DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Entwicklungen und Trends bei der Anwendung von steuerbaren Schallfeldern in der ZfP mit Ultraschall

Hermann Wüstenberg, Gottfried Schenk, BAM - Berlin
Kontakt: Wüstenberg Hermann Prof. Dr.-Ing.

1. Einleitung

Jede Prüfstelle, die mit Ultraschallprüfung zu tun hat, muss sich mit einem meist sehr umfangreichen Sortiment an Prüfköpfen ausstatten, um auf die unterschiedlichen Anfragen aus der Praxis schnell zu reagieren. Da kommt oft der Wunsch auf, die Parameter der Prüfköpfe wie z.B. den Einschallwinkel durch eine Steuerungsmaßnahme zu verändern statt für jede neue Prüffunktion einen anderen Prüfkopf an das Gerät anzuschliessen und nach Anpassung der Justierung damit zu prüfen.

Während in früheren Jahren der Gebrauch von steuerbaren Schallfeldern auf Institute und einige hochspezialisierte Anwender beschränkt war, kann man heute - gestützt auf die moderne Gerätentwicklung eine schnelle Ausbreitung industrieller Nutzung beobachten. Das ist am besten an der in den Jahren 1996 bis 2002 stark steigenden Zahl der Veröffentlichungen zu erkennen, von denen die angefügte Literaturliste [1 - 61] nur einen Ausschnitt wiedergibt.

Dabei werden als wichtigste Vorteile genannt: (Fig. 1):


Fig 1:

Gerade wegen der schnell wachsenden industriellen Anwendungen ist es notwendig, die Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens zu erkennen. Dies ist für die Auswahlkommission der DGZfP wohl mit ein Anlass gewesen, einen Beitrag zu diesem Thema bei der Jahrestagung 2003 in Mainz anzubieten.

Bei allen Anwendungen der akustischen Ortung und Abbildung (Echolot und Sonar, industrielle Impulsecho- Ultraschallverfahren, medizinische Ultraschalldiagnostik) ist es notwendig, die Schall- oder Empfindlichkeits-felder nach Fokus, Winkel sowie Anregungs- und Empfangs-Ort anzupassen. Dazu sind im Laufe der Zeit unübersehbar viele Prüfkopf-Lösungen erfunden worden, bei denen aber immer die wichtigen Parameter durch die Konstruktion der Schallwandler unveränderbar vorgegeben sind. Wenn man diese Parameter z.B. wie den Winkel in Fig. 2 steuerbar machen will, muß man die Frage nach den Möglichkeiten der Schallfeldsteuerung beantworten, d.h. der steuerbaren Anpassung an gewünschte Formen.


Fig 2: Winkelprüfkopf mit gesteuerten Schallfeldern.

2. Grundsätzliche Möglichkeiten der Schallfeldsteuerung

Wichtigste Voraussetzung der Steuerung von Schallfeldern ist die Möglichkeit ihrer Veränderung durch beeinflussbare Parameter. Dies soll am Beispiel eines Winkelprüfkopfes mit Fokussierung erläutert werden. Zur Veränderung der Schallfelder kann man im Prinzip alle mit den Formeln in Fig. 3 a,b und c angedeuteten Parameter heranziehen.


Fig 3a:

Fig 3b:
Die Steuerung der Richtcharakteristik

Fig 3c:
Die Steuerung des Entfernungsgesetzes (Fokussierung).

Die Formeln für Richtcharakteristik und Entfernungsgesetz werden hier lediglich zur qualitativen Beschreibung des Schallfeldes angegeben. Man kann in ihnen alle wichtigen Größen erkennen, mit denen das Schallfeld zu beeinflussen ist. Allen voran sind dies die Schallgeschwindigkeiten der verwendeten Materialien, aber auch die Phasen- und Laufzeitverteilung über der Schwingerfläche, Krümmungsradien und - wichtig für die Fokussierung - auch die Wellenlänge. Wenn man z.B. den Einschallwinkel und die Fokuslage in gewünschter Weise verändern will, dann kommen dazu im wesentlichen die Schallgeschwindigkeiten von Linsen- und Vorlaufstreckenmedien in Frage und eine virtuelle, elektronisch zu erzeugende Neigung und Krümmung des. Schwingers, die durch Phasen- oder Laufzeitverteilungen über der Schwingerfläche erzielt werden kann. (siehe auch die Tabelle in Fig. 3d).

Steuerbare Parameter für Winkel und Fokus


Fig 3d: Mögliche Steuerungsparameter beim Winkelprüfkopf.

Betrachtet man zunächst die Schallgeschwindigkeiten, dann kann man davon ausgehen, dass diese durch Temperatur und evtl. auch elektrische bzw. magnetische Felder beeinflusst werden können. So kann z.B. Öl als Vorlaufstrecke eine so erhebliche Temperaturabhängigkeit aufweisen, dass im Zusammenwirken mit dem hohen Brechungsindex bei Änderung der Temperatur erhebliche Einschallwinkeländerungen auftreten. Das ist aber eine nur mit erheblicher Trägheit zu realisierende Veränderung und kommt daher für Steuerungszwecke kaum in Frage. (Allerdings ist diese Abhängigkeit durchaus bei manchen Anwendungen mit Öl als Vorlaufstrecke zu beachten, z.B. wenn sich die Prüfobjekttemperatur gegenüber den Justierbedingungen verändert). Wenn man als Vorlaufstrecke z.B. flüssige Kristalle verwenden würde, ließe sich eine sehr viel schneller reagierende Veränderung über geänderte elektrische Felder bewerkstelligen. Dazu gibt es aber noch keine Erfahrungen. In einer frühen Arbeit zur Schallabbildung nach Art der Pohlmann´schen oder Sokolov´schen Anordnung mittels Durchschallung mit großen Bündelquerschnitten ist eine ölgefüllte Linse erwähnt, deren Krümmungsradius durch veränderten Innendruck modifiziert wird. (Fig. 4).


Fig 4: Fokusänderung durch Druck in einer Linse.

Steuerung ist damit möglich, ob aber ausreichend schnell, ist unklar. In russischen Quellen sind magnetische Flüssigkeiten mit im Magnetfeld veränderbaren Schallgeschwindigkeiten erwähnt worden, die aber wahrscheinlich auch zu träge reagieren.

Nicht vergessen sollte man die manuell einstellbaren Winkelprüfköpfe, die in den Abbildungen der Fig. 5 und 6 gezeigt werden.


Fig 5: Winkelprüfkopf mit einstellbarem Einschallwinkel.

Die unterschiedlichen Versionen derartiger Prüfköpfe in Fig. 6 deuten zugleich auch eine Möglichkeit der Stabilisierung des Schalleintrittspunktes an, von der bisher bei Gruppenstrahlerprüfköpfen wenig Gebrauch gemacht wird. Fig 6 weist auf die Entwicklung zum Gruppenstrahler hin. Der Prüfkopf in der Mitte von Fig. 6 wurde in den 70er Jahren vom Babcock in England propagiert.


Fig 6:

Diese alternativen Möglichkeiten werden hier erwähnt, weil der heute allgemein verwendete Ansatz -der im folgenden ausführlich diskutiert wird - mit in viele Einzel-Elemente aufgelösten, elektronisch über eine Laufzeitverteilung der Anregung und des Empfanges gesteuerten Gruppenstrahlern (häufig als "Phased Array" bezeichnet ) sowohl vom Aufwand als auch von der Leistung her an technische Grenzen stoßen kann, und dann auch schon mal an andere Alternativen gedacht werden sollte. So sind z.B. in der Medizin die bei dem Gruppenstrahler-Konzept unvermeidlichen, als Gitterkeulen bekannten Nebenmaxima im Schallbündel (siehe auch Fig. 25) für manche Anwendungen (mit sehr hohem Dynamikbedarf wie bei Unterleibsuntersuchungen) noch immer ein Argument gegen Lineararrays und Phased-Array-Sektor-Scanner zur Schallbündelbewegung, da dort störende Artefakte durch die Gitterkeulen nicht immer durch Dynamikbegrenzung wie bei kardiologischen Anwendungen unterdrückt werden können. Die elektronische Steuerung wird dort daher oft auf eine dynamische Fokussierung [4] beschränkt und die Abtast-Bewegung für einen Sektor-Scan auf eine mechanische Bewegung abgestützt.

3. Begriffe und Geschichte der Gruppenstrahler für die ZfP

Die auch bei uns vielfach übernommene englische Bezeichnung "Phased Array" für das elektronische Schallfeldsteuerungs-Konzept der Gruppenstrahler muss etwas näher betrachtet werden. Die Bezeichnung kommt aus der Radartechnik mit Einzelantennen, bei denen durch Phasenverschiebung gezielt eine bestimmte Abstrahl- und Empfangsrichtung vorgegeben werden kann. Dies ist möglich, weil die Impulse bei der Funkmesstechnik eine Kohärenzlänge haben, die in der Regel erheblich größer ist als die Ausdehnung der Antennen-Gruppe. (Fig. 7).


Fig 7: Steuerung durch Phasenverschiebung bei langen Impulsen.

Damit führt bereits eine einfache Phasenverschiebung zwischen den Einzelantennen zu einem Schwenk oder anderen Änderungen des erzeugten bzw. empfangenen Feldes. In der Ultraschallprüfung wie auch in der Ultraschalldiagnostik sind die Kohärenzlängen der Impulse aber meist kürzer als die Schallkopf-Abmessungen. Wenn dann die Überlagerungsfähigkeit wirksam werden soll, muss man die Laufzeit der Impulse verändern. (Fig. 8).


Fig 8: Steuerung durch Laufzeitverschiebung bei kurzen Impulsen.

Dementsprechend haben wir schon in der Anfangszeit der Entwicklung für die industrielle Nutzung in Deutschland von laufzeitgesteuerten Gruppenstrahlern gesprochen.

Man muß aber davon ausgehen, dass es heute wenig Chancen gibt, diese sprachliche und begriffliche Genauigkeit gegen den Druck der Beschreibung des gesamten Anwendungsbereiches mit dem kürzeren englischen Modewort "Phased Array" zu verteidigen. Deshalb findet sich in diesem Beitrag eine mit Absicht nicht ganz konsequente Begriffswahl.

