DE102014104909A1 - Method and device for non-destructive testing of a test specimen by means of ultrasound, taking into account the frequency-dependent sound attenuation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings 100 mittels Ultraschall. Im Rahmen des Verfahrens werden Ultraschallpulse mit einer bestimmten Bandbreite B erzeugt in den Prüfling 100 eingekoppelt und resultierende Echosignale aus dem Prüfling 100 aufgenommen. Aus empfangenen Echosignalen, die mit zumindest zwei verschiedenen Schalllauflängen im Prüfling 100 korreliert sind, wird ein frequenzabhängiger Faktor F für die Schallschwächung im Prüfling 100 ermittelt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die zur Ausführung eines solchen Verfahrens eingerichtet ist.The invention relates to a method for non-destructive testing of a test piece 100 by means of ultrasound. As part of the method, ultrasound pulses with a specific bandwidth B are generated and coupled into the test object 100, and resulting echo signals are recorded from the test object 100. From received echo signals, which are correlated with at least two different sound run lengths in the test piece 100, a frequency-dependent factor F for the sound attenuation in the test piece 100 is determined. Furthermore, the invention relates to a device which is set up for carrying out such a method.
Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall. Insbesondere ist die Vorrichtung bzw. das Verfahren dazu vorgesehen, Einflüsse der frequenzabhängigen Schallschwächung im Material eines Prüflings zu ermitteln bzw. zu kompensieren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung bzw. das Verfahren zur Charakterisierung von Fehlern oder Ungänzen im Material eines Prüflings nach der AVG-Methode eingerichtet. The present invention is an apparatus and a method for non-destructive testing of a specimen by means of ultrasound. In particular, the device or the method is provided to determine influences of the frequency-dependent sound attenuation in the material of a test object or to compensate. In a preferred embodiment, the device or the method for characterizing errors or discontinuities in the material of a device under test according to the AVG method is set up.
Die sogenannte AVG-Methode (AVG = Amplitude, Verstärkung, Größe; englisch: DGS = distance, gain, size) wurde in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts in Europa entwickelt. Es ist eine Methode zur quantitativen Beurteilung von Fehlern bzw. Ungänzen im Material eines Prüflings und basiert auf einem Vergleich der von einem Fehler bzw. einer Ungänze herrührenden Echoanzeige mit der Amplitude eines definiert angeschallten Vergleichsreflektors. In der Praxis wird der senkrecht angeschallte Kreisscheibenreflektor verwendet. Im Rahmen der AVG-Methode wird also ein aufgefundener Fehler bzw. eine aufgefundene Ungänze quantitativ charakterisiert durch einen Vergleich mit der Größe eines Kreisscheibenreflektors, der eine Fehleranzeige mit äquivalenter Echoamplitude liefert. Die Größe eines solchen Kreisscheibenreflektors wird als „Ersatzreflektorgröße“ ERG (englisch: ERS equivalent reflector size) des zu charakterisierenden Fehlers / der zu charakterisierenden Ungänze bezeichnet. Theoretisch kann auch mit anderen Vergleichsreflektoren gearbeitet werden, z.B. mit Querbohrungen. Dies ist jedoch unüblich.The so-called AVG method (AVG = amplitude, gain, size) was developed in Europe in the 1950s. It is a method for the quantitative assessment of defects or discontinuities in the material of a test specimen and is based on a comparison of the error or a discontinuous echo display with the amplitude of a defined reflected reference reflector. In practice, the perpendicularly sounded circular disc reflector is used. In the context of the AVG method, therefore, a found fault or a found discontinuity is quantitatively characterized by a comparison with the size of a circular disk reflector, which provides an error display with equivalent echo amplitude. The size of such a circular disc reflector is referred to as "ERS equivalent reflector size" of the error to be characterized / character to be characterized. Theoretically, it is also possible to work with other comparative reflectors, e.g. with cross holes. This is unusual.
Auch wenn die mittels der AVG-Methode bestimmten Fehlergrößen / ERG-Werte nur unter engen Voraussetzungen vergleichbar sind mit der tatsächlichen Fehlergröße bzw. der Größe einer Ungänze, wie sie beispielsweise mittels zerstörender Prüfung bestimmt werden könnte, so hat sie doch Eingang in vielfältige Prüfnormen gefunden, so beispielsweise in die Europäische Prüfnorm
