Versuchsbeschreibung (3138 KB) - Phywe

Lernziele
Ungänzeortung
5.1.6.06
Ultraschall Echographie, Ungänze, A-Mode, Normalprüfkopf, Winkelprüfkopf, Reflektion, Einschallwinkel, Signal-
Rauschabstand
Prinzip
Das Experiment zeigt die Anwendung und Leistungsfähigkeit verschiedener Techniken in der zerstörungsfreien Prüfung
mit Ultraschall. An einem Testkörper mit unterschiedlichen Typen von Ungänzen sollen verschiedene Ortungstechniken
durchgeführt werden. Dabei wird zunächst durch Scannen des Prüfkörpers untersucht, welche Ortungstechnik für welche
Typen von Fehlern in Frage kommt. Anschließend wird für jede Ungänze der Signal-Rausch-Abstand jeweils für einen
Normalprüfkopf, einen Winkelprüfkopf und einen Sender-Empfänger-Prüfkopf (SE-Prüfkopf) ermittelt. Die Ergebnisse
sollen hinsichtlich der Auswahl der richtigen Ortungstechnik für eine spezielle Prüfaufgabe diskutiert werden.
Materialliste
1 Basisset Ultraschall Echoskopie 13921-99
1 Erweiterungssatz: zerstörungsfreie Prüfung 13921-01
1 Ultraschallsonde 2 MHz 13921-05
Zusätzlich erforderlich:
PC mit USB-Anschluß, Windows XP oder höher
Fig. 1: Ungänzeortung: Experimenteller Aufbau
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Aufgaben
Ungänzeortung
1. Mit einem Normalprüfkopf 2 MHz (senkrechte
Einschallrichtung) werden am Ultraschallgerät geeignete
Geräteparameter gesucht und vom Prüfkörper
ein B-Bild erzeugt.
2. Die einzelnen Fehlstellen (Ungänzen) des Prüfkörpers
sollen dem B-Bild zugeordnet werden. Im A-
Mode wird anschließend für jede Fehlstelle der Signal-
Rausch-Abstand bestimmt.
3. Die obigen Untersuchungen / Messungen werden
am gleichen Prüfkörper mit einem Winkelprüfkopf und
einem SE-Prüfkopf (Sender-Empfänger-Prüfkopf) wiederholt.
4. Die Nachweisbarkeit der einzelnen Fehlstellen mit
dem jeweiligen Prüfverfahren soll beurteilt und dargestellt
werden.
Versuchsaufbau und Durchführung
- Die Winkelvorlaufstrecke und die SE-Kombination
werden mit Hilfe von Ultraschallgel an die Ultraschallsonde
angekoppelt. Dazu wird eine etwa erbsengroße
Menge Gel auf die Mitte der Sondenoberfläche gegeben
und die Winkelvorlaufstrecke bzw. die SE-
Kombination aufgesteckt. Durch Hin- und Herdrehen
der Vorlaufstrecke oder der Sonde wird das Gel
gleichmäßig über die Sondenoberfläche verteilt. Es
sollten möglichst keine Lufteinschlüsse in der Koppelschicht
zu sehen sein.
- Der so entstandene Prüfkopf wird nun mit Hilfe von
Gel oder Wasser an den Prüfkörper angekoppelt. Da
während der Messungen auch Scans über den gesamten
Prüfkörper durchgeführt werden, ist die Ankopplung
mit Wasser deutlich einfacher.
- Am Ultraschallgerät werden die Sendeleistung ("OUT-
Fig. 2: Prüfkörper aus Aluminium mit verschiedenen Ungänzen
PUT") und die Verstärkung ("GAIN") so eingestellt,
dass die Echoamplitude gut messbar sind. Der Einsatz
der TGC ist nicht erforderlich und würde die Messungen
des Signal-Rausch-Abstandes beeinflussen.
- Bei der Aufnahme der Scans muß vorher geprüft werden
ob bei keiner der Fehlstellen eine Signalübersteuerung
eintritt.
- Während der Scans sollte der Prüfkopf in gleichmäßig
langsamem Tempo über den Prüfkörper geschoben
werden.
- Es ist darauf zu achten, dass stets genug Wasser zum
Benetzen der Oberfläche vorhanden ist, damit die Ankopplung
des Prüfkopfes nicht abreißt.
- Die Messungen der Signal-Rausch-Abstände der einzelnen
Fehlstellen (Ungänzen) und der Scans erfolgen
alle von der dem Riss (Spalt) gegenüberliegenden Seite.
