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Die
Erfindung betrifft ein Impulsechoverfahren zur Ultraschall-Werkstoffprüfung.
Dabei handelt es sich um ein akustisches Verfahren zum Auffinden von
Materialfehlern, bei welchem Ultraschall verwendet wird. Die Ultraschallprüfung
gehört zu den zerstörungsfreien Prüfmethoden.
Dadurch lassen sich Bauteile auch im eingebauten Zustand prüfen,
z. B. die Tragelemente eines Flugzeuges. Die Ultraschallprüfung
ist ein geeignetes Prüfverfahren bei schallleitfähigen
Werkstoffen (dazu gehören die meisten Metalle) zur Auffindung
von inneren und äußeren Fehlern, z. B. bei Schweißnähten,
Schmiedestücken, Guss, Halbzeugen oder Rohren. Im Maschinenbau
ist die Kontrolle der Qualität von Bauteilen eine wichtige Aufgabe,
um zum Beispiel die Sicherheit von Personenbeförderungseinrichtungen
oder von Rohrleitungen, beispielsweise für Gefahrstoffe,
zu gewährleisten. Verlegte Eisenbahnschienen werden routinemäßig
von Prüfzügen geprüft. Daher wird die
Steigerung der Zuverlässigkeit dieser Verfahren angestrebt.
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Wie
alle Prüfverfahren ist auch die Ultraschallkontrolle genormt
und wird nach Richtlinien durchgeführt, beispielsweise
gemäß der DIN EN 10228-3 1998-07,
Zerstörungsfreie Prüfung von Schmiedestücken
aus Stahl – Teil 3: Ultraschallprüfung von Schmiedestücken
aus ferritischem und martensitischem Stahl, die hiermit durch Bezugnahme umfasst
ist. Für die zerstörungsfreie Prüfung
eines Werkstücks durch Ultraschall sind geeignete Prüfgeräte
und Verfahren bekannt. Ganz allgemein verwiesen wird auf das Fachbuch
von J. und. H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit
Ultraschall, sechste Auflage.
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Allgemein
basiert dieses Verfahren auf der Reflexion von Schall an Grenzflächen.
Als Schallquelle verwendet man meist einen Ultraschallkopf oder
Prüfkopf, dessen Strahlung im Frequenzbereich von 10 kHz
bis 100 MHz liegt. Beim Impulsechoverfahren gibt der Ultraschallschallkopf
keine kontinuierliche Strahlung ab, sondern sehr kurze Schallimpulse,
deren Dauer 1 μs und weniger ist. Der vom Sender ausgehende
Impuls durchläuft mit der betreffenden Schallgeschwindigkeit
das zu untersuchende Werkstück und wird an der Grenzfläche
Metall-Luft fast vollständig reflektiert. Der Schallkopf
kann meist nicht nur Impulse aussenden, sondern auch ankommende
Impulse in elektrische Messsignale umwandeln, er arbeitet also auch
als Empfänger. Die Zeit, die der Schallimpuls benötigt,
um vom Sender durch das Werkstück und wieder zurück
zu kommen, wird mit einem Oszilloskop oder einer Rechnereinheit
gemessen der ein Analog-/Digitalwandler vorgeschaltet ist. Bei bekannter
Schallgeschwindigkeit c im Material lässt sich auf diese
Weise die Dicke einer Probe kontrollieren. Zur Kopplung zwischen
Werkstück und Ultraschallkopf wird auf die Oberfläche
des zu untersuchenden Werkstückes ein Koppelmittel (z.
B. Kleister (Lösung), Gel, Wasser oder Öl) aufgetragen. Meist
wird mit dem Prüfkopf die zu prüfende Oberfläche
abgefahren. Dieses kann manuell, mechanisiert oder automatisch (innerhalb
der Fertigungsstraßen) erfolgen. Bei letzteren wird zwecks Übertragung
des Schallsignals das Prüfstück oft in eine geeignete Flüssigkeit
getaucht (Tauchtechnik), oder definiert benetzt.