Betrachtet man das Schallfeld, welches von einem beispielsweise kreisförmigen, ebenen Ultraschallwandler erzeugt wird, so stellt man fest, dass sich entlang der akustischen Achse angrenzend an die Oberfläche des Ultraschallwandlers eine Mehrzahl aufeinander folgender Maxima des Schalldrucks ausbilden. Der Abstand des letzten Schalldruckmaximums auf der akustischen Achse vom Ultraschallwandler wird als Nahfeldlänge N bezeichnet, das Schallfeld zwischen Ultraschallwandler und Nahfeldlänge als Nahfeld, das sich hieran anschließende Schallfeld als Fernfeld. Im Rahmen theoretischer Erwägungen und praktischer Überprüfungen hat sich erwiesen, dass die Echoamplitude eines senkrecht angeschallten Kreisscheibenreflektors im Fernfeld charakteristisch mit dem Abstand zwischen Ultraschallwandler und Kreisscheibenreflektor abfällt. Zeichnet man für einen gegebenen beispielsweise kreisförmigen Ultraschallwandler mit gegebenem Wandlerdurchmesser sowie Sendefrequenz für eine Mehrzahl von Kreisscheibenreflektoren unterschiedlicher Durchmesser den Verlauf der Echoamplitude als Funktion des Abstands zwischen Kreisscheibenreflektor und Ultraschallwandler, so erhält man eine Kurvenschar, die als AVG-Diagramm bezeichnet wird. Ein solches AVG-Diagramm ist beispielhaft in
In der Praxis wird das grundsätzliche physikalische Phänomen beobachtet, dass Ultraschallpulse bei ihrer Propagation im Material eines Prüflings eine Schallschwächung erfahren. Diese Schwallschwächung ist einerseits korreliert mit der Aufweitung des im Fernfeld divergenten Ultraschallbündels im Prüfling und ist daher ein rein geometrischer Effekt, der von der Nahfeldlänge des verwendeten Prüfkopfs im Material des Prüflings abhängig ist. Jedoch wird weiterhin eine i.a. frequenzabhängige Schallschwächung beobachtet, die mit den Materialeigenschaften des Prüflings in Verbindung gebracht wird, insbesondere mit dem Materialgefüge, welches z.B. mit dem Material und dem Herstellungsverfahren des Prüflings korreliert ist. Diese Prüfling-spezifische Schallschwächung beeinflusst die Echoamplituden, die z.B. von Fehlern bzw. Ungänzen im Material des Prüflings herrühren, wesentlich. Dies stellt ein Problem für alle Methoden dar, bei denen aufgefundene Fehler / Ungänzen anhand ihrer jeweiligen Echoamplitude bewertet werden, insbesondere für die Fehlerbewertung anhand der AVG-Methode. In der Praxis stellt die frequenzabhängige Schallschwächung im Prüfling häufig einen Faktor dar, der die erzielbare Genauigkeit bei der Fehlerbewertung wesentlich beeinflusst.In practice, the fundamental physical phenomenon is observed that ultrasonic pulses experience attenuation of sound when propagated in the material of a device under test. This surge attenuation is on the one hand correlated with the widening of the far-field divergent ultrasound beam in the test object and is therefore a purely geometrical effect which depends on the near-field length of the test probe used in the material of the test object. However, an i.a. observed frequency-dependent sound attenuation, which is associated with the material properties of the specimen, in particular with the material structure, which, for. correlated with the material and the manufacturing process of the test specimen. This specimen-specific sound attenuation affects the echo amplitudes, e.g. of defects or discontinuities in the material of the test specimen, essential. This poses a problem for all methods in which detected errors / discontinuities are evaluated according to their respective echo amplitude, in particular for the error evaluation using the AVG method. In practice, the frequency-dependent attenuation of sound in the test piece is often a factor that significantly influences the achievable accuracy in error evaluation.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung des Prüflings mittels Ultraschall zur Verfügung zu stellen, mittels welchem eine Fehlergrößenbewertung von im Material des Prüflings befindlichen Fehlern oder Ungänzen möglich ist, wobei die Vorrichtung bzw. das Verfahren eine erhöhte Genauigkeit bei der Fehlergrößenbewertung erlauben soll. The object of the present invention is therefore to provide a device and a method for non-destructive testing of the test specimen by means of ultrasound, by means of which a defect size assessment of defects in the material of the test specimen is possible, wherein the device or the method a to allow increased accuracy in the Fehlergrößenbewertung.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen, deren Merkmale im Rahmen des technisch Möglichen und Sinnvollen frei miteinander kombiniert werden können. Dies bezieht sich insbesondere auf eine Kombination von Merkmalen von Vorrichtungsansprüchen einerseits und Verfahrensansprüche andererseits. This object is achieved by a device according to
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorgesehen zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall. Insbesondere kann sie zur Charakterisierung von Fehlern bzw. Ungänzen im Material eines Prüflings eingerichtet sein, beispielsweise durch Vergleich von Signalen, die von Fehlern oder Ungänzen herrühren, mit Referenzwerten. Insbesondere kann die Vorrichtung zur Fehlercharakterisierung gemäß der AVG-Methode vorgesehen und eingerichtet sein.A device according to the invention is provided for the non-destructive testing of a test specimen by means of ultrasound. In particular, it may be arranged to characterize defects or discontinuities in the material of a test object, for example by comparing signals resulting from errors or omissions with reference values. In particular, the device for error characterization can be provided and set up according to the AVG method.