Damit können je nach Art des verwendeten Prüfkopfes
folgende Ungänzen detektiert werden (Fig.2):
Normalprüfkopf:
o Zylinder längs
o Zylinder quer
o Zylinder senkrecht
o Kreisscheibe waagerecht (Sackloch)
o Riss schräg
o Riss senkrecht
- Zunächst wird der 2 MHz- Normalprüfkopf mit etwas
Wasser an den Probenkörper angekoppelt. Durch
Verschieben des Prüfkopfes auf dem Prüfkörper
kann man sich einen Überblick über die Signalamplituden
der einzelnen Fehlstellen verschaffen und geeignete
Sende- und Verstärkereinstellungen wählen.
- Anschließend wird im Softwareprogramm der "B-
Mode" aktiviert und ein Ultraschallschnittbild (B-
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Fig. 3: Ultraschallschnittbild des Prüfkörpers mit dem Normalprüfkopf
Bild) des Prüfkörpers erstellt. Dazu wird die Bildaufzeichnung
mit "Start" aktiviert und der Prüfkopf
langsam und gleichmäßig über den Prüfkörper geführt.
- Ist der Prüfkopf am Ende des Prüfkörpers angekommen,
wird der Scan mit "Stop" beendet.
- Durch Variation der Farbskalen- und Zoomeinstellungen
kann die Darstellung des Schnittbildes optimiert
werden.
- Aus dem Bild läst sich bereits abschätzen, welche
Fehlstellen sich mit dem Normalprüfkopf besser
oder schlechter bzw. gar nicht detektieren lassen.
Beim Schnittbild mit dem Normalprüfkopf (Fig. 3)
Ungänzeortung
Fig. 4: Messung der Signalamplitude am senkrechten Riss mit dem Normalprüfkopf
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fällt sofort das starke Bodenecho und die vielen
Mehrfachreflektionen auf. Das Bodenecho ist an jeder
der Fehlstellen unterbrochen oder aber von geringerer
Amplitude, auch wenn die Fehlstelle kein
Echo erzeugt, wie zum Beispiel der senkrechte Zylinder
oder die schräge Rissfläche. Insofern kann das
Bodenecho bei der Analyse von Prüfkörpern sehr
hilfreich sein, vorausgesetzt der Prüfkörper hat geeignete
geometrische Formen, die eine Auswertung
des Bodenechos zulassen.
- Das Schnittbild sollte gespeichert werden, anschließend
wird in den "A-Mode" zurückgeschaltet.
- Nun wird für jede Fehlstelle die Signalamplitude und
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Ungänzeortung
Fig. 5: Messung der Rauschamplitude am senkrechten Riss mit dem Normalprüfkopf
die Rauschamplitude gemessen (Fig. 4 und 5). Dazu
wird der Prüfkopf an den einzelnen Fehlstellen positioniert
und die maximale Signalamplitude gesucht.
Hierbei muss darauf geachtet werden, dass es sich
auch wirklich um das Signal der entsprechenden
Fehlstelle handelt, sonst kommt es zu Fehlinterpretationen.
So zeigt zum Beispiel das obere Ende des
schrägen Risses ein sehr starkes Reflektionssignal.
Dies hat aber nichts mit der Reflektion auf der schrägen
Fläche zu tun und darf deshalb nicht als Echo am
schrägen Riss interpretiert werden.
- Die Messungen erfolgen, indem man den horizontalen
Messkursor einmal auf das Maximum der Signal-
amplitude und auf das Maximum des Rauschens
schiebt.
- Auch hierbei müssen die Signale genau interpretiert
werden, da oft kleinere Mehrfachechos als Rauschen
interpretiert werden können. Durch leichtes Hin-
und Herschieben des Prüfkörpers kann man prüfen,
ob es sich um Rauschen (verändert sich nicht beim
Verschieben) oder kleine Echos handelt.
Winkelprüfkopf 38°:
Fig. 6: Ultraschallschnittbild des Prüfkörpers mit dem Winkelprüfkopf (Spitze in Scanrichtung)
- Für die Messungen mit dem Winkelprüfkopf wird die
Vorlaufstrecke in der beschriebenen Weise an die
Sonde angekoppelt und der so entstandene Prüfkopf
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Ungänzeortung
Fig. 7: Ultraschallschnittbild des Prüfkörpers mit dem Winkelprüfkopf (Spitze entgegen Scanrich-tung)
auf den Prüfkörper gesetzt. Die Spitze des Winkelprüfkopfes
zeigt dabei in Scanrichtung. Anschließend
wird auf gleiche, oben beschriebene Weise ein
Schnittbild des Prüfkörpers angefertigt (Fig. 6).
