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Ultraschallprüfkopf und Schallfeld

Es werden Prüfköpfe eingesetzt, die in einem Frequenzbereich von 1-30 MHz arbeiten, wobei jedoch die Frequenzen 1, 2, 5 und 10 MHz am häufigsten eingesetzt werden. Prüfköpfe für die automatische Prüfung werden hauptsächlich mit Wasser angekoppelt und werden auch Tauchtechnik-Prüfköpfe genannt. Andere Prüfkopfbauweisen sind noch vielfältig vorhanden, finden jedoch hier kaum Verwendung. Die Prüfköpfe sind in zylindrischen Gehäusen verfügbar und können somit einfach in Halterungen eingespannt werden. Die Durchmesser reichen von ca. 10-25 mm mit Längen von ca. 20-60 mm. Sie haben meist ein eingegossenes Coaxialkabel mit einer HF-Steckverbindung.Der Prüfkopf selbst ist wasserdicht; die Steckverbindung ist überwiegend nicht wasserdicht und sollte daher im trockenen Bereich über eine Verlängerung zur Elektronik geführt werden. Manche Hersteller liefern Prüfköpfe mit Steckverbindungen direkt auf dem Gehäuse, welche jedoch auf Dauer häufig nicht betriebssicher genug sind.

Aufbau eines Prüfkopfes.

Der Piezoschwinger hat rückseitig eine Dämpfungsmasse. Damit wird ein kurzer Impuls erzeugt. Die Vorderseite bildet eine dünne Schutzschicht, auf die bei Direktkontakt-Anwendung noch zusätzlich eine verschleißfeste Schicht aufgebracht ist.

Die wesentlichen Eigenschaften, die einen Prüfkopf beschreiben, sind folgende:

Schallfeld

Das Schallfeld eines Prüfkopfes kann in einer normierten Darstellung, also unabhängig von Schwingerdurchmesser und Frequenz, dargestellt werden .

Frequenz und Schallschwächung

Für kleine Wanddicken ist eine hohe Frequenz erforderlich, um die Impulstrennung zwischen Eintrittsecho und Rückwandecho für die Auswertung zu ermöglichen. Bei 0,5 mm Wanddicken werden 10 MHz Prüfköpfe verwendet. Für große Wanddicken ist eine niedrige Frequenz (1 MHz) erforderlich, da die Schallschwächung in Kunststoffen bei hoher Frequenz sehr groß ist. Die Impulstrennung steht nicht im Vordergrund, da der Abstand zwischen Eintrittsecho und Rückwandecho sehr groß ist.

Stoßwelleprüfkopf, nicht schwach gedämpft

Für die Wanddickenmessung sollten nur Stoßwellen verwendet werden. Bei kleinen Wanddicken ist dies neben der Frequenz ebenso entscheidend zur Impulstrennung. Bei großen Wanddicken ist die Stoßwelle auch zum einwandfreien Start und Stop der Zeit- und Dickenmessung erforderlich, nicht geeignet sind schwach gedämpfte lang ausklingende Echos .

Durchmesser

Der Durchmesser eines Prüfkopfes bestimmt letztlich die Schallenergie, die ausgesendet wird. Da jedoch die empfangenen Echos ausschlaggebend für die Meßwertverarbeitung sind, ist der Durchmesser in Zusammenhang zum Rohrdurchmesser zu betrachten. Das heißt, das ausgegebene Schallfeld muß optimal auf das Rohr treffen und eindringen. Doch weiter reicht nicht nur die Betrachtung des Schallfeldes im Kopplungsmedium aus; es muß auch das Schallfeld in der Wand betrachtet werden, wobei hier durch die Rohrkrümmung eine leichte defocussierende Wirkung entsteht.

Austrittsfläche des Prüfkopfes

Ebene Prüfköpfe werden überwiegend eingesetzt. Längsfokussierende Prüfköpfe werden bei Rohrdurchmessern von kleiner 6 mm eingesetzt, damit die Schallenergie auf die Mantellinie des Rohres konzentriert wird. Punktfokussierende Prüfköpfe haben nur bei der Fehlerprüfung Bedeutung, wenn besonders kleine Fehler z.B. von kleiner 1 mm Größe aufgefunden werden sollen.

Wesentlich für die Ausnutzung der Schallenergie ist eine exakte Ausrichtung des Prüfkopfes zur Rohrachse. Entweder wird das Rohr zwangsgeführt oder der Prüfkopf befindet sich in einer Kardanhalterung und reitet auf dem Rohr.

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Rolf Diederichs 28. Dez. 1995, info@ndt.net