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Änderungen
der akustischen Eigenschaften an Grenzflächen, d. h. an
den äußeren das Werkstück begrenzenden
Wandflächen, aber auch an inneren Grenzflächen
d. h. Fehlern im Innern wie einen Lunker (Hohlraum), einen Einschluss,
einen Riss oder einer anderen Trennung im Gefüge im Inneren des
zu prüfenden Werkstücks reflektieren den Schallimpuls
und senden diesen an den Schwinger im Prüfkopf, der sowohl
als Sender als auch als Empfänger fungiert, zurück.
Die vergangene Zeit zwischen Senden und Empfangen lässt
die Berechnung des Weges zu. Anhand der gemessenen Zeitdifferenz wird
ein Signalbild erzeugt und auf einem Monitor oder Oszilloskop sichtbar
gemacht. Anhand dieses Bildes kann die Lage bestimmt und gegebenenfalls die
Größe des Fehlers (in der Fachsprache Ungänze genannt)
durch Vergleichen mit einem Ersatzreflektor (Flachbodenbohrung (Kreis-Scheiben-Reflektor), Nut,
Querbohrung) abgeschätzt werden. Im Allgemeinen können
Ungänzen mit einer Größe von ca. 0,6
mm erkannt werden, bei Spezialverfahren auch bis 0,1 mm oder kleiner.
Bei automatischen Prüfanlagen werden die Informationen
gespeichert, zum Prüfstück relativiert und auf
verschiedene Weisen sofort oder später dokumentiert.
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Die
durch den Prüfkopf erzeugten Ultraschallpulse werden meist
mit einer festen Pulsfolgefrequenz wiederholt in das Werkstück
eingestrahlt. Da die Werkstücke häufig senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung orientierte und zueinander parallele Wandflächen
oder Wandflächenabschnitte aufweisen, kommt es zu Mehrfachreflexionen
(Mehrfachechos) an diesen Wandflächen und somit zu im Werkstück
hin- und herlaufenden Impulsen, die neben möglichen Reflexionen
durch die Ungänze durch den Prüfkopf empfangen
werden. Aufgrund des meist hohen Reflexionsgrades sind diese mehrfach
reflektierten Impulse deutlich erkennbar. Folgen die Impulse mit
deutlichem zeitlichem Abstand, ist also die Pulsfolgefrequenz vergleichsweise
niedrig, lassen sich die Mehrfachreflexionen durch die zeitliche
Trennung leicht auf dem Signalbild dem zugehörigen Impuls
zuordnen. Anders sieht es aus, wenn die Pulsfolgefrequenz so hoch
ist, d. h. der zeitliche Abstand zwischen den Pulsen so gering ist,
dass die Mehrfachreflexionen, also Impulse, die mehr als einmal
an einer Werkstückwandfläche reflektiert wurden,
erst nach dem Aussenden des nächsten oder eines nachfolgenden
Impulses detektiert werden. Dann besteht die Gefahr, dass die nach
einem nachfolgenden Impuls auftretende Mehrfachreflexion eines vorhergehenden
Impulses nicht als solche erkannt wird, sondern fälschlicherweise
für eine Reflexion des unmittelbar vorhergehenden Impulses
d. h. auf diesen zurückgehende Reflexion, gehalten wird,
die durch eine im Werkstück vorhandene Ungänze
hervorgerufen sein könnte. Dies führt zu einem
Fehlalarm bei der Werkstückprüfung, so dass dieses
Werkstück nachgeprüft oder vielleicht fälschlicherweise
als Ausschuss verworfen wird. Die Produktionskosten steigen. Diese
Zuordnungsproblematik hat sich mit einer Quarzstabilisierung der
Pulsfolgefrequenz verstärkt. Es ist der Verdienst des Erfinders
dieser Erfindung, dieses Problem erkannt und darin seine Aufgabe
gesehen zu haben. Darüber hinaus hat er mit der vorliegenden
Erfindung eine Lösung für dieses Problem bereitgestellt.
