DEUTSCHE
GESELLSCHAFT FÜR
ZERSTÖRUNGSFREIE
PRÜFUNG E.V.

DGZfP-FAchausschuß für Ultraschallprüfung
Unterausschuß Wanddickenmessung mit Ultraschall

Richtline US1

Richtlinie
Dickenmessung mit Ultraschall August 1996

Ausgabe August 1996

Vorwort

Die Dickenmessung ist neben der allgemeinen Werkstoff- und Schweißnahtprüfung eines der wichtigsten Anwendungsgebiete der Ultraschalltechnik. Daher ist es mehr als verwunderlich, daß dem Ausbildungsstand in diesem Bereich, auch wenn es sich um ein vermeintlich einfaches ZfP-Verfahren handelt, so wenig Aufmerksamkeit gewidmet wurde und wird. Dabei sind es doch gerade die "einfachsten" Verfahren, bei denen die Fehlermöglichkeiten besonders groß sind. Aus diesem Grund hielt es der DGZfP-Ausschuß "Ultraschall" für erforderlich, eine dem Stand des Wissens und der Technik entsprechende Richtlinie zu erstellen.

Im Unterausschuß "Wanddickenmessung mit Ultraschall" wurde zunächst eine Kurzfassung (US 1 K) erarbeitet, um der Praxis möglichst schnell einen Leitfaden für das tägliche Handeln zur Verfügung zu stellen.

Eine umfassende Einführung in diese Thematik wird mit dem vorliegenden handbuchartigen Hauptteil (US 1) dieser Richtlinie gegeben. Inhaltlich geht er weit über die Kurzfassung hinaus, und mit einer konzentrierten Einführung in die Theorie der Ultraschallprüfung bietet er auch die Grundlagen für ein erweitertes Studium der Zusammenhänge, sowohl in physikalischer wie auch in gerätetechnischer Hinsicht. Dies ist besonders wichtig, da durch die einfache Bedienung der heutigen Ultraschall-Dickenmeßgeräte viele ZfP-Fachleute aus anderen Bereichen, aber auch eine große Zahl von Personen, die bisher mit der ZfP nichts zu tun hatten, dazu verführt werden, Dickenmessungen ohne jegliche Vorkenntnisse durchzuführen.

Will man die Möglichkeiten der beschriebenen Meßverfahren maximal nutzen, sie optimal einsetzen, mit geringstmöglicher Ungenauigkeit arbeiten und Fehlmessungen weitgehend ausschalten, muß man sich auch der Tatsache bewußt sein, daß nur ein qualifizierter Anwender diese Vorgaben erfüllen kann. Das bedeutet aber, Kenntnisse - je mehr desto besser - auf diesem Gebiet zu erwerben

Doch auch das Durcharbeiten dieses Hauptteiles der Richtlinie ersetzt nicht die Ausbildung und Erfahrung, die benötigt wird, um einwandfreie und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Die Richtlinie kann jedoch eine wertvolle Hilfe in der Ausbildung sein, als Handbuch dem erfahrenen Prüfer eine willkommene Unterstützung bieten und dem interessierten Fachmann, den diese Thematik tangiert, als ein Leitfaden dienen.