Die Laufzeitsteuerung führt zu relativ teuren elektronischen Gerätschaften, bei denen der größte Teil des Aufwandes in der Realisierung der schnell veränderlichen Laufzeiten für die empfangenen Signale steckt. Darauf wird weiter unten noch näher eingegangen.

Allerdings ist die Steuerung über die Phase bei kleinen relativen Veränderungen durchaus auch in der ZfP interessant, wie dies in der Medizin z.B. für die dynamische Fokussierung auch geschieht, z.B. in einem hybriden Konzept mit der Grob-Verzögerung durch "tapped delay lines" und Fein-Verzögerung durch eine Phasenmodulation, die u.a. von der Fa. Hewlett Packard seit 1979 angewendet wurde.

Die Entwicklung des Prinzips laufzeitgesteuerter Gruppenstrahler für die ZfP geht zurück auf die Erfolge dieses Ansatzes in der medizinischen Diagnostik, die mit dem Arbeiten von J.C. Somer 1968 [2] starteten. Thurstone beschreibt 1974 eine Abbildungstechnik mit Gruppenstrahlern für medizinische Anwendungen [3]. Für Sonar-Anwendungen gab es das Prinzip schon früher, war allerdings militärischer Geheimhaltung unterworfen. Ein frühes Patent von Kelvin und Hughes gibt es, allerdings ohne Realisierung, bereits aus dem Jahr 1959 und von Bradfield eine Prüfkopfkonzeption mit mechanisch umgeschalteten Verzögerungselementen aus dem Jahre 1954 [1].

Die wichtigsten Arbeiten in der ZfP begannen in den frühen 70er Jahren bei Battelle in Richland (WA) und dem Southwest Research Institute in San Antonio (Texas). Der Ansatz wurde wenig später dann auf Initiative von Prof. Höller in Deutschland beim IZfP aufgegriffen und führte ca. 1977 zu einem ersten Gerät mit den damals sehr modernen CCD Elementen als wichtigstem Baustein zur Realisierung der Laufzeitverzögerung, im Beispiel der ersten IzfP Konzeption sowohl für die Sende- als auch die Empfangsseite mit CCD-Verzögerungsleitungen, was die Verwendung von Wechselspannungsimpulsen als Senderanregung ermöglichte, aber sehr aufwendig ist und stark von der Verfügbarkeit der CCD-Komponenten am Markt abhängig ist. In der Medizin haben diese Aufgabe damals bereits (und vielfach auch noch heute ) die - elektronisch anspruchloseren - angezapften Verzögerungsleitungen ("tapped delay lines") übernommen. Das veranlasste die BAM 1979, mit diesem Konzept zu experimentieren. Daraus entstand ein dynamisch fokussierter Prüfkopf für die ZfP und ein erstes 8-Kanal-Gerät für Winkelprüfköpfe. [4] (Zum Konzept der dynamischen Fokussierung siehe auch unter Abschnitt 6 und Fig. 21). Die BAM hatte sich in den 80er Jahren mit diesem Ansatz befasst, da damals der verstärkte Einsatz fokussierender Prüfköpfe für schwere Nuklear- Komponenten erwartet wurde, was dann aber nicht eintrat. In der Folgezeit wurden durch Entwicklungen zur Schmiedeteilprüfung mit dem Konzept der Echotomographie (1985 [7]) und darauf folgend für diverse Sonderanwendungen der Gruppenstrahlertechnik wachsend Einsatzbereiche [6, 8, 9 u.a.] erschlossen, die es gestatteten, die Randumstände für den Einsatz dieser Technik zu erkennen und die Vorteile und Grenzen einzuschätzen.

4. Die Möglichkeiten der Schallfeldsteuerung mit Gruppenstrahlern

Die wichtigsten Anwendungen der Schallfeldsteuerung durch das Gruppenstrahler-Konzept werden meist anhand der prinzipiell zweidimensionalen Möglichkeiten einer linearen, eindimensional geteilten Strahlergruppe dargestellt, die auch hier nicht fehlen sollte. Dies wird vereinfachend mit den Bildern in Fig. 9 und Fig. 10 gezeigt.


Fig 9: Mögliche Schallfeldvariationen mit Gruppenstrahlern.


Fig 10: Kombination der drei Möglichkeiten.

Ein Gruppenstrahler ("Phased Array") - Prüfkopf besteht aus einer Strahlerfläche, die ein- oder zweidimensional in kleine Einzelelemente aufgeteilt ist, die als Sender und/oder Empfänger von Ultraschallwellen dienen können [1, 12] . Diese Einteilung der strahlenden Fläche erlaubt über eine Erregung mit unterschiedlichen. Verzögerungszeiten die elektronische Schallfeldsteuerung für drei grundlegende Möglichkeiten (Fig. 9):

  • Man kann das Bündel entlang der Achse des Linear-Arrays bewegen, was den Parallel-Scan oder Realtime-Scan der medizinischen Diagnostik ergibt.
  • Bedeutsamer für die ZfP ist ein Sektor-Scan für Longitudinal- oder Transversalwellen abhängig vom mittleren Einschallwinkel und auch kombinierbar mit Prüfkopfkeilen wie in Fig 10 gezeigt.
  • Eine mehr oder weniger gekrümmte Verteilung der Verzögerungszeit erzeugt ein fokussiertes Schallfeld, eine Möglichkeit, die auch zur Kompensation von Krümmungseinflüssen von der Ankopplung verwendet werden kann.
  • Schwenken und Fokussieren können mit dem Realtime-Scanner kombiniert werden. (Fig. 10)

Diese Möglichkeiten bestehen genauso auch für zweidimensionale Flächen-Arrays. Die dreidimensionale Schallfeldsteuerung dieser sehr viel aufwendigeren Anordnungen kann auch im Sinne einer hybriden Lösung durch einfachere Linear-Array-Anordnungen auf Prüfkopfkeilen wie in Fig. 11 dargestellt, ersetzt werden. [6]


Fig 11:
  • Der Winkel kann bei Fig. 11A nur in der Einschallebene verändert werden.
  • Man kann mit der Anordnung von Fig. 11B im wesentlichen Schielwinkeländerungen hervorrufen.
  • Wenn man eine bestimmte Schrägstellung des Arrays auf dem Keil verwendet, kann man eine gewünschte Kombination aus Schiel- und Einschallwinkeländerung herbeiführen. (Fig 11C)

Zur Anwendung derartiger hybrider Prüfkombinationen gibt es in Deutschland inzwischen umfangreiche Erfahrungen aus dem Bereich der wiederkehrenden Prüfung in Kernkraftwerken [8, 26].

5. Struktur und Aufbau von Gruppenstrahlergeräten

Die allgemeine Struktur eines Gerätes für den Betrieb von Gruppenstrahlern ist in den Fig. 12, 13, 14 für verschiedene Konzepte dargestellt, die aber in den wichtigsten Baugruppen vergleichbar sind . Die den Aufwand bestimmenden Komponenten sind: Prüfkopf mit Kontaktierung vieler Kabel, die Kabel zwischen Prüfkopf und Gerät bzw. zwischen einem bei längeren Wegen zwischen geschaltetem Prüfkopf-Anschlusskasten und dem Gerät und im Gerät die Einzelkanal-Sender und -Verstärker mit ihren variablen Verzögerungen und Verstärkungen. Der Prüfkopf-Anschlusskasten enthält meist alle Sendeendstufen mit deren Ansteuerung und Vorverstärker für die Empfangskanäle.


Fig 12: Gruppenstrahler mit digitaler Verzögerung.


Fig 13: Gruppenstrahler mit analoger Verzögerung.


Fig 14: Zur Architektur eines Gruppenstrahler-Gerätes.

Aus der Ultraschalldiagnostik und auch aus der ZfP mit Ultraschall ergeben sich beim Bau von Gruppenstrahler-Geräten Herausforderungen für Spitzenleistungen an die Hersteller von integrierten elektronischen Schaltungen. [57]. So müssen die Eingangsverstärker der einzelnen Kanäle extrem rauscharm bei großer Amplituden-Dynamik und großem Frequenzbereich sein. Bei digitalem Verzögerungskonzepten werden extrem schnelle Analog-Digital-Wandler (100 MHz und mehr) mit 12 und mehr Bits bei kleiner Verlustleistung gebraucht. Ähnliches gilt für schnelle digitale Signal-Prozessoren (DSP). Das sind offenbar Forderungen, die sonst aus kaum einem Anwendungsbereich an die Entwickler von integrierten Elektronik-Bauelementen gestellt werden.

Im Gerät ist auf der Sendeseite der Aufwand für die Erzeugung von in Amplitude, Zeitdauer und Verzögerung einstellbaren rechteckförmigen Sendeimpulsen vergleichsweise gering, sodass auf die dabei zu beobachtenden Besonderheiten hier nicht näher eingegangen wird. Lediglich bei der Verwendung von Wechselspannungs-Impulsen zur Anregung der Sendeelemente (sog. "CS"-Signale) wäre auch im Sendefall mit der Signal-Verzögerung ein sehr hoher Aufwand verknüpft, weshalb diese Anregungsart für die praktische Anwendung heute auch keine Bedeutung hat. In der Pulsdauer optimal an das Piezoelement angepasste Rechteckimpulse erzielen fast die gleichen Ergebnisse wie die "CS"-Signale.