Die Vorrichtung umfasst einen Ultraschallsendeprüfkopf mit einem Ultraschallwandler zur Erzeugung und Einkopplung eines Ultraschallfelds in den Prüfling. Weiterhin umfasst sie einen Ultraschallempfangsprüfkopf mit einem Ultraschallwandler zur Aufnahme resultierender Echosignale aus dem Prüfling. Sowohl der Ultraschallsendeprüfkopf als auch der Empfangsprüfkopf können einen einzigen einstückigen Ultraschallwandler aufweisen, sie können aber auch als Gruppenstrahlerprüfköpfe ausgebildet sein, d.h. eine Mehrzahl von individuell phasengenau ansteuerbaren Ultraschallwandlern umfassen. Insbesondere können diese individuell ansteuerbaren Ultraschallwandler als Segmente eines segmentierten einstückigen Ultraschallwandlers ausgebildet sein. Der Sendeprüfkopf kann getrennt vom Empfangsprüfkopf ausgebildet sein, es ist aber auch möglich, dass der Sendeprüfkopf zugleich als Empfangsprüfkopf dient. The device comprises an ultrasonic transmitting probe with an ultrasonic transducer for generating and coupling an ultrasonic field into the test piece. Furthermore, it comprises an ultrasonic receiving test head with an ultrasonic transducer for receiving resulting echo signals from the test object. Both the ultrasound transmit probe and the receive probe may comprise a single integral ultrasonic transducer, but they may also be designed as phased array probes, i. comprise a plurality of individual phased precisely controllable ultrasonic transducers. In particular, these individually controllable ultrasonic transducers can be designed as segments of a segmented one-piece ultrasonic transducer. The send test head may be formed separately from the receive check head, but it is also possible that the send check head also serves as a receive check head.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Ansteuereinheit, die zur Ansteuerung des Ultraschallsendeprüfkopfs eingerichtet ist, dergestalt, dass dieser Ultraschallpulse mit einer bestimmten Bandbreite B erzeugt. Eine typische erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt eine Folge von Ultraschallpulsen, deren Mittenfrequenz f0 im Bereich zwischen 1 und 5 MHz bei einer Bandbreite von etwa 10 bis 40% und einer Pulsfolgefrequenz von einigen kHz. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Empfangseinheit zum Aufnehmen von Echosignalen aus dem Material des Prüflings mittels des Ultraschallempfangsprüfkopfs. Schließlich ist eine mit der Empfangseinheit verbundene Auswerteeinheit vorgesehen, die zur Verarbeitung der aufgenommenen Echosignale aus dem Material des Prüflings eingerichtet ist. Furthermore, the device according to the invention comprises a drive unit, which is set up to control the ultrasound transmit probe, such that it generates ultrasound pulses with a certain bandwidth B. A typical device according to the invention generates a sequence of ultrasonic pulses whose center frequency f 0 in the range between 1 and 5 MHz at a bandwidth of about 10 to 40% and a pulse repetition frequency of a few kHz. Furthermore, the device comprises a receiving unit for receiving echo signals from the material of the test specimen by means of the Ultraschallempfangsprüfkopfs. Finally, an evaluation unit connected to the receiving unit is provided, which is set up to process the recorded echo signals from the material of the test object.
Erfindungsgemäß ist nun die Auswerteeinheit der Vorrichtung dazu eingerichtet, aus empfangenen Echosignalen, die mit zumindest zwei verschiedenen Schalllauflängen im Prüfling korreliert sind, einen frequenzabhängigen Faktor F für die Schallschwächung im Prüfling zu bestimmen. Die Kenntnis des frequenzabhängigen Faktors F für die Schallschwächung im Prüfling, welche stark vom Material des Prüflings abhängt, so das in der Praxis nicht ohne weiteres einfach auf tabellierte Werte zurückgegriffen werden kann, erlaubt es, bei der Fehlerbewertung anhand von Echosignalen, welche von einem Fehler oder einer Ungänze herrühren, den Einfluss der frequenzabhängigen Schallschwächung im Prüfling zu kompensieren. Dies erlaubt eine deutlich erhöhte Genauigkeit beispielsweise bei der Größenbestimmung eines aufgefundenen Fehlers bzw. einer Ungänze, beispielsweise im Rahmen der AVG-Methode, bei der eine Ersatzreflektorgröße für den Fehler bzw. die Ungänze bestimmt wird. Besonders vorteilhaft an der vorgeschlagenen Vorrichtung ist, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Einrichtung der Vorrichtung der frequenzabhängige Faktor F für die Schallschwächung speziell für den zu untersuchenden Prüfling bestimmt werden kann. Es sind keine Messungen an Vergleichskörpern oder ähnliches erforderlich. Im Folgenden wird beispielhaft darauf eingegangen, auf welche Weise der frequenzabhängige Faktor F für die Schallschwächung anhand von Messwerten, die an einem konkreten Prüfling gewonnen wurden, bestimmt werden können.According to the invention, the evaluation unit of the device is set up to determine a frequency-dependent factor F for the sound attenuation in the test object from received echo signals which are correlated with at least two different sound run lengths in the test object. The knowledge of the frequency-dependent factor F for the attenuation of sound in the test object, which depends strongly on the material of the test object, so that in practice can not easily be resorted to tabulated values, it allows, in the error assessment using echo signals, which of an error or a discontinuity, to compensate for the influence of the frequency-dependent sound attenuation in the test specimen. This allows a significantly increased accuracy, for example, in the sizing of a detected fault or a discontinuity, for example in the context of the AVG method, in which a replacement reflector size for the error or discontinuity is determined. It is particularly advantageous in the proposed device that due to the device according to the invention, the frequency-dependent factor F for the sound attenuation can be determined especially for the test object to be examined. No measurements are required on reference bodies or the like. The following is an example of the way in which the frequency-dependent factor F for the attenuation of sound can be determined on the basis of measured values obtained on a specific test object.
