst und elektrisch miteinander verbunden wird, so dass die zusammengefassten Einzelelemente (6) einer der Empfangsgruppen (7) jeweils gemeinsam empfangen, die Sendeeinheit (19) eine Anzahl (M) von Sendern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl (M) der in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Sendegruppen (7) und die Empfangseinheit (20) eine Anzahl von Empfängern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl (M) der in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Empfangsgruppen (7), so dass mittels der Schaltungseinheit (18) jede Sendegruppe (7) mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen (6) einem der Sender der Anzahl (M) von Sendern der Sendeeinheit (19) zugeordnet wird und jeweils die Einzelelemente (6) einer der Sendegruppen (7) gemeinsam von einem zugeordneten Sender der Sendeeinheit (19) angeregt werden und
mittels der Schaltungseinheit (18) jede Empfangsgruppe (7) mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen (6) einem der Empfänger der Anzahl (M) von Empfängern der Empfangseinheit (20) zugeordnet wird und jeweils die von den Einzelelementen (6) empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen (7) gemeinsam von einem zugeordneten Empfänger der Empfangseinheit (20) empfangen werden, und
die Sendegruppen (7) mittels der Sender der Sendeeinheit (19) entsprechend einem von der Steuereinheit (17) vorgegebenen Takt angeregt werden und die von den Einzelelementen (6) empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen (7) mittels der Empfänger der Empfangseinheit (20) entsprechend dem von der Steuereinheit (17) vorgegebenen Takt empfangen werden, wobei die Steuereinheit (17) die Schaltungseinheit (18), die Sendeeinheit (19) und die Empfangseinheit (20) steuert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendegruppen (7) gleich den Empfangsgruppen (7) sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (M) der in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Sende- und/oder Empfangsgruppen (7) kleiner als die Anzahl (N) der Einzelelemente (6) des Prüfkopfes (5) ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (M) der in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Sende- und/oder Empfangsgruppen (7) kleiner als ein Drittel, besonders bevorzugt kleiner als ein Fünftel, weiter bevorzugt kleiner als ein Achtel oder ein Zehntel der Anzahl (N) der Einzelelemente (6) des Prüfkopfes (5) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine senkrechte Einschallung in das Prüfobjekt (1), beispielsweise für eine Wanddickenmessung, Einzelelemente (6) zu Sende- und/oder Empfangsgruppen (7) zusammenge- fasst werden, die so angeordnet sind, dass die Sende- und/oder Empfangsgruppen (7) die Form konzentrischer Kreise, Ringe, Vielecke oder Polygone haben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine schräge Einschallung in das Prüfobjekt (1), beispielsweise für eine Rissprüfung, Einzelelemente (6) zu Sende- und/oder Empfangsgruppen (7) zusammengefasst werden, die so angeordnet sind, dass die Sende- und/oder Empfangsgruppen (7) die Form nebeneinander verlaufender gerader Linien (8) haben. Anwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Durchführung einer Wanddickenmessung und/oder einer Rissprüfung mittels eines Molchs in einer Rohrleitung, insbesondere einer Pipeline.
Vorrichtung zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes (1) mit einem Matrix Phased Array Prüfkopf (5), der eine zweidimensionale Anordnung einer Anzahl (N) von Einzelelementen (6) umfasst, wobei die Einzelelemente (6) zum Senden einer Ultraschallwelle in das Prüfobjekt (1) und zum Empfangen eines Ultraschallsignals ausgebildet sind,
umfassend eine Sendeeinheit (19) zum Anregen von Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (5) und eine Empfangseinheit (20) zum Empfangen eines Ultraschallsignals mit Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (5),
eine Steuereinheit (17), mittels der jeweils eine erste Auswahl von Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (5) als Sender zur Emission einer Ultraschallwelle auswählbar ist und die ausgewählten Einzelelemente (6) mittels der Sendeeinheit (19) anregbar sind, und mittels der jeweils eine zweite Auswahl von Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (5) als Empfänger zum Empfangen eines Ultraschallsignals auswählbar ist und die Ultraschallsignale der ausgewählten Einzelelemente (6) mittels einer Empfangseinheit (20) empfangbar sind,
und eine Signalverarbeitungseinheit (21) zum Verarbeiten und/oder Auswerten der empfangenen Ultraschallsignale zum Prüfen des Prüfobjektes (1),
dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schaltungseinheit (18) aufweist, die zum Zusammenfassen und elektrisch miteinander Verbinden jeweils einer Auswahl von Einzelelementen (6) zu einer Sendegruppe (7) einer Anzahl (M) von in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Sendegruppen (7) ausgebildet ist, so dass die zusammengefassten Einzelelemente (6) einer Sendegruppe (7) jeweils gemeinsam senden, und die zum Zusammenfassen und elektrisch miteinander Verbinden jeweils einer Auswahl von Einzelelementen (6) zu einer Empfangsgruppe (7) einer Anzahl (M) von in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Empfangsgruppen (7) ausgebildet ist, so dass die zusammengefassten Einzelelemente (6) einer Empfangsgruppe (7) jeweils gemeinsam empfangen,
die Sendeeinheit (19) eine Anzahl (M) von Sendern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl (M) der in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Sendegruppen (7) und die Empfangseinheit (20) eine Anzahl von Empfängern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl (M) der in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Empfangsgruppen (7), so dass mittels der Schaltungseinheit (18) jede Sendegruppe (7) mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen (6) einem der Sender der Anzahl (M) von Sendern der Sendeeinheit (19) zuordbar ist und jeweils die Einzelelemente (6) einer der Sendegruppen (7) gemeinsam von einem zugeordneten Sender der Sendeeinheit (19) anregbar sind und
mittels der Schaltungseinheit (18) jede Empfangsgruppe (7) mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen (6) einem der Empfänger der Anzahl (M) von Empfängern der Empfangseinheit (20) zuordbar ist und jeweils die von den Einzelelementen (6) empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen (7) gemeinsam von einem zugeordneten Empfänger der Empfangseinheit (20) empfangbar sind, und die Sendegruppen (7) mittels der Sender der Sendeeinheit (19) entsprechend einem von der Steuereinheit (17) vorgegebenen Takt anregbar sind und die von den Einzelelementen (6) empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen (7) mittels der Empfänger der Empfangseinheit (20) entsprechend dem von der Steuereinheit (17) vorgegebenen Takt empfangbar sind, wobei die Schaltungseinheit (18), die Sendeeinheit (19) und die Empfangseinheit (20) mittels der Steuereinheit (17) steuerbar sind.