Die Diskussion um "intelligente Prüfköpfe" mit großen Teilen der aufwandsentscheidenden Elektronik im Prüfkopfgehäuse kommt immer wieder auf, vor allem auch bei Anwendungen, die vom Gerät 256 und mehr Kanäle fordern (z.B. schnelle Realtime-Scanner oder Fokussysteme mit grosser Apertur) und einem immer höheren Aufwand für betriebssichere Kabel ergeben. Allerdings ist zur Zeit noch nicht zu erkennen, wo und von wem die dazu erforderliche erhebliche Entwicklungsleistung mit dem Ziel einer Miniaturisierung von Elementkontaktierung, Elektronik und Multiplexen um den Faktor 10 bis 100 finanziert werden soll, zumal die drastische Reduzierung des Kabel-Aufwandes - diese kämen dann mit erheblich weniger Koaxial-Adern aus - nur in wenigen Fällen wirkliche Notwendigkeit ist. Diese wenigen Anwender hätten dann die gesamten Entwicklungs-Kosten zu tragen. Die bei hoher Integration von Piezoelementen und Elektronik auftretenden Probleme mit der Erwärmung, aber auch mit dem Übersprechen lassen diese Lösung als schwer zu realisieren und auch nicht uneingeschränkt vorteilhaft erscheinen. Bei Element-Zahlen von 512 oder gar 1024 ist allerdings die technisch mit vieladrigen Kabeln noch darstellbare Verbindung an eine Grenze gekommen, bei der Übersprechen, Kabelflexibilität und Haltbarkeit nur mit erheblichem technologischem Aufwand zu einem auch finanziell tragbaren Kompromiß geführt werden können. Daraus muss man für die allgemeine Präsenz von Gruppenstrahleranwendungen im ZfP-Markt den Schluss ableiten, dass man die Kanalzahl auf das wirklich notwendige Maß beschränken wird und mit optimierten Kabelsystemen (kleine Durchmesser der Koaxleitungen, geringe Dämpfung, geringes Übersprechen, intelligente Kontaktierung (siehe auch Fig 15) arbeiten wird. Bei Problemen mit der Kabellänge, z.B. bei Einsätzen in Kernkraftwerken, hat sich das Zwischenschalten von Prüfkopf-Anschlusskästen bewährt. Die zur Zeit in einem europäischen F&E-Projekt laufende Entwicklung für einen Gruppenstrahler für die Inspektion von Ölbohrungs-Schutzrohren ("Casings") mit über 1000 Einzelelementen und der vorgesehenen hohen Integration von Piezoelementen und Elektronik unter harten Umgebungsbedingungen ist erst am Anfang und stellt einen Sonderfall dar, der sicher nicht typisch für die allgemeine Entwicklung ist.


Fig 15: Beispiel für die Kontaktierung eines 2D-Array-Prüfkopfes.

Bei den Varianten für die aufwandsentscheidende Verstärkungs- und Verzögerungstechnik für die Signale der Empfangskanäle muß man für die ZfP etwas andere Forderungen beachten als in der Medizin. Während die traditionellen, auch heute noch immer wesentlich auf die Echo-Amplitude gestützten Bewertungsstrategien in der ZfP bei Gruppenstrahlern eine möglichst verzerrungsfreie, lineare Signalübertragung verlangen, ist diese Forderung in der Medizin dem Ziel einer artefaktfreien Abbildung untergeordnet. Das ist neben dem Kampf mit den vielen Wellenmoden bei den industriellen Objekten wohl auch einer der Gründe für die nur zögerliche Übertragung von Geräten oder Gerätekonzepten aus der medizinischen Technik in die ZfP.

Erstaunlich ist allerdings auch in der ZfP, dass die äußeren Dimensionen der Gruppenstrahler-Geräte von anfangs 2 bis 3 19´´- Einschubschränken (siehe z.B. das Ultrasonic Phased Array Testbed System (UPATS) der NASA vom März 2000) auf die Größe einer Laptop-Tasche geschrumpft sind und damit heute in den gleichen Abmessungen wie die medizinischen Verwandten vorliegen. (Fig. 16). Die Größe der Geräte wird ganz wesentlich durch die Stromversorgung und die Leistungsstufen der Sender bestimmt. Für viele mobile Anwendungen stehen heute die in jüngster Zeit vorgestellten kleinsten Prototypen (PAL1 von Krautkramer - Japan oder Harfang aus Kanada in Laptop-Größe) mit durchaus ausreichender Sendeleistung (z.B. 100 Volt Rechteckimpuls) zur Verfügung. (Fig. 16) Es ist zu hoffen, dass die Miniaturisierung der Elektronik auch die Preise für die Geräte-Hardware sinken lässt.


Fig 16: Die Gehäuse-Größen bei modernen Gruppenstrahler-Geräten.

Die Verzögerungszeiten bei der Gruppenstrahlertechnik
Bei der Wahl der Technik für die Signalverzögerung muss man beachten, dass die kleinsten Schrittweiten bei der Einstellung der Verzögerungszeit z.B. im rein digitalen Konzept problematisch sind und bei den größten geforderten Verzögerungszeiten wegen der Frequenzbandbreite z.B. bei Tapped delay lines Grenzen beachtet werden müssen.

Da zum Verständnis des Aufwandes die erforderliche Zeiten in ihren Größenordnungen bekannt sein sollten, wird im folgenden eine Abschätzung der maximalen und der minimalen Verzögerungszeitschritte dargestellt (siehe auch Fig. 17 und 18):


Fig 17:


Fig 18:

Für die maximal benötigte Verzögerungszeit gilt:

Dt max =Apertur ´ SIN(a max)/ CObjekt.

Wenn auf die Apertur oder Prüfkopfgröße z.B. mindestens 12 Wellenlängen entfallen sollen, ergibt sich :

Dt max(msek) =12 ´ SIN (a max) / f (MHz)

Für die kleinste benötigte Verzögerungszeitschrittweite gilt, wenn man eine kleinste Winkeländerung D a bei einer gegebenen Elementezahl N fordert:

Dt min(nsek) = 12000/N ´ COS (a) ´ Da / f(MHz)

Für Da = 2° und N = 15 und einen Schwenkwinkelbereich von a zwischen -45° und +45° ergibt sich:

Dt min(nsek) = 20/ f(MHz)

Da das bei hohen Frequenzen (> 10 MHz) auf kaum genau zu einstellbare, sehr kleine Verzögerungszeitinkremente führt, sei hier noch eine andere Abschätzung angegeben, die sich an dem technisch noch ausreichend genau zu realisierenden Werten orientiert.

Für die kleinste benötigte Verzögerungszeitschrittweite gilt, wenn man 8% der Wellenlänge als Quantelung der Phasenverschiebung zulässt:

Dt min (nsek) = 80 ´ 1 / f(MHz)

Man erhält als einfache Formeln zur Abschätzung des Bedarfs an maximaler und minimaler Verzögerungszeit also Ausdrücke, die zeigen, dass beide Zeiten sich ca. um den Faktor 400 bzw. 100 unterscheiden. Drei Beispiele sollen das verdeutlichen:

Für die Betonprüfung mit 100 kHz wäre ein Dt max= 120 msek und ein Dt min= 200 (800) nsek gefordert. Die grosse Verzögerungszeit ist im Empfangskanal am sinnvollsten mit digitalen Konzepten zu erreichen, wenn man Probleme mit der Bandbreite vermeiden will.

Für Stahl oder vergleichbarem Material mit 4 MHz würde sich ein Dt max= 3 msek und ein
Dt min = 5 (20) nsek.

und für Stahl mit 10 MHz ein Dt max= 1.2 msek und ein Dt min = 2 ( 8) nsek ergeben.

Bei 20 MHz wäre ein Dtmin= 1 (4) nsek zu fordern. Das geht dann schon an die Grenzen der Präzision der meisten Elektronik-Konzepte zur Steuerung der Verzögerungszeit.

Alle genannten Beispiele für Stahl oder anderen mit höheren Frequenzen prüfbaren Werkstoffen lassen als Lösung sowohl digitale als auch andere, z.B Tapped-Delay-Line Konzepte als möglich erscheinen.

Die verschiedenen Gerätetypen sollen anhand der Figuren 19 und 20 erläutert werden.


Fig 19:

Fig 20:

Während z.B. praxisübliche Geräte in der Medizin neben der digitalen Konzeption noch immer häufig mit hybriden Lösungen aus z.B. Tapped delay lines für die grossen Schrittweiten der Verzögerungszeit und Phasenmodulation für kleineren Schrittweiten bei der dynamischen Fokussierung aufwarten, ist in der ZfP zur Zeit noch keine einheitliche Gerätekonzeption zu erkennen, von der sich sagen ließe, dass sie das Gerät der Zukunft darstellt. So kann hier nur versucht werden, die wichtigsten Konzepte zu nennen.

Die erwähnten analogen Zeitverzögerungen mit CCD ("Charged Coupled Devices")-Leitungen und angezapften Verzögerungsleitungen ("Tapped delay lines") sind in den modernen Gruppenstrahlergeräten für die ZfP heute kaum noch vertreten. Die digitale Verzögerung nach einer Analog-Digitalwandlung, die für jeden einzelnen Empfangs-Kanal realisiert sein muß, ist vorherrschend. (Fig. 19). Neben den immer häufiger anzutreffenden Lösungen mit DSP´s (Digitale Signalprozessoren), bei denen alle wichtigen Funktionen der Digitalisierung, Verzögerung und Signalformung von einem DSP übernommen werden, trifft man auch auf digitale Lösungen, die bis auf den AD-Wandler alle elektronischen Schaltungen mit frei programmierbaren Gate-Arrays (FPGA) , seltener mit ASIC´s, das sind kundenspezifische hochintegrierte elektronische Schaltungen auf Halbleiterbasis, ausführen. Die gesamte Signalverarbeitung wird von diesen Schaltungen bis auf die Analog-Digitalwandlung übernommen, die fast immer mit im Handel erhältlichen, leistungsfähigen AD-Wandlern (Flash-ADU) mit 12 bis 14 bit Auflösung und 100 MHz und mehr Abtastrate durchgeführt wird. Die Verzögerung wird z.B. mit Double Ported RAMs, in die eine digitale Signalfolge mit unterschiedlichen Takt ein und ausgelesen werden kann, realisiert. Die kleinen Änderungsschritte der Verzögerungszeit, z.B 2, 5 nsec, benötigen dann aber besondere Maßnahmen wie z.B. die Verdoppelung der Takt-Frequenz und Triggerung auf positiver bzw. negativer Flanke. Dieses Problem lässt sich besser bewältigen, wenn DSP´s (Digitale Signalprozessoren) mit der Möglichkeit des "Upsamplings" herangezogen werden, bei denen lediglich die schnelle On-Line-Addition der Signale aller Kanäle diskret z.B. mit FPGA´s aufgebaut werden muss. Ein wichtiges Element für die digitale Empfangselektronik der Gruppenstrahler stellt die Signal-Addition der verschiedenen Kanäle dar. Die rein digitale Lösung bringt zwar die besten Resultate hinsichtlich der Signaldynamik, kann aber zeit- und schaltungsaufwendig sein. Deshalb sind auch hier hybride Lösungen anzutreffen, bei denen nach der AD-Wandlung das Signal digital geformt und verzögert wird und dann nach DA-Wandlung analog addiert wird. Möglich ist auch eine Lösung nach Art des Schemas in Fig. 20, bei dem die AD-Wandlung erst am Ausgang des Summierers vorgenommen wird. Die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen digitalen und auch hybriden Lösungen hängen u.a. auch vom momentanen Angebot der Industrie für elektronische Bauelemente, deren Spezifikationen und langfristiger Lieferbarkeit ab. Ein Vorteil der diskreten Lösung ohne DSP wäre möglicherweise die grössere Unabhängigkeit von Marktfluktuationen für die Bauelemente beim Gerätebau. Lediglich als Konzept wird auch eine andere Variante der AD-Wandlung und Verzögerung in der Literatur vorgestellt. Das sog. SD- Konzept der ADU-Wandlung, auch als Single Bit ADU bekannt, könnte den Aufwand auch für die kleinen Verzögerungszeiten erheblich reduzieren, verlangt aber sehr hohe Abtastraten und hat z. Z. wohl neben dem Rauschen auch noch Probleme mit der Präzision bei der Einstellung der Verzögerungszeit.