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Die
Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Impulsechoverfahren
zur Werkstückprüfung zuverlässiger zu
machen sowie eine Vorrichtung für die Ultraschallprüfung
anzugeben, welche eine zuverlässigere Prüfung
eines Werkstücks erlaubt. Diese Aufgabe wird durch ein
Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung
gemäß Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen
Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien
Ultraschalluntersuchung, wobei Ultraschallimpulse mit einer Pulsfolgefrequenz
mittels eines Ultraschallsenders in ein zu untersuchendes, im Wesentlichen
aus einem schallleitfä higen Werkstoff bestehendes Werkstück
abgeschallt werden. Die Ultraschallimpulse werden erfindungsgemäß an
Grenzflächen im Werkstück reflektiert. Der Begriff
Grenzfläche im Sinne der Erfindung ist weit auszulegen.
Beispielsweise handelt es sich um eine äußere
Grenzfläche, d. h. das Werkstück begrenzende Wandflächen, oder
aber um eine innere Grenzfläche, d. h. einen Fehler im
Innern des Werkstücks, wie einen Lunker (Hohlraum), einen
Einschluss, einen Riss oder eine andere Trennung im Gefüge.
Der reflektierte Ultraschall, je nach Reflexionsverhalten der Grenzfläche zumeist
ebenfalls ein Signal in Impulsform, wird erfindungsgemäß mittels
eines Ultraschallempfängers aufgezeichnet. Bei dem Ultraschallempfänger
und Ultraschallsender kann es sich um ein und denselben Ultraschallwandler
handeln, muss es sich aber nicht. Die aufgezeichneten Signale werden
in zeit- oder ortsabhängiger Darstellung zur Anzeige gebracht, beispielsweise
mittels Oszilloskop oder einem Computerprogrammprodukt, das auf
einem Computer mit Anzeigevorrichtung ausgeführt wird.
Die ortsabhängige Darstellung ist beispielsweise über
die Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der zeitabhängigen
Darstellung verknüpft.
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Erfindungsgemäß zeichnet
sich das Verfahren dadurch aus, dass die Pulsfolgefrequenz f während
der Durchführung des Verfahrens sprunghaft wenigstens einmal
geändert wird, d. h. die Pulsfolgefrequenz f wird bevorzugt
wenigstens einmal um eine vorgegebene Sprunggröße Δf
erhöht oder erniedrigt. Dadurch wird das Verfahren zuverlässiger,
da der Wechsel der Pulsfolgefrequenz f die eindeutige, auch visuelle
Zuordnung von Reflexionen zu ihren zugehörigen Impulsen
gestattet. Trotz Änderung der Pulsfolgefrequenz f halten
die in der Regel und insbesondere in mit planparallelen Wänden
versehenen Werkstücken auftretenden Mehrfachreflexionen
(Mehrfachechos) eines Impulses ihren wechselseitigen Abstand in
der zeitabhängigen Darstellung bei. Durch Änderung
der Pulsfolgefrequenz f werden jedoch die Impulse samt ihrer dargestellten
Mehrfachreflexionen zeitlich verschoben, diese Verschiebung wird
bei der zeitabhängigen oder auch ortsabhängigen
Darstellung erkennbar und identifizierbar. Diese Identifizierung
ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine Mehrfachreflexion eines
vorhergehend ausgesandten Impulses zeitlich hinter die Aussendung
eines nachfolgenden Impulses fällt und daher fälschlicherweise
für eine Reflexion des nachfolgenden Impulses an einer
Ungänze im Werkstück gehalten wird. Bei einer
solchen Situation hilft die erfindungsgemäße Vorgehensweise
besonders. Durch die Änderung der Pulsfolgefrequenz f ändert
diese Mehrfachreflexion eines vorhergehenden Impulses ihren Abstand
in der zeitabhängigen oder ortsabhängigen Darstellung
bezüglich des nachfolgenden Impulses beziehungsweise bezüglich
dessen Reflexionen. Sollte dies nicht der Fall sein, muss es sich
um eine Reflexion des nachfolgenden Impulses und gegebenenfalls
je nach zeitlicher Abfolge um eine Reflexion handeln, die auf eine
Ungänze im Werkstück zurückzuführen
ist. Somit trägt das erfindungsgemäße
Verfahren dazu bei, die Zuverlässigkeit derartiger Untersuchungsverfahren
mit Ultraschallimpulsen zu steigern, den Ausschuss zu minimieren
und die Produktionskosten zu senken.
