INHALT

Einleitung Der Digitalisierungsprozess Meßdatenreduktion Fazit Literatur

Einleitung

Um die Qualität der Prüfaussage bei gleichzeitiger Reduzierung der Prüf- und Auswertezeit weiter zu verbessern, wurden in der jüngsten Zeit neue blendenfrei arbeitende Ultraschallprüfsysteme für wiederkehrende Prüfungen (WKP) in Kernkraftwerken entwickelt.
Als besonders wichtig haben sich beim Einsatz der neuen Prüfsysteme die Erfassung der Meßwerte und die Reduzierung der Datenmenge für die Prüfergebnisdarstellung erwiesen.

Konkret bedeutet dies, daß Optima hinsichtlich

• Digitalisierungsrate für das Analogsignal ohne wesentlichen Informationsverlust
• Abtastrate bei der Aufnahme der Urdaten in Form von Hochfrequenz(HF)-Daten, so daß eine Fehleranalyse z. B. mit der synthetischen Apertur Fokus Technik (SAFT), der Time of Flight Diffraction Technik (TOFD) oder der Ultraschallholographie möglich ist
• Anzahl der Pixel pro Datenaufnahmebereich oder Pixelbreite, um einen zuverlässigen Vergleich der Prüfergebnisse mit den Ergebnissen vorangegangener wiederkehrender Prüfungen und eventuelle Fehlerbeschreibungen durchzuführen
• Amplituden Laufzeit Ortskurven (ALOK) -Parameter i und k bestimmt werden müssen.

Digitale Ultraschallgeräte wurden schon längere Zeit bei der Prüfung von Komponenten in kerntechnischen Anlagen eingesetzt. Solange wie die Datenaufnahme auf die Blendentechnik reduziert war, wurden in Richtlinien und Normen so gut wie keine Anforderungen an die Erfassung und Verarbeitung der Meßdaten gestellt. So enthalten die DIN 54119 (08/1981) "Ultraschallprüfung.

Begriffe" und DIN 25450 (09/1990) "Ultraschallprüfsysteme für die manuelle Prüfung" keine Hinweise auf die Digitalisierung der Ultraschallsignale. Lediglich in der DIN 25435-1 (11/1987) "Wiederkehren- de Prüfungen der Komponenten des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren. Mechanisierte Ultraschallprüfung" wird unter Pkt. 5.2.3 "Ultraschallgerät" festgelegt, daß "bei der Umwandlung der analogen in digitale Daten die Auflösung kleiner oder gleich 1 dB sein muß".

Unseres Erachtens wird damit die Zulässigkeitsgrenze für den relativen Quantisierungsfehler festgelegt und implizit der nutzbare Echodynamikbereich begrenzt (z. B. bei einem 8 Bit A/D-Umsetzer etwa 20 dB). Für die Fehlerbeschreibung in der Ultraschallprüfung werden Prozeduren angewendet, die in den Einzelheiten nicht vollständig genormt werden können. Hingegen sind für die Fehlersuche grundsätzlich genormte Prüfverfahren und Prüfgeräte anzuwenden, damit die Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse und somit die Vergleichbarkeit mit vorangegangenen Prüfungen gewährleistet wird. Dies gilt ganz allgemein auch für den Einsatz von digitalen Ultraschallgeräten. Darum ist es erforderlich, in die Normen zur Ultraschallprüfung, die neuerstellt oder überarbeitet werden, entsprechende Begriffe aufzunehmen und zu definieren und Anforderungen an die Ultraschallgeräte (A/D-Umsetzer, Abtastfehler, Abtastfrequenzen, Datenerfassung-Datenreduktion, Rechenprogramme) festzulegen.

