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WO2008131722A1 - Ultraschall-handmesssystem mit positionsbestimmung - Google Patents

Ultraschall-handmesssystem mit positionsbestimmung Download PDF

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Publication number
WO2008131722A1
WO2008131722A1 PCT/DE2008/000644 DE2008000644W WO2008131722A1 WO 2008131722 A1 WO2008131722 A1 WO 2008131722A1 DE 2008000644 W DE2008000644 W DE 2008000644W WO 2008131722 A1 WO2008131722 A1 WO 2008131722A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measuring system
ultrasonic
ultrasonic measuring
probe
length
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2008/000644
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Björn Diewel
Reinhold Oster
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Original Assignee
Eurocopter Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eurocopter Deutschland GmbH filed Critical Eurocopter Deutschland GmbH
Publication of WO2008131722A1 publication Critical patent/WO2008131722A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/26—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor
    • G01N29/265—Arrangements for orientation or scanning by relative movement of the head and the sensor by moving the sensor relative to a stationary material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
    • G01N29/0609—Display arrangements, e.g. colour displays
    • G01N29/0645—Display representation or displayed parameters, e.g. A-, B- or C-Scan
    • G—PHYSICS
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    • G01N2291/0231—Composite or layered materials
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    • G01N2291/02854—Length, thickness
    • G—PHYSICS
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    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/26—Scanned objects
    • G01N2291/269—Various geometry objects
    • G01N2291/2694—Wings or other aircraft parts

Definitions

  • the invention relates to an ultrasound measuring system according to the preamble of claim 1 and to a method for ultrasound imaging with an ultrasound measuring system according to claim 11.
  • ultrasonic measuring systems are known in various embodiments and are used for non-destructive material testing. They are used in quality control as well as for the continuous inspection of materials, in particular fiber composites, but also in metal components. Quality control of fiber composites is primarily concerned with finding production defects, shrinkage cracks, blowholes, porosities, foreign inclusions, delaminations, etc.
  • the ultrasound data which is referred to as a so-called A-image
  • A-image always only the state at exactly the position at which the probe is located at that moment. If one now places the information from the A-pictures flat next to each other, exactly at the point where it was detected, then one has a geometrically accurate representation of the point of damage.
  • the result is an ultrasound imaging. From this, further images of the measuring range and thus of the material being examined can be generated, for example the measurement result based on a cross section through the material or in a spatial representation. These representations are known as B, C and D pictures.
  • the measurement result can be assigned to specific measurement points and the images just described can be generated, it is necessary to capture the coordinates of the measurement point in a predetermined measurement range for the measurement.
  • Ultrasonic measuring systems are known in which the ultrasonic probe having an ultrasonic sensor is guided in the manner of a plotter with X and Y arms over the surface to be tested. However, this guidance is actively performed and the examiner does not have the option of manual, chaotic guidance by hand.
  • a disadvantage of this known ultrasonic measuring system is that it is very complicated and expensive on the one hand.
  • the construction is very complex and heavy.
  • the known ultrasound measuring system is cumbersome to transport and in particular expensive to mount on the test object, resulting in high set-up times.
  • the invention is based on the object to provide an ultrasonic measuring system, on the one hand has a simple structure and on the other hand can be easily assembled. In addition, a documentation of the measured data should be readily possible.
  • the invention is based on the finding that not as previously the ultrasonic probe is guided over a coordinate measuring system, over which the spatial assignment of the measurement results to the measurement points, but that the ultrasonic probe is guided by hand freely and this movement tracked by transducer / transducer and above the coordinates of the measuring points are determined.
  • This eliminates the need for expensive structures for guiding the ultrasonic probe and it results in a simple construction, which also also can be easily assembled.
  • the guidance of the ultrasonic probe is thus separated from the determination of the coordinates.
  • the measured data can then be easily associated with the coordinates, graphically processed and simply displayed via a display unit, for example a display. This allows a repeatable, reproducible measurement in a simple manner, which also allows documentation and logging of the measurement process without major additional measures. Every third person can repeat the measurement and then get the same results.
  • a measurement of certain critical parts can thus be carried out on site at a customer or, for example, in the case of an aircraft on the airfield.
  • the ultrasound probe which comprises the ultrasound sensor
  • a "chaotic" guidance of the ultrasound probe is also possible, in particular by tracking the free sensor position, ie the respective position of the ultrasound probe, by the displacement transducers.
  • This makes it possible to detect both small and relatively large measuring surfaces in an advantageous manner.Also, measurements on curved surfaces are possible, the latter being possible because only two-dimensional position detection is carried out.Thus, a three-dimensional test object appears only slightly distorted - in the projection or Settlement - so that this has no significant impact on the measurement result.
  • the invention can be as mentioned above perform a test with a hand-held ultrasonic measuring system and still has the advantage that the Measurement data of the ultrasonic probe the coordinates can be assigned. This allows the result to be easily visualized.
  • the already mentioned C, B and D pictures can be easily generated. Not only a reproducibility of the measurement, but above all a simple documentation is possible. This is a decisive advantage especially in the aerospace industry, but also in any other industry, as here vulnerable parts must be checked regularly in predetermined inspection cycles.
  • two displacement transducers together with the ultrasonic sensor / test head form a triangular arrangement.
  • the distance of the displacement sensor to each other forms a constant base length of a base side of a triangle.
  • the distance of the first transducer to the ultrasonic probe forms a first length of a first side of the triangle and the distance of the second transducer to the ultrasonic probe forms a second length of a second side of the triangle.
