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WO2015110221A1 - Ultraschallprüfvorrichtung und verfahren zur ultraschallprüfung - Google Patents

Ultraschallprüfvorrichtung und verfahren zur ultraschallprüfung Download PDF

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WO2015110221A1
WO2015110221A1 PCT/EP2014/077711 EP2014077711W WO2015110221A1 WO 2015110221 A1 WO2015110221 A1 WO 2015110221A1 EP 2014077711 W EP2014077711 W EP 2014077711W WO 2015110221 A1 WO2015110221 A1 WO 2015110221A1
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reception
frequency
receiving
test head
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Stefan Obermayr
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Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • 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
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    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/044—Internal reflections (echoes), e.g. on walls or defects

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic testing device comprising a test head for emitting an emission frequency spectrum with a transmission central frequency and receiving a reception frequency spectrum and a method for ultrasound testing.
  • Ultrasonic testing is a common procedure for non-destructive material testing.
  • the relatively unhindered propagation of the ultrasound in solid bodies, well aligned with the high frequencies used, is used in order to detect defects in which
  • tests are first carried out at 2 MHz in order to be able to find as many errors as possible from the volume and in a second Repeat the step at 4MHz to get a more accurate size statement and the location of the error.
  • a first object of the invention to provide an ultrasonic test device which solves the above-mentioned problem.
  • a second object is to provide a method for ultrasonic testing, which solves the above problem.
  • the first object is achieved with the specification of an ultrasonic testing device, comprising a test head for emitting an emission frequency spectrum with a transmission central frequency and receiving a reception frequency spectrum.
  • a unit is provided in which a Fourier transformation to the received reception frequency spectrum can be carried out, and in which case a receive central frequency of the Fourier-transformed reception frequency spectrum can be determined, and subsequently the reception frequency spectrum can be acted upon by a defined amplification gain.
  • ultrasound devices do not provide information about the frequency band of individual echoes.
  • test head in principle emits all frequencies necessary for testing, whereby all the desired reflection conditions are generated on an error.
  • Echoes registered by the ultrasound machine i. the receive frequency spectrum undergo a Fourier transform.
  • Each echo, in particular registrable and temporally separable echoes, is thereby analyzed for its frequency band and assigned to its own central reception frequency. Subsequently, the reception frequency spectrum is subjected to a defined gain addition.
  • the gain supplement is preferably the difference between the transmission center frequency and the reception center frequency.
  • the echo in question can then be displayed increased by the deviating from the transmission center frequency gain amplification.
  • the test head is a broadband probe, for transmitting a broadband transmission frequency spectrum with a transmission center frequency and receiving a broadband reception frequency spectrum.
  • other suitable probes can also be used.
  • This is understood as broadband probes, probes with a large bandwidth.
  • the bandwidth determines the width of the interval in a frequency spectrum in which the dominant frequency components of a signal to be transmitted or stored are located.
  • the bandwidth is usually characterized by a lower and an upper limit frequency.
  • the unit is preferably arranged in the test head itself. Also, the unit may be connected downstream of the test head as a module unit. This means that the Fourier transformation and the subsequent calculation steps can be carried out within the test head itself or in a downstream module unit.
  • the unit itself can be executed as a simple arithmetic unit.
  • the second object is achieved by specifying a method for ultrasound testing with a test head for emitting an emission frequency spectrum with a transmission central frequency and receiving a reception frequency spectrum with a reception center frequency comprising the steps: - performing a Fourier transformation on the
  • test head is designed as a broadband test head for emitting a broadband transmission frequency spectrum with a transmission central frequency and receiving a broadband reception frequency spectrum.
  • the inventive method saves you the separate testing with low and high frequencies, since all necessary frequencies are already contained in a broadband probe.
  • the difference between the transmitting central frequency and the receiving central frequency is preferably formed as a gain supplement.
  • other suitable reinforcing additions may be used.
  • defects in the sounded object are detected by the pulse-echo technique.
  • Defects can be detected in sound transmission or with the help of the pulse-echo technique.
  • the transmitted sound intensity decreases and in the second case, additional reflections between the entrance echo and the back wall echo are evaluated.