Die Auswirkungen der jeweilig gewählten Konzeption auf die Leistungsdaten der Geräte wie Signal-Dynamik und Linearität, Frequenzgang, Verzögerungszeitstaffelung und maximale Verzögerung sind leider in den von den Herstellern zur Verfügung gestellten Datenblättern zur Zeit nicht zweifelsfrei erkennbar, da weder die gewählte Konzeption angegeben wird noch verbindliche Regeln für die Gerätedaten existieren [60, 62].

6. Betriebsweisen von Gruppenstrahlern

Die Anpassung der Schallfelder eines Ultraschallsenders und der Empfindlichkeitsfelder eines Ultraschallempfängers durch elektronische Steuerung - das ist das eigentliche Thema dieses Beitrages - kann sehr unterschiedlich ausgeführt und kombiniert werden.

Dazu muss man die Sende- und Empfangsfunktion grundsätzlich voneinander unterscheiden: Ein einmal ausgesendetes Schallfeld - z.B. von einer Strahler-Gruppe mit gezielt gegeneinander verzögerten Sendeimpulsen abgestrahlt - kann im Nachhinein nicht mehr verändert werden. Dahingegen kann man Signale von einer Empfänger-Gruppe beliebig und auch zeitlich veränderlich miteinander verknüpfen und dadurch sehr verschiedene "Empfindlichkeits"-Felder beim Empfang realisieren. Das kann z.B. dadurch geschehen, dass man die digitalisierten Echosignale der Empfangskanäle speichert und ihre gegenseitige Verzögerung während oder nach der Empfangszeit variiert, wie das bei der dynamischen Fokussierung geschieht, oder aber nach Ende des Empfangsvorganges z.B. mit einer dem SAFT-Verfahren ähnlichen Methode behandelt. Die dabei erzeugten Empfindlichkeitsfelder setzen allerdings voraus, dass in den abgetasteten Ortsbereichen beim Sendevorgang genügend Schallintensität mit an die Fehler angepasster Einfallsrichtung der Wellenfront erzeugt worden ist, was oft nur durch einen relativ breitbündeligen Sender an geeignetem Ort , d.h. z.B. ein oder wenige Einzelelemente aus einer Gruppe, zu erreichen ist. Die Signalverarbeitung der Empfangssignale aller Elemente eines Gruppenstrahlers setzt eine gute Linearität des Übertragungsverhaltens in einem großen Dynamikbereich (>80 dB) voraus. Dies erfordert bei den aktuellen Gruppenstrahlergeräten für die ZfP mit überwiegend digitalen Verzögerungskonzepten die Signaldigitalisierung mit mindestens 12 bis 14 Bit Signaltiefe. Hier unterscheidet sich die medizinische von der ZfP Gruppenstrahler-Gerätetechnik.

Die dynamische Fokussierung erweitert den nutzbaren Entfernungsbereich eines fokussierenden Prüfkopfes dadurch, dass während des Empfanges der effektive Fokusabstand durch Anpassung der Verzögerungszeit-verteilung für die Empfangskanäle mit der Zeit vergrößert wird. (Fig. 21)


Fig 21: Das Prinzip der dynamischen Fokussierung.

Dadurch ist für jede Entfernung in der Empfangssituation immer der richtige Fokusabstand eingestellt. Die durch die zeitliche Veränderung bedingte Nichtlinearität kann zusammen mit den Umschaltgeräuschen der Verzögerungsleitungen zu Artefakten im Empfangssignal führen, die gegebenenfalls unterdrückt werden müssen. Die Begrenzung des Fokusbereiches ist nur noch durch den Sendefokus bedingt, dessen nachträgliche Veränderung nicht möglich ist. Dieses Konzept ist in der Medizin mit schneller Abtastung zur Vermeidung von Bewegungsunschärfen sehr sinnvoll, während diese Möglichkeit in der ZfP sicher nur in Extremfällen mit schneller Taktfolge hilfreich sein kann, sie wird aber - häufig als reines Werbeargument - dennoch in vielen Prospekten der Gerätehersteller angepriesen. Und das, obwohl die Forderung nach dynamischer Fokussierung den gerätetechnischen Aufwand und die zu wählende Konzeption ganz erheblich beeinflussen.

Da der Aufwand für die elektronische Verarbeitung der Empfangssignale wesentlich die Kosten eines Gruppenstrahlergerätes bestimmt, sind schon oft Ansätze für solche Geräte bekannt geworden, bei denen lediglich die weit einfacher zu realisierende elektronische Steuerung der Sende-Impuls-Verzögerung explizit realisiert ist, während man sich für die Empfangsfunktion mit einem oder wenigen Digitalisierungskanälen begnügt, die dann von Sendeimpuls zu Sendeimpuls im Sinne eines zeitlichen Multiplex- oder Samplingverfahrens auf die einzelnen Empfangselemente einer Gruppe umgeschaltet werden. (Fig. 22).


Fig 22: Gruppenstrahler-Konzepte mit einem Empfangskanal.

Der Sendevorgang muss dazu unveränderlich mehrfach ausgelöst werden. Der Empfangsvorgang ist erst dann beendet, wenn alle Kanäle abgefragt worden sind. Danach kann dann eine Verknüpfung der Signale von den Einzelelementen im Sinne einer Schallfeld- bzw. Empfindlichkeitssteuerung nach Fig. 9 erfolgen. Wo die dadurch natürlich größere Zeit für einem Abtastvorgang unbedeutend ist, können derartige Konzepte sinnvoll sein, z.B. bei der Ultraschallprüfung an Beton-Bauteilen, wo die Prüfkopfverschiebung immer mit einem größeren Zeitaufwand verknüpft ist, sodass die Verlängerung der Prüfzeit durch das Samplingverfahren beim Empfang kaum ins Gewicht fällt. Dieses Konzept der vielen Sendekanäle und eines oder weniger Empfangskanäle kann vor allem auch bei sehr vielen Sendern (z.B. 256) sinnvoll werden, wenn man die wichtigsten Empfangsfunktionen mit erheblich weniger (z.B. 16) Kanälen aufbaut und dadurch den Zeitverlust durch das Multiplexen verringert oder ganz vermeidet.

Während dieses Samplingverfahren für extrem langsame Vorgänge geeignet ist, kann man die umgekehrte Situation mit einem Sendeimpuls von einem oder wenigen Schwingern zur breitbündeligen Anregung für extrem schnelle Prüfabläufe heranziehen, bei denen die Impulsfolgefrequenz bei konventioneller Abdeckung aller Prüffunktionen mit je einem Sendeimpulstakt soweit erhöht werden müsste, dass die Schalllaufzeiten, Wiederholungsechos aus einer Vorlaufstrecke und Spätheimkehrer-Echoanzeigen physikalische Grenzen setzen. Die Orts- und Richtungsselektion wird dann nur durch eine nach Ende des Empfangsvorganges einsetzende, sehr schnelle Datenverarbeitung der digitalisierten Empfangskanalsignale mit entsprechender virtueller Bündelbewegung, Bündelschwenk oder Bündelfokussierung realisiert. Eine unter anderem darauf beruhende Technik soll für schnelle Rohrprüfeinrichtungen verwendet werden. ("Paint brush" -Lösung der Firma Agfa-NDT/ Krautkrämer). Sie wird auch diskutiert als Möglichkeit der Schienenprüfung mit schnellfahrenden Prüfzügen und mit gegenüber dem heute verwendeten System erheblich gesteigerter Zahl der Prüffunktionen. Bei dieser Aufgabe müsste z.B. sonst mit 60 KHz Pulsfolgefrequenz gearbeitet werden, wenn der heute erheblich erweiterte Fehlerkatalog bei schnellen Prüfzügen (70 -100 km/h) nachgewiesen werden soll. Das ist aber wegen der Schalllaufzeiten kaum möglich. Die Gruppenstrahlertechnik hätte bei diesem Einsatz den Vorteil, neben einer flexiblen Anpassung an spezielle Fehlertypen die erforderliche Prüfkopfankopplungsfläche einzuschränken und damit bei hohen Relativbewegungen die Sicherheit der Ankopplung zu erhöhen. Einen eher kuriosen Vorschlag zu einer hybriden Gruppenstrahler-Lösung der Schienenprüfung zeigt Fig. 23 , die aus [50] entnommen ist. Hier wird das Empfangsarray zur Analyse einer Schallfeldverteilung herangezogen, um daraus Rückschlüsse auf einen Befund abzuleiten.


Fig 23:

7. Prüfköpfe für die Gruppenstrahlertechnik

Die ersten und auch heute noch wichtigsten Prüfköpfe für die Gruppenstrahlertechnik waren in einer Richtung geteilte piezoelektrische Strahlergruppen, sogenannte Linear-Arrays, mit denen eine zweidimensionale Schallfeldsteuerung möglich ist. Die Verwendung von kopplungsmittelfreien elektrodynamischen Prüfköpfen (EMAT vom IzfP Saarbrücken) hat sich für Sonder-Anwendungen (z.B. bei austenitischen Schweißverbindungen, Korrosionsprüfungen an Lichtmasten und an Tankböden) etabliert. Andere berührungsfreie Ultraschallerzeugungs- und -empfangsmethoden wie Laseranregung oder Luftschall sind noch im Entwicklungsstadium, sodaß über ihr Potential für das Phased-Array Konzept in der Praxis heute noch keine Einschätzung möglich ist.