- Auf Grund der schrägen Einfallsrichtung des Schalls
ist die Interpretation des Schnittbildes etwas schwieriger.
Zunächst fällt sofort auf, dass kein Bodenecho
detektiert wurde. Daher ist die Grenze des Prüfkörpers
nicht zu erkennen. Aus der Lage und der Reihenfolge
der aufgezeichneten Echos ist die folgende
Zuordnung möglich:
- Echo 1: Das starke Signal bei 1 ist das Winkelspiegelecho
des Risses und der Prüfkörperkante, damit liegt
Fig. 8: Messung der Signalamplitude am senkrechten Riss mit dem Winkelprüfkopf
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auch die Tiefe der Körperkante im Schnittbild fest.
Am rechten Ende des Echos zeigt sich etwas oberhalb
noch ein sehr schwaches Echo, das als Streusignal
(TOFD-Verfahren) der oberen Risskante interpretiert
werden kann.
- Echo 2: Als nächstes zeigt sich bei 2 das starke Echo
des schrägen Risses. Einfallsrichtung des Schalls und
die Lage des Risses bedingen hier das starke Signal
durch direkte Reflektion. Etwas unterhalb des Echos
ist ein weiteres, deutlich schwächeres Echo zu erkennen,
das weiter als die Prüfkörperunterkante entfernt
liegt, da es im vollen Sprungabstand gemessen
wurde.
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Ungänzeortung
Fig. 9: Messung der Rauschamplitude am senkrechten Riss mit dem Winkelprüfkopf
- Echo 3 und 4: Beide Echos liegen auf gleicher Höhe
wie Echo 1, da es sich hier um die Winkelechos des
senkrechten Zylinders und der Kreisscheibe handelt.
Die Kreisscheibe an sich, also das obere Ende der
Sacklochbohrung, lieferte hier kein Echo mit messbarer
Amplitude. Daher wird diese Ungänze ebenfalls
als Zylinder wahrgenommen.
- Echo 5: Dies ist das Echo des quer liegenden Zylinders
etwa auf halber Tiefe.
- Echo 6: Die senkrechte Kreisscheibe (Grundfläche
der Sacklochbohrung) wird durch das Streusignal an
der oberen Kante detektiert. Die zylindrische Wandung
der Bohrung erzeugt kein Echo.
- Bei größeren Tiefen tauchen noch eine Reihe Echos
auf, die entweder durch Mehrfachreflektionen entstehen
oder aber die Echos im vollen und doppelten
Sprungabstand darstellen.
- Wird der Prüfkopf um 180° zur Scanrichtung gedreht,
so erhält man ein erheblich anderes Schnittbild,
auf dessen Interpretation verzichtet werden
soll. Es zeigt sich aber, dass bei Winkelprüfköpfen die
Ausrichtung des Kopfes entscheidenden Einfluss auf
das Prüfergebnis haben wird (Fig. 7).
- Nach dem Aufzeichnen der Schnittbilder wird wieder
in den A-Mode zurückgeschaltet und die Echoamplituden
der einzelnen Echos gemessen. Für das Auffinden
und die Zuordnung der einzelnen Echos ist
das zuvor aufgenommene Schnittbild sehr hilfreich.
Für die Messungen der Echoamplituden ist ein kor-
rektes Justieren auf das Echomaximum zwingend erforderlich,
da bei schrägem Einfall der Einfluss einer
De-Justierung deutlich größer ist (Fig. 8 und 9).
SE-Prüfkopf:
- Der SE-Prüfkopf wird aus zwei 2 MHz-Sonden und
der SE-Vorlaufstrecke zusammengesteckt. Es ist wieder
auf eine optimale Ankopplung mit Ultraschallgel
zu achten. Am Ultraschallgerät wird der TRANSMIS-
SION-Mode eingeschaltet. Nach einer geeigneten
Wahl der Geräteeinstellungen wird in der oben beschriebenen
Weise nun mit dem SE-Prüfkopf ein
Schnittbild vom Prüfkörper erzeugt (Fig. 10).