Inhaltsverzeichnis

	Seite
	Vorwort	7
1	Geltungsbereich	9
2	Begriffe	9
3	Physikalische Grundlagen	10
3.1	Grundbegriffe	10
3.1.1	Schwingung	10
3.1.1.1	Auslenkung	10
3.1.1.2	Amplitude	10
3.1.1.3	Phase	10
3.1.1.4	Schwingungsdauer	11
3.1.1.5	Frequenz	11
3.1.1.6	Ungedämpfte und gedämpfte Schwingung	11
3.1.2.1	Ausbreitungsgeschwindigkeit	11
3.1.2.2	Wellenlänge	11
3.1.2.3	Wellenfront.	12
3.1.2.4	Interferenz	12
3.2	Schallwellen	12
3.2.1	Wellenarten	12
3.2.2	Schallgeschwindigkeiten	13
3.3	Schalldruck	13
3.3.1	Schallwellenwiderstand	13
3.3.2	Grenzfläche	14
3.3.3	Schallreflexion und Schalldurchlaß	14
3.4	Dauerschall	15
3.5	Impulsschall	15
3.6	Reflexion und Brechung	16
3.7	Schallfelder	16
3.7.1	Nahfeld	16
3.7.2	Fernfeld	17
3.7.3	Richtcharakteristik	17
3.7.4	Fokussierung	18
3.8	Schallschwächung	18
3.8.1	Absorption	18
3.8.2	Streuung	18
3.8.3	Schallschwächungskoeffizient	18
3.8.4	Entfernungsgesetze	19
3.8.5	Amplitudenmaße	20
4	Meßtechnik	21
4.1	Funktionsweise der Geräte	21
4.1.1	Geräte mit A-Bild-Anzeige	21
4.1.1.1	Analog-Geräte	21
4.1.1.2	Digital-Geräte	23
4.1.2	Digital anzeigende Dickenmeßgeräte	24
4.2	Prüfköpfe	25
4.2.1	Allgemeines	25
4.2.2	Piezoelektrischer Effekt	26
4.2.3	Einzelschwinger-Senkrechtprüfkopf	26
4.2.4	Einzelschwinger-Senkrechtprüflkopf mit Vorlaufstrecke	27
4.2.5	SE-Prüfkopf	27
4.2.6	Prüfköpfe für erhöhte Temperaturen	28
4.2.7	Elektrodynamische Prüfköpfe	30
4.2.7.1	Allgemeines	30
4.2.7.2	Prinzip der elektrodynamischen Ultraschallanregung	30
4.2.7.3	Aufbau elektrodynamischer Wandler (Prüfköpfe)	31
4.3	Hilfsmittel	32
4.3.1	Justierkörper	32
4.3.2	Koppelmittel	33
4.4	Hinweise auf die Ermittlung der Leistungsfähigkeit von Prüfsystemen	33
4.4.1	Allgemeines	33
4.4.2	Kontrolle der Anzeigenlinearität	33
4.4.3	Kontrolle der Anzeigen bei gekrümmten Oberflächen	33
4.4.4	Kontrolle der Anzeigen kleiner Flachbodenbohrungen	34
4.4.5	Kontrolle der Dickenmessung bei korrodierter Rückwand	34
5	Methoden der UltraschallDickenmessung	35
5.1	Vorbemerkungen	35
5.2	Auswertemethoden bei Geräten mit A-Bild-Anzeige	35
5.2.1	Abgrenzung des Anwendungsbereichs gegenüber Geräten mit Ziffernanzeige	35
5.2.2	Allgemeines	35
5.2.3	Meßmethoden	36
5.2.3.1	Einfache Längenmessung	36
5.2.3.2	Messung mit verschobenem Nullpunkt	36
5.2.3.3	Mehrfachechomethode 37
5.2.4	Meßmethoden mit Prüfköpfen mit Vorlaufstrecke	38
5.2.4.1	Einzelschwinger-Prüfkopf mit Vorlaufstrecke	38
5.2.4.2	Messung mit SE-Prüfkopf 38
5.3	Auswertemethoden handelsüblicher digital anzeigender Geräte	40
5.3.1	Übersicht	40
5.3.2	Geräte mit Einzelschwinger-Prüfkopf	41
5.3.2.1	Auswertemethoden	41
5.3.2.1.1	Senkrechtprüfkopf ohne Vorlaufstrecke	41
5.3.2.1.2	Senkrechtprüfkopf mit Vorlaufstrecke	42
5.3.2.2	Methoden der Zeittorbildung	43
5.3.3	Geräte mit SE-Prüfkopf	45
5.3.3.1	Auswertemethoden	45
5.3.3.2	Zeittorbildung	46
5.4	Frequenzmelßverfahren	47
5.4.1	Resonanzverfahren	47
5.5	Sonstige zerstörungsfreie Meßverfahren	48
5.1.1	Wirbelstromverfahren	48
5.5.2	Magnetisches Verfahren	49
5.5.3	Verfahren mit ionisierenden Strahlen	50
5.5.3.1	Durchstrahlungsprüfung	50
5.5.3.2	Rückstreuverfahren	52
5.5.4	Dickenbestimmung über Distanzmessungen	53
5.5.4.1	Distanzmessung mit der Laser optischen Methode	53
5.5.4.2	Distanzmessung mit Ultraschall (Luftschall)	54
5.5.5	Mikrowellenverfahren	54
5.5.6	Shearografie	55
5.5.6.1	Prinzip	55
5.5.6.2	Shearografische Rohrprüfung	57
5.5.6.3	Meßempfindlichkeit	57
6	Einflußgrößen und Grenzen bei der Ultraschall-Dickenmessung	59
6.1	Geräteeinflüsse	59
6.1.1	Geräte mit A-Bildanzeige	59
6.1.1.1	Gerätebedingte Einflüsse auf die Meßunsicherheit	59
6.1.1.2	Meßbereich	59
6.1.1.3	Ableseungenauigkeit.	59
6.1.1.4	Linearitätsabweichung der Horizontalablenkung	59
6.1.1.5	Echohöheneinstellung	60
