DE102014101227A1

DE102014101227A1 - Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall nach der AVG-Methode

Info

Publication number: DE102014101227A1
Application number: DE102014101227.5A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dietrich Kleinert
Original assignee: GE Sensing and Inspection Technologies GmbH
Current assignee: Baker Hughes Digital Solutions GmbH
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2015-08-06
Also published as: WO2015114013A1; EP3100042A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings 100 mittels Ultraschall, wobei das Verfahren zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen 99 im Material des Prüflings 100 gemäß der AVG-Methode dient, die sich im Nahfeld eines zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten Ultraschallwandlers 12 befinden. Das Verfahren umfasst das Einkoppeln von Ultraschallpulsen mit einer bestimmten Bandbreite B in den Prüfling 100, sowie das Aufnehmen von Echosignalen aus dem Prüfling 100 und das Bestimmen einer Ersatzreflektorgröße ERG eines die aufgenommenen Echosignale hervorrufenden Fehlers oder Ungänze 99 aus empfangenen Echosignalen auf Basis eines AVG-Diagramms, welches unter Berücksichtigung der Bandbreite B der eingeschallten Ultraschallpulse ermittelt wurde. Weiterhin betrifft die Erfindung, eine Vorrichtung die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall, wobei die Vorrichtung bzw. das Verfahren zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen im Material eines Prüflings nach der AVG-Methode eingerichtet ist. Insbesondere ist die Vorrichtung bzw. das Verfahren dazu vorgesehen, einen Fehler oder eine Ungänze im Material des Prüflings zu charakterisieren, die sich im Nahfeld eines zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten Ultraschallwandlers befinden.
Die sogenannte AVG-Methode (AVG = Amplitude, Verstärkung, Größe; englisch: DGS = Distance, gain, size) wurde in den späten 50er Jahren des 20. Jahrhunderts in Europa entwickelt. Sie ist eine Methode zur quantitativen Beurteilung von Fehlern bzw. Ungänzen im Material eines Prüflings und basiert auf einem Vergleich der von einem Fehler bzw. einer Ungänze herrührenden Echoanzeige mit der Amplitude eines definiert angeschallten Vergleichsreflektors. In der Praxis wird der senkrecht angeschallte Kreisscheibenreflektor verwendet. Im Rahmen der AVG-Methode wird also ein aufgefundener Fehler bzw. eine aufgefundene Ungänze quantitativ charakterisiert durch einen Vergleich mit der Größe eines Kreisscheibenreflektors, der eine Fehleranzeige mit äquivalenter Echoamplitude liefert. Die Größe eines solchen Kreisscheibenreflektors wird als „Ersatzreflektorgröße” ERG (englisch: ERS = „equivalent reflector size”) des zu charakterisierenden Fehlers/der zu charakterisierenden Ungänze bezeichnet. Theoretisch kann auch mit anderen Vergleichsreflektoren gearbeitet werden, z. B. mit Querbohrungen. Dies ist jedoch unüblich.
Auch wenn die mittels der AVG-Methode bestimmten Fehlergrößen/ERG-Werte nur unter engen Voraussetzungen vergleichbar sind mit der tatsächlichen Fehlergröße bzw. der Größe einer Ungänze, wie sie beispielsweise mittels zerstörender Prüfung bestimmt werden kann, so hat sie doch Eingang in vielfältige Prüfnormen gefunden, so beispielsweise in die Europäische Prüfnorm EN 583-2:2001.
Betrachtet man das Schallfeld, welches von einem beispielsweise kreisförmigen ebenen Ultraschallwandler erzeugt wird, so stellt man fest, dass sich entlang der akustischen Achse angrenzend an die Oberfläche des Ultraschallwandlers eine Mehrzahl aufeinander folgender Maxima des Schalldrucks ausbilden. Der Abstand des letzten Schalldruckmaximums auf der akustischen Achse vom Ultraschallwandler wird als Nahfeldlänge N bezeichnet, das Schallfeld zwischen Ultraschallwandler und Nahfeldlänge als Nahfeld, das sich hieran anschließende Schallfeld als Fernfeld. Im Rahmen theoretischer Erwägungen und praktischer Überprüfungen hat sich erwiesen, dass die Echoamplitude eines senkrecht angeschallten Kreisscheibenreflektors im Fernfeld charakteristisch mit dem Abstand zwischen Ultraschallwandler und Kreisscheibenreflektor abfällt. Zeichnet man für einen gegebenen, beispielsweise kreisförmigen, Ultraschallwandler mit gegebenem Wandlerdurchmesser sowie Sendefrequenz für eine Mehrzahl von Kreisscheibenreflektoren unterschiedlicher Durchmesser den Verlauf der Echoamplitude des jeweiligen Verstärkungsfaktors f der erforderlich ist, um die Echoanzeige des Kreisscheibenreflektors auf die Höhe eines Referenzechos zu bringen, als Funktion des Abstands zwischen Kreisscheibenreflektor und Ultraschallwandler, so erhält man eine Kurvenschar, die als „AVG-Diagramm” bezeichnet wird. Ein solches der DEN 583:2-2001- entnommenen AVG-Diagramms ist beispielhaft in 1 wiedergegeben. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass experimentell ermittelte Echoamplituden an Kreisscheibenreflektoren den theoretisch vorher gesagten Kurven im AVG-Diagramm mit guter Genauigkeit folgen, sofern der Abstand zwischen Ultraschallwandler und Kreisscheibenreflektor mindestens 70% der Nahfeldlänge N des zur Ultraschallerzeugung verwendeten Ultraschallwandlers beträgt. Folgerichtig schreibt auch die vorstehend genannte europäische Prüfnorm EN 583-2:2001 vor, dass im Rahmen des AVG-Verfahrens vorgenannte Bedingung zwingend beachtet werden muss. Dies bedeutet in der Praxis, dass zur Prüfung oberflächennaher Bereiche eines Prüflings zwingend auf Prüfköpfe mit kleiner Nahfeldlänge zurückgegriffen werden muss. Dies stellt aber eine Einschränkung bezüglich der Sendefrequenz des verwendeten Prüfkopfs bzw. der Abmessungen des zur Ultraschallerzeugung im Prüfkopf eingesetzten Ultraschallwandlers dar. Diese können in Abhängigkeit von der zu lösenden Prüfaufgabe nachteilig sein, da beispielsweise unterschiedliche Ultraschallfrequenzen eine unterschiedlich starke Schallschwächung im Material des zu untersuchenden Prüflings erfahren. Darüber hinaus bestimmen die geometrischen Abmessungen des zur Ultraschallerzeugung eingesetzten Ultraschallwandlers sowohl die Divergenz des erzeugten Schallfelds als auch die maximal erzielbaren Schalldrucke.