Aus nicht ganz rationalen Gründen wird für die Elementgröße bei Gruppenstrahlern für die ZfP immer wieder das in der medizinischen Diagnostik sicher berechtigte l/2-Kriterium zitiert. Man muss aber in der ZfP noch ganz andere Randbedingungen dabei beachten, die dann auch zu veränderten Strategien bei der Auswahl der Elementgrößen und ihrer Verteilung führen. (Fig. 24) Die wichtigsten Gründe für eine andere Elementgrößen-Wahl sind:


Fig 24:
  • Da immer mindestens 3 Wellenmoden (Trans.-Welle, Long.-Welle und Rayleigh-Welle) in elastischen Medien beteiligt sind, hat man es immer mit mehr oder weniger grossen Störsignalen aus diesen Quellen zu tun, sodass die Gitterkeulen der Strahlergruppe dagegen oft vernachlässigt werden können. Zudem gestattet das Zusammenspiel der Wellenmoden immer nur die Benutzung eines jeweils eng begrenzten Winkelbereiches ohne Störung (z.B. ca. 35° bis 76° bei vertikal polarisierten Transversal-Wellen), niemals also den vollen Halbraum von -90° bis +90° , was zu dem l/2-Kriterium führen würde. Der eingeengte Winkelbereich erlaubt zudem die Verwendung von keilförmigen Vorlaufstrecken, bei denen der Keilwinkel so gewählt werden kann, dass in dem genutzten Einschallwinkelbereich keine störenden Gitterkeulen im Prüfobjekt auftreten.
  • Ein anderes Argument für eine Wahl von Element-Größen oberhalb der halben Wellenlänge ist durch das Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten im Prüfobjekt und dem Piezo-Material der Strahlergruppe gegeben. In der ZfP liegt dieses Verhältnis näher an 1 oder ist größer, während es in der medizinischen Ultraschalldiagnostik immer erheblich kleiner als 1 ist. Das l/2-Kriterium würde daher in der ZfP zu Elementen mit einem Breite/Dicke-Verhältnis nahe 1 führen, bei dem die Gefahr von Quermoden der Schwingung nicht mehr zu vermeiden ist, was dann zu einem stark reduziertem Wirkungsgrad und starkem Übersprechen führt. Daher wird oft absichtlich eine Elementgrösse von z.B. 0.8 ´ Lambda oder sogar 1.2 ´ Lambda gewählt. Da bei Piezokomposit-Wandlern die Neigung zu Quermoden geringer ist, kann man dort auch kleinere Schwingergrößen wählen. Nach oben ist die Elementgröße nicht nur durch die steigende Ausprägung der Gitterkeulen, sondern auch durch die schärfer werdende Richtwirkung des Einzelelementes begrenzt, die dann die Fähigkeit einer Strahlergruppe zur Erzeugung großer Schwenkwinkel durch Steuerung zunehmend einengt.

Man sieht daran, dass das l/2-Kriterium für die Elementgröße in der ZfP keineswegs immer die beste Wahl ist. Da es also sehr unterschiedliche Argumente für die Wahl der Elementgrößen gibt, läßt sich dieEntscheidung dazu nicht auf eine einfache Rezeptur wie das l/2-Kriterium zurückführen, vielmehr bemüht man sich heute, die optimale Wahl dieses Parameters beim Prüfkopfbau durch Modellierung zu fixieren. [25] Dazu ist es erforderlich, bei Linear-Arrays die Richtcharakteristik für den Impulsbetrieb zu ermitteln.


Fig 25:

Fig. 25 zeigt die Wirkung des Impulsbetriebes auf die Ausbildung der Gitterkeulen. Fig. 26 stellt die berechneten Richtcharakteristiken für einen Winkelprüfkopf dar. Bei Flächen- Arrays zur dreidimensionalen Schallfeldsteuerung muss man Schallfelder räumlich berechnen und darstellen.


Fig 26:

Eine andere für Gruppenstrahlerprüfköpfe bedeutsame Problematik stellt die Trennung zwischen den Einzelelementen dar. Da diese meist durch Schlitzen oder Sägen aus einer piezoelektrische Platte hervorgehen, beim Trennen aber eine Mindestdicke der Platte unversehrt bleiben sollte auch um z.B. die Gegenelektrode intakt zulassen, muß man festlegen, wieviel Restplattendicke noch erhalten bleiben soll. Das Übersprechen wird keineswegs immer bei vollständiger Trennung optimal, oft ist z.B. eine Restplattendicke von 20 % günstiger, weil dann die für das Übersprechen schädlichen Quermoden minimal sein können, und das akustische Verhalten der Kleb- und Vergussmassen in den Schlitzen ebenfalls schädlich sein kann. Hier könnte man heute mit etwas aufwendiger Modellierung die besten Parameter ermitteln, allerdings zieht man häufig dennoch empirisch ermittelte Rezepturen vor.

Die elektrischen Anschlüsse der Elemente können ebenfalls als Quelle für unerwartetes Übersprechen vor allem im Sendefall auftreten, wenn z.B. über große Ströme in der meist auf Masse liegenden Gegenelektrode Erregungspotentiale an Nachbarelementen erzeugt werden.

Die konventionellen linearen piezoelektrischen Strahlergruppen kommen zum Einsatz als Winkelprüfköpfe und Normalprüfköpfe mit variablen Einschallwinkel und als Realtimescanner. (Fig. 9).

Neben den Linear-Arrays gibt es vermehrt Bemühungen sowohl von der Geräteseite als auch von der Anwendung her, durch zweidimensional in Einzelelemente aufgeteilte Schwingerflächen die dreidimensionale Schallfeldsteuerung in die Praxis einzuführen. Die dabei zu beachtenden Kabelprobleme und ihre Kontaktierung scheinen für die meisten Fälle gelöst zu sein, sodass zur Zeit nur noch in wenigen Beispielen die Integration von Elektronik in Prüfkopfnähe betrieben wird. Zweidimensionale Mosaik-Arrays werden an den Schaufelfüßen von Turbinenschaufeln verwendet und in Frankreich im Grosseinsatz zum Ersatz der vielen Groß-Fokusköpfe für die wiederkehrende Prüfung an Reaktordruckbehältern vorgesehen.

Einen entscheidenden Schritt zu wirkungsvollen Mosaik-Arrays stellte der Einsatz von Komposit-Piezo-Werkstoffen in den Prüfköpfen dar, die schon seit längerem bei den Linear-Arrays mit Vorteil eingesetzt werden. Da bei zweidimensionalen Strahlergruppen die Einzelelemente stabförmig werden, ist die Gefahr von signalverzerrenden und empfindlichkeitsmindernden Nebenmoden besonders groß. Deren Ausbildung wird durch die erheblich grössere innere Eigendämpfung des Piezokomposit-Materials stark herabgesetzt. Wegen der geringeren elektrischen Impedanz verbessert sich die Anpassung der Kabelimpedanz an die Impedanz der Elemente so erheblich, das man auf spezielle Anpassungsübertrager für jeden Einzelkanal im Prüfkopfgehäuse verzichten kann und damit das Übersprechen zwischen den Kanälen und die Baugröße optimiert. Da aber die zur Zeit übliche Fertigung von Piezo-Komposit-Schwingern auf dem Einsägen von vielen Schlitzen in Piezokeramikplatten beruht ("Dice and Fill") und damit sehr zeitaufwendig und teuer ist, sind verbesserte Produktionstechniken für dieses Material wünschenswert. Ein Weg dazu wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes aufgezeigt, an dem die Fraunhofer-Institute IzfP in Saarbrücken und das ISC in Würzburg wesentlich beteiligt waren. Diese neue Technologie geht von der "Verseilung" von vielen dünnen, aus einem SolGel gewonnenen und dann gesinterten Piezo-Keramikfäden aus, die in eine Kunststoff-Matrix eingebettet werden. (Fig. 27 ).


Fig 27:

Eine Scheibe aus dem "Seil" ist dann ein Schwinger, der allerdings metallisiert und polarisiert werden muss. Zur Zeit liegen die Kosten pro Quadratzentimeter mit 15 - 25 Euro noch gleichauf mit denen der Dice and Fill Technik. Die Kopplungsfaktoren sollen ähnliche Werte ( k = 0,6 - 0,7) erreichen. Ob das das zukünftige Produktionsverfahren für Komposite werden wird, ist also noch offen. Aber bei einem anderen Faktor, der vermutlich weitaus bestimmender für die Wahl einer bestimmten Fertigungstechnik ist, liegt die neue Technik noch spürbar zurück: das ist die Gleichmässigkeit der Empfindlichkeit und des Schwingungsverhaltens eines Elementes in einer Strahlergruppe. Hier ergeben sich nach Auskunft des IZfP (Dr. Gebhardt) noch klare Vorteile für die Dice and Fill Technik, bei der man die Schwankungen kleiner als 2 dB halten kann. Grössere Schwankungen kann man zwar auch noch ausgleichen, sie reduzieren jedoch die nutzbare Dynamik eines Gruppenstrahlergerätes. Fig. 28 zeigt für eine 16-Elemente-Gruppe die Empfindlichkeitsverteilung über der Elemente-Anordnung. Um den Randabfall der Empfindlichkeit zu vermeiden, kann man an den Rändern Dummy-Elemente anordnen.


Fig 28: Verstärkungsunterschiede an einzelnen Elementen eines linearen Gruppenstrahlers.

Ein noch grösseres Problem mit der Gleichmässigkeit der Elemente tritt bei Flächenarrays auf [63], bei denen durch unterschiedliches Schwingungsverhalten auch die Anschwingzeit so stark schwanken kann, dass sie durch eine Korrektur der Verzögerungszeit ausgeglichen werden muss. (Fig. 29)


Fig 29:

Um den Einsatz von zweidimensionalen Arrays zu umgehen, sind in der Vergangenheit hybride Lösungen angewendet worden, bei denen die von dem Prüfproblem geforderte dreidimensionale Schallfeldsteuerung durch Vielfach-Linear-Arrays mit Schielwinkel- oder Einschallwinkelsteuerung ersetzt wurde. Das setzt aber eine sorgfältige Analyse des Prüfproblems der geometrischen Situation z.B. mit CAD-Systemen und problemangepasster Modellierung voraus. [17, 34, 37, 43]. Die Vorteile sind aber ein übersichtlicherer Geräteaufwand und geringere Kosten. (Fig. 30 ). Durch die Kombination einer Zylinderlinse mit einem Linear-Array lässt sich in vielen Fällen ein Fokusprüfkopf mit Matrix-Array ersetzen. (Fig . 31).