6.1.2	Digitalanzeigende Dickenmeßgeräte	60
6.1.2.1	Gerätebedingte Einflüsse auf die Meßunsicherheit	60
6.1.2.2	Meßbereichseinstellung	61
6.1.2.3	Ableseungenauigkeit	61
6.1.2.4	Linearitätsabweichungen	61
6.2	Prüfkopfeinflüsse	62
6.2.1	Frequenz	62
6.2.2	Durchmesser	63
6.2.3	Bauweisen	63
6.2.3.1	Einzelschwinger-Senkrechtprüfkopf ohne Vorlaufstrecke	63
6.2.3.2	Einzelschwinger-Senkrechtprüfkopf mit Vorlaufstrecke	63
6.2.3.3	SE-Prüfkopf	63
6.2.4	Sonderprüfköpfe	63
6.3	Einflüsse auf das GerätePrüflkopf-System	64
6.3.1	Einfluß der Temperatur	64
6.3.2	Einfluß durch Alterung	64
6.3.3	Einfluß durch Schwankungen der Versorgungsspannung	64
6.3.4	Einfluß durch das Prüfkopfkabel	64
6.3.5	Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)	64
6.4	Einfluß der Ankoppelmittel	64
6.4.1	Allgemeines	64
6.4.2	Ankoppelmittel für Raumtemperatur	66
6.4.3	Ankoppelmittel für erhöhte Temperaturen	66
6.5	Einflüsse durch den Prüfgegenstand	66
6.5.1	Geometrieeinflüsse	67
6.5.2	Oberflächenbeschaffenheit	67
6.5.2.1	Herstellungsbedingte Oberflächenbeschaffenheit	68
6.5.2.2	Korrosion	68
6.5.2.3	Beschichtungen	69
6.5.3.1	Schallschwächung	70
6.5.3.2	Schallgeschwindigkeit	70
6.6	Temperatureinflüsse	72
6.7	Zur Genauigkeit der Ultraschall Dickenmessung	73
6.7.1	Ermittlung der Meßunsicherheit	73
6.7.2	Einflüsse auf die Meßunsicherheit	75
6.8	Qualifikation der Prüfer	76
7	Durchführung von Dickenmessungen	77
7.1	Auswahl des Meßsystems	77
7.1.1	Herstellungskontrolle / Güteüberwachung	77
7.1.3	Revisionsprüfung / Restwanddickenmessung	77
7.1.4	Sonstige Auswahlkriterien	79
7.2	Meßstellenauswahl	81
7.3	Meßstellenvorbereitung	81
7.4	Justierung des Prüfsystems	82
7.4.1	Allgemeines	83
7.4.1.1	Empfindlichkeitsjustierung	83
7.4.1.2	Entfernungsjustierung	83
7.4.2	Ultraschallgeräte mit A-Bilddarstellung	83
7.4.2.1	Justierung mit Einzelschwingerprüfkopf	83
7.4.2.2	Justierung mit Einzelschwingerprüfkopf mit Vorlaufstrecke	85
7.4.2.3	Justierung mit SE-Prüfkopf	85
7.4.3	Digital anzeigende Dickenmeßgeräte	86
7.5	Meßvorgang	86
7.6	Spezielle Meßprobleme / spezielle Meßtechniken	87
7.6.1	Messungen an beschichteten Oberflächen	87
7.6.2	Messungen im Bereich der Fertigung	89
7.6.3	Hochfrequente Präzisions Dickenmessung	90
7.6.4	Dickenmessung bei erhöhten Temperaturen	92
7.6.4.1	Allgemeines	92
7.6.4.2	Auswahl des Meßsystems	92
7.6.4.2.1	Meßgeräteauswahl	92
7.6.4.2.2	Prüfkopfauswahl	93
7.6.4.2.3	Koppelmittelauswahl	94
7.6.4.2.4	Kabel, Stecker, Zubehör	94
7.6.4.3	Justierung	95
7.6.4.4	Messung	95
7.6.5	Restwanddickenmessung an in Betrieb befindlichen Verzinkungskesseln	96
7.6.5.1	Allgemeines	96
7.6.5.2	Prüftechnik	96
7.6.5.2.1	Ultraschall-Prüfkopf	96
7.6.5.2.2	Auswerte- und Dokumentationssystem	97
7.6.6	Messung in Tauchtechnik	98
7.6.7	Messungen unter Wasser (Offshore)	98
7.6.8	Dickenmessung mit elektrodynamisch angeregtem Ultraschall	100
7.6.9	Korrosionsnachweis mit geführten Wellen	102
7.6.9.1	Allgemeines	102
7.6.9.2	Prinzip der Messung	102
7.6.9.3	Prüfkopf, Anregung und Empfang von SH-Wellen	103
7.6.9.4	Ergebnisse und Prüfkonzept	103
7.6.10	Messung in explosionsgefahrdeten Bereichen	105
8	Dokumentation und Klassifizierung der Meßergebnisse	106
8.1	Grundlagen	106
8.2	Registrierung der Ergebnisse	108
8.3	Auswertung und Dokumentation der Ergebnisse	110
9	Automatisierte Dickenmessung	113
9.1	Einleitung	113
9.2	Fertigungsprüfung	113
9.2.1	Bauteiltoleranzen	113
9.2.2	Produktionssteuerung	116
9.3	Revisionsprüfung	117
9.3.1	Korrosionsbestimmung	117
9.3.2	Auswertung und Protokollierung der Meßergebnisse	117
9.3.3	Beispiel: Fernrohrleitungen	118
	Anhang	123
	Literaturverzeichnis	131
	Stichwortverzeichnis	133

August 1996

Unterausschuß Wanddickenmessung mit Ultraschall