- Schnittbilder, die mit SE-Prüfköpfen erzeugt werden,
bilden im Wesentlichen streuende Ungänzen ab, da
ein direktes Reflektionsecho nur aus einer Tiefe erhalten
werden kann. Diese Tiefe ist von der Schallgeschwindigkeit
und der Geometrie des SE-Prüfkopfes
abhängig.
- Allerdings können Mehrfachreflektionen und quer
liegende, gekrümmte Flächen zu Echos führen, die
oft nur schwer zuzuordnen sind.
- Im Bild fallen zunächst mehrere horizontale Linien
auf, die allerdings keine Echos aus dem Prüfkörper
darstellen, sondern durch direkten Schallübergang in
der Vorlaufstrecke des SE-Prüfkopfes entstehen.
Diese Echos sind auch ohne Ankopplung an den
Prüfkörper vorhanden und daher leicht zu erkennen.
- Echo 1: An der oberen Kante des senkrechten Risses
werden die Ultraschallwellen in alle Richtungen ge-
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Fig. 10: Ultraschallschnittbild des Prüfkörpers mit dem SE-Prüfkopf
streut und erzeugen dadurch ein Signal auf der Empfängersonde.
Die Signalamplitude ist allerdings klein
gegenüber reflektierten Echos, da es sich hierbei um
Streuung handelt. Das Streuecho ist über einen längeren
Scanweg zu erkennen. Dieser Effekt hat seine
Ursachen in der Breite des Schallstrahls der hier mit
abgebildet wird.
- Echo 2: Hier handelt es sich um den Schallreflex an
der gekrümmten Oberkante des schrägen Risses. Da
dieses Echo nichts mit dem eigentlichen Charakter
der Ungänze zu tun hat, bleibt es unberücksichtigt.
- Echo 3: Für die waagerechte Kreisscheibe gelten
ähnliche Bedingungen wie für den senkrechten Riss.
Die Signalamplitude ist noch kleiner, da die Kreis-
Ungänzeortung
Fig. 11: Messung der Signalamplitude am senkrechten Riss mit dem SE-Prüfkopf
scheibe nur geringe Ausdehnung hat.
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- Echo 4: Der querliegende Zylinder erzeugt auf Grund
seiner ausgedehnten gekrümmten Flache ein starkes
Echo.
- Echo 5: Die senkrechte Kreisscheibe hat ebenfalls eine
gekrümmte Fläche, an welcher der Schall in viele
Richtungen reflektiert wird, so dass auch hier ein
starkes Echo zu erkennen ist.
- Auch mit dem SE-Prüfkopf wird nach dem Aufzeichnen
der Schnittbilder in den A-Mode geschaltet und
die Echoamplituden der beschriebenen Echos gemessen.
Für die Messungen der Echoamplituden ist
ebenfalls ein korrektes Justieren auf das Echomaximum
erforderlich. Zusätzlich muss sich stets versi-
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Ungänzeortung
Fig. 12: Messung der Rauschamplitude am senkrechten Riss mit dem SE-Prüfkopf
chert werden, dass das richtige Echo gemessen wird.
Fehler können hier leicht durch eine falsche Zuordnung
des Signalpeaks zur entsprechenden Ungänze
entstehen (Fig. 11).
- Bei der Messung der Rauschamplituden ist darauf zu
achten, dass die kleinen Echos, die durch die SE-
Vorlaufstrecke verursacht werden, mit als Rauschen
berücksichtigt werden, da nur Echos, die über diesem
Signalniveau liegen, auswertbar sind (Fig. 12).
Wichtiger Hinweis
Die Winkelvorlaufstrecke und die SE-Kombination darf
nicht mit alkohol- oder lösungsmittelhaltigen Flüssigkeiten
gereinigt werden. Gelrückstände können mit etwas
Spülmittel, Wasser und eventuell einer weichen Bürste
entfernt werden.