  • the coordinates of the ultrasonic probe can be calculated with the help of the mentioned lengths. Alternatively, an angle is calculated which extends between the first side of the triangle and the base side or between the second side and the base side.
  • the transducers can be considered incremental Seilzugwegierford, or be designed as an analog Seilzugwegierford.
  • both displacement transducers are connected to a computer and also the ultrasound test head is connected to this computer.
  • digitalized measurement data are delivered to the computer so that the computer can calculate an overall image and display it via an indicator.
  • the Cartesian X and Y coordinates of the ultrasonic test head are simply calculated via trigonometric functions in the triangle.
  • the lengths of the legs of the triangle required for this purpose are determined by means of the displacement transducer.
  • the base length of the triangle, the distance of the transducer to each other, is given as a constant for each measurement.
  • the data obtained during the measurement with the measuring system according to the invention are easily electronically logged, so that a documentation, as it is often required in industry, is possible.
  • the Cartesian X and Y coordinates of the ultrasonic probe can be calculated using an angle in the triangle and corresponding angle functions.
  • L 3 is the length of the first side of the triangle
  • L b is the length of the second side of the triangle
  • L 0 is the length of the base side of the triangle
  • ⁇ is the angle between the first side and the base side.
  • the ultrasonic test head can be guided both by an undefined movement, in particular a chaotic hand guide, as well as by a defined, in particular a meander-shaped hand guide.
  • the ultrasonic measuring system is used in aerospace.
  • the inventive method has been described using the example of a single ultrasonic probe. But it is also possible to use a probe with multiple ultrasonic sensors instead of a single ultrasonic probe with an ultrasonic sensor. In this case, a plurality of ultrasonic sensors line or line-shaped side by side in the form of a Zeilenoriented. Line arrays (line probe) or distributed over a surface in the form of a surface array (surface probe) may be arranged.
  • FIG. 1 is a block diagram of a preferred embodiment of the ultrasonic measuring system according to the invention.
  • FIG. 2 shows a representation of the test head and position transducer arrangement with X and Y coordinates as well as a triangular angle ⁇ ;
  • FIG. 3 shows a two-dimensional representation of a displacement transducer
  • FIG. 4 shows a further two-dimensional representation of the displacement transducer shown in FIG. 3;
  • Fig. 6 is a C image of an impact in carbon fiber
  • FIG. 7 shows a B image of an impact in carbon fiber
  • FIG. 1 shows an embodiment of the ultrasound measuring system 1 according to the invention.
  • This comprises a hand ultrasound measuring device 3 and a freely movable, manually guided ultrasound sensor having a test head 4.
  • the test head 4 is connected to the hand ultrasound measuring device 3 with a connecting cable 5, wherein the cable 5 transmits the ultrasonic measurement signal.
  • the hand ultrasound measuring device 3 is connected to a computer 6. This receives digitized measurement data of the hand-held ultrasonic measuring device 3 with the help of another connecting line. 7
  • the housing of the test head 4 is expediently designed so that the test head 4 can be easily guided over the component to be tested by hand.
  • the computer 6 is preferably designed as a PC, in particular as a portable PC or laptop, but may also be integrated into the ultrasonic measuring system 1.
  • the first displacement transducer 9 is at a distance from the second displacement transducer 10.
  • the distance between the first displacement transducer 9 and the second displacement transducer 10 is basically variably adjustable and is communicated to the software via corresponding input means, so that it can be taken into account in the calculation. During the measurement, however, the distance is constant.
  • the displacement sensors 9 and 10 are preferably designed as cable pull receivers each having a cable 11, 12. Both ropes 11 and 12 are connected to the test head 4, as illustrated in FIG.
  • test head 4 is freely movable, as long as a limited cable length of the transducer 9 and 10 is not exceeded.
  • the two transducers namely the transducers 9 and 10 are arranged in triangular fashion together with the test head 4.
  • the distance between the displacement sensor 9 and 10 to each other corresponds to a base length L c and forms a side c of a triangle whose vertices are formed by the probe 4 and the Wegaufappelem 9 and 10, as shown in FIG.
  • the base length L c is freely selectable within certain limits.
  • the distance of the first displacement transducer 9 to the test head 4 corresponds to a length L 3 of a side a of the triangle.
  • the distance of the second displacement transducer 10 to the test head 4 corresponds to a length Lb of a side b of the triangle.
  • an angle ⁇ is calculated, which extends between the first side a and the side c of the triangle.
  • ⁇ arccos ((L b 2 + L c 2 - L 3 2 ) / (2 * L b * L 0 )).
  • Cartesian coordinates can also be calculated using the angle between page b and page c.
  • the transducers 9 and 10 in the form of cable pullers are commercially available position sensors, for example incremental cable pull receivers.
  • the rope length can be changed, for example, between 120 mm and 1250 mm.
  • At the free end of the rope there is preferably a cable clip 15 which serves for attachment to the test head 4 (see FIG. 4).
  • the displacement sensor 9, 10 according to FIG. 3 or 4 is further provided with a receiving housing 16.
  • the retracted rope 11 is rolled up.
  • a cable drum located in the housing 16 is rotatably disposed in the housing 16. A rotation of the drum or an angular change is detected in a known manner.
  • the output signal corresponds to 5 to 10 pulses per mm of elongation or, in the case of the analog version, 0 to 10 V to the entire cable length.
  • a / D interfaces are provided to allow a connection to the computer 6.
  • the displacement sensors 9 and 10 can be fastened with a screw fastening on the measuring field or else with other fixing means, such as a suction cup, magnet, double-sided adhesive tape or the like. This allows a relatively free positioning on the measuring field to be tested.