Der Digitalisierungsprozess

Bild 1: Abtastung eines analogen Meßsignals zu den Zeiten nTa Bild 2: Shannonsches Abtasttheorem Bild 3: a). Abtast- und Haltekreis b). Amlitudengang des Haltekreises c.) Abtastfehler Bild 4: Abtastrate fa als Funktion des Abtastfehlers - F und der Grenzfrequenz fm Bild 5: Abtastfrequenz für einen 2 MHz Transversalwellenprüfkopf Bild 6: ALOK - Algorithmus Bild 7: Digitalisierung, pixeliertes A-Bild Bild 8: Digitalisierung, gleichgerichtetes HF-Signal

Das wichtigste Parameter bei der Digitalisierung von Meßsignalen ist die Digitalisierungsfrequenz oder die Abtastrate (Bild 1). Sie bestimmt die Größe des Abtastfehlers und letztendlich die Qualität der Wiedergabe des analogen Signals. Wenn sich der Quantisierungsfehler, wie bei Meßgeräten der Fall, durch einen meßsignalgrößenbezogenen "relativen Quantisierungsfehler" beschreiben läßt (bei sehr kleinen Signalen kann der relative Quantisierungsfehler 1 dB überschreiten, während er bei höheren Signalen vernachlässigbar bleibt), ist der Abtastfehler sowohl bei kleineren als auch bei größeren Signalen gleichwirkend. Der Abtastfehler und somit der Informationsverlust ist um so geringer, je höher die Digitalisierungsfrequenz ist.

Die Verarbeitung von großen Datenmengen während der Suchphase verursacht aber eine erhebliche Verlangsamung des Prüfprozesses, ohne daß dadurch ein entsprechender Informationszuwachs erreicht wird. Zur Festlegung einer hinreichenden Abtastfrequenz bietet das Shannonsche Abtasttheorem (auch als Nyquist-Kriterium bezeichnet) eine elegante Lösung /1/. Das Shannonsche Abtasttheorem besagt, daß der Verlauf eines frequenzbandbegrenzten Meßsignals rekonstruiert werden kann (im Idealfall vollständig), wenn die Abtastrate größer ist als die doppelte im Meßsignal enthaltenen höchste Frequenz (Grenzfrequenz) f_m (Bild 2).

Wie im Bild 2 ersichtlich, ist das Spektrum X(f) des abgetasteten Meßsignals periodisch. Die spektrale Periodendauer entspricht der Abtastperiode T_a = 1/f_a. Die Überlappung der Teilspektren (Faltungsprodukte höherer Ordnung) wird vermieden, wenn das Nyquist-Kriterium f_a > 2f_m erfüllt ist. Die vollständige Rekonstruktion des Meßsignals wäre mit einem idealen Rechteck-Tiefpaßfilter, das zu den Abtastpunkten nT_a den Wert 1 und zu allen anderen Abtastpunkten den Wert 0 liefert, möglich. Ein in der Praxis benutzter Schaltkreis, der das Shannonsche Abtasttheorem bestätigt, ist der Abtast- und Haltekreis (Sample and Hold)(Bild 3a).

Der Amplitudengang eines derartigen Abtast- und Haltekreises ist im Bild 3b veranschaulicht. Die Amplitudenabweichungen des erfaßten Meßsignals zum Idealfall sind um so größer je kleiner die Abtastrate im Vergleich zur Grenzfrequenz ist. Diese Abweichungen werden für die Prüfpraxis ausreichend durch den relativen Abtastfehler (- F) (im weiteren als Abtastfehler genannt) (Bild 3c) beschrieben.

Die graphische Darstellung der Abtastfrequenz f_a als Funktion des Abtastfehlers ( - F) und der Grenzfrequenz f_m (Bild 4) zeigt, daß eine Abtastfrequenz 4 f_m > f_a > 2 f_m, wie vom Shannonschen Abtasttheorem als hinreichend erachtet, unzureichend ist analoge Signale zu rekonstruieren. Der Grund dafür ist, daß die Signalwiedergabe mit Abtastfehlern behaftet ist, die 10 % bis 33 % der momentanen Signalhöhe erreichen. Wenn Abtastfehler unterhalb der 10 % Grenze angestrebt werden,ist es erforderlich, höhere Abtastraten als die vierfache Grenzfrequenz anzuwenden.

