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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von
Rohren auf Oberflächenfehler
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 bzw. 2.
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Zerstörungsfreie
Verfahren zur Prüfung
von metallischen Rohren auf Oberflächenfehler, wie z. B. die Wirbelstromprüfung oder
Ultraschallprüfung,
sind seit langem bekannt und bewährt.
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Die
Ultraschallprüfung
wird angewandt um produktionsbegleitend insbesondere die Einhaltung der
geforderten Wanddicke des Rohres zu überprüfen und eventuell vorhandene
Ungänzen
in der Rohrwand, wie z. B. Dopplungen, Risse, Kerben, Einwalzungen
oder sonstige Oberflächenfehler
zu detektieren.
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Bei
der Prüfung
werden nach dem Puls-Echoverfahren ausgehend von der Rohraußenoberfläche Ultraschallimpulse
in der Wand angeregt und die von der Rohrinnenoberfläche reflektierten
Signale wieder empfangen. Aus der Laufzeit des Signals und aus der
Schallgeschwindigkeit im zu prüfenden
Material lässt
sich die Dicke der Rohrwand berechnen. Üblicherweise wird dieses Verfahren
produktionsbegleitend und automatisiert sowohl für magnetisier- und nicht magnetisierbare
Rohrwerkstoffe eingesetzt.
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Nachteilig
bei diesem Verfahren ist, dass insbesondere bei Fehlern an der Rohrinnenseite,
wie z. B. Beulen, die fallweise sehr flach ein- und auslaufen, diese
mittels der bislang bei der Ultraschalltechnik bekannten Auswerteverfahren
nur sehr schwer oder gar nicht detektierbar sind.
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Bei
Fehlern, die eine gekrümmte
Oberfläche aufweisen,
werden die ULTRASCHALL-Signale durch Streuung in unterschiedliche
Richtungen reflektiert. Dadurch bedingt werden sie nicht oder nicht mehr
vollständig
vom Prüfkopf
empfangen, so dass sich ein Fehlersignal nicht oder nicht mehr deutlich vom
Grundrauschpegel der Signale abhebt und sich somit einer Detektion
entzieht.
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Hier
hilft auch das in der
DE
100 65 093 A1 offenbarte Verfahren zur Detektion von an
der Rohrinnenwand befindlichen Beulen nicht weiter. Das hier beschriebene
Verfahren beruht auf der Auswertung der reflektierten Ultraschallsignale
dahingehend, wie stark der Abfall der Echoimpulse (Rückwandechofolge)
ist. Eine eindeutige Identifizierung einer Beule ist aber auch mit
diesem Verfahren nicht sicher zu realisieren, da der Abfall der
Echoimpulse auch andere Ursachen haben kann, wie z. B. unkritische
innenliegende Fehler oder geometrische Einflüsse.
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Als
zusätzliches
oder alternatives Verfahren zur Detektion von Oberflächenfehlern,
wird auch die bekannte Streuflussprüfung verwendet. Die insbesondere
für die
Detektion von Innenfehlern an der Rohrwand verwendete Gleichfeld-Streuflussprüfung wird
bei Rohren aus ferromagnetischem Stahl angewendet, um insbesondere
längsorientierte,
oberflächennahe
Ungänzen,
wie z. B. Risse, Schalen oder Beulen zu detektieren.
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Aber
auch mit der Streuflusstechnik können mit
den üblichen
Auswertemethoden der Signale, insbesondere bei ungünstigen
Verhältnissen
von Rohrwanddicke und Tiefe des Innenfehlers, bei gegebener Magnetisierungsfeldstärke, Ungänzen an der
Rohrinnenseite, nicht immer eindeutig detektiert werden. Der Abstand
der Fehleranzeige zum Rauschpegel ist dann zu gering um zu verwertbaren Aussagen
zu kommen. Hierfür
müssen
dann wie nachfolgend beschrieben neuartige, auf Wavelet-Algorithmen
basierende Filtertechniken eingesetzt werden.
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Streufluss-Signale
werden mit induktiven Spulen, Hall-Sonden oder GMR Sonden erfasst.