  • a total pitch of 25 to 2500 mm, in particular from 250 to 1250 mm provided, larger lengths are of course also possible, so that considerably larger test objects can be detected. This is possible because no special frame construction is required.
  • test head 4 is guided meander-shaped over a test object, as illustrated in FIG. 5.
  • Reference numeral 17 denotes the meandering shape.
  • FIGS. 6 to 8 show images which show, by way of example, measurements which the measuring system 1 according to the invention generates.
  • C-pictures as shown in Fig. 6 and B-pictures as shown in Fig. 7 are possible.
  • the analog signals of the transducers are output via an A / D interface.
  • This can be an interface for connection to a laptop or notebook or be implemented directly in the ultrasound measuring system 1.
  • a scaling of an analog signal takes place, wherein, for example, 10 V corresponds to a cable length of 250 mm.
  • the measured signals are digitized.
  • the base length L C) so the distance between the two transducers 9 and 10 can be entered for example by means of a manual controller.
  • the base length L 0 can also be entered using a PC keyboard or notebook keyboard. If the cable length values L 3 , U and the base length L c are stored in the computer 6, these are used for the above-mentioned calculation of the polar coordinate ⁇ and the subsequent calculation of the Cartesian coordinates X, Y of the test head 4.
  • a module for recording or storing the measured numerical values is provided.
  • a measurement image formed from these numerical values can be represented by means of a monitor or a printer 20, see FIG. 1.
  • the solution shown is especially suitable for scanning on non-planar surfaces.
  • a plan view is generated by the computer 6.
  • the three-dimensional surface is thus projected onto a two-dimensional plane.
  • the invention is not limited to the embodiments shown, but also includes comparable solutions.
  • the transducers 9 and 10 can also be embodied as other displacement sensors.
  • the aim of the invention is to guide the test head 4 free.
  • a laser tracker In addition to the described transducers but also other coordinate tracking systems are conceivable, for example, a laser tracker.
  • a laser beam from the corner points of the base side of the triangle would be directed to the test head 4, the at this embodiment has mirrors.
  • the lasers track the mirrors.
  • the coordinates of the test head 4 can then be calculated analogously to the formulas described above.
  • optical system for example in the form of video heads, which form the transducers.
  • the video heads track the movement of the probe 4 and determine its coordinates analogous to the photogrammetry.
  • test head 4 can be guided freely by hand and a coordinate measuring system tracks the movement of the test head 4.
  • the measurement results can then be easily converted into coordinates of the test head 4, stored and further processed.
  • the image representations known from ultrasonic measurement technology, for example the A-BiId, an ultrasound measurement, as shown in FIG. 8, can now easily be converted into a B-type, C-type or D-type image, although a chaotic one Measurement of the test area is done via the hand guide.
  • the transducers 9, 10 can be easily transported.
  • the entire ultrasonic measuring system 1 according to the invention is lightweight and therefore also directly on site on the objects to be tested, without having to bring these objects in a laboratory.
  • a preferred field of application is aerospace engineering, where material controls must be performed on a regular basis and in particular a continuous documentation of these controls is required. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Messsystem (1), mit einem von Hand frei führbaren Ultraschallprüfkopf (4), der mit einem Ultraschallmessgerät (3) zusammenwirkt, zur zerstörungsfreien Materialprüfung über die Analyse eines Ultraschallbildes. Erfindungsgemäß sind mehrere Wegaufnehmer (9, 10) vorgesehen, welche die Bewegung des Ultraschallprüfkopfs (4) verfolgen, sodass die Koordinaten des Ultraschallprüfkopfes (4) ermittelt und vom Ultraschallmessgerät (3) dem jeweiligen Messergebnis zugeordnet werden können.

Description

ULTRASCHALL-HANDMESSSYSTEM MIT POSITIONSBESTIMMUNG
Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Messsystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Ultraschallbilderzeugung mit einem Ultraschall-Messsystem nach Anspruch 11.
Derartige Ultraschall-Messsysteme sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt und dienen der zerstörungsfreien Materialprüfung. Sie werden sowohl bei der Qualitätskontrolle als auch für die fortlaufende Inspektion von Materialien, insbesondere von Faserverbundwerkstoffen, aber auch bei Metallbauteilen eingesetzt. Bei der Qualitätskontrolle von Faserverbundwerkstoffen geht es in erster Linie darum, Produktionsfehler, Schrumpfungsrisse, Lunker, Porositäten, Fremdeinschlüsse, Delaminationen etc. zu finden.
Bei der Inspektion kann man Fehler oder Beschädigungen auffinden, die beispielsweise durch äußere Einwirkung - Einschläge etc. verursacht wurden.
Bekannt ist, dass ein Hand-Ultraschall-Prüfkopf von einem hierfür ausgebildeten Prüfer händisch über das Bauteil bzw. die betroffene Region geführt wird. Die Messstelle kann hierbei mit Farbstiften auf dem Messpunkt der Oberfläche des zu prüfenden Materials markiert werden. Eine reproduzierbare Dokumentation ist dadurch jedoch nicht möglich, da immer nur eine Online-Messung mittels der vom Prüfer bewerteten A-Bild-Anzeige vorgenommen wird.