Um einen frequenzabhängigen Faktor F für die Schallschwächung für den Prüfling auf einfache Weise bestimmen zu können, ist die Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft dazu eingerichtet, das frequenzabhängige Amplitudenspektrum der empfangenen Echosignale zu bestimmen. Dies kann beispielsweise dadurch implementiert werden, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, ein empfangenes Echosignal einer Spektralzerlegung beispielsweise nach der Methode der Fast-Fourier-Transformation (FFT) zu unterziehen. Insbesondere kann die Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, den frequenzabhängigen Faktor F für die Schallschwächung aus dem frequenzabhängigen Verhältnis der Amplitudenspektren von zumindest zwei Echosignalen zu bestimmen. Ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dergestalt eingerichtet, so kann der frequenzabhängige Faktor F für die Schallschwächung beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass zwei Echosignale, die an identischen Reflektoren gewonnen wurden, die aber unterschiedliche Schalllaufwege im Prüfling zurückgelegt haben, aufgenommen werden. Die empfangenen Echosignale werden einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen, woraus man jeweils das frequenzabhängige Amplitudenspektrum des jeweiligen Echosignals erhält. Bildet man das frequenzabhängige Verhältnis zwischen den beiden so gewonnen Amplitudenspektren, lässt sich hieraus und aus Kenntnis der Laufwegdifferenz beider Echosignale der frequenzabhängige Faktor F für die Schallschwächung im Prüfling bestimmen. Bevorzugt wird hierbei die Divergenz des im Prüfling propagierenden Schallbündels berücksichtigt, d.h. die Abnahme der Echoamplitude längs des Schallwegs im Prüfling, die auf diesen geometrischen Effekt zurückzuführen ist, wird vor der Transformation der Echosignale vorteilhaft rechnerisch kompensiert.In order to be able to easily determine a frequency-dependent factor F for the sound attenuation for the test object, the evaluation unit of the device according to the invention is advantageously set up to determine the frequency-dependent amplitude spectrum of the received echo signals. This can be implemented, for example, in that the evaluation unit is set up to subject a received echo signal to a spectral decomposition, for example, according to the Fast Fourier Transformation (FFT) method. In particular, the evaluation unit can be configured to determine the frequency-dependent factor F for the sound attenuation from the frequency-dependent ratio of the amplitude spectra of at least two echo signals. If the device according to the invention is set up in this way, then the frequency-dependent factor F for the sound attenuation can be determined, for example, by taking two echo signals which were obtained at identical reflectors but which have traveled different sound paths in the test object. The received echo signals are subjected to a fast Fourier transformation, from which one respectively ders frequency-dependent amplitude spectrum of the respective echo signal receives. Forming the frequency-dependent relationship between the two amplitude spectra thus obtained, the frequency-dependent factor F for the sound attenuation in the test object can be determined from this and from knowledge of the path difference of both echo signals. In this case, the divergence of the sound beam propagating in the test piece is preferably taken into account, ie the decrease in the echo amplitude along the sound path in the test piece, which is due to this geometric effect, is advantageously computationally compensated before the transformation of the echo signals.
Bei einem beispielsweise plattenförmigen Prüfling kann für das vorstehend beschriebene Verfahren z.B. das Rückwandecho in einer V sowie in einer W-Konfiguration verwendet werden. Denkbar ist auch, in den Prüfling identische Referenzreflektoren in unterschiedlicher Tiefe eingebracht sind. For example, in a plate-shaped sample, for the method described above, e.g. the backwall echo can be used in a V as well as in a W configuration. It is also conceivable that identical reference reflectors are inserted at different depths into the test object.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu eingerichtet, mittels des ermittelten frequenzabhängigen Faktors F für die Schallschwächung den Einfluss der Schallschwächung im Prüfling auf ein empfangenes Echosignal automatisch zu kompensieren. Diese Kompensation kann beispielsweise mit Hilfe eines laufzeitabhängigen Korrekturfaktors erfolgen. In einer alternativen bevorzugten Weiterbildung ist jedoch die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, den Einfluss der Schallschwächung im Prüfling auf empfangene Echosignale dadurch zu kompensieren, dass aus dem Spektrum des empfangenen Echosignals unter Anwendung des frequenzabhängigen Faktors F für die Schallschwächung ein Spektrum für ein korrigiertes Echosignal berechnet wird. Hierdurch wird der Einfluss der materialabhängigen Schallschwächung im Prüfling gerade kompensiert. Das so erhaltene Spektrum für ein korrigiertes Echosignal wird dann mittels einer inversen Transformation wieder in die Zeitdomaine zurücktransformiert, wodurch ein korrigiertes Echosignal erhalten wird. Ist die Transformation von der Zeitdomaine in die Frequenzdomaine beispielsweise mittels Fast-Fourier-Transformation erfolgt, so erfolgt die Rücktransformation dann mittels inverser Fast-Fourier-Transformation. Insbesondere die Fast-Fourier-Transformation lässt sich heute ohne weiteres in der Elektronik einer typischen Auswerteinheit implementieren, die Ausführung einer Transformation und einer entsprechenden Rücktransformation benötigt nur geringste Rechenzeit. In a further advantageous development, the evaluation unit of the device according to the invention is set up to automatically compensate the influence of the sound attenuation in the test object on a received echo signal by means of the determined frequency-dependent factor F for the sound attenuation. This compensation can be done, for example, with the aid of a runtime-dependent correction factor. In an alternative preferred development, however, the evaluation unit is set up to compensate for the influence of the sound attenuation in the test object on received echo signals by calculating a spectrum for a corrected echo signal from the spectrum of the received echo signal using the frequency-dependent factor F for the sound attenuation. As a result, the influence of the material-dependent sound attenuation in the DUT is just compensated. The spectrum thus obtained for a corrected echo signal is then transformed back into the time domain by means of an inverse transformation, whereby a corrected echo signal is obtained. If the transformation from the time domain into the frequency domain has been effected, for example, by means of fast Fourier transformation, the inverse transformation then takes place by means of inverse fast Fourier transformation. In particular, the fast Fourier transformation can be readily implemented today in the electronics of a typical evaluation unit, the execution of a transformation and a corresponding inverse transformation requires only the least amount of computation time.
