Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Große Schmiedestücke wie beispielsweise Generator- und Turbinenwellen unterliegen besonderen Anforderungen hinsichtlich der Ultraschallprüfung:
Alle bei SAARSCHMIEDE hergestellten Schmiedestücke werden ultraschallgeprüft. Die Prüfung erfolgt entweder manuell (Abb. 1) oder automatisiert auf entsprechenden Anlagen. Vor Prüfbeginn wird der Prüfbereich des Ultraschallgerätes justiert und die Nachweisgrenze ermittelt. Die Bereichsjustierung erfolgt mit einem Justierkörper, die Verstärkungseinstellung mit Hilfe eines bekannten Bezugsreflektors, z.B. Rückwandecho auf 80% mit anschließender Verstärkungszugabe, die aus dem zugehörigen AVG-Diagramm ermittelt wird. Die Verstärkungszugabe richtet sich nach dem kleinsten noch nachzuweisenden Reflektor. Daraus ergeben sich vergleichsweise hohe Verstärkungseinstellungen, bei denen oft auch der Rauschuntergrund (elektronisches Rauschen und Gefügerauschen) abgebildet werden. Dabei muß jedoch immer gewährleistet bleiben, daß eventuelle Anzeigen von Fehlstellen mit genügendem Abstand (> 6 dB) zum Rauschuntergrund abgebildet werden.
Abb 1: Ultraschallprüfung einer Generatorwelle.
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Bei der manuellen Prüfung von Schmiedeteilen werden bis heute noch überwiegend analoge Geräte eingesetzt. Der entscheidende Vorteil analoger Prüfgeräte gegenüber den bisherigen digitalen Ultraschallgeräten ist in den Eigenschaften der Bildröhre zu sehen:
Sofern ein solches Gerät zusätzlich über eine Funktion zur Reduzierung der Impulsfolgefrequenz verfügt, sind diese für Ultraschallprüfungen an großen Schmiedestücken bestens geeignet.
Seit ca. 1980 werden digitale Prüfgeräte serienmäßig produziert und bis heute ständig weiterentwickelt. Dank der flachen Bildschirme, den komfortablen Bildschirmfunktionen und den Speichermöglichkeiten bieten diese Geräte wesentliche Vorteile gegenüber den schweren Analoggeräten und sind deshalb heute weitgehend eingeführt. Dennoch gibt es bis heute Anwendungen, bei denen die bisherigen digitalen Ultraschallgeräte nur bedingt einsatzfähig sind. Aufgrund der geringen Schallschwächung und den langen Schallwegen ist bei der manuellen Schmiedestückprüfung die Impulsfolgefrequenz zu reduzieren. Aus der bisherigen Mehrphasendigitalisierung resultiert ein entsprechend langsamer Bildaufbau, so daß die Prüfgeschwindigkeit zu verringern ist.
Das analoge Signal, Abb. 2a) wird mit einem Zeitraster in äquidistante Intervalle zerlegt, Abb. 2b). Dabei bezeichnet man die Anzahl der Intervalle pro Sekunde als Digitalisierungsfrequenz f (auch Digitalisierungsrate oder Sample Rate). Innerhalb eines Digitalisierungsintervalls t =1/f wird jetzt die Signalamplitude gemessen. Auch hier wird wieder ein Raster zugrunde gelegt, die Digitalisierungsauflösung, Abb. 2c). Aus diesen beiden Rastern ergibt sich jetzt das digitalisierte Signal, Abb. 2d), das aus einer diskreten Anzahl von Meßwerten besteht, die in den Ultraschallgeräten weiter verarbeitet werden. Das Ergebnis der Digitalisierung aus Abb. 2d) ist noch sehr grob, bedingt durch die niedrige Digitalisierungsfrequenz und die niedrige Digitalisierungstiefe. Andererseits ist die Digitalisierung um so leichter, schneller und preiswerter durchzuführen, je weniger Werte bei der Digitalisierung entstehen, denn die Meßwerte müssen eine Reihe weiterer Prozesse durchlaufen, bevor auf dem Bildschirm des Ultraschallgerätes das A-Bild dargestellt werden können. Um ein Signal in der Ultraschallprüfung so zu digitalisieren, daß es den Ansprüchen für eine genaue Schallweg- und Amplitudenmessung ausreicht, muß die Abtastfrequenz etwa 10 mal so hoch sein wie die Signalfrequenz. Als Digitalisierungsauflösung reicht ein Amplitudenraster von 8-10 Bit, also 256-1024 Stufen.