Mittels des Ultraschall-Messsystems können derartige Fehler ermittelt werden. Hierbei werden die Ultraschalldaten, die als ein so genanntes A-BiId, immer nur den Zustand an genau der Position, an der sich der Prüfkopf in diesem Augenblick befindet, gezeigt. Setzt man nun die Informationen aus den A-Bildem flächig nebeneinander, genau an die Stelle, an der sie detektiert wurde, so hat man eine geometrische ortsgetreue Darstellung der Schadensstelle. Das Ergebnis ist dann eine bildgebende Ultraschallmessung. Hieraus können weitere Bilder des Messbereiches und somit des überprüften Materials erzeugt werden, beispielsweise das Messergebnis anhand eines Querschnitts durch das Material hindurch oder in räumlicher Darstellung. Diese Darstellungen sind als B-, C- und D-Bilder bekannt.
Damit das Messergebnis bestimmten Messpunkten zugeordnet werden kann und die eben beschriebenen Bilder erzeugt werden können, ist es notwendig die Koordinaten des Messpunktes in einem vorgegebenen Messbereich für die Messung zu erfassen.
Es sind Ultraschall-Messsysteme bekannt, bei denen der einen Ultraschallsensor aufweisende Ultraschallprüfkopf in der Art eines Plotters mit X- und Y-Armen über die zu prüfende Fläche geführt wird. Diese Führung wird jedoch aktiv vollzogen und der Prüfer hat nicht die Möglichkeit der manuellen, chaotischen Führung von Hand.
Nachteilig bei diesem bekannten Ultraschall-Messsystem ist, dass es zum einen sehr aufwendig und teuer ist. Die Konstruktion ist sehr komplex und schwer. Zum anderen ist das bekannte Ultraschall-Messsystem umständlich zu transportieren und insbesondere aufwendig am Prüfobjekt zu montieren, sodass sich hohe Rüstzeiten ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Ultraschall-Messsystem zu schaffen, das einerseits einen einfachen Aufbau aufweist und sich andererseits leicht montieren lässt. Zudem sollte eine Dokumentation der Messdaten ohne weiteres möglich sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Ultraschall-Messsystem nach Anspruch 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass nicht wie bisher der Ultraschallprüfkopf über ein Koordinaten-Messsystem geführt wird, worüber die räumliche Zuordnung der Messergebnisse zu den Messpunkten erfolgt, sondern dass der Ultraschallprüfkopf von Hand frei geführt wird und diese Bewegung durch Messwertaufnehmer/Wegaufnehmer verfolgt und darüber die Koordinaten der Messpunkte bestimmt werden. Dadurch erübrigen sich aufwendige Konstruktionen zur Führung des Ultraschallprüfkopfs und es ergibt sich eine einfache Konstruktion, die sich zudem auch noch leicht montieren lässt. Die Führung des Ultraschallprüfkopfs wird somit von der Ermittlung der Koordinaten getrennt. Über geeignete Schnittstellen können dann auf einfache Weise die Messdaten den Koordinaten zugeordnet, grafisch aufbereitet und über eine Wiedergabeeinheit, beispielsweise ein Display, einfach dargestellt werden. Hierdurch wird eine wiederholbare, reproduzierbare Messung auf einfache Weise ermöglicht, die auch eine Dokumentation und Protokollierung des Messvorganges ohne größere zusätzliche Maßnahmen zulässt. Jeder Dritte kann die Messung wiederholen und dann zu den gleichen Ergebnissen gelangen.
Durch das erfindungsgemäße Ultraschall-Messsystem kann somit vor Ort bei einem Kunden oder beispielsweise bei einem Flugzeug auf dem Flugfeld eine Messung bestimmter kritischer Teile durchgeführt werden.
Hierbei wird der Ultraschallprüf köpf, der den Ultraschallsensor umfasst, von Hand geführt, wobei auch eine „chaotische" Führung des Ultraschallprüfkopfes möglich ist. Insbesondere wird dies dadurch erreicht, dass die freie Sensorposition, also die jeweilige Position des Ultraschallprüfkopfes durch die Wegaufnehmer verfolgt wird. Dadurch lassen sich in vorteilhafter Weise sowohl kleine als auch relativ große Messflächen erfassen. Möglich sind auch Messungen bei gekrümmten Oberflächen. Letzteres ist dadurch möglich, dass nur eine zweidimensionale Positionserfassung durchgeführt wird. Ein dreidimensionales Prüfobjekt erscheint dadurch nur geringfügig verzerrt - in der Projektion bzw. Abwicklung -, sodass dies keine entscheidenden Auswirkungen auf das Messergebnis hat.
Durch die Erfindung kann man wie eingangs erwähnt eine Prüfung mit einem Hand-Ultraschallmesssystem durchführen und hat trotzdem den Vorteil, dass den Messdaten des Ultraschallprüfkopfs die Koordinaten zugeordnet werden können. Dadurch kann das Ergebnis einfach visualisiert werden. Es können die bereits erwähnten C-, B- und D-Bilder ohne weiteres erzeugt werden. Nicht nur eine Reproduzierbarkeit der Messung, sondern vor allem eine einfache Dokumentation ist dadurch möglich. Dies ist insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik, aber auch in jeder anderen Industrie ein entscheidender Vorteil, da hier gefährdete Teile regelmäßig in vorgegebenen Inspektionszyklen überprüft werden müssen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ultraschall- Messsystems ist vorgesehen, dass zwei Wegaufnehmer zusammen mit dem Ultraschallsensor/Prüfkopf eine Dreiecksanordnung bilden. Der Abstand der Wegaufnehmer zueinander bildet eine konstante Basis-Länge einer Basis-Seite eines Dreiecks. Der Abstand des ersten Wegaufnehmers zum Ultraschallprüfkopf bildet eine erste Länge einer ersten Seite des Dreiecks und der Abstand des zweiten Wegaufnehmers zum Ultraschallprüfkopf bildet eine zweite Länge einer zweiten Seite des Dreiecks. Mit Hilfe der genannten Längen lassen sich die Koordinaten des Ultraschallprüfkopfs berechnen. Hilfsweise wird außerdem ein Winkel berechnet, der sich zwischen der ersten Seite des Dreiecks und der Basis- Seite oder zwischen der zweiten Seite und der Basis-Seite erstreckt.