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Bevorzugt
liegt die Pulsfolgefrequenz f im Bereich von 500 Hz bis 1,5 kHz,
bevorzugter im Bereich 900 Hz bis 1,1 kHz, noch bevorzugter im Bereich
von 990 bis 1 kHz. Beispielsweise beträgt sie 994 Hz. Es
hat sich gezeigt, dass sich mit einer derartigen Folge-Frequenz
f von Impulsen eine besonders schnelle und zuverlässige
Untersuchung durchführen lässt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt der Sprung Δf,
mit der die Pulsfolgefrequenz f geändert wird, d. h. die
Sprungweite im Bereich von 0,25 bis 10 Hz, bevorzugter im Bereich
von 0,5 Hz bis 5 Hz. Noch bevorzugter beträgt die Sprungweite
1 Hz. In umfangreichen Versuchen hat sich gezeigt, dass die durch
den so gewählten Frequenz-Sprung Δf bewirkte Verschiebung
zwischen den Reflexionen von in unterschiedlicher Zeitabfolge abfolgenden
Impulsen ausreicht, deren Reflexionen bei den üblicherweise
auftretenden Halbwertsbreiten der Impulse gut erkennbar auseinander
zuhalten.
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Bevorzugt
wird die Pulsfolgefrequenz f nach einem definierten Zeitablauf mehrfach
(z. B. hin und zurück) geändert. Dabei liegt der
definierte Zeitablauf in dem Bereich von 100 bis 500 ms und beträgt
bevorzugt 400 ms.
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Das
Verfahren erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Pulsfolgefrequenz
f quarzstabilisiert ist. Aufgrund der so vergleichsweise stabilen
Erzeugung der Frequenz f der abfolgenden Impulse kann die zeitliche
Abfolge der zugehörigen Reflexionen vergleichsweise genau
ermittelt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird in einer Ausgestaltung
automatisch gesteuert, wobei mittels einer Timerschaltung nach Ablauf
einer Zeitdauer von 400 ms die Pulsfolgefrequenz f von 994 Hz um ein
1 Hz auf 993 Hz gesenkt wird, um nach Ablauf einer Zeitdauer von
400 ms wieder auf 994 Hz erhöht zu werden. Dies wird periodisch
bis zum Abbruch des erfindungsgemäßen Verfahrens
wiederholt.
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In
einer Ausgestaltung wird beispielsweise ein Ultraschallwandler des
von der Firma GE Inspection Technologies GmbH, Robert Bosch Str.
3, 50354 Hürth, Deutschland angebotenen Typs CA 211a in Kombination
mit einem Ultraschallprüfgerät des Typs USLT 2000
desselben Anbieters verwendet. Das Verfahren wird beispielsweise
bei einem Stahlprüfling mit einer Dicke von größer
als 200 mm durchgeführt, wobei der Ultraschall in Senkrechteinschallung
eingekoppelt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der vielfältigen
verfahrensmäßigen Einrichtung der nachfolgend
beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung, die
in vollem Umfang auch zur Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens herangezogen werden kann.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur zerstörungsfreien
Ultraschalluntersuchung eines belebten oder unbelebten Prüflings
vorgesehen. Sie weist einen Ultraschallsender auf, der dazu eingerichtet
ist, Ultraschallpulse zu erzeugen und in einen Prüfling
einzuschallen. Ein Ultraschallempfänger, der auch mit dem
Ultraschallsender identisch sein kann, ist dazu vorgesehen, Echosignale
der in den Prüfling eingeschallten Ultraschallpulse aufzunehmen.