Abb 2: 
a) Originalsignal | b) Zeitraster | c) Amplitudenraster | d) digitalisiertes Signal.
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Für eine amplitudengetreue Darstellung von Ultraschallsignalen bis zu Signalfrequenzen von 25 MHz wäre eine Digitalisierungsrate von 250 MHz erforderlich. Entsprechende elektronische AD-Wandler sind zwar verfügbar, jedoch sind sie teuer und haben so einen hohen Energiebedarf, daß sie für batteriebetriebene Geräte nicht in Frage kommen. Um mit vergleichsweise niedriger Digitalisierungsfrequenz ein hochfrequentes Signal ausreichend gut zu digitalisieren kann in den batteriebetriebenen Geräten eine phasengesteuerte Digitalisierung über mehrere Ultraschallzyklen durchgeführt werden. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, das Digitalisierungsraster rechnerisch weiter zu unterteilen und damit zusätzliche Amplitudenwerte zu berechnen. Letzteres Verfahren wird auch als Upsampling bezeichnet.
6a Mehrphasen-Digitalisierung
Dieses Verfahren setzt voraus, daß sich das Ultraschallsignal von Schuß zu Schuß nur sehr wenig verändert. Das ist der Fall, wenn die Impulsfolgefrequenz (IFF) möglichst hoch und die Abtastgeschwindigkeit möglichst niedrig ist. Diese Bedingung ist bei der manuellen Prüfung, bei einer Abtastgeschwindigkeit von ca. 100 mm/s, und einer IFF von 1000 Hz weitgehend erfüllt: Alle 0,1 mm wird ein Ultraschallimpuls in das Werkstück gesendet und wieder empfangen. Bei der Mehrphasen-Digitalisierung erfolgt die Abtastung in n aufeinanderfolgenden Schritten, wobei das Digitalisierungsintervall t jeweils um das Phasenintervall t
/n verschoben wird, Abb. 3. Die virtuelle Digitalisierungsrate beträgt somit n/tHz. Ein komplettes A-Bild steht somit nach n Abtastzyklen für die Abbildung des Signals zur Verfügung.
Abb 3: n-Phasen-Digitalisierung.
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6b Interpolation
Mit den schnellen Signalprozessoren ist es heute möglich, zusätzliche Amplitudenwerte zwischen zwei Digitalisierungspunkten in Echtzeit zu berechnen, Abb. 4. Dabei kommen verschiedene Berechnungsverfahren zur Anwendung (lineare Interpolation, Best-fit, u.a.). Der Vorteil dieser Technik besteht darin, daß das digitalisierte Signal nach jedem Schuß sofort mit der gewünschten Auflösung zur Weiterverarbeitung zur Verfügung steht. Man erkennt, daß sich mit dieser Methode eine gute Reproduktion des Originalsignals erzielen läßt, ohne daß dabei AD-Wandler mit hoher Digitalisierungsfrequenz notwendig werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß man die Anzahl der zu interpolierenden Punkte einfach variieren kann.
Abb 4: Interpolation von Abtastpunkten.
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6c Nachleuchten und Helligkeitssteuerung
Die Fluoreszenzschicht einer Braun'schen Röhre hat die Eigenschaft, daß sie nach ihrer Anregung durch den Elektronenstrahl noch ein wenig nachleuchtet. Die Helligkeit der Spur ist um so größer, je langsamer der Eletronenstrahl sich bewegt, d.h. steile Echoflanken erscheinen dunkel, Echospitzen, HF-Knoten und die Grundlinie erscheinen hell, Abb. 5a. Bei allen Ultraschallgeräten mit monochromen Rasterbildschirmen (EL, LCD) kann diese Helligkeitsmodulation nicht nachempfunden werden. Erst mit einem Farbdisplay (TFT), bei dem die Bildpunkte auch in ihrer Helligkeit steuerbar sind, lassen sich diese Effekte realisieren. Abb. 5b zeigt das A-Bild in HF-Darstellung mit dem USN 60. Deutlich zu erkennen ist die erhöhte Helligkeit der Grundlinie und der Echospitzen. Auch das Nachleuchten eines analogen Bildschirms kann heute mit einem TFT-Bildschirm nachempfunden werden.