Hierfür werden vorzugsweise zwei Seilzugwegaufnehmer auf einer Oberfläche befestigt. Der Abstand zwischen diesen Wegaufnehmern bildet die Basis eines Dreiecks, wobei die beiden Seile des Wegaufnehmers die Schenkel des Dreiecks bilden. Somit kann man, auf mathematisch recht einfachem Weg, die X- und Y- Koordinate des Ultraschallprüfkopfs und somit des Messpunktes auf der Oberfläche des zu messenden Objekts bestimmen. Diese bevorzugte Lösung zeichnet sich durch geringe Kosten und eine nahezu frei wählbare Position der Seilzugwegaufnehmer aus. Außerdem kann eine beliebige Führung des Ultraschallprüfkopfes mit dem Ultraschallsensor auf dem zu messenden Bauteil oder Messobjekt gewählt werden.
Zweckmäßigerweise können die Wegaufnehmer als inkrementale Seilzugwegaufnehmer, oder als analoge Seilzugwegaufnehmer ausgeführt werden.
Um auf einfache Weise mehrere Bilder, zusammengesetzt darstellen zu können, ist in bevorzugter Weise vorgesehen, dass sowohl beide Wegaufnehmer mit einem Rechner verbunden sind und auch der Ultraschallprüfkopf mit diesem Rechner verbunden ist. Dadurch werden an den Rechner digitalisierte Messdaten geliefert, sodass der Rechner ein Gesamtbild errechnen und über eine Anzeige darstellen kann.
Nach einem bevorzugten Verfahren zur Ultraschall- Bilderzeugung mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall- Messgerät werden die kartesischen X- und Y- Koordinaten des Ultraschallprüfkopfes einfach über Winkelfunktionen im Dreieck berechnet. Die dafür benötigten Längen der Schenkel des Dreiecks werden mittels der Wegaufnehmer bestimmt. Die Basis-Länge des Dreiecks, der Abstand der Wegaufnehmer zueinander, ist als Konstante für jede Messung vorgegeben.
Die bei der Messung mit dem erfindungsgemäßen Messsystem ermittelten Daten sind elektronisch einfach protokollierbar, sodass eine Dokumentation, wie sie vielfach in der Industrie gefordert wird, möglich ist.
Denkbar sind aber auch andere Einsatzgebiete, die eine einfache Montage des Ultraschall-Messsystems vor Ort sowie deren Dokumentation erfordern, beispielsweise im Schiffsbau. Generell lässt sich das Ultraschall-Messsystem leicht transportieren und ist dadurch sehr flexibel einsetzbar.
Wie oben erwähnt, können die kartesischen X- und Y-Koordinaten des Ultraschallprüfkopfes mit Hilfe eines Winkels im Dreieck und über entsprechende Winkelfunktionen berechnet werden. Dabei kann die jeweilige X- und Y- Koordinate über die erste Länge der ersten Seite und/oder die zweite Länge der zweiten Seite und die Basis unter Verwendung folgender Formeln berechnet werden: α = arccos ((Lb z + Lc 2- L3 2) / (2 * Lb * L0)),
X= L3 * cos α,
Y= L3 * sin α.
Dabei entspricht L3 der Länge der ersten Seite des Dreiecks, Lb der Länge der zweiten Seite des Dreiecks, L0 der Länge der Basis-Seite des Dreiecks und α dem Winkel zwischen der ersten Seite und der Basis-Seite.
Bei einem Prüfvorgang kann der Ultraschallprüfkopf sowohl durch eine Undefinierte Bewegung, insbesondere eine chaotische Handführung, als auch durch eine definierte, insbesondere eine mäanderförmige Handführung, geführt werden.
Vorzugsweise wird das Ultraschall-Messsystem in der Luft- und Raumfahrt verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde am Beispiel eines einzelnen Ultraschallprüfkopfes beschrieben. Es ist aber auch möglich anstelle eines einzelnen Ultraschallprüfkopfes mit einem Ultraschallsensor einen Prüfkopf mit mehreren Ultraschallsensoren zu verwenden. Dabei können mehrere Ultraschallsensoren Zeilen- bzw. linienförmig nebeneinander in Form eines Zeilenbzw. Linienarrays (Linienprüfkopf) oder über eine Fläche verteilt in Form eines Flächenarrays (Flächenprüfkopf) angeordnet sein.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile derselben beschrieben sind. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Messsystems;
Fig. 2 eine Darstellung der Prüfkopf-und Wegaufnehmeranordnung mit X und Y-Koordinaten sowie einem Dreieckswinkel α;
Fig. 3 eine zweidimensionale Darstellung eines Wegaufnehmers;
Fig. 4 eine weitere zweidimensionale Darstellung des in Fig. 3 gezeigten Wegaufnehmers;
Fig. 5 eine Darstellung der Prüfkopf-/Wegaufnehmeranordung mit einer mäanderförmigen Handführung des Prüfkopfes;
Fig. 6 ein C-BiId eines Impacts in Kohlefaser;
Fig. 7 ein B-BiId eines Impacts in Kohlefaser, und
Fig. 8 ein A-BiId einer Ultraschallmessung.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall- Messsystems 1. Dieses umfasst ein Hand-Ultraschallmessgerät 3 und einen freibeweglichen, von Hand führbaren, einen Ultraschallsensor aufweisenden Prüfkopf 4. Der Prüfkopf 4 ist mit einem Verbindungskabel 5 mit dem Hand- Ultraschallmessgerät 3 verbunden, wobei das Kabel 5 das Ultraschall-Messsignal überträgt. Das Hand-Ultraschallmessgerät 3 ist mit einem Rechner 6 verbunden. Dieser empfängt digitalisierte Messdaten des Hand-Ultraschallmessgerätes 3 mit Hilfe einer weiteren Verbindungsleitung 7.