Weiterhin ist eine Ansteuereinheit vorgesehen, die dazu eingerichtet
ist, den Ultraschallsender zur Aussendung einer Folge von Ultraschallpulsen
mit einer definierten Pulsfolgefrequenz f anzuregen. Dabei ist ein vorzugsweise
auf einen Referenzoszillator stabilisierter Taktgeber zur Stabilisierung
der Pulsfolgefrequenz f vorgesehen, beispielsweise ein Quarzstabilisierter
Schwingkreis.
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Erfindungsgemäß ist
nun weiterhin eine Frequenzvariationseinheit vorgesehen, bevorzugt
in der Ansteuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die Pulsfolgefrequenz
f um einen vorgegebenen Betrag Δf zu verändern.
Dabei kann der Variationsbetrag Δf bevorzugt manuell von
einem Benutzer eingestellt bzw. verändert werden. In einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung ist an der Ansteuereinheit ein
(mechanisches) Stellelement wie ein mechanischer Drehversteller
vorgesehen, mittels welchem die Frequenzänderung Δf
kontinuierlich bzw. quasikontinu ierlich (z. B. bei digitaler Ansteuerung
des Ultraschallsenders) verändert werden kann.
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Alternativ
kann der Variationsbetrag Δf – bevorzugt automatisch – so
eingestellt werden, dass eine Verschiebung von Pantomechos von 3–5%
des auf einem Display einer Auswerteeinheit eingestellten Abbildungsbereichs
gegenüber den Nutzechos (d. h. den mit realen Strukturen
des Prüflings verknüpften Echos) erkennbar wird.
Ein geeigneter Algorithmus wird im Rahmen der Ausführungsbeispiele diskutiert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist z. B. in der Ansteuereinheit
eine z. B. Software-implementierte Detektionseinheit vorgesehen,
die dazu eingerichtet ist, solche Echosignale zu detektieren, deren
zeitlicher Abstand T vom vorausgehenden Anregungspuls sich bei einer Änderung
der Pulsfolgefrequenz f um den Betrag Δf scheinbar ändert.
Insbesondere kann die Detektionseinheit dazu eingerichtet sein,
die scheinbare Änderung ΔT des zeitlichen Abstands
T der detektierten Echosignale zu erfassen und mit der Variation Δf
der Pulsfolgefrequenz f zu vergleichen. Besondere Vorteile ergeben
sich, wenn die Detektionseinheit dazu eingerichtet ist, die detektierten
Echosignale, insbesondere diejenigen Echosignale, deren Zeitlicher
Abstand T mit der Frequenz Δf variiert, für eine
weitere Verarbeitung zu markieren und/oder zu unterdrücken.
Auf diese Weise können als „Phantom Echos” identifizierte
Signale z. B. von einer Anzeige auf einer der Vorrichtung zugeordneten
Anzeigeeinheit ausgeschlossen oder auf besondere Weise z. B. farbig
kenntlich gemacht werden.
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In
einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung ist die
Detektionseinheit dazu eingerichtet, die Pulsfolgefrequenz f zu
variieren, bis keine Echosignale mehr detektiert werden, deren zeitlicher Abstand
T vom vorausgehenden Anregungspuls sich bei einer Änderung
der Pulsfolgefrequenz f scheinbar ändert. Dabei kann die
Variation der Pulsfolgefrequenz f kontinuierlich oder in einer Vielzahl
diskreter Stufen erfolgen.
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Bevorzugt
ist der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Anzeigeeinheit
zugeordnet, insbesondere in diese integriert, auf der die vom Ultraschallempfänger
aufgenommenen Echosignale in zeit- oder ortsabhängiger
Auflösung zur Anzeige gebracht werden.
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Besonders
bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
ganz allgemein dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße
Verfahren in seinen verschiedenen Ausgestaltungen (teil-) automatisiert
auszuführen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert, ohne diese auf das Gezeigte zu beschränken.