In jedem Fall sind diese Signale in einem gewissen Maße verrauscht
und mit einem langwelligen Untergrund versehen. Bei der klassischen
Entrauschung werden die Signale mittels analoger Filter-Technik entrauscht
und es kann eine Differenz-Technik zum Unterdrücken der langwelligen Anteile
eingesetzt werden. Dabei stößt die analoge
Filtertechnik schnell an ihre Grenzen, da die Streufluss-Fehlersignale
oft in ähnlichen
Frequenzbereichen zu finden sind wie die Störsignale des Untergrunds. Weiterhin
ist die Gefahr, dass man interessante Signale ausfiltert, die eigentlich
zur Anzeige gebracht werden müssten,
bei der Nutzung von Differenz-Techniken sehr groß.
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Daher
bietet es sich an, nach alternativen Filter-Techniken zu suchen.
Neben der digitalen Filtertechnik mit konventionellen Filter-Algorithmen
sind besonders die sogenannten Wavelet-Algorithmen sehr gut für diese
Aufgabe geeignet. Anstelle von harmonischen Funktionen werden Wavelets
als Filterkriterium genutzt, da sie eine hohe Ähnlichkeit mit den Nutzsignalen
aufweisen können.
Mit Hilfe von Wavelet-Filtern lässt
sich gegenüber
konventionellen Filtertechniken eine deutlich effektivere Rauschunterdrückung realisieren.
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Zur
Trennung von Rausch- und Informationsanteilen von Signalen bei der
industriellen Prozessüberwachung
ist es allgemein, z. B. aus der
DE 102 25 344 A1 , bekannt, zur Auswertung
von zeitlichen Signalen die Wavelet-Transformation anzuwenden. Mit der
Wavelet-Transformation, einer Erweiterung der Fourier-Transformation,
wird das Originalsignal auf Wavelet-Basisfunktionen projiziert,
was eine Abbildung aus dem Zeitbereich in die Zeit-Frequenzebene darstellt.
Hierbei werden die Wavelet-Funktionen, die im Zeit- und Frequenzbereich
lokalisiert sind, aus einem einigen Prototyp-Wavelet, der sogenannten Mutterfunktion,
durch Dilatation und Translation abgeleitet.
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Angestrebt
wird mit der Wavelet-Transformation das Rauschniveau im Vergleich
zum Fehlersignal signifikant abzusenken.
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Das
bekannte Verfahren offenbart allgemein die vorteilhafte Verwendung
der Wavelet-Algorithmen
zur Rauschunterdrückung
bei der Überwachung industrieller
Prozesse. Bei den in einem kontinuierlichen Fertigungsablauf erzeugten
Rohren, ist es aber unabdingbar, die Analyse der Signale aus der
zerstörungsfreien
Prüfung
quasi in Echtzeit auszuführen, um
unmittelbaren Einfluss auf den Fertigungsfluss bei auftretenden
Fehlern nehmen zu können
(z. B. Zuordnung des Fehlers durch Kennzeichnung des Rohrabschnittes,
oder Stop der Fertigung). Hierzu werden in der
DE 102 25 344 A1 jedoch
keinerlei Angaben gemacht.