Matrix Phased Array Prüfkopf (22), insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einer Vorrichtung nach Anspruch 8, zur Ultraschallprüfung eines Prüfobjektes (1), der eine zweidimensionale Anordnung einer Anzahl (N) von Einzelelementen (6) umfasst, wobei die Einzelelemente (6) zum Senden einer Ultraschallwelle in das Prüfobjekt (1) und zum Empfangen eines Ultraschallsignals ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Prüfkopf (22) eine Schaltungseinheit (18) aufweist, die zum Zusammenfassen und elektrisch miteinander Verbinden jeweils einer ersten Auswahl von Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (22) zu einer Sendegruppe (7) einer Anzahl (M) von in einer Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Sendegruppen (7) ausgebildet ist, so dass die zusammengefassten Einzelelemente (6) einer der Sendegruppen (7) jeweils gemeinsam senden, und die zum Zusammenfassen und elektrisch miteinander Verbinden jeweils einer zweiten Auswahl von Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (22) zu einer Empfangsgruppe (7) einer Anzahl (M) von in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Empfangsgruppen (7) ausgebildet ist, so dass die zusammengefassten Einzelelemente (6) einer der Empfangsgruppen (7) jeweils gemeinsam empfangen, wobei die Schaltungseinheit (18) derart ausgebildet ist, dass sie mittels der Steuereinheit (17) ansteuerbar ist, um jeweils eine der ersten Auswahlen von Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (22) als Sender zur Emission einer Ultraschallwelle auszuwählen und die ausgewählten Einzelelemente (6) mittels einer Sendeeinheit (19) anzuregen, und
um jeweils eine der zweiten Auswahlen von Einzelelementen (6) des Prüfkopfes (22) als Empfänger zum Empfangen eines Ultraschallsignals auszuwählen und die Ultraschallsignale der ausgewählten Einzelelemente (6) mittels einer Empfangseinheit (20) zu empfangen.
Ultraschallprüfkopf (22) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Signalverarbeitungseinheit (21) zum Verarbeiten und/oder Auswerten der empfangenen Ultraschallsignale zum Prüfen des Prüfobjektes (1) aufweist.
Ultraschallprüfkopf (22) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass er
eine Sendeeinheit (19) zum Anregen von Einzelelementen (6), wobei die Sendeeinheit (19) eine Anzahl (M) von Sendern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl (M) der in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Sendegruppen (7), und/oder
eine Empfangseinheit (20) zum Empfangen eines Ultraschallsignals mit Einzelelementen (6), wobei die Empfangseinheit (20) eine Anzahl von Empfängern aufweist, die so groß ist wie die Anzahl (M) der in der Steuereinheit (17) vorkonfigurierten Empfangsgruppen (7) umfasst.
Ultraschallprüfkopf (22) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, dass er derart ausgebildet ist, dass mittels der Schaltungs einheit (18) jede Sendegruppe (7) mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen (6) einem der Sender der Anzahl (M) von Sendern der Sendeeinheit (19) zuordbar ist und jeweils die Einzelelemente (6) einer der Sendegruppen (7) gemeinsam von einem zugeordneten Sender der Sendeeinheit (19) anregbar sind und
mittels der Schaltungseinheit (18) jede Empfangsgruppe mit einer Auswahl von zusammengefassten Einzelelementen (6) einem der Empfänger der Anzahl (M) von Empfängern der Empfangseinheit (20) zuordbar ist und jeweils die von den Einzelelementen 6 empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen (7) gemeinsam von einem zugeordneten Empfänger der Empfangseinheit (20) empfangbar sind, und
die Sendegruppen (7) mittels der Sender der Sendeeinheit (19) entsprechend einem von der Steuereinheit (17) vorgegebenen Takt anregbar sind und die von den Einzelelementen (6) empfangenen Ultraschallsignale einer der Empfangsgruppen (7) mittels der Empfänger der Empfangseinheit (20) entsprechend dem von der Steuereinheit (17) vorgegebenen Takt empfangbar sind, wobei die Schaltungseinheit (18), die Sendeeinheit (19) und die Empfangseinheit (20) mittels der Steuereinheit (17) steuerbar sind.
Molch zur Durchführung einer Wanddickenmessung und/oder einer Rissprüfung in einer Rohrleitung, insbesondere einer Pipeline, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens einen Ultraschallprüfkopf (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 aufweist.
14. Molch nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Steuereinheit (17) aufweist.
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