Das Gehäuse des Prüfkopfes 4 ist zweckmäßigerweise so ausgestaltet, dass sich der Prüfkopf 4 gut über das zu prüfende Bauteil per Hand führen lässt. Der Rechner 6 ist vorzugsweise als PC, insbesondere als tragbarer PC bzw. Laptop ausgeführt, kann aber auch schon in das Ultraschall-Messsystem 1 integriert sein. An diesem sind zwei Wegaufnehmer 9 und 10 angeschlossen. Der erste Wegaufnehmer 9 weist einen Abstand zu dem zweiten Wegaufnehmer 10 auf. Der Abstand zwischen dem ersten Wegaufnehmer 9 und dem zweiten Wegaufnehmer 10 ist grundsätzlich variabel einstellbar und wird der Software über entsprechende Eingabemittel mitgeteilt, sodass er bei der Berechnung berücksichtigt werden kann. Während der Messung ist der Abstand jedoch konstant.
Die Wegaufnehmer 9 und 10 sind vorzugsweise als Seilzugaufnehmer mit jeweils einem Seil 11 , 12 ausgebildet. Beide Seile 11 und 12 sind mit dem Prüfkopf 4 verbunden, wie dies in Fig. 1 veranschaulicht ist.
Der Prüfkopf 4 ist frei beweglich, solange eine begrenzte Seillänge der Wegaufnehmer 9 und 10 nicht überschritten wird.
Wie Fig. 1 zeigt, sind die beiden Messwertaufnehmer, nämlich die Wegaufnehmer 9 und 10, zusammen mit dem Prüfkopf 4 dreieckförmig angeordnet. Der Abstand der Wegaufnehmer 9 und 10 zueinander entspricht einer Basislänge Lc und bildet eine Seite c eines Dreiecks, dessen Eckpunkte vom Prüfkopf 4 und von den Wegaufnehmem 9 und 10 gebildet werden, wie Fig. 2 zeigt. Die Basislänge Lc ist in gewissen Grenzen frei wählbar. Der Abstand des ersten Wegaufnehmers 9 zu dem Prüfkopf 4 entspricht einer Länge L3 einer Seite a des Dreiecks. Der Abstand des zweiten Wegaufnehmers 10 zu dem Prüfkopf 4 entspricht einer Länge Lb einer Seite b des Dreiecks. Mit Hilfe der Längen La, Lb und L0 lassen sich die X- und Y-Koordinaten des Prüfkopfes 4 einfach berechnen, wie im Folgenden erläutert wird:
Zunächst wird hilfsweise ein Winkel α berechnet, der sich zwischen der ersten Seite a und der Seite c des Dreiecks erstreckt. α = arccos ((Lb 2 + Lc 2 - L3 2) / (2 * Lb * L0)).
Mit den Polarkoordinaten (L3; α) können dann die kartesischen Koordinaten X, Y des Prüfkopfes 4, nach folgenden Formeln berechnet werden:
X= L3 * cos α, Y= L3 * sin α,
Analog dazu können die kartesischen Koordinaten auch mit Hilfe des zwischen der Seite b und der Seite c liegenden Winkels berechnet werden.
Die Wegaufnehmer 9 und 10 in Form der Seilzugaufnehmer sind handelsübliche Positionssensoren, beispielsweise Inkremental-Seilzugaufnehmer. Die Seillänge kann beispielsweise zwischen 120 mm und 1250 mm verändert werden. An dem freien Seilende ist vorzugsweise ein Seilclip 15 vorhanden, der zur Befestigung an dem Prüfkopf 4 dient (siehe Fig. 4).
Der Wegaufnehmer 9, 10 gemäß Fig. 3 oder 4 ist weiterhin mit einem Aufnahmegehäuse 16 versehen. In diesem Gehäuse 16 wird das eingefahrene Seil 11 aufgerollt. Eine in dem Gehäuse 16 befindliche Seiltrommel ist drehbar in dem Gehäuse 16 angeordnet. Eine Drehung der Trommel bzw. eine Winkelveränderung wird in bekannter Art und Weise erfasst.
Es können sowohl inkrementale - digitale - Wegaufnehmer, als auch analoge Wegaufnehmer für das Ultraschall-Messsystem 1 verwendet werden.
Als Ausgangssignal entsprechen bei der digitalen Variante 5 bis 10 Pulse pro mm Längung oder bei der analogen Ausführung 0 V bis 10 V Spannung auf die gesamte Seillänge.
Bei einer analogen Ausführung sind A/D Schnittstellen vorhanden, um eine Ankopplung an den Rechner 6 zu ermöglichen. Die Wegaufnehmer 9 und 10 können mit einer Schraubbefestigung auf dem Messfeld befestigt werden oder aber auch mit anderen Fixierungsmitteln, wie einem Saugnapf, Magnet, doppelseitigen Klebeband oder dergleichen. Dadurch ist eine relativ freie Positionierung auf dem zu prüfenden Messfeld möglich.