Die Bestimmung der Digitalisierungsfrequenz für Abtastfehler von 10% und 5% ist beispielhaft für einen TTK-2 MHz (Siemens) Prüfkopf im Bild 5 gezeigt. Unter Zugrundelegung der Grenzfrequenz f_m von 3,35 MHz und eines Abtastfehlers von 5% ( f_a ~ 6 f_m ) ergibt sich eine Digitalisierungsfrequenz des Ultraschallsignals von etwa 20 MHz. In der Prüfpraxis ist die Bestimmung der Grenzfrequenz f_m nicht üblich. Genauer und einfacher kann die Mittenfrequenz eines Prüfkopfes ermittelt werden /2/. Oder es ist beim Fehlen des Prüfkopfspektrums auf jedem Fall die vom Hersteller angegebene Nennfrequenz bekannt.

Die Rekonstruktion eines analogen Signals ist auch durch eine lineare Interpolation der digitalen Daten möglich, vorausgesetzt, daß die Abtastrate mindestens 10 mal höher liegt als die Nenn - oder Mittenfrequenz des Prüfkopfes /3/. Dies entspricht im Falle eines Sinussignals einem Abtastfehler von etwa 5 % und für das o. g. Beispiel eine Abtastrate von ebenfalls 20 MHz. Das Beispiel zeigt, daß sowohl die Anwendung der Grenzfrequenz f_m als auch der Nenn - oder Mittenfrequenz des Prüfkopfes, bei vorherigen Festlegung des zulässigen Abtastfehlers zur fast gleichen erforderlichen Abtastrate führt. Die bei den digitalen Ultraschallgeräten wichtigste Anforderung betrifft den zulässigen Abtastfehler. Die erforderliche Abtastrate ergibt sich daraus. Unter Zugrundelegung des aktuellen Standes der Technik und der Prüfpraxis bei den WKP von kerntechnischen Komponenten, ist ein Abtastfehler von 5 % des Amplitudenwertes des Ultraschallsignals als erreichbar anzusehen.

Meßdatenreduktion

Außer für Sonderverfahren zur Fehleranalyse, wobei sämtliche positive und negative Amplitudenwerte nach dem Digitalisierungsprozess erfaßt werden müssen, gilt für die WKP von Reaktorkomponenten die Anzahl der Daten ohne wesentlichen Informationsverlust zu reduzieren.

Die Methoden der Datenreduktion müssen im Rahmen von Testkörperuntersuchungen an bekannten Reflektoren überprüft werden. Eine erhebliche Datenreduktion wird durch den, in der Prüfpraxis bewährten, ALOK - Algorithmus erreicht. Als Grundlage der Datenreduktion mittels ALOK - Algorithmus dienen die Halbwellenmaxima des HF - Signals. Die genaue Bestimmung der Halbwellenmaxima wird durch eine hohe Digitalisierungsrate des HF-Signals erreicht (in der Regel 50 MHz).

Bei dem ALOK-Algorithmus werden nur Amplitudenwerte und die dazugehörigen Laufzeiten erfaßt und gespeichert , die innerhalb des zeitlichen Erwartungsbereiches größer oder gleich den " i " vorlaufenden Halbwellenmaxima und größer als den " k " nachfolgenden Halbwellenmaxima sind. Die Meßauflösung des Verfahrens ist durch die Wahl der "Vorverdichtungsparameter" i und k gegeben.

Im Bild 6 ist ersichtlich, daß bei großen i- und k- Werten benachbarte Echomaxima nicht erfaßt werden. Um eine Anzeige bewerten zu können (z. B. Unterscheidung zwischen einer großen Anzeige und mehreren kleinen benachbarten Anzeigen) muß sich erfahrungsgemäß die axiale und die laterale Schallwegauflösung im Bereich der Abmessung der Wellenlänge befinden. Dies bedeutet, daß für einen Schallwegbereich von 2 mindestens ein Meßpunkt erfaßt werden muß. Für die Parameter i und k ergibt sich:

(i + k +1) / 4 < 2 => i + k < 7

Dieses Ergebnis ist von den meisten Einsätzen des ALOK-Verfahrens bestätigt und korreliert mit dem Ergebnis der vom Fraunhofer Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) Saarbrücken erarbeiteten Vorschrift zur Bestimmung der Parameter i und k (i und k innerhalb des Amplitudenintervalls: Amplitudenmaximum - 6 dB) /4/. Beim ALOK-Verfahren geht die Phaseninformation (z. B. Phasenumkehr an Rißspitzen) verloren (außer bei i = 0, k = 0) und von den einzelnen Amplituden und Laufzeitpaaren (Urdaten) sind nachträglich keine richtigen A-Bilder erzeugbar. Da die relevanten Maxima zusammen mit den entsprechenden Laufzeiten als Wertepaare erfaßt werden, ist jedoch die Bewertung der Reflektoren anhand von Amplitudenwerten und Laufzeit-Ortskurven eindeutig und reproduzierbar.

Eine weitere Möglichkeit die Anzahl der Meßdaten zu reduzieren ist durch die "Pixelierung" der Ultraschallsignale gegeben. Als "Pixelierung" wird die Speicherung oder Darstellung eines Amplitudenwertes, in der Regel des Maximalwertes, innerhalb eines Zeitfensters (Pixelbreite) bezeichnet. Pixeliert werden:

• das analoge A-Bild (HF-Signal gleichgerichtet und gefiltert) nach der Digitalisierung (Bild 7)
• das HF-Signal nach der Digitalisierung (Bild 8)

Die Pixelierung des A-Bildes ist eine pragmatische Lösung um komplette US-Signale für die automatisierte Prüfung zu speichern /5/. Da bei dieser Art der Datengewinnung keine hohe Abtastrate erforderlich ist (z. B. 10 MHz für Prüfkopfnennfrequenzen von 1-4 MHz), ist die zu verarbeitende Datenmenge überschaubar. Das Verfahren wurde mit der US-Gruppenstrahler(GRST)-Technik bei vielen WKP eingesetzt und hat sich als Suchtechnik bewährt. Die Pixelbreite für den Schallweg befand sich im Bereich einer Wellenlänge. Dieses Auflösungsvermögen ist auch für zukünftige Prüfungen beizubehalten. Durch die Gleichrichtung und Filterung des HF-Signals werden die Amplitudenwerte (ohne Phaseninformation) sehr genau bestimmt. Hingegen sind die zugehörigen Laufzeitwerte von der eingestellten Pixelbreite abhängig. Die Fehleranalyse erfolgt beim Einsatz der GRST-Technik durch die Ausnutzung der Schallfeldschwenkung (Analyse mit mehreren Einschallwinkeln).

Ein höheres Auflösungsvermögen wird bei der Pixelierung des digitalisierten HF-Signals erreichbar. Durch eine hohe Abtastrate (f_a > 10 f_n ; f_n = Nennfrequenz) und eine Pixelbreite < /2 ist bei dieser Art der Datenreduktion die Phasenlage des US-Signals erfaßbar. Wenn nicht anders festgelegt ist(s. o), ist für die Pixelierung der HF-Signale ebenfalls eine Pixelbreite < für den Schallweg anzuwenden.

Fazit

Der Stand der Normung für Ultraschallprüfsysteme ganz allgemein und im Rahmen von WKP in kerntechnischen Anlagen zeigt eindeutig, daß im Hinblick auf digitale Ultraschallgeräte Handlungsbedarf besteht. Die ersten Schritte sind in den europäischen Normenentwürfen erkennbar. So wird z. B. in der prEN 12668-1 (12/1996) "Charakterisierung und Verifizierung der US-Prüfausrüstung. Prüfgeräte" unter Pkt. 3.6 "Definitionen" der Abtastfehler definiert und unter Pkt. 6.6 "Digitale US-Geräte" werden Informationen (Grundlagen der A/D-Umsetzung, Abtastfrequenz, Anzahl der Pixel zur A-Bild Darstellung etc.) genannt, die in einem "Technischen Merkblatt" des Gerätes enthalten werden müssen.

Unter Pkt. 8.7 "Messungen der Gruppe 1. Digitale US-Geräte" werden einige Zulässigkeitsgrenzen eingeführt. Der Normenentwurf stellt klar, daß " die Regeln sich erst noch entwickeln."