Fig 30:


Fig 31:

Besondere Aufmerksamkeit muß man beim Prüfkopfbau dem Übersprechen zwischen den Elementen widmen. Dieses kann sowohl akustischer Natur als auch elektrischer Herkunft sein. Die Schlitze zwische den Elementen müssen mit sorgfältig ausgesuchten Stoffen angefüllt werden, um a. keine akustische Brücke zu bilden und b. Quermoden zu dämpfen. Das Dämpfungsmaterial an der Rückseite der Strahler muss neben den üblichen akustischen Daten eine sehr kleine elektrische Leitfähigkeit besitzen. Fig 32 zeigt die Wirkung eines zu grossen Übersprechens anhand der Richtcharakteristik eines Einzelelementes, die an Steuerungsfähigkeit - d.h. Breite der Richtcharakteristik - durch das Übersprechen verliert.


Fig 32:

Den Aufbau und die Richtcharakteristiken für den genutzten Winkelbereich eines Winkelprüfkopfes mit Linear-Array für die Prüfung von Eisenbahn-Vollwellen zeigt Fig. 33.

Fig 33: Gruppenstrahlerprüfkopf mit Gruppenstrahlerprüfkopf mit Vorsatzkeil.

8. Die Justierung und Empfindlichkeitseinstellung bei Gruppenstrahlergeräten

Die Vielzahl der von der Gruppenstrahlertechnik ermöglichten Prüffunktionen erfordert besondere Maßnahmen zur Justierung, wenn man einen unverhältnismässig grossen Zeitaufwand dafür vermeiden will. Man muß dazu die Ergebnisse von Schallfeldmodellierungen und von Simulationen der Justieranzeigen von Vergleichs-reflektoren mit heranziehen, wenn man die diskrete Justierung z.B.für jeden Einzelwinkel oder jede Bündelposition vermeiden will [17, 34, 37, 43].

Eine wichtige Voraussetzung für die Justierung sind prüfkopfspezifische Korrektur-Tabellen, die Angaben über den für jedes Einzelelement benötigten Empfindlichkeits- und gegebenenfalls auch Verzögerungszeitausgleich enthalten (Fig. 28 und 29) sowie zur Emfindlichkeitskompensation bei unterschiedlichen Schwenkwinkeln und Entfernungen. In [63] sind Angaben zu einem ziemlich aufwendigen Verfahren gemacht , mit denen bei 2D-Arrays die Korrekturen für die einzelnen Elemente nach Art der Autofocusing Strategien ermittelt werden können.

Fig. 33 zeigt Richtcharakteristiken eines typischen GRST-Winkelprüfkopfes mit einem Lineararray zur Änderung des Einschallwinkels. Die Kurve für die winkelabhängige Empfindlichkeitskompensation ist angegeben. Die Kurven für den Tiefenausgleich der Empfindlichkeit (AVG-Ausgleich) sind leicht winkelabhängig und müssten gegebenenfalls bei grösserer Abweichung auch mit den gewählten Winkel verändert werden.

Die Organisation einer Justierung kann sich wie bei konventionellen Geräten auf geeignete Testkörper für einzelne Funktionen abstützen, wobei beachtet werden muss, dass immer die gesamte Bandbreite der vorgesehenen Prüffunktionen durch repräsentative Reflektoren und Prüfkopfpositionen durch den oder die Testkörper abzudecken sind. Wenn eine abgesicherte Modellierung der Schallfeldformen und der Echo-Antworten von Testfehlern bei den diversen Prüffunktionen vorliegt, kann dieser Vorgang auf eine oder zwei Messungen während des Justiervorganges beschränkt werden.

8.Die Steuerung von Gruppenstrahlergeräten und die Schallfeldmodellierung

Die steuerung der Schallfelder erfolgt bei Gruppenstrahlern im wesentlichen durch die Verzögerungszeit-verteilung über die Einzelelemente einer Strahlergruppe. Diese Verteilungen werden aus Modellvorstellungen zur Wirkungsweise abgeleitet. Fig 34 und 35 zeigen dazu das Vorgehen am Beispiel eines Winkelprüfkofes mit Linear-array.


Fig 34:


Fig 35:

Während sich der Verzögerungszeitanteil für die Winkelveränderung aus der plausiblen Vorstellung zu einem künstlich geneigten Schwinger auf dem Prüfkopfkeil ergibt, ist die Berücksichtigung einer Krümmung der Verteilung zur Fokussierung oder zum Ausgleich von Kopplungsflächen-Krümmungen schon unübersichtlicher und geht auf Untersuchungen zur Fokussierung in [64, 65, 66] zurück , wo aus vereinfachenden Betrachtungen handhabbare analytische Formeln abgeleitet worden sind, die hier verwendet werden. Bei zweidimensionsionalen Strahlergruppen wird ähnlich vorgegangen. Es ist dort mehr noch als bei Linear-Arrays erforderlich, die bei Anwendung einer bestimmten Verzögerungsverteilung erzielte Schallfeldstruktur im Modell des verwendeten Gruppenstrahlerprüfkopfes zu überprüfen. Dazu sind in der BAM von R. Boehm schnell reagierende Modelle auf der Basis einer Punktstrahlersynthese erstellt worden. Fig. 36a bis 36c zeigen am Beispiel einer Korrektur für Oberflächenkrümmungen Ergebnisse derartiger Rechnungen.


Fig 36a:


Fig 36b:

Fig 36c:

Es ist in der Vergangenheit versucht worden, bei begrenzter Kanalzahl mit grösseren Einzelelementen Schallfelder so zu erzeugen, dass die bei Elementgrössen oberhalb der halben Wellenlänge unvermeidlichen Gitterkeulen minimiert werden. Das kann z.B. durch variable Elementgrössen oder - besser - durch ein um die reguläre Verzögerungszeit in einer Verteilung stochastisch schwankendes Zeitintervall erreicht werden. Die Optimierung einer solchen Verzögerungszeit-Verteilung kann nur im Modell schrittweise erprobt werden.

Eine andere Art der Ermittlung optimaler Verzögerungszeitverteilungen z.B. zur Fokussierung besteht im sogenannten "Autofocusing". Dabei wird ein Reflektor im gewünschten Prüfvolumen angepeilt und durch systematische Veränderung der Fokuswirkung der anliegenden Verzögerungszeitverteilung das Echo dieses "Targets" optimiert. Das kann auch eine Winkeländerung mit beinhalten. Voraussetzung ist, dass man aus dem Prüfvolumen einen Reflektor kennt, den man zu dieser Optimierung heranziehen kann . Andernfalls kann man mit derartigen Manipulationen auch leicht falsche Empfindlichkeitszonen einstellen und im eigentlich zu prüfenden Volumen blind werden. Es ist auch versucht worden, mit diesem Prinzip die in anisotropen Werkstoffen auftretenden Schallfelverzerrungen zu erfassen und womöglich zukompensieren [19]. Das ist aber auch nur bei regelmässiger Anisotropie sinnvoll, bei denen eine einmal gefundene Optimierung für alle Prüfkopfpositionen übernommen werden kann.

9. Die Software zum Betrieb von Gruppenstrahlergeräten

Im Abschnitt zu den Gerätekonzepten wird auf die zunehmende Miniaturisierung der Elektronik für die Gerätetechnik und den damit vermutlich einhergehenden Trend zu geringeren Kosten für diesen Teil der Hardware zur Phased-Array -Anwendung hingewiesen. Ein ganz wesentlicher Kostenfaktor für die PA-Technik wird auf die Software für Steuerung und die Ergebnis-Darstellung entfallen. Die erfolgreiche Anwendung der PA-Technik in der ZfP setzt die intelligente Auswahl der verschiedenen Schallfeldparameter wie z.B. Bündelorientierung und -position, Fokussierung und Krümmungskorrektur voraus. Das schließt auch die Frage nach der theoretischen Modellierung zur Ermittlung der Steuerungsparameter ein, wie z.B. Verzögerungszeit und Verstärkung für jedes Element zugehörig zur gewünschten Bündelorientierung und -fokussierung sowie die verschiedenen tiefen- und winkelabhängigen Verstärkungskorrekturen.

Man kann fünf Bereiche unterscheiden, für die bei einer Gruppenstrahler-Prüfung Software für die Planung, die Durchführung und die Auswertung benötigt wird: (Fig. 37).


Fig 37:

  • Software zur Berechnung der Einschall- und Schielwinkel, der benötigten Fokussierung und der Entfernung zwischen Prüfkopf und Fehlergebiet sowie der typischen Variationen dieser Daten entlang eines Prüfkopf-Fahrweges auf der Basis der Geometrie-Daten des Objektes wie z.B. Wanddicke, Krümmung etc.. Das ist meist eine Aufgabe für geeignete CAD-Programme. Anwendungsbeispiele sind die Stutzeninnenkanten-Prüfung und die Prüfung von Deckel oder Kugelboden von Reaktordruckgefässen [8]. Fig 37a zeigt die Bedeutung solcher Geometrie-Rechnungen am Beispiel eines Notkühl-Einspeise-Stutzens in die Hauptkühlmittel-Leitung von Druckwasser-Reaktoren. Im Beispiel erlaubt die Krümmungsanpassung der verwendeten Kontakttechnik -Prüfköpfe nur eine Bewegung des Kopfes in starrer Orientierung parallel zur Rohrachse. In diesem Falle ermittelt das CAD-Programm die zu jeder Position gehörenden Einschall- und Schielwinkel (die dann von dem Gruppenstrrahler-Gerät zu realisieren sind) sowie die Schallwege.