Dies hat zur Folge, dass zur umfassenden Ultraschallprüfung eines Prüflings in der Regel eine Vielzahl verschiedener Ultraschallprüfköpfe mit unterschiedlichen Sendefrequenzen und Wandlerabmessungen vorgehalten werden muss.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, die die vorgenannten Nachteile vermeiden. Insbesondere soll die Vorrichtung bzw. das Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall geeignet sein, wobei die Vorrichtung zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen im Material des Prüflings nach der AVG-Methode eingerichtet ist, die sich im Nahfeld eines zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten Ultraschallwandlers befinden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9. Die sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Ultraschallprüfkopf mit einem Ultraschallwandler zur Erzeugung und Einkopplung eines Ultraschallfelds in den Prüfling sowie ggf. zur Aufnahme resultierender Echosignale aus dem Prüfling. Bevorzugt wird in Impuls-Echo-Technik gearbeitet, d. h. die Echosignale werden am Einkoppelort aufgenommen. Bei dieser Technik wird in der Regel ein und derselbe Prüfkopf sowohl zum Erzeugen und Einkoppeln der Ultraschallpulse in den Prüfling als auch zum Aufnehmen der Echosignale, d. h. der im Prüfling reflektierten Ultraschallpulse, verwendet. Grundsätzlich kann aber auch in Durchschallung gearbeitet werden, d. h. es werden getrennte Prüfköpfe zum Erzeugen und Einkoppeln der Ultraschallpulse in den Prüfling sowie zum Aufnehmen der Echosignale, d. h. der Signale, die den Prüfling durchlaufen haben und dabei an einem Fehler oder einer Ungänze reflektiert wurden, verwendet. In diesem Fall würde die Vorrichtung einen zweiten Ultraschall-Empfangsprüfkopf umfassen, der vergleichbar dem ersten Ultraschall-Sendeprüfkopf aufgebaut und zum Empfangen der Echosignale aus dem Prüfling eingerichtet ist.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Ansteuereinheit zur Ansteuerung des Ultraschall-Sendeprüfkopfs, dergestalt, dass dieser Ultraschallpulse mit einer bestimmten Bandbreite B erzeugt. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Empfangseinheit zum Aufnehmen von Echosignalen mittels des Ultraschallprüfkopfs aus dem Prüfling, wobei hier ggf. ein separat vom Sendeprüfkopf ausgebildeter Empfangsprüfkopf mit bevorzugt identischen Ultraschalleigenschaften verwendet werden kann. Schließlich umfasst die Vorrichtung eine mit der Empfangseinheit verbundene Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit ist zur Verarbeitung der von der Empfangseinheit aufgenommenen Echosignale aus dem Prüfling eingerichtet.
Erfindungsgemäß ist nun die Auswerteinheit dazu eingerichtet, aus Echosignalen, die aus dem Prüfling aufgenommen werden und die auf Fehler oder Ungänzen im Material des Prüflings zurückgehen, gemäß der AVG-Methode eine Ersatzreflektorgröße ERG des echoerzeugenden Fehlers oder der echoerzeugenden Ungänze zu bestimmen. Dabei ist Grundlage zur Bestimmung der Ersatzreflektorgröße ein AVG-Diagramm, welches von der Bandbreite B der eingeschallten Ultraschallpulse abhängig ist.
Das erfindungsgemäß zu verwendende bandbreitenabhängige AVG-Diagramm, welches den Verlauf der Echoamplitude eines Kreisscheibenreflektors oder einer äquivalenten Größe als Funktion des Abstands zwischen Ultraschallwandler und Kreisscheibenreflektor für eine Mehrzahl von Kreisscheibenreflektoren unterschiedlicher Durchmesser umfasst, kann dabei sowohl im Vorfeld der Messung experimentell bestimmt worden sein also auch auf theoretischen Überlegungen basieren. Insbesondere wird im Folgenden ein Verfahren skizziert, mit dem der Verlauf der Echoamplitude oder einer äquivalenten Größe eines Kreisscheibenreflektors als Funktion des Abstands zwischen Reflektor und Wandler berechnet werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll als „AVG-Diagramm” sowohl die vorstehend erwähnte Kurvenschar verstanden werden, die eine Vielzahl von Kurven für die Echoamplituden oder einer äquivalenten Größe von Kreisscheibenreflektoren unterschiedlicher Durchmesser als Funktion ihres Abstands vom Sendewandler umfasst, als auch eine geeignete mathematische Repräsentation einer solchen Kurvenschar beispielsweise in Form einer analytischen Funktion, welche als Parameter den Durchmesser des Kreisscheibenreflektors umfasst. Eine solche mathematische Repräsentation kann auch aus einer Tabelle bestehen, in der die Ergebnisse einer numerischen Berechnung des Verlaufs der Echoamplitude als Funktion des Abstands zwischen Sendewandler und Kreisscheibenreflektor für eine Mehrzahl verschiedener Reflektordurchmesser eingetragen sind.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, im allgemeinen also die Gesamtheit bestehend aus Ultraschallprüfkopf und Ansteuereinheit dazu eingerichtet, ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld zu erzeugen. Entsprechende insbesondere schrägeinschallende Ultraschallprüfköpfe sind beispielsweise aus der WO 2010/130819 A1 der Anmelderin bekannt. Aus dieser Anmeldung ergibt sich insbesondere, auf welche Weise ein einstückiger Sendewandler eines schräg einschallenden Ultraschallprüfkopfs gestaltet sein muss, um ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld zu erzeugen. Für die meisten Prüfaufgaben in Impulsechotechnik ist eine Schrägeinschallung wünschenswert oder sogar Voraussetzung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erlaubt ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld eine vereinfachte Berechnung des Material- bzw. Sendewandler-spezifischen AVG-Diagramms. Der WO2010/130819 A1 kann weiterhin entnommen werden, dass es auch mittels Gruppenstrahlertechnik möglich ist, ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld zu erzeugen. Hierzu werden z. B. selektierte Wandler eines zweidimensionalen ebenen Arrays von individuell ansteuerbaren Wandlern phasengenau angesteuert. Hierzu ist dann die Ansteuereinheit geeignet auszubilden. Beide hier erwähnte Möglichkeiten, ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld zu erzeugen, gehören zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Im Rahmen intensiver theoretischer Untersuchungen und praktischer Erprobungen wurde weiterhin festgestellt, dass sich bei einer Verwendung von Impulsschall Unterschiede im AVG-Diagramm in Abhängigkeit von der Polarisation des Ultraschallpulses im Prüfling ergeben. In einer bevorzugten Weiterbildung berücksichtigt daher das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene AVG-Diagramm die Polarisation der Prüfpulse im Material des Prüflings. Es hat sich allerdings weiterhin herausgestellt, dass in vielen praktischen Anwendungsfällen die Unterschiede in den AVG-Diagrammen für die verschiedenen Polarisationsrichtungen so gering sind, dass sie