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Insgesamt
besteht sowohl bei der Ultraschall- wie auch bei der Streuflussprüfung das
Problem, dass die zu erfassenden und auszuwertenden Daten der Oberflächenprüfung an
Rohren in nahezu Echtzeit zur Verfügung gestellt werden müssen, um bei
auftretenden Fehlern einen Eingriff in den laufenden Fertigungsprozess
zu ermöglichen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein sicheres und kostengünstiges Verfahren und eine
Vorrichtung zur zerstörungsfreien
Prüfung
von Rohren mittels Ultraschall oder Streufluss anzugeben, mit dem
mit Hilfe der Wavelet-Transformation eine echtzeitnahe Erfassung
und Auswertung der Daten in Bezug auf Oberflächenfehler des Rohres möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe für
die Streuflussprüfung,
entsprechend Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die echtzeitnahe Erfassung
und Auswertung mit folgenden Schritten geschieht:
- – Übertragung
der Signale in einen Vorverstärker,
- – Überführung der
analogen Signale in einen kontinuierlichen Datenstrom digitaler
Daten,
- – Pufferung
des Datenstroms in einen ersten Speicher (A),
- – Füllen des
ersten Speiches (A) mit k Datenpunkten,
- – Kopieren
der k Datenpunkte des ersten Speichers (A) in einen zweiten Speicher
(B) innerhalb einer kurzen Zeit zwischen zwei digitalen Datenpunkten
und gleichzeitiges Neubefüllen
des ersten Speichers (A) mit neuen Daten,
- – Filtern
der kopierten Daten mittels einer Wavelet-Transformation,
- – Kopieren
der im zweiten Speicher (B) gefilterten Daten in einen dritten Speicher
(C),
- – Ausgabe
der gefilterten Signale aus dem dritten Speicher (C) mit der gleichen
Taktrate wie das Auffüllen
des ersten Speichers (A), wobei die Zeit zur Filterung unterhalb
der Zeit liegt, die das System zum Füllen (bzw. Leeren) der Speicher
benötigt,
- – wahlweises
Glätten
der Ausgangssignale im dritten Speicher (C) und wandeln der Signale über einen
D/A-Wandler mit Glättungsstufe
in ein analoges kontinuierliches Messsignal und Zuführen des
Messsignals zu einem bestehenden analogen Datenerfassungsystem oder
direktes Zuführen der
digitalen Daten zu einem digitalen Signalprozessor oder einem übergeordneten
Datenverarbeitungssystem,
- – Vergleich
der Beurteilungsgröße mit einer
Referenzgröße wobei
ein ermitteltes Fehlersignal dem Fehler an der Rohroberfläche eindeutig
zugeordnet werden kann.
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Die
Erfindung wird anhand eines in einer 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher beschrieben.
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Die
linksseitig dargestellte Variante 1 beschreibt dabei den Signalverlauf
eines Signalkanals für
eine echtzeitnahe Signalverarbeitung bei einer Streuflussprüfung und
einem analogen Ein- bzw. Ausgang, wie sie z. B. in bestehenden Anlagen
vorhanden sind.
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Die
Streuflusssignale werden mit induktiven Spulen, Hall-Sonden oder
GMR-Sensoren erfasst. Nach den Sensoren und den anschließenden Vorverstärkern liegt
ein kontinuierlicher, analoger Signalstrom vor. Der Frequenzinhalt
und die Signalpegel werden durch die Übertragungseigenschaften der Vorverstärker bestimmt.
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Der
A/D-Wandler überführt das
analoge Signal in einen kontinuierlichen Datenstrom digitaler Daten
(zeitdiskretes Signal). Aufgrund von Nyquist-Theorem ist die Maximalfrequenz
durch die halbe Abtastrate gegeben. Die Abtastrate limitiert darüber hinaus
die örtliche
Auflösung
des Streuflusssignals.
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Der
Datenstrom wird in einen hier nicht dargestellten ersten Speicher
(A) gepuffert. Sobald dieser mit k Datenpunkten gefüllt ist
(typisch: k = 512 oder 1024), wird der Inhalt in einen weiteren
zweiten Speicher (B) kopiert, auf dem dann die Filterung durch die
eigentliche Wavelet-Transformation ausgeführt wird.
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Das
Kopieren der Daten geschieht innerhalb einer kurzen Zeit zwischen
zwei digitalen Datenpunkten, so dass nach dem Kopieren der Daten
vom ersten Speicher (A) zum zweiten Speicher (B) wieder neue Daten
in den ersten Speicher (A) einlaufen können.
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Nach
der Filterung werden die gefilterten Daten des zweiten Speichers
(B) in einen dritten Speicher (C) kopiert.
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Die
Ausgabe der gefilterten Signale aus dem dritten Speicher (C) geschieht
mit der gleichen Taktrate wie das Auffüllen des ersten Speichers (A),
so dass immer genau so viele Eingangs- wie Ausgangsdaten vorliegen.
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Die
Zeit zur Filterung liegt bei diesem Verfahren unterhalb der Zeit,
die das System zum Füllen, bzw.
Leeren, des Eingangs-, bzw. Ausgangs-Speichers, benötigt.
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Durch
dieses Verfahren kommt es also zu einem zeitlichen Versatz zwischen
der Signalfolge von genau k Datenpunkten.