In bevorzugter Weise ist eine Gesamtseillänge von 25 bis 2500 mm, insbesondere von 250 bis 1250 mm vorgesehen, größere Längen sind natürlich auch möglich, so dass auch erheblich größere Prüfobjekte erfasst werden können. Dies ist dadurch möglich, dass keine besondere Rahmenkonstruktion erforderlich ist.
Zweckmäßigerweise wird bei einer Messung der Prüfkopf 4 mäanderförmig über ein Prüfobjekt geführt, wie in Fig. 5 veranschaulicht wird. Das Bezugzeichen 17 kennzeichnet hierbei die Mäanderform.
Die Fig. 6 bis 8 zeigen Bilder, die beispielhaft Messungen zeigen, welche das erfindungsgemäße Messsystem 1 erzeugt. Möglich sind also sowohl C-Bilder, wie in Fig. 6 gezeigt ist, als auch B-Bilder, wie in Fig. 7 gezeigt ist.
Mit der gezeigten Anordnung lässt sich eine relativ hohe Messgenauigkeit erreichen. Im Folgenden wird eine Koordinatenaufnahme mit Hilfe des Hand- Ultraschallmessgeräts 3 und der Seilzugaufnehmer, als Wegaufnehmer 9, 10 näher erläutert.
Zunächst werden die analogen Signale der Wegaufnehmer über eine A/D Schnittstelle ausgegeben. Diese kann eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem Laptop bzw. Notebook sein oder direkt in das Ultraschall-Messsystem 1 implementiert sein.
In einem zweiten Schritt erfolgt eine Skalierung eines analogen Signals, wobei z.B. 10 V einer Seillänge von 250 mm entspricht. In einem nächsten Schritt werden die gemessenen Signale digitalisiert. Die Basislänge LC) also der Abstand zwischen beiden Wegaufnehmern 9 und 10 kann beispielsweise mittels eines Handreglers eingegeben werden. Alternativ kann die Basislänge L0 auch mit einer PC-Tastatur bzw. Notebook-Tastatur eingegeben werden. Sind die Seilzug-Längen-Werte L3, U sowie die Basislänge Lc im Rechner 6 gespeichert, werden diese für die oben erwähnte Berechnung der Polarkoordinate α und der anschließenden Berechnung der kartesischen Koordinaten X, Y des Prüfkopfes 4 verwendet.
Zusätzlich ist ein Modul zur Aufnahme bzw. Speicherung der gemessenen Zahlenwerte vorgesehen. Ein aus diesen Zahlenwerten gebildetes Messbild kann mit Hilfe eines Monitors oder eines Druckers 20, siehe Fig. 1, dargestellt werden.
Um zu verhindern, dass sich ein zu großer Messfehler ergibt, wenn der Winkel α zu klein ist, ist vorgesehen, dass bei einem zu kleinen Winkel α einfach ein Wert 0 auf einer Anzeige erscheint, sodass der Winkel α ausgetriggert wird.
Die gezeigte Lösung ist vor allem auch zur Abtastung auf nicht ebenen Oberflächen geeignet. Bei einer gekrümmten Oberfläche wird durch den Rechner 6 eine Draufsicht erzeugt. Die dreidimensionale Fläche wird also auf eine zweidimensionale Ebene projiziert. Für das Messverfahren mit der Führung des Prüfkopfes 4 im Raum ergibt sich bei dem beschriebenen System - zweidimensionale Abtastung - ein unerheblicher Koordinatenfehler.
Die Erfindung ist nicht nur auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch vergleichbare Lösungen. So können beispielsweise die Wegaufnehmer 9 und 10 auch als andere Wegsensoren ausgeführt sein. Ziel der Erfindung ist es, den Prüfkopf 4 frei zu führen. Neben den beschriebenen Wegaufnehmern sind aber auch andere Koordinatenverfolgungssysteme denkbar, beispielsweise ein Laser-Tracker. Hierbei würde jeweils ein Laserstrahl von den Eckpunkten der Basis-Seite des Dreiecks auf den Prüfkopf 4 gelenkt, der bei dieser Ausführungsform Spiegel aufweist. Die Laser verfolgen die Spiegel. Die Koordinaten des Prüfkopfes 4 lassen sich dann analog der oben beschriebenen Formeln berechnen.
Ebenfalls ist ein anderes optisches System denkbar, beispielsweise in Form von Videoköpfen, welche die Wegaufnehmer bilden. Die Videoköpfe verfolgen die Bewegung des Prüfkopfes 4 und ermitteln dessen Koordinaten analog der Fotogrammetrie.
Entscheidend bei der Erfindung ist, dass der Prüfkopf 4 frei von Hand führbar ist und ein Koordinaten-Messsystem die Bewegung des Prüfkopfes 4 verfolgt.
Die Messergebnisse können dann auf einfache Weise in Koordinaten des Prüfkopfes 4 umgerechnet, abgespeichert und weiterverarbeitet werden. Die aus der Ultraschall-Messtechnik bekannten Bilddarstellungen, beispielsweise das A- BiId, eine Ultraschallmessung, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, lässt sich nun ohne weiteres in ein B-BiId, C-BiId oder D-BiId umwandeln, obwohl eine chaotische Messung der Prüffläche über die Handführung erfolgt.