experimentell praktisch nicht mehr aufzulösen sind. Es kann daher in einer vereinfachten Ausgestaltung für beide Polarisationsrichtungen mit einem einheitlichen AVG-Diagramm gearbeitet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Ansteuereinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu eingerichtet, zur Bestimmung der Ersatzreflektorgröße eines aufgefundenen Fehlers bzw. einer aufgefundenen Ungänze ein Verfahren auszuführen, in dessen Rahmen die Echoamplitude eines Referenzreflektors an einem Testkörper aufgenommen wird. Der Referenzreflektor liegt dabei im Abstand d_ref vom Prüfkopf. In der Regel wird auf das Rückwandecho eines Testkörpers mit kreisbogenförmiger Rückwand zurückgegriffen (sog. Testkörper Nr. 1). In diesem Fall muss bei der Bestimmung der Echohöhe des Rückwandechos noch die sog. Amplitudenkorrektur berücksichtigt werden, die der Tatsache Rechnung trägt, dass die reflektierende Fläche nicht eben, sondern gewölbt ist und damit eine fokussierende bzw. defokussierende Wirkung zeigt. Denkbar ist aber auch, dass auf alternative Referenzreflektoren zurückgegriffen wird, z. B. auf den Boden einer Kreisbohrung. Anhand der so bestimmten Echoamplitude kann die für den Referenzreflektor spezifische theoretische AVG-Kurve, also in der Regel die Rückwandechokurve, im AVG-Diagramm in y-Richtung so verschoben werden, dass das erfasste Referenzecho auf der verschobenen AVG-Kurve zu liegen kommt.
Um den ERG-Wert eines aufgefundenen Fehlers bzw. einer aufgefundenen Ungänze zu bestimmen, der in einem bestimmten Abstand d_Fehler vom Prüfkopf liegt, wird der Verstärkungsfaktor G_ref bestimmt, der eingestellt werden muss, um die Echoamplitude des Referenzechos auf einen bestimmten Wert, typisch 80% der maximalen Anzeigenhöhe, einzustellen.
Im nächsten Schritt wird der Verstärkungsfaktor G_Fehler bestimmt, der benötigt wird, die Echoamplitude des Fehlers auf denselben Wert wie das Referenzecho einzustellen, also z. B. 80% Anzeigenhöhe. Nachfolgend wird im AVG-Diagramm an der Position des Referenzechos d_ref die Differenz ΔG der beiden Verstärkungswerte in y-Richtung nach unten abgetragen, also ΔG = G_Fehler – G_ref. Im nächsten Schritt wird in x-Richtung die Differenz Δd der Abstände d_ref und d_Fehler nach links abgetragen, also Δd = d_ref – d_Fehler. Der sich ergebende Endpunkt liegt dann auf der AVG-Kurve desjenigen Kreisscheibenreflektors, der ein Echosignal gleicher Höhe erzeugen würde. Dieses Verfahren ist schematisch in 2 illustriert.
Durch Identifikation der durch den Durchmesser D des Kreisscheibenreflektors charakterisierten AVG-Kurve, auf der der wie vorstehend beschriebene Endpunkt zu liegen kommt, wird dann der ERG-Wert des aufgefundenen Fehlers bestimmt. Dies kann einerseits durch Auswahl derjenigen in der Auswerteeinheit gespeicherten AVG-Kurve geschehen, die die geringste Abweichung in y-Richtung vom ermittelten Endpunkt hat. Dies kann aber auch durch eine geeignete Interpolation zwischen den in der Auswerteeinheit gespeicherten AVG-Kurven geschehen. Liegt in der Auswerteeinheit die allgemeine AVG-Kurve für den gewählten Typ des Referenzreflektors in Form einer Funktion vor, die von der charakteristischen Größe des gewählten Referenzreflektors abhängt, z. B. dem Durchmesser D eines Kreisscheibenreflektors, so kann hiermit die charakteristische Größe des Referenzreflektors rechnerisch bestimmt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann diese Funktionalität vorteilhaft angewendet werden auf die automatische Bestimmung der Ersatzreflektorgröße ERG eines im Nahfeld des für die Ultraschalluntersuchung verwendeten Prüfkopfs befindlichen Fehlers bzw. einer dort befindlichen Ungänze. Die automatische Ermittlung des Parameters P führt zu einer erhöhten Reproduzierbarkeit und Objektivität des Prüfergebnisses.
Im Rahmen der theoretischen bzw. praktischen Erprobung der vorliegenden Erfindung hat sich weiterhin erwiesen, dass sich das AVG-Diagramm eines gegebenen Sendewandlers in einem gegebenen Material nicht nur dann besonders einfach gestaltet, wenn das vom Sendewandler in den Prüfling eingekoppelte Schallfeld im Prüfling rotationssymmetrisch ist, sondern wenn darüber hinaus noch die Bedingung erfüllt ist, dass die Abmessungen des Ultraschallsendewandlers groß sind gegenüber dem Durchmesser eines Kreisscheibenreflektors, dessen abstandsabhängiges Echosignal berechnet werden soll. Wie der WO 2010/130819 A1 der Anmelderin entnommen werden kann, kann bei Schrägeinschallung ein rotationssymmetrisches Schallfeld im Prüfling erzeugt werden, wenn der Sendewandler annähernd elliptisch geformt ist. In einem solchen Fall kann beispielsweise im Kontexte der vorliegenden Erfindung als Durchmesser D des Sendewandlers der Durchmesser eines kreisförmigen Sendewandlers gleicher Fläche angenommen werden.
Diese Annahme hat sich der Praxis als tragfähig erwiesen, was vermutlich daher rührt, dass die Schallleistung verschieden geformter aber ansonsten identischer flächengleicher Ultraschallwandlers identisch ist. Das theoretisch berechnete Echosignal weist insbesondere dann eine noch geringe Abweichung von experimentell ermittelten Werten auf, wenn der so definierte „Durchmesser” des elliptischen Sendewandlers zumindest doppelt so groß ist wie der Durchmesser des betrachteten Kreisscheibenreflektors. Abhängig von der konkreten Geometrie sowie der Sendefrequenz des verwendeten Sendewandlers kann auch ein restriktiveres Kriterium erforderlich sein, beispielsweise, dass die charakteristischen Abmessungen des Sendewandlers mindestens viermal oder insbesondere bevorzugt achtmal größer sein müssen als der Durchmesser des betrachteten Kreisscheibenreflektors.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend weitergebildet, dass die umfasste Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, eine Anzeige für einen menschlichen Bediener zu erzeugen, sofern das Verhältnis zwischen der aus einer Fehleranzeige auf geeignete Weise, beispielsweise im Rahmen einer Fitroutine, bestimmten Ersatzreflektorgröße ERG zu typischen Dimensionen des verwendeten Sendewandlers eine voreingestellte Schwelle überschreitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall. Es dient zur Charakterisierung von solchen Fehlern oder Ungänzen im Material des Prüflings mittels der AVG-Methode, die sich im Nahfeld eines zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten Ultraschallwandlers befinden. Dabei umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:

a. Einkoppeln von Ultraschallpulsen mit einer bestimmten Bandbreite B in den Prüfling,
b. Aufnehmen von Echosignalen aus dem Prüfling, die mit einem Fehler oder einer Ungänze korreliert sind,
c. Bestimmen einer Ersatzreflektorgröße ERG eines die aufgenommenen Echosignale hervorrufenden Fehlers oder Ungänze aus empfangenen Echosignalen auf Basis eines AVG-Diagramms, welches unter Berücksichtigung der Bandbreite B der eingeschallten Ultraschallpulse ermittelt wurde.

Bevorzugt wird in Impuls-Echo-Technik gearbeitet, d. h. die Echosignale werden am Einkoppelort aufgenommen. Bei dieser Technik wird in der Regel ein und derselbe Prüfkopfs sowohl zum Erzeugen und Einkoppeln der Ultraschallpulse in den Prüfling als auch zum Aufnehmen der Echosignale, d. h. der im Prüfling reflektierten Ultraschallpulse, verwendet. Grundsätzlich kann aber auch in Durchschallung gearbeitet werden, d. h. es werden getrennte Prüfköpfe zum Erzeugen und Einkoppeln der Ultraschallpulse in den Prüfling sowie zum Aufnehmen der Echosignale, d. h. der Signale, die den Prüfling durchlaufen haben und dabei an einem Fehler oder einer Ungänze reflektiert wurden, verwendet.
Die vorliegende Erfindung macht es erstmalig möglich, Fehler mittels der AVG-Methode zu charakterisieren, die sich im Nahfeld des verwendeten Sendewandlers befinden. Dies vereinfacht die Anwendung der AVG-Methode erheblich, da die Anzahl der für eine Prüfaufgabe erforderlichen Ultraschallprüfköpfe deutlich verringert wird. Wird nach dem Stand der Technik mit der AVG-Methode gearbeitet, so sind reproduzierbare Ergebnisse nur im Fernfeld des Sendewandlers erzielbar. Legt eine Echoanzeige nahe, dass ein Fehler/eine Ungänze innerhalb des Nahfelds des Sendewandlers liegt, muss auf einen Prüfkopf mit einem Sendewandler ausgewichen werden, der eine geringere Nahfeldlänge aufweist. Dies erhöht einerseits den apparativen Aufwand, verlängert aber auch die Prüfdauer. Darüber hinaus stellt ein Prüfkopfwechsel unvermeidlich eine Quelle für Prüfungenauigkeiten dar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erzeugen die Ultraschallpulse ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die zur Prüfung verwendeten Ultraschallpulse schräg in den Prüfling eingeschallt werden, was für viele Prüfaufgaben von Vorteil oder sogar zwingend erforderlich ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass sowohl der zum Senden verwendete Ultraschallprüfkopf als auch der zum Empfangen verwendete Ultraschallprüfkopf nur einen Ultraschallwandler umfassen können, der die Eigenschaften des vom Prüfkopf erzeugten/aufgenommenen Ultraschallfelds Ausbreitungsrichtung, Durchmesser und Öffnungswinkel bzw. Strahlform im Allgemeinen bestimmt. Es ist aber auch möglich, ein Ultraschallfeld mittels eines Sendeprüfkopfs zu erzeugen bzw. mittels eines Empfangsprüfkopfs aufzunehmen, der eine Vielzahl phasengenau individuell ansteuerbarer Ultraschallwandler umfasst, z. B. in Form eines segmentierten großflächigen Ultraschallwandlers. Ein solcher „Gruppenstrahler” erlaubt durch phasengenaue Ansteuerung der individuellen Ultraschallwandler eine weitreichende Strahlsteuerung, d. h. eine gezielte Einstellung von Orientierung der Ausbreitungsrichtung, Durchmesser und Öffnungswinkel bzw. Strahlform im Allgemeinen des erzeugten bzw. aufgenommenen Ultraschallfelds. Auch diese als „Phased Array”-Technik bekannte Technik kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das AVG-Diagramm unter Berücksichtigung der Polarisation P (Longitudinal vs. Transversal) der eingeschallten Ultraschallpulse bestimmt. Dies führt zu einer nochmaligen Erhöhung der Genauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit der Fehlergrößenbestimmung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ebenso kann die Reproduzierbarkeit der Fehlergrößenbestimmung verbessert werden, indem im Rahmen des Verfahrens ein AVG-Diagramm in Form einer Funktion verwendet wird, die den Durchmesser DKSR eines Kreisscheibenreflektors als Parameter p enthält. Zur Bestimmung der Ersatzreflektorgröße ERG eines aufgefundenen Fehlers/einer aufgefundenen Ungänze wird dann das vorstehend beschriebene Verfahren ausgeführt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zu einer Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen Fehlern oder Ungänzen im Material des Prüflings nach der AVG-Methode insbesondere geeignet sind, die sich im Nahfeld eines zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten Ultraschallwandlers befinden. Die Vorrichtung sowie das Verfahren sind aber ebenso geeignet zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen Fehlern oder Ungänzen im Material des Prüflings nach der AVG-Methode, die sich im Fernfeld eines zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten Ultraschallwandlers befinden, oder die dem Abstandskriterium der eingangs zitierten Europäischen Prüfnorm EN 583-2:2001 genügen.
Selbstverständlich können alle Merkmale der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfindung beliebig miteinander kombiniert werden, soweit dies technisch möglich ist. Dies gilt auch für die Merkmale des nachfolgenden Ausführungsbeispiels, aus welchem sich weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben. Das Ausführungsbeispiel dient dem Fachmann zur Veranschaulichung der Erfindung und ist daher beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Es nimmt Bezug auf die Figuren, die folgendes zeigen:
1: ein AVG-Diagramm für Dauerschall gemäß des Stands der Technik (der EN 583:2-2001 entnommen),
2: ein beispielhaftes AVG-Diagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Bestimmung der Ersatzreflektorgröße eines Fehlers,
3: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4: die Geometrie des Schallfelds am Nahfeldende,
5: den verwendeten Ultraschallpuls mit Einhüllender,
6: das Spektrum des verwendeten Ultraschallpulses,
7: eine graphische Darstellung einer Mehrzahl von Versuchsmessungen, an die ein AVG-Diagramm nach dem Stand der Technik angepasst wurde, und
8: eine graphische Darstellung der Mehrzahl von Versuchsmessungen aus 7, an die ein bandbreitenabhängiges AVG-Diagramm nach der vorliegenden Erfindung angepasst wurde.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung 1 zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings 100 mittels Ultraschall. Die Prüfvorrichtung 1 ist zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen 99 im Material des Prüflings 100 nach der AVG-Methode eingerichtet, die sich insbesondere im Nahfeld eines zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten Ultraschallwandlers 14 befinden können. Die Prüfvorrichtung 1 umfasst einen Ultraschallprüfkopf 10 mit einem einstückigen Ultraschallwandler 12 zur Erzeugung und Einkopplung eines Ultraschallfelds in den Prüfling 100 sowie zur Aufnahme resultierender Echosignale aus dem Prüfling 100. Der Prüfkopf 10 ist zu einer Schrägeinschallung in den Prüfling 100 eingerichtet. Hierzu ist der Ultraschallwandler 12 auf einem keilförmigen Vorlaufkörper 14 angeordnet.
Weiterhin umfasst die Prüfvorrichtung 1 eine Ansteuereinheit 20 zur Ansteuerung des Ultraschallprüfkopfs 10, so dass dieser eine Folge von Ultraschallpulsen mit einer bestimmten Sendefrequenz f, die typisch zwischen 1 und 5 MHz liegt, und einer Bandbreite B, die typisch zwischen 20 und 40% liegt, erzeugt. Die Pulsfolgefrequenz liegt typisch im Bereich einiger kHz. Die Ansteuereinheit 20 ist mit dem Prüfkopf 10 und insbesondere mit dessen Ultraschallwandler 12 verbunden.