  • Fig 37a:

  • Software zur Berechnung der Verteilungen von Verzögerungszeit und gegebenenfalls auch Amplitude für die Elemente einer Strahlergruppe zur Erzeugung der gewünschten Schallfelder. Diese Anregungsmuster müssen für die Sende- und Empfangsfunktion je nach Betriebsart eines Gruppenstrahlergerätes getrennt ermittelt werden. Da z.B. die Ausbildung der Gitterkeulen stark von speziellen Eigenschaften der Anregungsmuster wie Amplitudenabnahme bei den Randelementen oder einer stochastischen Modulation der Verzögerungszeiten abhängen kann, sollte man versuchen, diese Möglichkeiten gezielt zu nutzen. Das ist im On-Line-Betrieb nur schwer zu erreichen, kann aber bei der Prüfungsvorbereitung beachtet werden und in Look-up Tabellen für die Steuerungsgrössen abgespeichert werden. . Prinzipiell bieten sich zwei Wege an: Man kann in einem iterativen Prozess mit theoretischen Modellen die Wirkung spezieller Anregungsmuster überprüfen und iterativ optimieren und die Ergebnisse dann in Look-Up Tabellen ablegen. Die Lösung des inversen Problems, bei dem man nach Vorgabe gewünschter Schallfeld-Parameter als Ergebnis einer Rechnung die Anregungsmuster erhält, kann nicht allgemein angegeben werden. Als Ersatz dieser Lösung kann man aber Näherungsformeln benutzen, mit denen z.B. die Verzögerungsverteilungen für die Winkelprüfköpfe zur Einschallwinkel-Modifikation nach Fig. 34 und 35 bestimmt werden können.
  • Solche analytischen Formeln können die Verzögerungszeit- und Amplitudenverteilungen so schnell berechnen, dass sie auch während eines Abtastvorganges von Position zu Position die Anregungsmuster neu bestimmen können bis zu einer Pulsfolgefrequenz von mehr als 2 kHz. Damit kann man die aufwendige Vorbereitung von Look-Up Tabellen zur Steuerung von Gruppenstrahlergeräten in der Planungsphase umgehen.

    Ein Beispiel für die mit derartigen analytischen Formeln erzeugten Schallfelder zeigt Fig. 33 . Dort werden die Richtcharakteristiken in 150 mm Entfernung für einen T-Wellen-Prüfkopf von 3 MHz dargestellt. Die Gitterkeulen sind für die extremen Winkel (34° und 73° ) deutlich erkennbar.

  • Software zur Erzeugung von Look-Up-Tabellen zur Steuerung während einer Prüfung. Neben den Verzögerungszeiten und Verstärkungskorrekturen für einzelne Elemente müssen diese Tabellen auch die winkelabhängigen Verstärkungskompensationen (siehe Fig. 37b) sowie TGC-Kurven enthalten. Spezielle Prüffunktionen sollten den ständig eingeblendeten Gerätetests gelten.

  • Fig 37b:

  • Ein weiterer wichtiger Software-Modul befasst sich mit dem Transfer der Anregungsmuster in Abhängigkeit von Prüfkopfposition oder Zeittakt vom Speicher eines Rechners zur Geräte-Hardware und mit dem Transfer der A-Bild-Daten als Prüfergebnis zurück in den Speicher des Rechners. Beide Vorgänge bestimmen die maximal mögliche Pulswiederholfrequenz, die zwischen 1 kHz und 30 kHz liegen kann. Bei der dynamischen Fokussierung tritt je nach technischer Realisierung auch eine Erneuerung der Verzögerungsverteilung für die Empfangskanäle im Mikrosekunden-Takt auf. Die obere Grenze von 20 oder 30 KHz für die Wiederholfrequenz ist meist nicht nutzbar wegen des Auftretens von störenden Wiederholungsechos. Bei großen Schmiedewellen muß man z.B. deswegen sogar auf extrem tiefe Wiederholfrequenzen von 30 bis 50 Hz zurückgehen. Bei der Speicherung der Ergebnis-Daten (A-Bilder) kann die Steuerungssoftware u.a. auch dafür sorgen, dass die A-Bild-Daten in standardisierten Formaten, z.B. der "ZEUS"-Empfehlung folgend, abgelegt werden. [60]. Die abgegebenen Daten sind bei fast allen Geräten heute ziemlich nahe an einem vollständigen A-Bild Datensatz, sodass auch eine Urdatenspeicherung, falls erforderlich, gestatten ist.
  • Das fünfte wesentliche Software-Modul erledigt die Aufbereitung und Darstellung der Ergebnisse. Hier werden unterschiedliche Ansätze verwendet von einfachen TD-Bild Darstellungen über C-Bild, B-Bild zu SAFT-Rekonstruktionen und Echotomographien. Die Darstellung in Bildform ist heute Standard und wird gelegentlich in der Werbung auch fälschlich als eigentliche Errungenschaft der Phased-Array-Technik angepriesen.

Die Darstellung zeigt, dass ein erheblicher Teil der Software-Arbeiten auf die Vorbereitung einer Prüfung entfällt. Hier können sicher in Zukunft durch Standardisierung viel Zeit und Kosten eingespart werden.

10. Die Geräteüberwachung bei Gruppenstrahlergeräten

Die vielen Vorteile, die man der Anwendung von Gruppenstrahlergeräten in der Ultraschallprüfung nachsagt, sollten nicht das Bewusstsein für die technische Komplexität dieser Prüftechnik verdrängen. Die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit hängen bei dieser Technik weit mehr von der korrekten Funktion und der richtigen Justierung ab als bei allen anderen Ultraschallprüfsystemen. [62]

Wie bei allen ZfP-Geräten muss man auch bei Gruppenstrahlern einen Teil der Geräteeigenschaften von den Herstellern übernehmen und dokumentieren, andere müssen gegebenenfalls überwacht werden. Die von Hersteller zu garantierenden Eigenschaften werden seltener überwacht. Dazu zählt z.B. das Dynamik-Verhalten bei der Signalübertragung im Empfangskanal. Dies ist bei Gruppenstrahlergeräten besonders bedeutsam, da die Signalübertragung linear erfolgen muss und man daher auf die bei großem Dynamik-Hub beliebten logarithmischen Verstärker verzichten muss. Fig 38 zeigt eine typische Situation für Geräte mit digitalen Empfangskanälen.


Fig 38:

Dem Bild kann man die zu erwartende Dynamik bei unterschiedlicher Bit-Tiefe der AD-Wandlung entnehmen. Ein anderes Beispiel für vom Hersteller garantierte Eigenschaften stellt das Übersprechen zwischen einzelnen Kanälen dar. Da dieses sich durchaus auch alterungsbedingt verändern kann, ist es empfehlenswert, die in Fig. 32 wiedergegebene Messung der Richtcharakteristik von Einzelelementen gelegentlich zu wiederholen. Wenn durch zu großes Übersprechen Nachbar-Elemente mitwirken, wird die effektive Größe der strahlenden oder empfangenden Fläche vergrößert und dadurch die Bündelbreite des Elementes erheblich eingeengt. Das führt zu einer eingeschränkten Steuerungsfähigkeit der Strahlergruppe.

Da aber die über alles wirkenden Justier-Vorgänge im allgemeinen nicht sensibel genug auf das Auftreten von Veränderungen der Geräteeigenschaften bei Einzelkanälen reagieren, muss man spezielle Maßnahmen und unter Umständen auch Zusatzgeräte vorsehen, um die wichtigsten Prüfkopf- und Geräteeigenschaften von den piezoelektrischen Einzelelementen über die Kabel, die Kabelanschlüsse und Adapter, die Sender, die Empfänger, die AD-Wandler und die Datenerfassung zu messen und zu dokumentieren. Dies kann sehr zeitaufwendig sein. Daher muss man versuchen, einen Teil dieser Kontrollen bereits bei der Gerätekonzeption unter Umständen auch mit Zusatzeinrichtungen eigens für den Geräte-Check so einzuplanen, dass die Kontrolle automatisch im Hintergrund des Gerätebetriebes von entsprechenden Software-Modulen ausgeführt wird. (Fig. 39). Sind solche Vorkehrungen getroffen, kann man davon bei der Justierung profitieren, die dann wesentlich schneller durchgeführt werden kann.


Fig 39:

Auf die automatische Geräteüberwachung wird hier im Zusammenhang mit der Justierung auch deswegen hingewiesen, weil der Vorteil der Vielzahl von Prüffunktionen bei einem Gruppenstrahlergerät leicht durch damit verknüpfte aufwendige Justiervorgänge und zusätzlich zu überwachende Geräteigenschaften belastet werden kann.

11. Anwendungen der Gruppenstrahlertechnik

Wegen des großen Aufwandes wurden Phased-Array-Anwendungen außerhalb der Entwicklungs- und Forschungsinstitute Anfang der 80er Jahre zunächst dort eingeführt, wo ein großes Risiko die mit dieser Technik erzielte stark erhöhte Sicherheit der Prüfaussage wirtschaftlich erscheinen lässt. Während der 80er Jahre ergaben sich vor diesem Hintergrund die ersten rein kommerziellen Gruppenstrahleranwendungen in der ZfP in Deutschland gezielt in zwei Bereichen, bei denen die Vorzüge dieser Technik klar zum Tragen kamen: Das waren z.B. Turbinen- und Dynamowellen mit großem Durchmesser (> 800 mm), bei denen auch im Wellenkern noch eine Nachweis-Empfindlichkeit von besser als 0.8 mm KSR gefordert wurde [7] oder der Kugelboden von Siedewasser-Reaktordruckbehältern [8]. Für die Prüfung großer Schmiedewellen wird zur Zeit auf der Basis dieser Erfahrungen ein Stahl-Eisen-Prüfblatt des VdEH erarbeitet.

Beim Kugelboden wurde zum erstenmal eine Hybrid-Prüfkopflösung mit kombiniertem Einschall- und Schiel-Winkelschwenk eingesetzt, dessen Prinzip in Fig. 11 gezeigt wurde. Es folgten Anwendungen zur Stutzenkantenprüfung, zur Ultraschallprüfung der Turbinen-Schaufelfüsse, die mittlerweile mit 2D-Arrays durchgeführt wird und zur Schweißnahtprüfung z.B. mit Realtime-Scannern [59] (Fig. 56 bis Fig .59). Heute sind Anwendungen in der automatischen Halbzeugprüfung, bei der Eisenbahn, der Luft- und Raumfahrt und bei der Prüfung schwer prüfbarer austenitischer und Mischnahtschweißverbindungen hinzugekommen. Für die Prüfung ferritischer Schweißverbindungen wird vom TWI als Argumentation für diesen klassischen Einsatzbereich angegeben:
Verbesserte Fehlergrößenermittlung
Bessere Visualisierung von Befunden mit komplexer Rissbildung, z.B. bei SpRK
Verbesserung der Prüfung des Wurzelbereiches bei dünnwandigen Schweißnähten
Schnellere Prüfung von Standard-Komponenten mit weniger Aufwand für die mechanische Abtastung Verbesserte Prüfung bei Sonderverbindungen (Elektronen - und Laserschweißung) [67].