  • the Fourier transformation is preferably carried out in real time or only after a data recording. Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying figure.
  • 1 schematically shows an emission spectrum and a reception frequency spectrum.
  • each recordable and time-separable reception frequency spectrum 7 is analyzed in this case to its frequency band and assigned to its own central reception frequency 6.
  • the sensitivity profile of the frequency band of a probe is known, i. the echo in question with the receiving central frequency 6 can then be displayed increased by the amplification surcharge 10 deviating from the transmitting central frequency 2.
  • a separable from the noise and other signals receive frequency spectrum 7 is separated at 10% screen height, found its receiving central frequency 6 via the Fourier transform with 2MHz and amplified according to a gain supplement 10 by 18dB.
  • the same receiving frequency spectrum 7 is now displayed with a screen height of 80% and can be evaluated as if a test / measurement had taken place only with a 2MHz head.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallprüfvorrichtung umfassend einen Prüfkopf zum Aussenden eines Aussendefrequenzspektrums (1) mit einer Aussendezentralfrequenz (2) und Empfangen eines Empfangsfrequenzspektrums (7) mit einer Empfangszentralfrequenz (6), wobei eine Einheit vorgesehen ist, in welcher eine Fouriertransformation auf das empfangene Empfangsfrequenzspektrum (7) durchführbar ist, und wobei anschließend die Empfangszentralfrequenz (6) des fouriertransformierten Empfangsfrequenzspektrums (7) ermittelbar ist, und wobei anschließend das Empfangsfrequenzspektrums (7) mit einem definierten Verstärkungszuschlag (10) beaufschlagbar ist. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ultraschallprüfung.

Description

Beschreibung
Ultraschallprüf orrichtung und Verfahren zur Ultraschallprüfung
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallprüf orrichtung umfassend einen Prüfköpf zum Aussenden eines Aussendefrequenz - Spektrums mit einer Aussendezentralfrequenz und Empfangen eines Empfangsfrequenzspektrums sowie ein Verfahren zur Ultra- schallprüfung.
Die Ultraschallprüfung ist ein verbreitetes Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Hierbei wird die verhältnismäßig ungehinderte und bei den verwendeten hohen Frequen- zen gut ausgerichtete Ausbreitung des Ultraschalls in festen Körpern benutzt, um Fehlstellen nachzuweisen, an denen
Schallwellen reflektiert werden.
Bei der Ultraschall Materialprüfung kommen - je nach Prüfauf- gäbe, Material und Bauteilgeometrie - verschiedene Prüfkopf- Frequenzen zum Einsatz . Hohe Frequenzen bieten aufgrund ihrer Wellenlänge und Richtcharakteristik bessere Prüfempfindlich- keiten und örtliches Auflösungsvermögen, wohingegen niedrige Frequenzen in der Regel durch ihr breiteres Schallbündel emp- findlicher gegen ungünstig orientierte Fehler sind. Daher werden oft für dieselbe Prüfaufgabe unterschiedliche Frequenzen eingesetzt. Die niedrigen Frequenzen werden dabei als Suchtechnik und die hohen Frequenzen für die genauere Ortung und Vermessung kleinerer Fehler eingesetzt.
Dieser Umstand ist jedoch zeitaufwendig, da man Prüffahrten doppelt durchführen muss, um sicherstellen, dass die Werkzeugkoordinaten beider Prüffahrten identisch sind, um die Ergebnisse vergleichen zu können.
Beispielsweise werden bei großvolumigen Dampfturbinenrotoren zunächst Prüfungen mit 2MHz durchgeführt um möglichst viele Fehler aus dem Volumen auffinden zu können und in einem zwei- ten Schritt mit 4MHz wiederholt, um eine genauere Größenaussage und die Position des Fehlers machen zu können.