In dieser zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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2–4:
eine schematische Darstellung von typischen Signalverläufen
im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens („A-Scan”),
und
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5.
eine schematische Darstellung der auf einem Display einer Auswerteeinheit
dargestellten Echofolgesequenz zur Erläuterung einer automatisierten
Einstellung der Pulsvariationsfrequenz Δf.
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1 zeigt
beispielhaft eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 in schematischer Darstellung. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung 1 umfasst eine Ansteuereinheit 20,
welche elektrisch mit einem Ultraschallsender 10 verbunden
ist, welcher zugleich als Ultraschallempfänger fungiert. Der
Ultraschallsender 10 umfasst einen Ultraschallwandler,
der auf einem Vorlaufkörper 12, beispielsweise
aus Plexiglas®, angeordnet ist,
wobei beide in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
Die Ansteuereinheit 20 ist dazu eingerichtet, den Ultraschallsender 10 zur
Aussendung einer Folge von Ultraschallpulsen mit einer definierten
Pulsfolgefrequenz f anzuregen, die typisch im Bereich von etwa 1
kHz liegt. Um die Pulsfolgefrequenz f zu stabilisieren, ist in der
Ansteuereinheit 20 ein quarzstabilisierter Taktgeber 22 vorgesehen,
bei dem ein vorzugsweise temperaturstabilisierter Quarzkristall
als Referenz-Oszillator verwendet wird.
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Der
Ultraschallsender 10 ist mit 9 einem Vorlaufkörper 12 auf
die Eintrittsfläche 101 eines Prüflings 100 aufgesetzt
und schallt in diesen Ultraschallpulse mit einer akustischen Frequenz,
die im Bereich zwischen 10 kHz und 10 MHz liegt, bevor zugt im Bereich
von 1 bis 5 MHz, mit der vorgenannten Pulsfolgefrequenz f in den
Prüfling 100 ein. Diese propagieren im Prüfling
längs des Schallwegs S, werden an der Rückwand 102 des
Prüflings 100 reflektiert und gelangen auf dem
Schallweg S zurück zum Ultraschallsender 10, der
abwechselnd von der Ansteuereinheit 20 als Ultraschallsender
und als Ultraschallempfänger angesteuert wird. Die vom
Ultraschallempfänger 10 aufgenommenen Echosignale
aus dem Prüfling 100, bei denen es sich beispielsweise um
das Echo der Eintrittsfläche, um Rückwandechos sowie
um Echosignale handeln kann, die von im Volumen des Prüflings
befindlichen Fehlstellen 103 herrühren können,
werden in der Ansteuereinheit 20 verstärkt, digitalisiert
und nachfolgend auf einer in der Ansteuereinheit 20 vorgesehenen
Anzeigeeinheit 30 zur Anzeige gebracht. 1 zeigt
eine zeitaufgelöste Darstellung der empfangenen Echosignale
(A-Scan). Selbstverständlich kann auch eine tiefenaufgelöste Darstellung
erzeugt werden. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist
auf der Anzeigeeinheit 30 eine Mehrzahl von Peaks dargestellt,
wobei es sich bei dem mit P1 bezeichneten Peaks um das Eintrittsecho eines
in den Prüfling 100 eingeschallten Pulses handelt.
Bei den weiterhin dargestellten Peaks P1', P1'' sowie P1''' handelt
es sich um das erste, das zweite sowie das dritte Rückwandecho.
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Sind
nun die geometrischen Abmessungen des Prüflings 100 so,
dass die Schalllaufzeit eines Pulses längs des Schallwegs
S vom Ultraschallsender 10 bis zur Rückwand 102 und
zurück zum Ultraschallempfänger 10 in
der Größenordnung des zeitlichen Abstands zweier
aufeinander folgender Sendepulse P1 liegt, insbesondere diese Laufzeit
sogar größer ist als der zeitliche Abstand zweier
aufeinander folgender Sendeimpulse, so ist fraglich, ob es sich
bei dem in 1 mit „P?” gekennzeichneten weiteren
Peak um ein Echosignal handelt, welches von einem Fehler 103 im
Volumen des Prüflings 100 herrührt, oder
ob es sich um ein Rückwandechosignal höherer Ordnung
eines vorausgegangenen Anregungspulses P1 handelt. Um diese Differenzierung vornehmen
zu können, zumindest aber dem Prüfer eine Hilfestellung
bei der Klassifizierung des mit „P?” gekennzeichneten
Peaks an die Hand zu geben, ist die in 1 dargestellte
Vorrichtung 1 zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eingerichtet, welches nachfolgend genauer beschrieben
wird.