Weiterhin ist eine Empfangseinheit 30 zum Aufnehmen von Echosignalen mittels des Ultraschallprüfkopfs 10 vorgesehen. Auch die Empfangseinheit 30 ist mit dem Prüfkopf 10 und insbesondere mit dessen Ultraschallwandler 12 verbunden.
Schließlich ist eine sowohl mit der Ansteuereinheit 20 als auch mit der Empfangseinheit 30 verbundene Auswerteeinheit 40 vorgesehen, die zur Verarbeitung der vom Ultraschallwandler 12 des Prüfkopfs 10 aufgenommenen Echosignale aus dem Material des Prüflings 100 eingerichtet ist. Die Auswerteeinheit 40 ist mit einer Anzeigeeinrichtung 42 in Form eines LCD oder OLED verbunden, auf der z. B. die Amplitude der empfangenen Echosignale zeitlich aufgelöst dargestellt werden kann (A-Scan). Äquivalent zur Darstellung der Echoamplitude ist eine Darstellung des Verstärkungsfaktors f, der erforderlich ist, um das maximale Echosignal eines Fehlers/einer Ungänze 100 auf die Echohöhe eines gleich weit vom Sendewandler beabstandeten Referenzreflektors (z. B. Rückwandecho) zu bringen. Beispielhaft ist in 1 ein AVG-Diagramm gezeigt, das der EN 583:2-2001 entnommen ist.
Zur Bestimmung der Ersatzreflektorgröße eines aufgefundenen Fehlers bzw. einer aufgefundenen Ungänze ist die Vorrichtung 1 dazu eingerichtet, ein Verfahren auszuführen, in dessen Rahmen die Echoamplitude eines Referenzreflektors an einem Testkörper aufgenommen wird. Der Referenzreflektor liegt dabei im Abstand d_ref vom Prüfkopf. In der Regel wird auf das Rückwandecho eines Testkörpers mit kreisbogenförmiger Rückwand zurückgegriffen (sog. Testkörper 1).
Um den ERG-Wert eines aufgefundenen Fehlers bzw. einer aufgefundenen Ungänze zu bestimmen, der in einem bestimmten Abstand d_Fehler vom Prüfkopf liegt, wird der Verstärkungsfaktor G_ref bestimmt, der eingestellt werden muss, um die Echoamplitude des Referenzechos auf einen bestimmten Wert, typisch 80% der maximalen Anzeigenhöhe, einzustellen.
Im nächsten Schritt wird der Verstärkungsfaktor G_Fehler bestimmt, der benötigt wird, die Echoamplitude des Fehlers auf denselben Wert wie das Referenzecho einzustellen, also z. B. 80% Anzeigenhöhe. Nachfolgend wird im AVG-Diagramm an der Position des Referenzechos d_ref die Differenz ΔG der beiden Verstärkungswerte in y-Richtung nach unten abgetragen, also ΔG = G_Fehler – G_ref. Im nächsten Schritt wird in x-Richtung die Differenz Δd der Abstände d_ref und d_Fehler nach links abgetragen, also Δd = d_ref – d_Fehler. Der sich ergebende Endpunkt liegt dann auf der AVG-Kurve desjenigen Kreisscheibenreflektors, der ein Echosignal gleicher Höhe erzeugen würde. Dieses Verfahren ist schematisch in 2 illustriert.
Durch Identifikation der durch den Durchmesser D des Kreisscheibenreflektors charakterisierten AVG-Kurve, auf der der wie vorstehend beschriebene Endpunkt zu liegen kommt, wird dann der ERG-Wert des aufgefundenen Fehlers bestimmt. Dies kann einerseits durch Auswahl derjenigen in der Auswerteeinheit gespeicherten AVG-Kurve geschehen, die die geringste Abweichung in y-Richtung vom ermittelten Endpunkt hat. Dies kann aber auch durch eine geeignete Interpolation zwischen den in der Auswerteeinheit gespeicherten AVG-Kurven geschehen. Liegt in der Auswerteeinheit die allgemeine AVG-Kurve für den gewählten Typ des Referenzreflektors in Form einer Funktion vor, die von der charakteristischen Größe des gewählten Referenzreflektors abhängt, z. B. dem Durchmesser D eines Kreisscheibenreflektors, so kann hiermit die charakteristische Größe des Referenzreflektors rechnerisch bestimmt werden. Das Verfahren kann dabei in der Ansteuereinheit 20, der Auswerteeinheit 40 oder auch in einer übergeordneten Steuereinheit, die Teil der Vorrichtung 1 ist, implementiert sein.
Ansteuereinheit 20, Empfangseinheit 30 sowie Auswerteeinheit 40 incl. Anzeigeeinrichtung 42 sind in einem gemeinsamen Ultraschallsteuergerät 50 untergebracht, welches über eine Kommunikationsleitung 60 mit dem Prüfkopf 10 verbunden ist.
In einer alternativen Ausgestaltung können die Ansteuereinheit 20, die Empfangseinheit 30 sowie die Auswerteeinheit 40 einzeln oder gemeinschaftlich sowie teilweise oder vollständig in den Prüfkopf 10 integriert sein.
Der Ultraschallprüfkopf 10 ist gemäß der WO 2010/130819 A1 aufgebaut, so dass er ein im Prüfling 100 zur akustischen Achse rotationssymmetrisches Schallfeld erzeugt. Hierzu ist in der Regel ein nur angenähert kreisförmiger sowie nicht planarer Ultraschallwandler erforderlich, dessen „Durchmesser” im Folgenden mit D bezeichnet wird. Im einleitenden Teil war bereits eine Größe angegeben worden, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung als äquivalent zu dem „Durchmesser” D eines solchen nur angenähert kreisförmigen Ultraschallwandlers 12 angesehen werden kann. Hierauf wird Bezug genommen.
Die Auswerteeinheit 40 ist dazu eingerichtet ist, aus empfangenen Echosignalen auf Basis eines unter Berücksichtigung der Bandbreite B der eingeschallten Ultraschallpulse sowie der geometrischen Abmessungen des im Wesentlichen kreisförmigen Ultraschallwandlers 12 theoretisch oder experimentell ermittelten AVG-Diagramms eine Ersatzreflektorgröße ERG des Fehlers oder der Ungänze 99 zu bestimmen. Hierzu ist in der Auswerteeinheit 40 das AVG-Diagramm als analytische Funktion F hinterlegt, die den Durchmesser D_KSR eines Kreisscheibenreflektors als Parameter p enthält. Alternativ kann die Funktion F auch in numerischer Form für eine Vielzahl verschiedener Parameter p hinterlegt sein.
Um dem Benutzer der Vorrichtung einen Zahlenwert für die Ersatzreflektorgröße ERG des aufgefundenen Fehlers/der aufgefundenen Ungänze 99 zu liefern, der den Fehler/die Ungänze 99 reproduzierbar charakterisiert, ist die Auswerteeinheit 40 dazu eingerichtet ist, aus dem ermittelten Verstärkungsfaktor für eine Anzeigenhöhe von z. B. 80% rechnerisch aus der Funktion F den Parameter p, d. h. den Durchmesser D eines äquivalenten Kreisscheibenreflektors zu bestimmen. Dieser Durchmesser stellt die Ersatzreflektorgröße des Fehlers/der Ungänze 99 gemäß AVG-Methode dar. Im Ergebnis erhält der Benutzer aus dieser Anpassung einen reproduzierbaren Wert für die Ersatzreflektorgröße ERG des aufgefundenen Fehlers/der aufgefundenen Ungänze 99, der z. B. protokolliert werden kann.
Weiterhin ist die Auswerteeinheit 40 dazu eingerichtet, eine Anzeige für einen menschlichen Bediener in Form eines akustischen Warnsignals sowie einer optischen Fehleranzeige in Form eines farbcodierten Hinweisanzeigefelds 42 zu erzeugen, sofern das Verhältnis des vorstehend definierten „Durchmessers” D zu der aus einer Fehleranzeige bestimmten Ersatzreflektorgröße ERG eine vorbestimmte Schwelle S unterschreitet. Als geeigneter maximaler Schwellwert hat sich der Wert ½ erwiesen. Eine höhere Messgenauigkeit bzw. eine verbesserte Reproduzierbarkeit werden erzielt, wenn der Schwellwert S niedriger gewählt wird, z. B. ¼ oder sogar 1/8. Erzeugt die Auswerteeinheit 40 eine solche Anzeige, dann sollte der gemessene ERG-Wert vom Bediener ignoriert werden. Alternativ ist die Auswerteeinheit 40 so eingerichtet, dass ein solcher ERG-Wert automatisch verworfen wird.
Ein möglicher Weg zur theoretischen Bestimmung des Schalldrucks auf der akustischen Achse für Impulsschall geht aus von Überlegungen zum Schalldruck eines Kreisförmigen Sendewandlers mit dem Durchmesser D für Dauerschall. Der Schalldruck p_A(z, t) in der Entfernung z vom Wandler zur Zeit t wird in diesem Falle mit der folgenden Formel berechnet:
mit:

• w: Kreisfrequenz
• Z: akustische Impedanz
• k: Wellenzahl
• S: Fläche des Kreiswandlers

Damit folgt:
Zunächst wird die Integration nach φ ausgeführt:
Diese Integralgleichung ist algebraisch lösbar:
mit der Schallgeschwindigkeit c.
Mit Hilfe der trigonometrischen Additionstheoreme lässt sich dieser Ausdruck vereinfachen:
Das Interesse gilt nur den zeitunabhängigen Extrema p_max(z) des Schalldrucks p_A(z, t). Daher werden für den Cosinus-Ausdruck nur die Extremwerte benutzt und der Absolutwert des Sinus-Ausdrucks betrachtet:
Der Abstand vom Wandler bis zum letzten Schalldruckmaximum auf der akustischen Achse wird als Nahfeldlänge N bezeichnet. Aus dem Argument des Sinus-Ausdrucks in Gleichung (9) können die Extrema abgeleitet werden. Die Sinus-Funktion hat allgemein die Extrema bei: 2n+1 / 2π mit n ∊ N₀ (10)
Damit muss der folgende Ausdruck untersucht werden:
Quadrieren der Gleichung und Auflösen nach z ergibt:
Damit nimmt z dann ein Maximum an, wenn der Ausdruck hinter dem Minuszeichen im Zähler ebenso wie der Nenner möglichst klein ist, also für n = 0. Damit gilt z_max = N:
Aus 4 kann der folgende Zusammenhang abgeleitet werden:
Die Anwendung des Satzes von Pythagoras auf das rechtwinklige Dreieck, gebildet aus dem halben Wandlerdurchmesser D/2, der Nahfeldlänge N und dem Randstrahl r, um die Länge des Randstrahls r bis zum Nahfeldende zu berechnen, ergibt:
Das heißt, der Wegunterschied zwischen Zentralstrahl und Randstrahl am Nahfeldende beträgt genau λ/2 bei Dauerschall. In der Praxis wird häufig anstelle Gleichung (13) für die Nahfeldlänge N aufgrund der Tatsache, dass in der Regel D >> λ ist, die folgende Näherung benutzt:
Zur beispielhaften Berechnung für Impulsschall wird als Einhüllende der Cosinus-Funktion eine Gauß-Kurve mit einer Zentralfrequenz von 4 MHz gewählt, wie in 5 dargestellt. Die Approximation durch eine Gauß-Kurve ist in der Praxis in den meisten Fällen gerechtfertigt, die Zentralfrequenz ist typisch gewählt. Der verwendete Impuls ist in 6 dargestellt und hat eine beispielhaft gewählte Bandbreite von 30%.
Mit diesem Impuls wird der Schalldruck auf der akustischen Achse mit folgenden beispielhaften, aber typischen Werten berechnet:

• c = 5,92 km/s (Schallgeschwindigkeit im Prüfling)
• D = 20 mm (Wandlerdurchmesser)
• f = 4 MHz (Zentralfrequenz des Ultraschallpulses)

Das Ergebnis der Berechnung ist in 7 dargestellt. Das Maximum dieser Schalldruckkurve liegt bei 85,4 mm. Wird dagegen die Nahfeldlänge nach Formel (13) berechnet, ergibt sich 67,2 mm. Berechnet nach der vereinfachten Formel (15) ergibt sich 67,6 mm. Offenkundig ist die Nahfeldlänge abhängig von der Bandbreite des verwendeten Impulses, wie sich auch aus Tabelle 1 ergibt, in der für konstante Wandlerabmessungen D und Zentralfrequenz f die Abhängigkeit der Nahfeldlänge von der Bandbreite des Ultraschallpulses eingetragen ist:

Bandbreite Nahfeldlänge

20% 78,1 mm

30% 85,4 mm

40% 91,7 mm

50% 97,2 mm

Tabelle 1: Nahfeldlänge in Abhängigkeit von der Bandbreite
Zur Berechnung des Schalldrucks auf der akustischen Achse für Impulsschall wurde das für Dauerschall gültige Integral (5) wie folgt modifiziert:
Die gewählte Gauß-Kurve wandert mit dem Schall mit. Damit kann der Impuls modelliert werden. Diese Gleichung kann nur noch numerisch gelöst werden. Mit dem Faktor A wird die Bandbreite eingestellt. Zur Lösung des Integrals werden wieder die trigonometrischen Additionstheoreme verwendet. Damit kann das obige Integral in zwei Integrale zerlegt werden:
Damit ergibt sich für die Lösung von p(z, t) ein Ausdruck der Form: F = x₁cos(ωt) + x₂sin(ωt) (18)
Aus der folgenden Gleichung können die Werte für B und für φ ermittelt werden: x₁cos(ωt) + x₂sin(ωt) = Bsin(ωt + φ) ⇒ x₁cos(ωt) + x₂sin(ωt) = Bsin(ωt)cos(φ) + Bcos(ωt)sin(φ) (19)
Aus der letzten Gleichung folgt durch Vergleich: x₁ = Bsin(φ) x₂ = Bcos(φ) (20)
Daher gilt weiterhin:
Damit kann jetzt für jede Tiefe z der Schalldruck p_A auf der akustischen Achse für jeden Zeitpunkt t angegeben werden als: p_A(z, t) = B(z)sin(ωt + φ) (22)
Da hier nur der maximale Schalldruck p_Amax von Interesse ist, ergibt sich dieser aus: p_Amax = |B(z)| (23)
Die Kurve für das Rückwandecho p_rwe(z, t) erhält man, wenn man berücksichtigt, dass Ultraschall an der Rückwand total reflektiert wird und wieder zum Wandler zurückkommt. Allerdings hat der Schall jetzt den Weg 2z (mit z: Abstand zur Rückwand) zurückgelegt. Daher muss die Gleichung (16) entsprechend angepasst werden (z wird durch 2z ersetzt):
Dies stellt die Gleichung für das Rückwandecho dar, welche in der Regel numerisch gelöst werden muss.
Zur Berechnung der ERG-Kurven p_ksr(z, t) wird angenommen, dass der Kreisscheibenreflektor über die ganze Fläche mit dem berechneten Schalldruck p(z, t) auf der akustischen Achse im Abstand z schwingt. Es wurden nur die Abstände (kürzeste Laufzeit) zwischen Wandler und Kreisscheibenreflektor berücksichtigt. Der empfangene Schalldruck ergibt sich dann aus dem Doppelintegral über die Kreisscheibenfläche als Sender und über die Wandlerfläche als Empfänger. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Schalldruck des Kreisscheibenreflektors für die Entfernung von z bis 2z (Rückweg des Schalls) berechnet werden muss. Das gilt nicht für den Ausdruck für die Entfernung, denn der Schalldruck für den Hinweg p_A(z) geht bereits in die Berechnung ein. Unter Verzicht von Proportionalitäts-Faktoren ist dann das folgende Integral zu berechnen, wieder unter Zuhilfenahme der Additionstheoreme:
mit

• D: Wandlerdurchmesser
• D_KSR: Durchmesser des Kreisscheibenreflektors
• p_A(z): Maximaler Schalldruck auf der akustischen Achse im Abstand z

Nach der ggf. numerischen Berechnung dieses Integrals, in dem zur Vereinfachung verschiedene Proportionalitäts-Faktoren unterdrückt wurden, für alle gewünschten ERG-Kurven müssen die berechneten Kurven noch in den richtigen Abstand zur Rückwandechokurve verschoben werden. Zur Berechnung der notwendigen Verschiebungen können z. B. die Überlegungen auf den Seiten 102 und 103 des Buches Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Fünfte, völlig überarbeitete Auflage herangezogen werden. Diese Überlegungen betreffen nur das Fernfeld, so dass sie auch für Impulsschall übernommen werden können.
Im Ergebnis erhält man eine Vielzahl von ERG-Kurven, die spezifisch sind für den verwendeten Sendewandler, da sie von den geometrischen Abmessungen D des Sendewandlers, der Sendefrequenz f sowie der Bandbreite B der erzeugten Pulse abhängen. Gemeinsam mit der ebenfalls berechneten Kurve für das Rückwandecho bilden sie das Sendewandler-spezifische AVG-Diagramm für Impulsschall, welches auch im Nahfeld gültig ist und daher die Grundlage für eine reproduzierbare Bestimmung der Ersatzreflektorgröße ERG eines Fehlers/einer Ungänze 99 bilden kann, auch wenn dieser im Nahfeld des verwendeten Ultraschallsendeprüfkopfs liegt. Im Fernfeld nähert sich das AVG-Diagramm für Impulsschall dann dem im Stand der Technik, z. B. in der Prüfnorm EN 583-2:2001, verwendeten AVG-Diagramm für Dauerschall asymptotisch an.
Bei der Validierung der so berechneten ERG-Kurven wurde festgestellt, dass sich deutliche Abweichungen ergeben, wenn die Größe des Kreisscheibenreflektors vergleichbar wird mit der Größe des Sendewandlers. Dies hängt vermutlich mit der für große Ersatzreflektorgrößen ERG begrenzten Gültigkeit der Annahme zusammen, dass der Kreisscheibenreflektor über seine ganze Fläche mit derselben Schallamplitude schwingt. Um reproduzierbare experimentelle Ergebnisse zu erhalten hat es sich daher in der Praxis als sinnvoll erwiesen, das Kriterium zu beachten, dass die experimentell ermittelte Ersatzreflektorgröße nicht größer ist als der halbe Durchmesser D des Sendewandlers, wobei für den Durchmesser des in der Regel annähernd kreisförmigen Sendewandlers z. B. auf die vorstehend definierte Größe zurückgegriffen wird (Durchmesser eines flächengleichen. kreisförmigen Ultraschallwandlers).
Den Effekt des für Impulsschall bestimmten AVG-Diagramms auf das Nahfeld ist den 7 und 8 zu entnehmen. 7 zeigt eine graphische Darstellung einer Mehrzahl von experimentell gewonnen Verstärkungswerten gemäß der AVG-Methode, die in Versuchsmessungen an Kreisscheibenreflektoren (Sacklöcher ∅ 3 mm in unterschiedlicher Tiefe in einem Testkörper) gewonnen wurden. An diese experimentell gewonnenen Werte wurde ein AVG-Diagramm nach dem Stand der Technik, d. h. ein AVG-Diagramm gemäß EN 583-2:2001, angepasst wurde. Deutlich erkennbar sind die starken Abweichungen zwischen theoretischem Kurvenverlauf und den Messwerten im Nahfeld des Prüfkopfs. RW bezeichnet hier das Rückwandecho, ERS das Echo eines Kreisscheibenreflektors mit einem Durchmesser von 3,1 mm.
8 zeigt hingegen eine graphische Darstellung der Mehrzahl von Versuchsmessungen aus 7, an die ein bandbreitenabhängiges AVG-Diagramm nach der vorliegenden Erfindung angepasst wurde. Auch hier ergibt sich ein Durchmesser des untersuchten Kreisscheibenreflektors von 3,1 mm. Jedoch zeigt die Echokurve für einen Ersatzreflektor mit 3,1 mm auch innerhalb des Nahfelds des verwendeten Prüfkopfs noch eine gute Übereinstimmung mit den experimentell gewonnenen Werten. Dies impliziert, dass auch anhand von Echoamplituden eines im Nahfeld des Prüfkopfs gelegenen Fehlers/einer Ungänze 99 mit guter Genauigkeit und Reproduzierbarkeit dessen ERG-Wert bestimmt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Prüfvorrichtung
10: Prüfkopf
12: Ultraschallwandler
14: Vorlaufkörper
20: Ansteuereinheit
30: Empfangseinheit
40: Auswerteeinheit
42: Anzeigeeinrichtung
44: Hinweisanzeigefeld
50: Ultraschallsteuergerät
60: Kommunikationsleitung
99: Fehler, Ungänze
100: Prüfling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/130819 A1 [0012, 0012, 0019, 0048]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Europäische Prüfnorm EN 583-2:2001 [0003]
DEN 583:2-2001 [0004]
europäische Prüfnorm EN 583-2:2001 [0004]
Europäischen Prüfnorm EN 583-2:2001 [0028]
EN 583:2-2001 [0030]
EN 583:2-2001 [0041]
Prüfnorm EN 583-2:2001 [0079]
EN 583-2:2001 [0081]