Es ist daher eine erste Aufgabe der Erfindung, eine Ultra- schallprüf orrichtung anzugeben, welche das oben genannte Problem löst. Eine zweite Aufgabe liegt in der Angabe eines Verfahrens zur Ultraschallprüfung, welche das oben genannte Problem löst . Die erste Aufgabe wird mit der Angabe einer Ultraschallprüf- Vorrichtung gelöst, umfassend einen Prüfköpf zum Aussenden eines AussendetrequenzSpektrums mit einer Aussendezentralfre- quenz und Empfangen eines Empfangsfrequenzspektrums. Erfindungsgemäß ist eine Einheit vorgesehen, in welcher eine Fou- riertransformation auf das empfangene Empfangsfrequenzspektrum durchführbar ist, und wobei anschließend eine Empfangs- zentralfrequenz des fouriertransformierten Empfangsfrequenz - Spektrums ermittelbar ist, und wobei anschließend das Empfangsfrequenzspektrums mit einem definierten Verstärkungszu- schlag beaufschlagbar ist.
Es gibt Prüfköpfe, insbesondere breitbandige Prüfköpfe, die ein gewisses Spektrum von Frequenzen abdecken. Dieses Spektrum unterliegt jedoch einem deutlichen Abfall der Intensität um die Zentralfrequenz herum.
Daher werden reflektierte Echosignale aus niedrigeren bzw. höheren Frequenzen mit einer entsprechend geringeren Amplitude am Ultraschallgerät angezeigt.
Beispielsweise würde ein Signal, welches durch eine ungünstige Fehlerorientierung nur durch 2MHz zur Reflexion kommt, am Ultraschallgerät mit einer um etwa 18dB geringeren Intensität angezeigt werden. Damit wäre eine Auffindbarkeit in der Regel nicht mehr gegeben. Erfindungsgemäß wurde daher erkannt, dass Ultraschallgeräte keine Informationen über das Frequenzband einzelner Echos angeben . Erfindungsgemäß wurde weiterhin erkannt, dass ein solcher, insbesondere breitbandiger Prüfköpf, prinzipiell alle zur Prüfung notwendigen Frequenzen aussendet, womit auch alle erwünschten Reflexionsbedingungen an einem Fehler erzeugt werden .
Vom Ultraschallgerät registrierte Echos, d.h. das Empfangsfrequenzspektrum, unterlaufen eine Fouriertransformation. Jedes Echo, insbesondere registrierbare und zeitlich trennbare Echos, wird dabei auf sein Frequenzband hin analysiert und einer eigenen Empfangszentralfrequenz zugeordnet. Anschließend wird das Empfangsfrequenzspektrum mit einem definierten Verstärkungszuschlag beaufschlagt .
Bevorzugt ist der Verstärkungszuschlag die Differenz der Aus- sendezentralfrequenz und der Empfangszentralfrequenz.
D.h. da der Empfindlichkeitsverlauf des Frequenzbandes eines Prüfköpfes bekannt ist, kann das betreffende Echo anschließend um den von der Aussendezentralfrequenz abweichenden Verstärkungszuschlag erhöht dargestellt werden.
Bevorzugt ist der Prüfköpf ein breitbandiger Prüfköpf, zum Aussenden eines breitbandigen AussendetrequenzSpektrums mit einer Aussendezentralfrequenz und Empfangen eines breitbandigen Empfangsfrequenzspektrums. Es können aber auch andere ge- eignete Prüfköpfe herangezogen werden. Dabei versteht man unter breitbandigen Prüfköpfen, Prüfköpfe mit großer Bandbreite. Die Bandbreite legt die Breite des Intervalls in einem Frequenzspektrum fest, in dem die dominanten Frequenzanteile eines zu übertragenden oder zu speichernden Signals liegen. Die Bandbreite ist meistens durch eine untere und eine obere Grenzfrequenz charakterisiert. Bevorzugt ist die Einheit im Prüfkopf selber angeordnet. Auch kann die Einheit als Moduleinheit dem Prüfkopf nachgeschaltet sein. D.h. die Fouriertransformation sowie die anschließenden Rechenschritte können innerhalb des Prüfkopfes selber oder in einer nachgeschalteten Moduleinheit vorgenommen werden. Die Einheit selber kann als einfache Recheneinheit ausgeführt werden .