Da gegenwärtig die DIN 25435 -1 "Wiederkehrende Prüfungen der Komponenten des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren. Mechanisierte Ultraschallprüfung" überarbeitet wird und die DIN 25450 -2 "Ultraschallprüfsysteme. Mechanisierte Prüfung" neuerstellt wird, ist der Zeitpunkt günstig, um Angaben und Anforderungen zu digitalen US-Geräten festzulegen.
Wir schlagen vor für die jeweilige Norm folgende Punkte zu berücksichtigen:

DIN 25435-1
Pkt. 5.2.3 Ultraschallgerät

• Die Abtastrate des Analogsignals muß mindestens sechsmal größer sein als die Grenzfrequenz des Ultraschallwandlers. Wenn die Grenzfrequenz nicht bekannt ist oder nicht ermittelt werden kann muß die Abtastrate 10 mal größersein als die Nennfrequenz (Herstellerangabe) des Ultraschallwandlers. (Dieser Angaben wurde ein relativer Abtastfehler von ca.5% zugrundegelegt. Bei einem relativen Abastfehler von etwa 10%, darf die Abtastrate viermal größer sein als die Grenzfrequenz) Datenreduktion für die Prüfung
• Bei Anwendung von pixelierten A- oder HF-Bildern darf die Pixelbreite eine Periode des Ultraschallsignals nicht überschreiten.
• Bei Anwendung des ALOK-Verfahrens darf die Summe der Parameter i und k den Wert 7 nicht übersteigen
• Die Softwareversion ist anzugeben und der Auswertealgorithmus ist zu beschrei- ben.

DIN 25450-2
Pkt. 3 Definition und Formelzeichen

• Abtastrate
• Abtastfehler (relativ; absolut)
• Pixel, Pixelbreite, Auflösung
• Reaktionszeit
Pkt. 4.2 Ultraschallgerät
• Grundlagen der A/D-Umsetzung, Anzahl Pixel / A-Bild (Auflösung), Abtastrate, Einfluß der Impulsfolgefrequenz oder des Laufzeitbereiches auf die Abtastrate, Amplitudendynamik (Komprimierung), Reaktionszeit (Auffrischungsrate) des Bildschirms, Softwareversion Messungen, Zulässigkeitskriterien: sind noch zu erarbeiten, s. o.

Dieser Beitrag ist als erster Schritt zur Konkretisierung von Angaben und Anforderungen für digitale, blendenfrei arbeitende US-Prüfsysteme anzusehen. Das Ziel ist die Qualität der Prüfaussage und die Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse bei wiederkehrenden Prüfungen von kerntechnischen Komponenten bei gleichzeitiger Reduzierung der Prüf- und Auswertezeit zu gewährleisten.

Literatur

1. Tränkler, H.-R.: Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung, Technisches Messen tm. 53. Jahrgang, Heft 1-3, 1986
2. DIN 25450 (09/1990) Ultraschallprüfsysteme für manuelle Prüfung
3. Felderhof, R.: Elektrische und elektronische Meßtechnik. Carl Hanser Verlag, München Wien, 6. Auflage, 1993
4. Barbian, O. A., Grohs, B., Licht, R.: Signalanhebung durch Entstörung von Lauf- zeit-Meßwerten aus Ultraschallprüfungen von ferritischen und austenitischen Werkstoffen - ALOK (Amplitude-Lauzeit-Ortskurve) - Teil 1. Materialprüfung 23 (1981) Nr. 11 S. 379-383
5. Bertus, N., Wüstenberg, H., Montag, H.-J., Schenk, G.: Die Benutzung pixelierter digitalisierter A-Bilder als Grundlage für kompakte automatische Ultraschall- Prüfsysteme. DGZfP-Jahrestagung 25-27. September 1989, Kiel, S 537-544

Authors:

G. Csapo, T. Just
Technischer Überwachungs-Verein Nord, e. V., Hamburg
The paper was presented on the DGZfP annual NDT confernce in Dresden in May '97