Claims

Vorrichtung (1) zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings (100) mittels Ultraschall, wobei die Vorrichtung (1) zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen (99) im Material des Prüflings (100) nach der AVG-Methode eingerichtet ist, die sich im Nahfeld eines zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten Ultraschallwandlers (12) befinden, wobei die Vorrichtung (1) folgendes umfasst: a. einen Ultraschallprüfkopf (10) mit einem Ultraschallwandler (12) zur Erzeugung und Einkopplung eines Ultraschallfelds in den Prüfling (100) sowie zur Aufnahme resultierender Echosignale aus dem Prüfling (100), b. eine Ansteuereinheit (20) zur Ansteuerung des Ultraschallprüfkopfs (10), so dass dieser Ultraschallpulse mit einer bestimmten Bandbreite B erzeugt, c. eine Empfangseinheit (30) zum Aufnehmen von Echosignalen mittels des Ultraschallprüfkopfs, sowie d. eine mit der Empfangseinheit (30) verbundene Auswerteeinheit (40), die zur Verarbeitung der aufgenommenen Echosignale eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass e. die Auswerteeinheit (40) dazu eingerichtet ist, aus empfangenen Echosignalen auf Basis eines unter Berücksichtigung der Bandbreite B der eingeschallten Ultraschallpulse ermittelten AVG-Diagramms eine Ersatzreflektorgröße ERG des Fehlers oder der Ungänze (99) zu bestimmen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1), insbesondere der Prüfkopf (10), dazu eingerichtet ist, ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld zu erzeugen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkopf (10) für eine Schrägeinschallung in den Prüfling (100) eingerichtet ist.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das AVG-Diagramm unter Berücksichtigung der Polarisation P der eingeschallten Ultraschallpulse bestimmt wurde.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das AVG-Diagramm in der Auswerteeinheit (40) als Funktion F hinterlegt ist, die den Durchmesser D_KSR eines Kreisscheibenreflektors als Parameter p enthält.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (20) dazu eingerichtet ist, mittels der Funktion F aus zumindest einer ermittelten Echoamplitude des Fehlers/der Ungänze (99) die Ersatzreflektorgröße ERG des aufgefundenen Fehlers/der aufgefundenen Ungänze (99) zu bestimmen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallwandler (12) im wesentlichen Kreisförmig ist mit einem Durchmesser D, und die Auswerteeinheit (40) dazu eingerichtet ist, eine Anzeige für einen menschlichen Bediener zu erzeugen, sofern das Verhältnis des Durchmessers D zu der aus einer Fehleranzeige bestimmten Ersatzreflektorgröße ERG eine vorbestimmte Schwelle S unterschreitet.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle S größer ist als 1/8, bevorzugt größer als ¼ und besonders bevorzugt größer oder gleich ½.
Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings (100) mittels Ultraschall, wobei das Verfahren zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen (99) im Material des Prüflings (100) gemäß der AVG-Methode dient, die sich im Nahfeld eines zur Erzeugung des Ultraschalls verwendeten Ultraschallwandlers (12) befinden, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: a. Einkoppeln von Ultraschallpulsen mit einer bestimmten Bandbreite B in den Prüfling (100), b. Aufnehmen von Echosignalen aus dem Prüfling (100), c. Bestimmen einer Ersatzreflektorgröße ERG eines die aufgenommenen Echosignale hervorrufenden Fehlers oder Ungänze (99) aus empfangenen Echosignalen auf Basis eines AVG-Diagramms, welches unter Berücksichtigung der Bandbreite B der eingeschallten Ultraschallpulse ermittelt wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallpulse ein im Prüfling (100) rotationssymmetrisches Schallfeld erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallpulse schräg in den Prüfling (100) eingeschallt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das AVG-Diagramm unter Berücksichtigung der Polarisation P der eingeschallten Ultraschallpulse bestimmt wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein AVG-Diagramm in Form einer Funktion verwendet wird, die den Durchmesser D_KSR eines Kreisscheibenreflektors als Parameter p enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Ersatzreflektorgröße ERG eines aufgefundenen Fehlers/einer aufgefundenen Ungänze (99) ein Fit der Funktion F bezüglich des Parameters p an experimentell ermittelte Echowerte des Fehlers/der Ungänze (99) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Ultraschallpulse ein Ultraschallwandler (12) verwendet wird, der im wesentlichen Kreisförmig ist mit einem Durchmesser D, und eine Anzeige für einen menschlichen Bediener erzeugt wird, sofern das Verhältnis des Durchmessers D zu der aus einer Fehleranzeige bestimmten Ersatzreflektorgröße ERG eine vorbestimmte Schwelle S unterschreitet.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle S größer ist als 1/8, bevorzugt größer als ¼ und besonders bevorzugt größer oder gleich ½.