Die zweite Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Verfah- rens zur Ultraschallprüfung mit einem Prüfkopf zum Aussenden eines Aussendetrequenzspektrums mit einer Aussendezentralfre- quenz und Empfangen eines Empfangsfrequenzspektrums mit einer Empfangszentralfrequenz umfassend die Schritte: - Durchführen einer Fouriertransformation auf das
empfangene Empfangsfrequenzspektrums ,
- Ermitteln der Empfangszentralfrequenz des
fouriertransformierten Empfangsfrequenzspektrums ,
- Beaufschlagen des Empfangsfrequenzspektrums mit ei- nem definierten Verstärkungszuschlag.
Insbesondere wird der Prüfkopf als ein breitbandiger Prüfkopf ausgebildet, zum Aussenden eines breitbandigen AussendefrequenzSpektrums mit einer Aussendezentralfrequenz und Empfan- gen eines breitbandigen Empfangsfrequenzspektrums.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren spart man sich das separate Prüfen mit niedriger und hoher Frequenzen, da ja bereits alle notwendigen Frequenzen in einem breitbandigen Prüfkopf enthalten sind.
Bevorzugt wird als Verstärkungszuschlag die Differenz der Aussendezentralfrequenz und der Empfangszentralfrequenz gebildet. Es können aber auch andere geeignete Verstärkungszu- Schläge verwendet werden.
In bevorzugter Ausgestaltung werden Fehlstellen in dem geschallten Objekt mit der Impuls-Echo-Technik nachgewiesen. Fehlstellen können in Durchschallung oder mit Hilfe der Impuls-Echo-Technik nachgewiesen werden. Im ersten Fall nimmt die durchgelassene Schallintensität ab und im zweiten Fall werden zusätzliche Reflexionen zwischen dem Eintrittsecho und dem Rückwandecho ausgewertet .
Bevorzugt wird die Fouriertransformation in Echtzeit oder erst nach einer Datenaufzeichnung durchgeführt. Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur. Darin zeigt schematisch : FIG 1: schematisch ein Aussendespektrum und ein Empfangsfrequenzspektrum.
Grundsätzlich werden bei der Ultraschallprüfung unterschiedliche Frequenzen verwendet. In der Regel werden dafür Prüf- köpfe mit einem schmalen Frequenzband benutzt. Z.B. benutzt man reine 2MHz Prüfköpfe, um Fehler mit ungünstigen Ausrichtungen zu finden, und reine 4MHz Prüfköpfe, um die Ausdehnung gefundener Fehler zu bestimmen. Es gibt breitbandige Prüfköpfe, die ein gewisses Aussendefre- quenzspektrum 1 abdecken. Fig. 1 zeigt ein solches Aussendefrequenzspektrum 1 beispielhaft. Dieses Spektrum unterliegt jedoch einem deutlichen Abfall der Intensität um eine Aussen- dezentralfrequenz 2 herum.
Daher werden reflektierte Empfangsfrequenzspektren 7, d.h. Echosignale aus niedrigeren bzw. höheren Frequenzen mit einer entsprechend geringeren Amplitude 4 am Ultraschallgerät angezeigt .
Beispielsweise wird ein Signal 3 im Aussendetrequenzspektrum 1, welches durch eine ungünstige Fehlerorientierung nur durch 2MHz zur Reflexion kommt, am Ultraschallgerät mit einer um etwa 18dB geringeren Intensität angezeigt werden. Damit ist eine Auffindbarkeit in der Regel nicht mehr gegeben.
Da ein breitbandiger Prüfkopf prinzipiell alle zur Prüfung notwendigen Frequenzen aussendet, werden auch alle erwünschten Reflexionsbedingungen an einem Fehler erzeugt. Erfindungsgemäß wird daher mit dem empfangenen Empfangsfrequenz - Spektrum 7 eine Fouriertransformation durchgeführt. Anschließend wird die Empfangszentralfrequenz 6 des
fouriertransformierten Empfangsfrequenzspektrums ermittelt, und das Empfangsfrequenzspektrum 7 mit einem definierten Verstärkungszuschlag 10 beaufschlagt.