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Allgemein
ist in der Ansteuereinheit 20 der erfindungsgemäßen
Vorrichtung eine Frequenzvariationseinheit 40 ausgebildet,
welche Hardware- oder Software imp lementiert ausgeführt
sein kann. Diese Frequenzvariationseinheit 40 ist dazu
eingerichtet, die Pulsfolgefrequenz f der Anregungspulse um einen
vorgegebenen Betrag Δf zu verändern. Bevorzugt
ist sie dazu eingerichtet, die Pulsfolgefrequenz f periodisch und
den Betrag Δf zu verändern, wobei der Betrag dieser
Frequenzänderung wiederum bevorzugt im Bereich zwischen
0,1 und 100 Hz liegt, besonders bevorzugt zwischen 1 und 10 Hz.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Ansteuereinheit 20 ein
mechanisches Stellelement 42, welches als Drehregler ausgebildet
ist. Dieses Stellelement 42 erlaubt es einem Benutzer,
manuell die Frequenzänderung Δf, mittels welcher
die Frequenzvariationseinheit 40 die Pulsfolgefrequenz
f der Sendeimpulse periodisch verändert, manuell zu verändern.
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In
der Ansteuereinheit 20 ist weiterhin eine Detektionseinheit 50 ausgebildet,
welche wiederum Hardware- oder Softwareimplementiert ausgeführt sein
kann. Diese Detektionseinheit 50 ist dazu eingerichtet,
solche Echosignale zu detektieren, deren zeitlicher Abstand T vom
vorausgegangenen Anregungspuls P1 sich bei einer Änderung
der Pulsfolgefrequenz f scheinbar ändert. Insbesondere
ist die Detektionseinheit 50 dazu eingerichtet, die scheinbare Änderung ΔT
des zeitlichen Abstands T der detektierten Echosignale zu erfassen
und diese scheinbare Änderung ΔT mit der Variation Δf
der Pulsfolgefrequenz zu f vergleichen. Entspricht die scheinbare Änderung ΔT
des zeitlichen Abstands T im Wesentlichen, d. h. innerhalb vorgegebener
Fehlergrenzen, der Variation Δf der Pulsfolgefrequenz f,
so ist die Frequenzvariationseinheit dazu eingerichtet, solche Echosignale
als „Phantom-Echos” zu erkennen und für
eine weitere Verarbeitung geeignet zu markieren. Insbesondere kann
die Detektionseinheit 50 dazu eingerichtet sein, beim Aktivieren
einer entsprechenden „Maskierungsfunktion” beispielsweise
mittels Betätigung eines an der Ansteuereinheit 20 vorgesehenen
mechanischen Schalters 20 die auf die vorstehend beschriebene
Weise erkannten Echosignale von einer Darstellung auf der Anzeigeeinheit 30 auszuschließen.
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2 zeigt
schematisch den durch den Ultraschallempfänger 10 an
einem dicken Werkstück mit planparallelen Flächen
gemessenen Signalverlauf. Die von einem ersten Ultraschallimpuls
P erhaltenen Reflexionen (1.R, erstes Rückwandecho) und Mehrfachreflexionen
(2.R, 3.R, 4.R...) an den das Werkstück begrenzenden Wandflächen
sind jeweils mit durchgezogener Linie dargestellt. Die von einem zweiten
Ultraschallimpuls P' erhaltenen Reflexionen (1.R') und Mehr fachreflexionen
(2.R', 3.R', 4.R'...) an den das Werkstück begrenzenden
Wandflächen sind jeweils mit durchbrochener Linie dargestellt.