Wie einleitend bereits festgestellt kann die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere dazu eingerichtet sein, einen im Material des Prüflings aufgefundenen Fehler bzw. eine aufgefundene Ungänze zu charakterisieren anhand des Vergleichs mit einem standardisierten Referenzreflektor wie einem Kreisscheibenreflektor. Als Referenzreflektoren kommen aber auch beispielsweise Querbohrungen in Frage. Die einleitend beschriebene AVG-Methode basiert gerade darauf, dass ein aufgefundener Fehler anhand der Amplitude seiner Echosignale charakterisiert wird, indem die Höhe der Echoamplitude verglichen wird mit der Echoamplitude von Kreisscheibenreflektoren verschiedener Größe, die sich im selben Abstand vom Ultraschallwandler des Sendeprüfkopfs befinden. Zur Charakterisierung des aufgefundenen Fehlers wird dann die Größe desjenigen Kreisscheibenreflektors herangezogen, der dieselbe Echoamplitude liefert. Besondere Vorteile ergeben sich nun, wenn die Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu eingerichtet ist, auf Basis eines AVG-Diagramms eine Ersatzreflektorgröße ERG für einen aufgefundenen Fehler oder eine aufgefundene Ungänze zu bestimmen. Hierzu kann nun das wie vorstehend beschrieben gewonnene korrigierte Echosignal herangezogen werden, in welchem der Einfluss der frequenzabhängigen Schallschwächung auf den das Material des Prüflings durchlaufenden Ultraschallpuls kompensiert wird. Zur Ausführung eines solchen Korrekturschritts kann die Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingerichtet sein. Alternativ kann aber auch die Vorrichtung, hier insbesondere die Auswerteeinheit der Vorrichtung, dazu eingerichtet sein, auf Basis des ermittelten frequenzabhängigen Faktors F ein korrigiertes AVG-Diagramm zu berechnen, in welchem der Einfluss der frequenzabhängigen Schallschwächung im Prüfling berücksichtigt ist. Ein solches korrigiertes AVG-Diagramm kann entweder direkt in der Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgenommen werden, sie kann aber auch in einer externen Recheneinheit übernommen werden, die in einer Kommunikationsverbindung mit der Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung steht. Eine solche Recheneinheit kann beispielsweise in Form eines handelsüblichen PCs realisiert sein. Die zur Berechnung des korrigierten AVG-Diagramms erforderlichen Rechenschritte werden dann auf der CPU des PCs ausgeführt. Das Ergebnis der Berechnung wird dann wiederum an die Auswerteeinheit übertragen und dort zur weiteren Verwendung abgespeichert. As already stated in the introduction, the device according to the invention can be set up, in particular, to characterize an error or a found discontinuity found in the material of the test object on the basis of comparison with a standardized reference reflector such as a circular disk reflector. As reference reflectors but also, for example, transverse bores in question. The AVG method described in the introduction is based on the fact that a detected error is characterized by the amplitude of its echo signals by comparing the height of the echo amplitude with the echo amplitude of circular disk reflectors of different sizes which are the same distance from the ultrasonic transducer of the transmission probe. To characterize the error found then the size of that circular disc reflector is used, which provides the same echo amplitude. Particular advantages now arise if the evaluation unit of the device according to the invention is set up to determine a substitute reflector size ERG for a detected fault or a found discontinuity on the basis of an AVG diagram. For this purpose, the corrected echo signal obtained as described above can now be used, in which the influence of the frequency-dependent sound attenuation on the ultrasonic pulse passing through the material of the test object is compensated. For carrying out such a correction step, the evaluation unit of the device according to the invention can be set up. Alternatively, however, the device, here in particular the evaluation unit of the device, can be set up to calculate a corrected AVG diagram on the basis of the determined frequency-dependent factor F, in which the influence of the frequency-dependent sound attenuation in the test object is taken into account. Such a corrected AVG diagram can either be made directly in the evaluation unit of the device according to the invention, but it can also be adopted in an external computing unit that is in communication with the evaluation unit of the device according to the invention. Such a computing unit can be realized for example in the form of a commercially available PC. The calculation steps required to calculate the corrected AVG diagram are then executed on the CPU of the PC. The result of the calculation is then in turn transmitted to the evaluation unit and stored there for further use.
Grundsätzlich können Ansteuereinheit, Empfangseinheit und Auswerteeinheit in Form proprietärer Hardware in einem gemeinsamen Gehäuse eines Ultraschallsteuergerätes untergebracht sein, in welches eine Anzeigeeinrichtung integriert sein kann. Jedoch ist es auch möglich, die Ansteuereinheit sowie die Empfangseinheit ganz oder teilweise in das Gehäuse des Ultraschallsende- bzw. Ultraschallempfangsprüfkopfs zu integrieren. Auch die Auswerteeinheit kann ganz oder teilweise in den Empfangsprüfkopf integriert sein. Weiterhin ist es möglich, die Ansteuereinheit, die Empfangseinheit sowie die Auswerteeinheit ganz oder teilweise auf einer Einsteckkarte für einen PC gemäß Industrie-Standard zu integrieren. Eine solche Einsteckkarte kann dazu eingerichtet sein, in eine standardisierte Schnittstelle des Industrie-PCs, beispielsweise gemäß des PCI oder PCI-Express-Standards eingesteckt zu werden und mit den relevanten Komponenten des PCs, beispielsweise dessen CPU, zu kommunizieren. In allen vorstehend genannten Fällen können relevante Teile von Ansteuereinheit, Empfangseinheit und Auswerteeinheit softwarebasiert ausgeführt sein.In principle, the drive unit, the receiving unit and the evaluation unit can be accommodated in the form of proprietary hardware in a common housing of an ultrasound control unit, in which a display device can be integrated. However, it is also possible to integrate the drive unit as well as the receiver unit completely or partially into the housing of the ultrasound transmitter or ultrasound receiver probe. The evaluation unit can also be completely or partially integrated in the reception test head. Furthermore, it is possible, the drive unit, the receiving unit and the evaluation completely or partially on a plug-in card for a PC according to industry standard integrate. Such a plug-in card can be set up to be plugged into a standardized interface of the industrial PC, for example according to the PCI or PCI Express standard, and to communicate with the relevant components of the PC, for example its CPU. In all the cases mentioned above, relevant parts of the drive unit, receiving unit and evaluation unit can be software-based.