Dies bedeutet, dass das vom Gerät registrierte Empfangsfre- quenzspektrum 7 - je nach Rechenleistung in Echtzeit oder erst nach der Datenaufzeichnung - eine Fouriertransformation unterläuft. Jedes registrierbare und zeitlich trennbare Empfangsfrequenzspektrum 7 wird dabei auf sein Frequenzband hin analysiert und einer eigenen Empfangszentralfrequenz 6 zuge- ordnet. Der Empfindlichkeitsverlauf des Frequenzbandes eines Prüfköpfes ist bekannt, d.h. das betreffende Echo mit der Empfangszentralfrequenz 6 kann anschließend um den von der Aussendezentralfrequenz 2 abweichenden Verstärkungszuschlag 10 erhöht dargestellt werden.
Hier wird beispielsweise ein vom Rauschen und anderen Signalen trennbares Empfangsfrequenzspektrum 7 bei 10% Bildschirmhöhe separiert, seine Empfangszentralfrequenz 6 über die Fourier-Transformation mit 2MHz festgestellt und entsprechend einem Verstärkungszuschlag 10 um 18dB verstärkt.
Dadurch wird dasselbe Empfangsfrequenzspektrum 7 nun mit einer Bildschirmhöhe von 80% dargestellt und kann so bewertet werden, als hätte eine Prüfung/Messung nur mit einem 2MHz Kopf stattgefunden.
Erfindungsgemäß wird durch die frequenzbandabhängige Anpassung der dargestellten Amplitudenintensitäten mit nur einer Prüffahrt über das gesamte Spektrum sinnvoller Frequenzen mit gleichmäßiger Empfindlichkeit geprüft. Eine Amplitudenbewertung ist generell aussagekräftiger, da die prüfkopfspezifische Intensitätsverteilung ausgeglichen wird. Erfindungsgemäß wird das Prüfen mit niedrigen und hohen Frequenzen separat eingespart. Erfindungsgemäß wird daher eine Signalweiterverarbeitung des empfangenen Signalspektrums beschrieben.

Claims

Ultraschallprüf orrichtung umfassend einen Prüfkopf zum Aussenden eines AussendetrequenzSpektrums (1) mit einer Aussendezentralfrequenz (2) und Empfangen eines Empfangsfrequenzspektrums (7) mit einer Empfangszentralfrequenz ( 6 ) ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s eine Einheit vorgesehen ist, in welcher eine Fouriertransformation auf das empfangene Empfangsfrequenzspektrum (7) durchführbar ist, und wobei anschließend die Empfangszentralfrequenz (6) des fouriertransformierten Empfangsfrequenzspektrums (7) ermittelbar ist, und wobei anschließend das Empfangsfrequenzspektrums (7) mit einem definierten Verstärkungszuschlag (10) beaufschlagbar ist .
UltraschallprüfVorrichtung nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Prüfköpf ein breitbandiger Prüfköpf ist, zum Aussenden eines breitbandigen AussendetrequenzSpektrums (2) mit einer Aussendezentralfrequenz (7) und Empfangen eines breitbandige Empfangsfrequenzspektrums (7) .
UltraschallprüfVorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Verstärkungszuschlag (10) die Differenz der Aussendezentralfrequenz (7) und der Empfangszentralfrequenz (6) ist.
UltraschallprüfVorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Einheit im Prüfkopf selber angeordnet ist.
UltraschallprüfVorrichtung nach einem der Ansprüche 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s die Einheit als Moduleinheit dem Prüfkopf nachgeschaltet ist .
Verfahren zur Ultraschallprüfung mit einem Prüfkopf zum Aussenden eines AussendetrequenzSpektrums (1) mit einer Aussendezentralfrequenz (2) und empfangen eines Empfangsfrequenzspektrums (7) mit einer Empfangszentralfrequenz ( 6 ) ,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
die Schritte:
- Durchführen einer Fouriertransformation auf das
empfangene Empfangsfrequenzspektrum (7) ,
- Ermitteln der Empfangszentralfrequenz (6) des
fouriertransformierten EmpfangsfrequenzSpektrums (7) ,
- Beaufschlagen des Empfangsfrequenzspektrums (7) mit einem definierten Verstärkungszuschlag (10) .
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