Abb 5a: Analoges A-Bild (USIP 11)
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Abb 5b: Digitales A-Bild mit Helligkeitssteuerung.
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Wie oben erwähnt, entstehen bei der Digitalisierung von Ultraschallsignalen eine riesige Menge von Daten. Der vorhandene Bildschirm kann aber nur eine feste Menge an Bildpunkten und eine bestimmte Anzahl von Bildern pro Sekunde abbilden. Die vorliegenden Rohdaten müssen also entsprechend reduziert werden, ohne daß dabei Abbildungsfehler entstehen oder A-Bilder mit relevanten Echoanzeigen verloren gehen. Die sogenannte "EchoMax-Funktion" sorgt im USN 60 dafür, daß die A-Bilder zur Abbildung kommen, die die maximalen Echoanzeigen enthalten, Abb. 6.
So wird sichergestellt, daß auch bei schneller Abtastung keine Echoanzeigen von Fehlstellen übersehen werden. Zusätzlich erfolgt die Echoüberwachung per Monitorblende direkt aus den Rohdaten, d.h. in Echtzeit für jeden Schuß. Würde man aus den 6000 A-Bildern, die pro Sekunde erzeugt werden, genau jedes 100. Bild zur Anzeige bringen, so würde die Anzeige des Fehlers in dem Rohr bei jeder Umdrehung mit einer anderen Amplitude angezeigt werden. Die EchoMax-Funktion selektiert die A-Bilder der Rohdaten so, daß von den 100 zu Verfügung stehenden A-Bildern jeweils dasjenige zur Anzeige gebracht wird, das die höchsten Echoanzeigen beinhaltet. Nur so ist es möglich, daß bei einer mechanisierten Prüfung mit einer schnellen Abtastung Fehlerechos immer zur Anzeige gelangen.
Abb 6: EchoMax-Funktion.
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Abb 7: Vergleich USIP 11/ USN 60. |
Das USN 60 mit einem TFT-Farbbildschirm (Auflösung: 640 x 480 Bildpunkten, VGA) arbeitet nach dem Interpolationsverfahren. Zusätzliche Bildschirmfunktionen wie Nachleuchten, Helligkeitssteuerung des A-Bildes und EchoMax erlauben ein optimale Anpassung an die Prüfgegebenheiten. So konnte das Gerät bei der Prüfung großer Generatorwellen erfolgreich eingesetzt werden. Gegenüber älteren digitalen Ultraschallgeräten war es mit dem USN 60 möglich, die Ultraschallprüfung mit der gleichen Abtastdynamik durchzuführen, wie es die Ultraschallprüfer bisher nur mit analogen Ultraschallgeräten gewohnt waren. Auch bei den extrem niedrigen Impulsfolgefrequenzen (25 Hz), die zur Vermeidung von Phantomechos erforderlich sind, war das USN 60 in seinem dynamischen Abbildungsverhalten in jeder Hinsicht dem sonst verwendeten USIP 11 gleichwertig.
Abb. 7 zeigt die gleiche Gruppenanzeige in einer Testwelle für einen Ringversuch aus einer Tiefe von ca. 500 mm. Mit dem USN 60 existiert somit ein digitales Ultraschallprüfgerät, das jetzt auch die dynamischen Prüfanforderungen der Schmiedestückprüfung erfüllt. Damit können wir endlich die Vorteile der Digitaltechnik, wie A-Bild einfrieren, Befunde speichern, Echoanzeigen vergleichen, dokumentieren, u.s.w. für die manuelle Prüfung großer Schmiedestücke nutzen. Durch den Batteriebetrieb, das geringe Gewicht und die kleinen Geäteabmessungen ist dieses Gerätes im Betrieb hervorragend einsetzbar, ohne auf einen großen Bildschirm und die Vorteile der Digitaltechnik verzichten zu müssen.
| Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net | START |
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