Die Wegaufnehmer 9, 10 lassen sich einfach transportieren. Das ganze Ultraschall-Messsystem 1 nach der Erfindung ist leichtgewichtig und daher auch direkt vor Ort an den zuprüfenden Objekten einsetzbar, ohne dass diese Objekte in ein Labor gebracht werden müssen. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Luft- und Raumfahrttechnik, wo regelmäßig Materialkontrollen durchgeführt werden müssen und insbesondere eine fortlaufende Dokumentation dieser Kontrollen erforderlich ist. Bezugszeichenliste
I Ultraschall- Messsystem 3 Hand- Ultraschallmessgerät
4 Prüfkopf
5 Verbindungskabel
6 Rechner
7 Verbindungsleitung 9 Wegaufnehmer
10 Wegaufnehmer
I 1 Seil 12 Seil
15 Seilclip 16 Aufnahmegehäuse
17 Mäanderform der Bahn des Prüfkopfes
20 Drucker α Winkel / Polarkoordinate
La Länge der ersten Seite des Dreiecks Lb Länge der zweiten Seite des Dreiecks
L0 Länge der Basisseite des Dreiecks c Basisseite des Dreiecks a erste Seite des Dreiecks b zweite Seite des Dreiecks

Claims

Patentansprüche
1. Ultraschall-Messsystem (1), mit einem von Hand frei führbaren Ultraschallprüfkopf (4), der mit einem Ultraschallmessgerät (3) zusammenwirkt, zur zerstörungsfreien Materialprüfung über die Analyse eines Ultraschallbildes, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wegaufnehmer (9, 10) vorgesehen sind, welche die Bewegung des Ultraschallprüfkopfes (4) verfolgen und die Koordinaten des Ultraschallprüfkopfes (4) ermitteln, welche vom Ultraschallmessgerät (3) dem jeweiligen Messergebnis zugeordnet werden.
2. Ultraschall-Messsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wegaufnehmer (9, 10) den Abstand zwischen dem Ultraschallprüfkopf (4) und dem jeweiligen Wegaufnehmer (9, 10), erfassen, wobei die
Wegaufnehmer (9, 10) derart angeordnet sind, dass zumindest anhand der Entfernung zwischen dem Ultraschallprüfkopf (4) und den Wegaufnehmern (9, 10) eine zweidimensionale Raumposition des Ultraschallprüfkopfs (4) berechenbar ist.
3. Ultraschall-Messsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegaufnehmer (9, 10) und der Ultraschallprüfkopf (4) eine Dreiecksanordnung bilden, wobei der Abstand der Wegaufnehmer (9, 10) zueinander eine konstante Basislänge (Lc) einer Seite (c) eines Dreiecks, der Abstand des ersten Wegaufnehmers (9) zum
Ultraschallprüfkopf (4) eine erste Länge (La) einer ersten Seite (a) des Dreiecks und der Abstand des zweiten Wegaufnehmers (10) zum Ultraschallprüfkopf (4) eine zweite Länge (Lb) einer zweiten Seite (b) des Dreiecks bildet, sodass die Koordinaten des Ultraschallprüfkopfes (4) durch die Längen (La, Lb, Lc) berechenbar sind.
4. Ultraschall-Messsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegaufnehmer als Seilzugaufnehmer (9, 10) ausgeführt sind.
5. Ultraschall-Messsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Seilzugaufnehmer (9, 10) mit einem Präzisionspotenziometer zur Erfassung einer Abwicklungslänge ausgestattet sind, wobei sie ein analoges Ausgangssignal, von insbesondere 0 bis 10 V, liefern.
6. Ultraschall-Messsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegaufnehmer (9, 10) eine Seillänge von 25 bis 2500 mm, insbesondere von 250 bis 1250 mm, aufweisen.
7. Ultraschall-Messsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegaufnehmer (9, 10) als
Inkremental-Impulsweggeber, insbesondere mit 5 bis 10 Pulsen pro mm Längenänderung, ausgeführt sind.
8. Ultraschall-Messsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegaufnehmer (9, 10), insbesondere über A/D-Schnittstellen, an einen Rechner (6) gekoppelt sind und der Ultraschallprüfkopf (4) über das Ultraschallmessgerät (3) mit dem Rechner (6) verbunden ist, um digitalisierte Messdaten an den Rechner (6) zu übertragen, sodass der Rechner (6) ein aus mehreren Messungen zusammengesetztes Ultraschallbild errechnen kann.
9. Ultraschall-Messsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegaufnehmer (9, 10) jeweils mindestens ein Fixierungsmittel zu deren freien Positionierung auf einer Oberfläche eines zu prüfenden Bauteils aufweisen.
10. Ultraschall-Messsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallprüfkopf (4) als Einzelprüfkopf, Linienprüfkopf oder Flächenprüfkopf ausgeführt ist.
11. Verfahren zur Ultraschallbilderzeugung mit einem Ultraschall-Messsystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kartesische X- und Y-Koordinaten des Ultraschallprüfkopfes (4) mittels eines Winkels (α) im Dreieck und über sin-, cos-, aresin- und/oder arecos- Beziehungen berechnet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die X- und Y-Koordinaten anhand der ersten Länge (l_a), der zweiten Länge (Lb) und der Basislänge (L0) des Dreiecks nach folgenden Formeln berechnet werden: X= La * cos α,
Y= La * sin α, α = arecos ((Lb 2 + L0 2- L3 2) / (2 * Lb * L0)).
13. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 11 oder 12, zur Ultraschallbilderzeugung mit einem Ultraschall-Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallprüfkopf (4) durch eine Undefinierte Bewegung, insbesondere eine chaotische Handführung und/oder durch eine definierte, insbesondere eine mäanderförmige Handführung (17), geführt wird.
14. Verwendung eines Ultraschall-Messsystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der Luft- und Raumfahrt.
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