Aus Gründen der Vereinfachung ist das Eintrittsecho unterdrückt
und die Signalhöhe der Mehrfachreflexionen gleich gewählt.
In der Realität werden sich die Signale mit der Anzahl
der Reflexionen z. B. aufgrund von Reflexionsverlusten abschwächen.
Wie 2 zeigt, können bei dichter Abfolge der
Impulse die Reflexionen des ersten Impulses P' nach dem ersten Rückwandecho
des zweiten Impulses P'' auftreten. Im gezeigten Fall liegt die
4. Reflexion des ersten Impulses P (4.R) zeitlich nach der ersten
Reflexion des zweiten Impulses P (1.R'). Es stellt sich somit die
Frage, ob es sich bei diesem Peak tatsächlich um eine Reflexion
handelt, die auf den zweiten Impuls P' und damit evtl. eine Ungänze
im Werkstück zurückzuführen ist, oder
ist es vielmehr eine Mehrfachreflexion hier 4.R des ersten Impulses
P.
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Dies
lässt sich durch den Frequenzsprung Δf der Impulsfolgefrequenz
f des erfindungsgemäßen Verfahrens klären,
siehe 3 und 4: Durch Verringerung der Frequenz
f verschiebt sich zeitlich der zweite Impuls P' gegenüber
dem ersten Impuls P, ebenso verschieben sich die zugehörigen
Reflexionen und Mehrfachreflexionen 1.R' bis 4.R', die aber ihren
wechselseitigen Abstand wegen der unveränderten Werkstückgeometrie
beibehalten. Da nun in dem in 3 gezeigten
Fall der Peak 4.R seinen zeitlichen Abstand zu den Reflexionen und
Mehrfachreflexionen des ersten Impulses P (1.R bis 3.R) beibehält,
kann der Peak 4.R eindeutig als weitere Mehrfachreflexion des ersten
Pulses P identifiziert werden. Das vermeintlich als Ungänze
eingeschätzte Phantomecho entpuppt sich somit als „einfache” (vierte)
Mehrfachreflexion (4.R).
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Kommt
es dagegen beim Sprung der Pulsfolgefrequenz f, wie in 3 gezeigt,
zu einer Verschiebung des Peaks F, die der durch den Frequenzsprung
bewirkten Verschiebung des zweiten Impulses P' entspricht, muss
diese Reflexion auf den zweiten Impuls P' zurückzuführen
sein und kann eindeutig als Ungänze des Werkstücks
identifiziert werden.
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Wie
erwähnt kann der Variationsbetrag Δf automatisch
so eingestellt werden, dass eine Verschiebung von Pantomechos von
3–5% des auf einem Display einer Auswerteeinheit eingestellten
Abbildungsbereichs gegenüber den Nutzechos (d. h. den mit
realen Strukturen des Prüflings verknüpften Echos)
erkennbar wird. Ein Beispiel für eine solche Anzeige ist
in
5 dargestellt. Hier stellt P1 ein Phan tomecho
bei einer Pulsfolgefrequenz (PRF) f1 = 1000 Hz sowie P2 ein zweites
Phantomecho bei einer PRF f2 = f1 – Δf dar. Der
zeitliche Abstand zwischen den Phantomechos P1 und P2 bestimmt sich dann
wir folgt:
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Da
gilt:
erhält man für Δf:
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Unter
der Bedingung:
Δt ≡ 3%tergibt
sich für Δf:
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Auf
Basis dieser Formel lässt sich für konkrete Display-Abmessungen
r (z. B. r = 100 mm) ein geeigneter Frequenzsprung Δf bestimmen
und – falls gewünscht – automatisiert
umsetzen. Selbstverständlich kann für die zeitliche/räumliche
Trennung für Δt der Phantomechos P1 und P2 auch
ein geeigneter anderer Wert verwenden, der aber bevorzugt im Bereich
zwischen 1 und 15% des angezeigten Zeitintervalls/der angezeigten
Displaybreite r liegen sollte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN EN 10228-3
1998-07 [0002]