1. Einleitung

Die rasante Entwicklung auf dem Gebiet der Prozessortechnik erleichtert heute dem Anwender die zuverlässige Nutzung von Ultraschallprüfgeräten zum Messen und Bewerten von Fehlersignalen. Insbesondere die deutlich gestiegenen Verarbeitungsgeschwindigkeiten von digitalisierten Ultraschallsignalen bei immer geringerer Stromaufnahme machen komfortable Auswertungen heute auch in kleinen und tragbaren Handprüfgeräten möglich. Die Problematik einer vergleichsweise niedrigen Bildwiederholfrequenz moderner Flachbildschirme zur tatsächlichen Impulsfolgefrequenz bei der Ultraschallprüfung wird durch schnelle Auswerteverfahren mit intelligenter Datenreduktion der Ultraschall-Rohdaten gelöst.

2. Die "EchoMax" Funktion

Hohe Abtastraten bei der Digitalisierung des Ultraschallsignals mit einer anschließenden schnellen Datenverarbeitung sind die Voraussetzung für eine zuverlässige Visualisierung der Echos:

• 1-Takt-Digitalisierung mit Echtzeitinterpolation (Upsampling) für eine schnelle und naturgetreue Signaldarstellung
• Selektion und Speicherung von A-Bildern mit Maximalamplituden
• Schnelle Datenreduktion für die A-Bilddarstellung mit fester Bildwiederholfrequenz

Die "EchoMax"-Funktion ist immer dann wichtig, wenn bei hohen Abtastgeschwindigkeiten Fehlerechos pro Zyklus nur einmal erfaßt werden. Genau dieses Ereignis - bei mehreren, aufeinanderfolgenden Fehlerechos das A-Bild mit der höchsten Fehleramplitude - muß nach der Digitalisierung selektiert und solange zwischengespeichert werden, bis der Bildschirm das nächste A-Bild darstellen kann. Nur so gehen bei digitalen Ultraschallgeräten keine relevanten Anzeigen verloren. Darüber hinaus sollten Blendenalarme und analoge Ausgangsspannungen in Echtzeit, also pro Takt zur Verfügung stehen, damit solche Geräte auch für die Steuerung und Dokumentation bei automatisierten Anwendungen eingesetzt werden können. Abbildung 1 zeigt die Wirkung der "EchoMax" -Funktion am Beispiel des USN 60:

Abb 1: "EchoMax" - Funktion.

Ohne die "EchoMax" - Funktion (Abb. 1 Mitte) würden die A-Bilder nach dem Zufallsprinzip an den Bildschirm weitergeleitet, d.h. das Fehlersignal würde bei jeder Umdrehung mit unterschiedlicher Amplitude dargestellt, je nachdem wie der Schallstrahl den Fehler trifft. Mit der "EchoMax" -Funktion (Abb. 1 rechts) wird in jedem dargestellten A-Bild immer die Maximalamplitude des Fehlersignals zur Anzeige gebracht.

Diese Technik ist auch ein wichtiges Hilfsmittel für Einstellung von Gruppenstrahler Systemen, da hierbei der Schallstrahl permanent dynamisch verändert wird und Fehler sonst nur kurz oder überhaupt nicht zur Anzeige kommen.

3. Nachleuchten

Die Trägheit der Fluoreszensschicht bei einer Braun'schen Röhre verlängert die Darstellungszeit auch von sehr kurzen Echosignalen. Dadurch wird die visuelle Fehlererkennbarkeit verbessert. Dieser positive Effekt läßt sich heute auch mit modernen Flachbildschirmen nachbilden: Die Anzeigedauer der Signale wird künstlich verlängert d.h. helligkeitsmoduliert, s.Abb.2.

Abb 2: Nachleuchten im USN 60.

4. Visualisierung der Reflexionen bei der Schweißnahtprüfung

Fehlerlagenberechnungen bei der Schrägeinschallung wurden bereits mit dem ersten digitalen Ultraschallgerät angeboten, d.h. die zeitaufwendigen Berechnungen entfallen. Insbesondere lassen sich diese Berechnungen bei gekrümmten Bauteilen nicht mehr ohne Rechner-Unterstützung durchführen, Abb.3:

Abb 3: Trigonometrie an gekrümmter Oberfläche.

(1)

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mit:

(3)

Fehlerlagenberechnung:

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mit:

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Die geometrischen Angaben wie Einschallwinkel und Werkstückdicke ermöglichen die Berechnung der Reflexionspunkte ns_p/2 und ändern an diesen Schallwegen jeweils die A-Bildfarbe, bzw. stellen die Reflexionsabschnitte mit unterschiedlichen Hintergrundfarben dar. So wird ein "farbiges" A-Bild zur Unterstützung des Anwenders bei der Fehlerortung angeboten, Abb.4.