Als Beispiel für eine technisch im Aufwand überschaubare Anwendung sei hier die Schmiedewellenprüfung mit der echotomographischen Ergebnis- Darstellung zitiert. (Fig. 40 und 41).


Fig 40:


Fig 41:

Auf der anderen Seite steht für eine sehr anspruchsvolle Anwendung, die zur Zeit in der Entwicklung ist, die Prüfung von Niet- und Schraublochanrissen an Flugzeugen, wo eine in 8 Segmente à 64 Kanäle unterteilte Strahlergruppe mit insgesamt 512 Elementen vorgesehen ist. (Fig. 42 und 43)


Fig 42: Rissbil dung an Ni et- und Schraubverbindungen(Lockheed) Rissbil dung an Ni et- und Schraubverbindungen(Lockheed).


Fig 43:

Heute tritt als wichtiges Argument für die Phased-Array-Technik immer stärker auch die problemlose, softwaregestützte Anpassung an geänderte Prüfobjektgeometrien ohne langwierigen Prüfkopf-Wechsel wie z.B. bei den Eisenbahn-Achsen und Rädern und bei der Rundnahtprüfung an Pipelines in den Vordergrund. Die Abbildungen in den Fig. 44 bis 78 zeigen Beispiele für Gruppenstrahler-Anwendungen aus unterschiedlichen Bereichen.


Fig 44: Prinzip der Schaufelfuß-Prüfung an Turbinen mit Ergebnis-Darstellung (nach Imasonic - Technatom 2002).


Fig 45: Prinzip einer Rohrinnenprüfung mit einem 10 MHz 128-Element - Array und Spiegel (nach Imasonic/Technatom 2002).


Fig 46: Gruppenstrahlerprüfkopf für Vollwellen.


Fig 47: Ultraschall-Prüfkonzept für Vollwellen.


Fig 48: Prüfaufgabe bei der Vollwellenprüfung.


Fig 49:
Ultraschall-Prüfeinrichtung für Vollwellen.

Fig 50:
Prüfablauf: Online-Überwachung der Prüffunktionen.

Fig 51:
Bilddarstellung zur Auswertung der Prüfbefunde.
Fig 53: Schallfelder bei der Ultraschallprüfung von Hohlachsen mit einem Kegelarray.


Fig 52: Ultraschallprüfung von Hohlachsen mit einem Kegelarray.


Fig 54: Schienenprüfung mit Gruppenstrahler-Prüfköpfen.


Fig 55: Optimierung der Prüfzeit bei der Schienenprüfung.


Fig 56: Prüfkopf -Anordnung für die Rundnahtprüfung an Pipelines (zu ersetzen durch einen linearen Real - time Scanner).

Fig 57: Schweißnahtprüfung mit einem Real - Time - Scanner.


Fig 58: Schallfelder eines Realtime Scanner Prüfkopfes.


Fig 59: Real - Time - Scanner für die Tandem Technik.


Fig 60: Prüfwalze mit Realtime-Scanner (10 MHz , 0.8 mm Auflösung).

Fig 61:Vergleich der Prüfergebnisse von konventioneller Abtastung und Array-Prüfung.


Fig 62:

Fig 63:

Fig 65:


Fig 64:


Fig 66:

Fig 67:


Fig 68:


Fig 69: Rohr- und Stangenprüfung mit Linear-Arrays (Realtime-Scanner) (nach Agfa NDT / Krautkrämer).


Fig 70: Rohrprüfung mit vier Linear-Arrays.


Fig 71: Prüfkopf-Anschlußkasten und Linear-Array Prüfköpfe für die Rohr- und Stangenprüfung.


Fig 72: Ultraschallprüfeinrichtung für Rohre und Stangen mit Gruppenstrahlern.

Fig 73:


Fig 74: Flexibler Gruppenstrahler für komplexe oder gestörte Oberflächen.( CEA Frankreich ).


Fig 75: Ultraschallprüfeinrichtung für Rohre und Stangen mit Gruppenstrahlern.


Fig 76:
TOFD mit Gruppenstrahlerprüfköpfen.

Fig 78:

Querfehlernachweis an einem Vergleichskörper mit einem SEL -Gruppenstrahler -Prüfkopf (1,3 MHz) Einschallung im Uhrzeigersinn.


Fig 77: Querfehlernachweis mit dem SEL-Gruppenstrahler Prüfkopf (1,3 MHz) an einem Vergleichskörper mit Mischnaht.

Diese Beispiele machen deutlich, dass die Phased-Array-Technik immer mehr Verbreitung findet. Die hier getroffene Auswahl der Anwendungen kann noch beliebig erweitert werden. Auch an wechselnde Schallgeschwindigkeiten im Material des Prüfobjektes wie bei austenitischen und Misch-Schweißverbindungen oder bei Stahlrohren mit Textur kann man die Prüftechnik mit Phased-Array-Prüfköpfen besser anpassen.

Die Palette der Einzelfalllösungen erweitert sich ständig, so dass man erwarten kann, dass die Gruppenstrahler-Technik bald auch für die Standard-Aufgaben der Ultraschallprüfung wie die normale Schweißnahtprüfung als allgemeine Lösung betrachtet werden wird. Als Beispiel mag hier der Einsatz von Realtime-Scanner-Winkelprüfköpfen bei der Rundnahtprüfung an Pipelines gelten (Fig. 56 bis 59).

12. Schlussbemerkung

Der von der Gruppenstrahlertechnik geforderte hohe Geräte- und Prüfkopf-Aufwand hat die Entwicklung von gemischten Lösungen gefördert, bei denen die prinzipiellen Vorteile dieser Technik trotz Einsparungen an verschiedenen Parametern genutzt werden können. So treten hybride Lösungen bei den Prüfköpfen auf: Lineare Arrays auf Vorsatzkeilen ersetzen in geeigneter Mischung ein Mosaikarray. Aber auch bei der Gerätestruktur begegnet man hybriden Konzepten, z.B. wenn nur im Sendebetrieb mit dem Gruppenstrahlerkonzept gearbeitet wird, für den Empfangsfall aber nur wenige oder nur ein Kanal aufgebaut sind und ein zeitliches (Sampling) Multiplex verwendet wird, oder ein Kanal sendet, und viele Empfänger empfangen mit zeitlichem Multiplex oder voll ausgerüsteten Einzelkanälen. Hybride Lösungen tauchen auch bei der Verzögerungszeitrealisierung auf: z.B. Tapped delay lines mit Phasenmodulation zur dynamischen Fokussierung oder digitale Verzögerung mit tapped delay lines für die 1 bzw. 2 nsek Schritte. Die Beispiele zeigen, dass allein aus der Kombination unterschiedlichen Aufwandes sich immer neue Strukturen ergeben können. So flexibel die Gruppenstrahler an Prüfprobleme angepasst werden können, so flexibel sind auch die technischen Möglichkeiten der Realisierung dieser Prüfgeräte. Das führt allerdings zur Zeit nicht gerade zu einer Reduktion der Kosten.

Einsparungen liessen sich sicher erzielen, wenn man eine Mindest-Standardisierung für die Gerätetechnik einführen könnte, ohne den Spielraum für die jeweilige Spezialitäten eines Anbieters zu sehr einzuengen. Davon ist man aber heute wohl noch weiter entfernt als in der Frühzeit der industriellen Anwendung der Gruppenstrahler-Technik. Allein in Westeuropa gibt es zur Zeit wohl 10 Anbieter mit zum Teil sehr unterschiedlicher Gerätetechnik und Software. (siehe Tabelle zu den Herstellern von Gruppenstrahlerprüftechnik).

Name Land Hersteller Gerät Prüfköpfe
Saphir plus Deutschland IntelligeNDT/Framatom/ANP X X
Compas Deutschland Agfa NDT Köln-Hürth (Krautkrämer) X X
Focus Kanada R/D Tech X ?
Multi2000 Frankreich/Spanien CEA/Lecoeur/Technatom X  
Harfang Kanada Harfang X  
PAL 1 Japan Krautkramer/Japan X ?
TD Focus-Scan England Technology Design + Phoenix X X
Mehrzweck -Gerät Deutschland IZfP X X
USPC 2100 +Array- Module USA Agfa NDT USA (Krautkramer Lewistown) X X
  Frankreich Imasonic   X
  Frankreich Vernon   X

Es ist wohl an der Zeit, dass von der Seite der Anwender ein gewisser Zwang zur Normung ausgeübt wird. Als Beispiel kann man die Geschichte der Entwicklung eines einheitlichen Datenstandards für die automatische Ultraschallprüfung im Bereich der betrieblichen Überwachung in Kernkraftwerken zitieren, wo auf Anregung der Kraftwerksbetreiber ein Arbeitskreis die "ZEUS" genannten Regeln für die Kodierung der Ergebnis-Daten fixiert hat.

Für den Prüfkopf- und Kabel-Anteil bei den Phased-Array Einrichtungen wird man kaum mit wesentlichen Kostenminderungen rechnen können, da viele Prüfköpfe nur in geringer Stückzahl, wenn nicht gar als Spezialanfertigung für den jeweiligen Einsatzfall hergestellt werden. Der relative Anteil der Kosten liegt zur Zeit bei ca. 10 - 15 % und wird eher wachsen. Hinzu kommen die Kabel- und Kabelstecker-Kosten, die ebenfalls kaum zu verringern sind.

Bei der Gerätetechnik und bei der Software für die Steuerung und die Ergebnis-Darstellung bestünde allerdings die Möglichkeit erheblicher Einsparungen, wenn es gelänge, die Hersteller zu gemeinsamen Anstrengungen zur Schaffung von Geräte und Daten-Standards zu bewegen. Um aber die kurzsichtigen Eigen-Interessen der Hersteller an einer Kundenbindung zu überwinden, wäre eine koordinierte Aktivität der Anwender erforderlich.

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