Wird der Einfluss der frequenzabhängigen Schallschwächung bei der Bestimmung des AVG-Diagramms berücksichtigt, welches der Fehlercharakterisierung der AVG-Methode zugrunde gelegt wird, so ergeben sich in der Praxis insbesondere Vorteile, da sich für den Prüfer die Vorgehensweise bei einer Prüfung abgesehen von einem vorgeschalteten Kalibrierungsschritt zur Bestimmung des frequenzabhängigen Faktors F für die Schallschwächung im Material des Prüflings nicht verändert. If the influence of the frequency-dependent sound attenuation in the determination of the AVG diagram is taken into account, which is the basis for the error characterization of the AVG method, there are advantages in practice, in particular because the tester has the procedure for a test apart from an upstream calibration step to determine the frequency-dependent factor F for the sound attenuation in the material of the test specimen not changed.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im AVG-Diagramm, welches in der Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgelegt ist, die Bandbreite B der eingeschallten Ultraschallpulse berücksichtigt. Hieraus resultiert insbesondere der Vorteil, dass theoretisch bestimmte AVG-Diagramme auch für geringe Abstände zwischen dem Wandler des Ultraschallsendeprüfkopfs und dem Kreisscheibenreflektor, d.h. insbesondere für das Nahfeld des verwendeten Ultraschallsendeprüfkopfs, eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentell gewonnenen Werten zeigen. Die beispielsweise in der europäischen Prüfnorm
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüflings mittels Ultraschall vorgesehen, wobei in diesem Zusammenhang auf die Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Bezug genommen wird, die in vollem Umfang auch das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden sind. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Erzeugen und Einkoppeln von Ultraschallpulsen mit einer bestimmten Bandbreite B in den Prüfling,
- b) Aufnehmen resultierender Echosignale aus dem Prüfling, und
- c) Bestimmen eines frequenzabhängigen Faktors F für die Schallschwächung im Prüfling aus empfangenen Echosignalen, die mit zumindest zwei verschiedenen Schalllauflängen im Prüfling korreliert sind.
- a) Generation and coupling of ultrasound pulses with a certain bandwidth B into the test object,
- b) recording resulting echo signals from the device under test, and
- c) determining a frequency-dependent factor F for the attenuation of sound in the test specimen from received echo signals which are correlated with at least two different sound run lengths in the test specimen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das frequenzabhängige Amplitudenspektrum der empfangenen Echosignale bestimmt werden.In a particularly preferred embodiment, the frequency-dependent amplitude spectrum of the received echo signals can be determined in the context of the method according to the invention.
Insbesondere ist es möglich, den frequenzabhängigen Faktor F für die Schallschwächung aus dem frequenzabhängigen Verhältnis der Amplitudenspektren von zumindest zwei Echosignalen zu bestimmen werden. Ist ein solcher frequenzabhängiger F für die Schallschwächung im Material des Prüflings bekannt, beispielsweise anhand zweiter Eichmessungen an dem konkret zu untersuchenden Prüfling, so kann der Einfluss der Schallschwächung im Prüfling auf das empfangene Echosignal mittels des frequenzabhängigen Faktors F für die Schallschwächung kompensiert werden. Insbesondere ist es möglich, aus dem Spektrum eines empfangenen Echosignals unter Anwendung des frequenzabhängigen Faktors F für die Schallschwächung im Prüfling ein Spektrum für ein korrigiertes Echosignal zu berechnen, wodurch der Einfluss der Schallschwächung bei der Propagation des Ultraschallpulses im Material des Prüflings kompensiert wird.In particular, it is possible to determine the frequency-dependent factor F for the sound attenuation from the frequency-dependent ratio of the amplitude spectra of at least two echo signals. If such a frequency-dependent F for sound attenuation in the material of the specimen known, for example, based on second calibration measurements on the specimen to be examined specifically, the influence of the attenuation in the DUT on the received echo signal can be compensated by means of the frequency-dependent factor F for the sound attenuation. In particular, it is possible to calculate a spectrum for a corrected echo signal from the spectrum of a received echo signal by using the frequency-dependent factor F for the sound attenuation in the test object, whereby the influence of the sound attenuation in the propagation of the ultrasound pulse in the material of the test object is compensated.
Das frequenzabhängige Amplitudenspektrum kann aus dem zeitaufgelöst aufgenommenen Echosignal beispielsweise auf Basis einer Fast-Fourier-Transformation gewonnen werden. Hat man unter Anwendung des frequenzabhängigen Faktors F für die Schallschwächung ein Spektrum für ein korrigiertes Echosignal berechnet, so kann dieses Spektrum mit Hilfe einer geeigneten Rücktransformation, beispielsweise einer inversen Fast-Fourier-Transformation, in ein korrigiertes Echosignal transformiert werden. In diesem korrigierten Echosignal sind nunmehr alle Einflüsse der materialbedingten Schallschwächung bei der Propagation des Ultraschallpulses im Material des Prüflings eliminiert. Ein auf diese Weise korrigiertes Echosignal kann insbesondere dazu verwendet werden, auf Basis eines AVG-Diagramms eine Ersatzreflektorgröße ERG für den aufgefundenen Fehler oder die aufgefundene Ungänze zu bestimmen. The frequency-dependent amplitude spectrum can be obtained from the time-resolved recorded echo signal, for example based on a fast Fourier transformation. If a spectrum for a corrected echo signal has been calculated using the frequency-dependent factor F for the attenuation of sound, then this spectrum can be calculated with the aid of a suitable inverse transformation, For example, an inverse fast Fourier transform, are transformed into a corrected echo signal. In this corrected echo signal all influences of the material-induced sound attenuation in the propagation of the ultrasonic pulse in the material of the test object are now eliminated. An echo signal corrected in this way can be used, in particular, to determine a substitute reflector size ERG for the detected error or the detected discontinuities on the basis of an AVG diagram.