Abb 4: Farbige Darstellung der Reflexionsabschnitte.

5. Automatischer A-Bild-Halt und Maximalechospeicher

Bei allen digitalen Ultraschallgeräten läßt sich das A-Bild anhalten, und kann so gespeichert oder für eine Dokumentation direkt ausgedruckt werden. In kritischen Anwendungen, z.B. der Heißmessung ist das auszuwertende Signal nur sehr kurz sichtbar, da das Koppelmittel sehr schnell verdampft. Hier hilft ein automatisches Anhalten des A-Bildes, sobald ein Echos eine bestimmte Schwelle erreicht hat. Anschließend kann off-line ausgewertet werden.

Eine weitere Funktion für die Praxis ist der Maximalechospeicher. Für eine Amplitudenbewertung muß die Fehleranzeige durch entsprechende Prüfkopfbewegung optimiert werden. Während dieses Vorgangs wird im Hintergrund das A-Bild mit der höchsten Echoanzeige automatisch festgehalten, bzw. überschrieben, falls im weiteren Verlauf der Echooptimierung noch eine höhere Amplitude auftritt. Die maximale Fehleranzeige steht so für die Auswertungen und Speicherung zur Verfügung.

6. Rißtiefenmessung nach dem ADDT-Verfahren

Die Amplituden-Abstands-Differenz-Methode (ADDT) wird in der "Recommended Practice RP 5UE" des American Petroleum Institute (API) beschrieben. Das Verfahren beruht auf der Auswertung der Echoamplitude und der Echodynamik einer Rißanzeige im Vergleich mit den gespeicherten Daten einer oder mehrerer Rechtecknuten mit bekannter Tiefe, Abb.5. Daraus wird der Normalisierungsfaktor k berechnet:

Abb 5: Echodynamik der Bezugsnut.

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mit:
d_r = Tiefe der Bezugsnut
A_max = maximale Amplitude
HWB = Halbwertsbreite der Echo-dynamik

Für reale Risse wird jetzt wieder die maximale Amplitude A_max,i und die Halbwertbreite der Echodynamik HWB_i aufgenommen und die Rißtiefe d_i rechnerisch ermittelt:

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Wird nur eine Nut als Bezug verwendet, so sollte die Nuttiefe nicht größer sein als 25% des Schallfelddurchmessers, also bei Verwendung von 4 MHz Miniaturwinkelprüfköpfen etwa 1 mm. Die Linearität der Meßergebnisse ist dann bis ca. 1,2 mm Rißtiefe gewährleistet. Für größere Rißtiefen ist die Linearität nicht mehr erfüllt, Abb.6.

Abb 6: Messungen nach API.

Durch Aufnahme mehrerer Bezugsnuten läßt sich das Verfahren auch noch im Übergangbereich bis zu einer Rißtiefe von ca.3 mm anwenden. Bei Anwendung dieses Verfahrens sollte hier noch erwähnt werden, daß das oben zitierte Dokument zur Anwendung des ADDT-Verfahrens keine Anwendbarkeitsgrenzen erwähnt. Diese sind jedoch unbedingt zu beachten, wenn Rißtiefenmessungen nach diesem Verfahren durchgeführt werden.

7. Wanddickenmessung durch Blendennachführung

Mit Hilfe der Echtzeitverarbeitung von Messergebnissen ist es auch möglich, eine Echotriggerung für die Steuerung nachfolgender Blenden zu realisieren. Diese Technik erlaubt dann den Einsatz dieser Geräte auch für Tauchtechnik- und Fließwasseranwendungen, bei der das Eintrittsecho die Position von Auswerteblenden steuert.

Bei mehr als zwei Monitorblenden ist sogar eine kaskadierte Steuerung möglich, z.B. das Echo in Blende A steuert den Startpunkt der Blende B, und das Echo in Blende B steuert den Beginn der Blende C, u.s.w. Eine Anwendung dieser Art ist eine Präzisionswanddickenmessung in der Rückwandechofolge, z.B. bei Turbinenschaufeln. Eine manuelle Nachführung der beiden Messblenden ist so nicht mehr erforderlich.

8. Zusammenfassung

Umfangreiche und komplexe Rechenoperationen in kleinen, batteriebetriebenen Ultraschallgeräten verbessern durch moderne Prozessortechnik die Anwendbarkeit digitaler Ultraschallgeräte. Sie lassen nützliche neue Funktionen zu, die die Bedienung der Geräte vereinfachen, und damit den Prüfer entlasten. Auch neue Auswertetechniken sind realisierbar, die Prüfspezifikationen und Richtlinien berücksichtigen.