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Die
Ausgangssignale des dritten Speichers (C) werden über einen
D/A-Wandler mit Glättungsstufe
wieder in ein analoges kontinuierliches Messsignal gewandelt, welches
einem bestehenden analogen Datenerfassungssystem zugeführt werden
kann. Beachtet werden muss dabei noch, dass die Pegel und Frequenzgänge der
Signale durch das D/A-Modul bestimmt werden, eine etwaige Anpassung
wird durch einen weiteren Verstärkerbaustein
realisert.
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In
einer anderen Ausgestaltung des Filtersystems für Streuflusssignale werden
die Daten nicht blockweise mit k Datenpunkten verarbeitet (wie oben beschrieben),
sondern der Filter arbeitet so schnell, dass die Ausführungszeit
kleiner ist als die Zeit zwischen dem Eintreffen der Datenpunkten.
Dann kann der Filter immer auf den letzten k Datenpunkten ausgeführt werden
und man erhält
auch einen gefilterten Datenpunkt pro eingelaufenem Datenpunkt.
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Bei
diesem Verfahren ist der zeitliche Versatz zwischen Eingangs und
Ausgangsdaten höchsten ein
Datenpunkt. Denkbar sind auch Misch-Lösungen der beiden bisher beschriebenen
Verfahren: In diesem Fall werden immer kleinere Blöcke an Datenpunkten
gesammelt (z. B. mit i-Punkten) der Filter wird aber immer mit den
letzten h Blöcken
durchgeführt,
so dass die Anzahl der Punkte im Wavelet-Filter wiederum k = i·h ist.
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Die
in der Mitte der 1 dargestellte Variante 2 beschreibt
dabei den Signalverlauf für
eine echtzeitnahe Signalverarbeitung bei einer Streuflussprüfung und
einem analogen Ein- und
einem digitalen Ausgang, wie sie für die erfindungsgemäße Neuauslegung
von Streuflussprüfanlagen
in Frage kommt.
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In
diesem Fall werden die Daten entsprechend der oben erläuterten
Verfahren dem digitalen Signalprozessor (DSP) zugeführt, allerdings
verzichtet man auf das nachträgliche
D/A-Wandeln. Die
gefilterten Daten im hier ebenfalls nicht dargestellten Speicher
(C) können
dann direkt einem übergeordneten
Datenverarbeitungssystem digital zugeführt werden.
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In
einer anderen Ausgestaltung können
jedoch die Fehlerbewertungen und Weiterverarbeitungen der Signale
direkt auf dem DSP ausgeführt
werden.
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Die
obigen Ausführungen
zu den Varianten 1 und 2 gelten grundsätzlich auch für jede weiteren
Signalkanäle,
allerdings kann man auch schon auf dem DSP die gefilterten Signale
weiter zusammenfassen und Vergleiche zwischen mehreren Kanälen durchführen (z.
B. dadurch dass die Berechnung mehrerer Kanäle auf einem DSP durchgeführt wird,
oder dadurch dass mehrere DSP kaskadiert hintereinander geschaltet
werden. Dadurch werden aus den N Signalleitungen für die N
Kanäle
u. U. L Signalleitungen (mit L < N,
z.B. L = N/2).
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In 2 ist
beispielhaft anhand einer Grafik ein Messignal einer Streuflussprüfung auf
Innenfehler eines Rohres dargestellt.
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Der
obere Teil der Grafik zeigt den Verlauf des erfassten Streuflusssignals
ohne Filterung. Ein mögliches
Fehlersignal im Signalverlauf lässt
sich hieraus nicht zweifelsfrei ermitteln.
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Der
untere Teil der Grafik zeigt das mittels der Wavelet-Transformation
aus dem Streuflussignal heraus gefilterte Fehlersignal eines Innenfehlers, welches
abhängig
von vorher eingestellten Schwellwerten zur Anzeige gebracht wird.