In einem alternativen Ansatz wird nicht eine Korrektur der empfangenen Echosignale vorgenommen, um den Einfluss der materialspezifischen frequenzabhängigen Schallschwächung der Ultraschallprüfpulse im Material des Prüflings zu kompensieren, sondern es wird vielmehr der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte frequenzabhängige Faktor F für die frequenzabhängige Ultraschallschwächung im Material des Prüflings herangezogen, um ein korrigiertes AVG-Diagramm zu berechnen, in welchem der Einfluss der frequenzabhängigen Schallschwächung im Prüfling bereits berücksichtigt ist. Auf Basis dieses korrigierten AVG-Diagramms kann dann unmittelbar auf Basis der empfangenen Echosignale die Ersatzreflektorgröße des aufgefundenen Fehlers bzw. der aufgefundenen Ungänze bestimmt werden.In an alternative approach, a correction of the received echo signals is not made to compensate for the influence of the material-specific frequency-dependent sound attenuation of Ultraschallprüfpulse in the material of the specimen, but it is determined in the context of the inventive method, frequency-dependent factor F for the frequency-dependent ultrasonic attenuation in the material of Test specimens were used to calculate a corrected AVG diagram in which the influence of the frequency-dependent sound attenuation in the test specimen is already taken into account. On the basis of this corrected AVG diagram, the substitute reflector size of the detected fault or of the found discontinuities can then be determined directly on the basis of the received echo signals.
Es wird darauf hingewiesen, dass neben der frequenzabhängigen materialspezifischen Schallschwächung, die bei der Propagation eines Ultraschallimpulses im Material eines Prüflings auftritt und die eng beispielsweise mit den Gefügeeigenschaften des Prüflings korreliert sind, aufgrund der Divergenz des Schallfelds, welches mit den propagierenden Ultraschallpuls verbunden ist, auch eine Abnahme der Echoamplitude auftritt. Dieser im Wesentlichen geometrische Effekt ist bei der Berechnung eines AVG-Diagramms bereits berücksichtigt, sodass er bei der Durchführung konkreter Prüfaufgaben nicht noch zusätzlich explizit berücksichtigt werden muss.It should be noted that in addition to the frequency-dependent material-specific sound attenuation that occurs in the propagation of an ultrasonic pulse in the material of a specimen and are closely correlated, for example, with the microstructural properties of the specimen, due to the divergence of the sound field, which is connected to the propagating ultrasonic pulse, also a decrease in the echo amplitude occurs. This essentially geometric effect is already taken into account in the calculation of an AVG diagram, so that it does not have to be explicitly taken into account when carrying out specific test tasks.
Wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereits erwähnt, entfällt die Beschränkung auf das Fernfeld im Zusammenhang mit der Anwendung der AVG-Methode, wenn das der Fehlergrößenbestimmung zugrunde gelegte AVG-Diagramm auf Basis der Bandbreite B der eingeschallten Ultraschallpulse bestimmt wird. Das zugrunde zu legende AVG-Diagramm ist theoretisch besonders einfach dann zu bestimmen, wenn das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Prüfling eingeschallte Schallfeld der Ultraschallpulse im Prüfling im Wesentlichen rotationssymmetrisch ist. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn die Ultraschallpulse schräg in den Prüfling eingeschallt werden. Selbstverständlich kann aber auch in Senkrechteinschallung gearbeitet werden. Daher ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die erfindungsgemäße Vorrichtung, im allgemeinen also die Gesamtheit bestehend aus Ultraschallprüfkopf und Ansteuereinheit, dazu eingerichtet, ein im Prüfling rotationssymmetrisches Schallfeld zu erzeugen. Entsprechende insbesondere schrägeinschallende Ultraschallprüfköpfe sind beispielsweise aus der
Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie dem nachstehend diskutierten Ausführungsbeispiel. Das Ausführungsbeispiel ist zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung vorgesehen und nicht einschränkend zu verstehen. Das wird anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:Further advantages and features of the device according to the invention and the method according to the invention will become apparent from the dependent claims and the embodiment discussed below. The embodiment is provided to illustrate the present invention and not by way of limitation. This will be explained in more detail with reference to the drawing. In this show:
Die Prüfvorrichtung
Weiterhin umfasst die Prüfvorrichtung
Weiterhin ist eine Empfangseinheit
Schließlich ist eine sowohl mit der Ansteuereinheit
Ansteuereinheit
In einer alternativen Ausgestaltung können die Ansteuereinheit
Der Ultraschallprüfkopf
Die Auswerteeinheit
Um dem Benutzer der Vorrichtung einen Zahlenwert für die Ersatzreflektorgröße ERG des aufgefundenen Fehlers /der aufgefundenen Ungänze
Um den ERG-Wert eines aufgefundenen Fehlers bzw. einer aufgefundenen Ungänze zu bestimmen, der in einem bestimmten Abstand dFehler vom Prüfkopf liegt, wird der Verstärkungsfaktor Gref bestimmt, der eingestellt werden muss, um die Echoamplitude des Referenzechos auf einen bestimmten Wert, typisch 80% der maximalen Anzeigenhöhe, einzustellen.In order to determine the ERG value of a found fault located at a certain distance d error from the test head, the gain G ref that must be set to determine the echo amplitude of the reference echo to a particular value, typically 80% of the maximum display height.
Im nächsten Schritt wird der Verstärkungsfaktor GFehler bestimmt, der benötigt wird, die Echoamplitude des Fehlers auf denselben Wert wie das Referenzecho einzustellen, also z.B. 80% Anzeigenhöhe. Nachfolgend wird im AVG-Diagramm an der Position des Referenzechos dref die Differenz ΔG der beiden Verstärkungswerte in y-Richtung nach unten abgetragen, also ΔG = GFehler – Gref. Im nächsten Schritt wird in x-Richtung die Differenz Δd der Abstände dref und dFehler nach links abgetragen, also Δd = dref – dFehler. Der sich ergebende Endpunkt liegt dann auf der AVG-Kurve desjenigen Kreisscheibenreflektors, der ein Echosignal gleicher Höhe erzeugen würde.In the next step, the amplification factor G error is determined, which is required to set the echo amplitude of the error to the same value as the reference echo, eg 80% display height. Subsequently, in the AVG diagram at the position of the reference echo d ref, the difference ΔG of the two amplification values in the y-direction is removed downward, that is to say ΔG = G error -G ref . In the next step, the difference Δd of the distances d ref and d error is removed to the left in the x direction, ie Δd = d ref -d error . The resulting end point then lies on the AVG curve of that circular-disk reflector that would produce an echo signal of the same height.
Durch Identifikation der durch den Durchmesser D des Kreisscheibenreflektors charakterisierten AVG-Kurve, auf der der wie vorstehend beschriebene Endpunkt zu liegen kommt, wird dann der ERG-Wert des aufgefundenen Fehlers bestimmt. Dies kann einerseits durch Auswahl derjenigen in der Auswerteeinheit gespeicherten AVG-Kurve geschehen, die die geringste Abweichung in y-Richtung vom ermittelten Endpunkt hat. Dies kann aber auch durch eine geeignete Interpolation zwischen den in der Auswerteeinheit gespeicherten AVG-Kurven geschehen. Liegt in der Auswerteeinheit die allgemeine AVG-Kurve für den gewählten Typ des Referenzreflektors in Form einer Funktion vor, die von der charakteristischen Größe des gewählten Referenzreflektors abhängt, z.B. dem Durchmesser D eines Kreisscheibenreflektors, so kann hiermit die charakteristische Größe des Referenzreflektors rechnerisch bestimmt werden. Im Ergebnis erhält der Benutzer aus dieser Anpassung einen reproduzierbaren Wert für die Ersatzreflektorgröße ERG des aufgefundenen Fehlers/der aufgefundenen Ungänze
Die Auswerteeinheit
Anhand des auf diese Weise ermittelten frequenzabhängigen Faktors F für die Schallschwächung kann automatisch oder auf Benutzeranforderung der Einfluss der Schallschwächung im Prüfling auf das empfangene Echosignal kompensiert werden. Hierzu kann z.B. aus dem Spektrum des empfangenen Echosignals unter Anwendung des frequenzabhängigen Faktors F für die Schallschwächung ein Spektrum für ein korrigiertes Echosignal berechnet werden, welches dann in ein korrigiertes Echosignal transformiert wird. Dieses korrigierte Echosignal wird dann der weiteren Verarbeitung / Auswertung zugrunde gelegt. So kann basierend auf dem korrigierten Echosignal auf Basis eines AVG-Diagramms eine Ersatzreflektorgröße ERG für einen aufgefundenen Fehler oder eine aufgefundene Ungänze gemäß der AVG-Methode bestimmt werden.On the basis of the thus determined frequency-dependent factor F for the sound attenuation can be compensated automatically or on user request, the influence of the sound attenuation in the DUT on the received echo signal. For this, e.g. from the spectrum of the received echo signal using the frequency-dependent factor F for the sound attenuation, a spectrum for a corrected echo signal are calculated, which is then transformed into a corrected echo signal. This corrected echo signal is then used as the basis for further processing / evaluation. Thus, based on the corrected echo signal based on an AVG diagram, a substitute reflector size ERG for a detected error or a found discontinuity can be determined according to the AVG method.
Alternativ ist es möglich, auf Basis des Faktors F für die frequenzabhängige Schallschwächung ein korrigiertes AVG-Diagramm zu berechnen, in welchem der Einfluss der frequenzabhängigen Schallschwächung im Prüfling berücksichtigt ist. Dieses korrigierte AVG-Diagramm bildet dann die Grundlage für die weitere Fehlergrößenbestimmung.Alternatively, it is possible based on the factor F for the frequency-dependent sound attenuation to calculate a corrected AVG diagram, which takes into account the influence of the frequency-dependent sound attenuation in the DUT. This corrected AVG diagram then forms the basis for further error size determination.
Das vorstehend beschriebene Kalibrierverfahren ist in der Auswerteeinheit
In einem zweiten vom Benutzer auswählbaren Betriebsmodus ist die Auswerteeinheit
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Prüfvorrichtung Tester
- 1010
- Prüfkopf probe
- 1212
- Ultraschallwandler ultrasound transducer
- 1414
- Vorlaufkörper leading body
- 2020
- Ansteuereinheit control unit
- 3030
- Empfangseinheit receiver unit
- 4040
- Auswerteeinheit evaluation
- 4242
- Anzeigeeinrichtung display
- 4444
- Hinweisanzeigefeld Note display
- 5050
- Ultraschallsteuergerät Ultrasonic controller
- 6060
- Kommunikationsleitung communication line
- 9999
- Fehler, Ungänze Mistakes, discontinuities
- 100100
- Prüfling examinee
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2010/056614 [0018] EP 2010/056614 [0018]
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