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Für die Ultraschallprüfung wird
gemäß Anspruch
2 die erfindungsgemäße echtzeitnahe
Erfassung und Auswertung der Signale mit folgenden Schritten durchgeführt:
- – Erzeugen
eines analogen kontinuierlichen Signals, welches die Rückwandechos
beinhaltet,
- – Generieren
eines Trigger-Signals zusätzlich
zu den ULTRASCHALL-Signalen,
- – Wandeln
des Analog-Signals in einen digitalen Signalverlauf in einem Zeitfenster
t1 bis t2 mit k Datenpunkten mit einer einstellbaren Zeit t1 nach einem
Triggerpuls, wobei die Zeit t1 dabei so eingestellt wird, dass das
von der anderen Oberflächenseite
reflektierte Signal mit dem erwarteten Fehlersignal innerhalb des
Zeitintervalls [t1 bis t2] liegt,
- – direktes
Zuführen
des Signalverlaufs zur Durchführung
der Wavelet-Transformation
zu einem digitalen Signalprozessor,
- – wahlweises
digitales Weiterleiten und Auswerten der gefilterten Signale an
ein übergeordnetes Datenverarbeitungssystem
oder Auswertung der gefilterten Signale auf dem digitalen Signalprozessor,
- – Vergleich
der Beurteilungsgröße mit einer
Referenzgröße wobei
ein ermitteltes Fehlersignal dem Fehler an der Rohroberfläche eindeutig
zugeordnet werden kann.
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Die
echtzeitnahe Erfassung und Auswertung von Ultraschallsignalen wird
in dem in der 1 rechtsseitig dargestellte
Signalverlauf für
einen aus beliebig vielen Sensoren eines Arrays dargestellt.
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Die
Prüfkopfelektronik
des Ultraschallprüfkopfes
erzeugt ein analoges kontinuierliches Signal pro Kanal, welches
z. B. die Rückwandechos
beinhaltet. Diese Signal hat wegen der Natur der Ultraschall-Technik
sehr hochfrequente Anteile. Zusätzlich
zu den ULTRASCHALL-Signalen wird ein Trigger-Signal generiert, welches
die Pulswiederholrate darstellt.
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Mit
einer einstellbaren Zeit t1 nach einem Triggerpuls werden mit einem
schnellen A/D-Wandler der
Abtastrate fein Signalverlauf mit k Datenpunkten generiert.
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Der
Signalverlauf stellt also das ULTRASCHALL-Signal in einem Zeit-Fenster
von t1 bis t2 = k/f dar. Die Zeit t1 wird dabei so eingestellt,
dass das Rückwandecho
mit dem erwarteten Fehlersignal innerhalb des Intervalls [t1 t2]
liegt.
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Dieser
Signalverlauf wird direkt der Wavelet-Signaltrennung auf dem DSP
zugeführt.
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Die
gefilterten Signale werden digital an ein übergeordnetes System weitergereicht
oder die gefilterten Signale werden noch auf dem DSP weiter bewertet
und falls erforderlich ein Fehlersignal ausgelöst.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des oben beschriebenen
Verfahrens werden auch in diesem Fall die gefilterten Signale wieder
durch einen D/A-Filter gewandelt und einer bestehenden Anlage zugeführt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung werden mehrere Zeitfenster der oben
beschriebenen Art über das
Eingangssignal gelegt und digitalisiert, so dass mehrere Echos bewertet
werden können.
Dies hat den Vorteil einer noch schnelleren Bereitstellung des Auswertesignals.
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In 3 ist
beispielhaft anhand einer Grafik ein Messsignal einer Ultraschallprüfung auf
Innenfehler eines Rohres dargestellt.
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Der
obere Teil der Grafik zeigt einen Signalverlauf eines elektromagnetischen
Ultraschallsensors (EMUS) mit 1024 Datenpunkten, in dem die Amplitude
des Signals über
die Zeit aufgetragen ist. Gekennzeichnet in dem Signalverlauf ist
das Rückwandecho
des Rohres und ein von einer Einwalzung herrührendes Fehlersignal rohrinnenseitig.
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Je
geringer der Abstand zwischen Fehlersignal und Rückwandecho d. h. je flacher
die Einwalzung ist und je weniger sich die Fehleramplituden vom
Grundrauschpegel abheben desto schwieriger wird die Trennung des
Fehlersignals vom Rückwandecho.
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Aus
diesem Grund werden parallel zwei Wavelet-Transformationsschritte
durchgeführt,
wobei, wie in der mittleren Grafik dargestellt, zum Einen das Signal
des Rückwandechos
und zum Anderen, wie in der unteren Grafik dargestellt, der Grundrauschpegel
herausgefiltert wird, so dass das eigentliche Fehlersignal übrig bleibt
und weiter ausgewertet werden kann.