Auswertung
Bei der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall erfordert
es die Geometrie des Prüflings und die Lage und Ausrichtung
der Ungänzen, den Schall in unterschiedliche
Richtungen einzubringen bzw. aus verschiedenen Richtungen
Schall zu empfangen. Die Einfallsrichtung wird dabei
stets relativ zur Flächennormalen gemessen. Aus der
Richtung der einschallenden Welle ergeben sich drei Klassen
von Ortungsverfahren: normale (senkrechte), schräge
und orthogonale Einschallrichtung. Die empfangene Signalamplitude
ist von der Art, der Größe und der Ausrichtung
der Fehlstelle abhängig. Dabei werden zwei prinzipielle
Wechselwirkungen der Fehlstelle mit dem Ultraschall
unterschieden: die Reflexion (starke Wechselwirkung)
und die Streuung (schwache Wechselwirkung). Für den sicheren
Nachweis einer Ungänze im Prüfkörper muss das
gewählte Ortungsverfahren einen ausreichenden Signal-
Rausch-Abstand liefern:
A = 20 log Us/Ur [dB] (1)
mit UR der Rauschamplitude und US der Signalamplitude.
Für die Nachweisgrenzen der einzelnen Fehlstellen und
Ortungsverfahren werden Registrierschwellen festgelegt.
Da die Ultraschallechos realer Fehlstellen sich meist aus
einer Mischung aus Reflexion und Streuung zusammensetzen,
kann es bei niedrigen Registrierschwellen leicht zu
Fehlinterpretationen kommen. Für den Nachweis von
Fehlstellen mit starken Wechselwirkungen muss die Empfindlichkeit
des Ultraschallgerätes mit entsprechenden
idealisierten Testreflektoren angepasst werden. Als Testreflektoren
werden vor allem Kreisscheiben (Sacklöcher),
Zylinder (Durchgangsbohrungen), Rückwände und Winkelspiegel
(Nuten) in unterschiedlicher geometrischer
Ausrichtung verwendet.
Bei den Messungen der einzelnen Amplituden zeigt sich
die Problematik der Auswertung von Ultraschallsignalen
an Fehlstellen sehr deutlich. Zum einen ist die korrekte
Ausrichtung des Prüfkopfes zur Ungänze von starkem Einfluss
auf die Signalamplitude. Bei ungünstiger Positionierung
können die Echosignale leicht unter die Detektionsgrenze
sinken. Zum anderen ist die Trennung zwischen
Rauschen und Nutzsignal oft schwierig, da an manchen
Fehlstellen durch Streueffekte eine Vielzahl kleinerer
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Ungänzeortung
Riss senkrecht Riss schräg Kreisscheibe waagerecht
Echos entstehen oder Mehrfachechos von anderen Fehlstellen
überlagert sind.
Für die Messungen wurden jeweils zunächst die Schnittbilder
analysiert und anschließend die Messstellen erneut
aufgesucht und die Signal- und Rauschamplituden gemessen
(Tabelle 1).
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass unterschiedliche
Ungänzen auch differenzierte Detektionsverfahren erfordern
(Fig. 14). So ist die schräg liegende Fläche des schrägen
Risses nur mit dem Winkelprüfkopf zu detektieren.
Von der Rückwand erhält man nur mit dem Normalprüfkopf
ein Signal. Kleine Ungänzen wie Materialrisse oder
kleine Einschlüsse (waagerechte Kreisscheibe) sind nur
durch die Auswertung der Streusignale mit dem SE-
Prüfkopf zu orten. Bei der Beurteilung der Messergebnis-
signal [V] noise [V] SRA [dB] signal [V] Noise [V] SRA [dB] signal [V] noise [V] SRA [dB]
Normalprüfkopf 0,184 0,019 19,721 0,393 0,022 25,039
Winkelprüfkopf 0,704 0,045 23,887 0,813 0,011 37,374
S-E-Kombination 0,184 0,037 13,932 0,000 0,120 0,034 10,954
Zylinder senkrecht Zylinder quer Zylinder längst Rückwand
signal [V] noise [V]SRA [dB] signal [V] noise [V] SRA [dB] signal [V] noise [V] SRA [dB] signal [V] noise [V] SRA [dB]
0,270 0,026 20,328 0,333 0,026 22,149 0,79 0,022 31,104
0,195 0,026 17,501 0,434 0,060 17,187
0,120 0,030 12,041 0,745 0,022 30,595 0,453 0,026 24,822 0,307 0,052 15,423
Tabelle 1: Signal-Rausch-Abstandes für verschiedene Ungänzen in einem Aluminium-Prüfkörper
sign al noise ratio [dB]
40,000
35,000
30,000
25,000
20,000
15,000
10,000
5,000
0,000
Riss
senkrecht
Riss schräg Kreisscheibe
w aagerecht
5.1.6.06
se muss berücksichtigt werden, dass es sich hier um idealisierte
Ungänzen handelt. So wird ein senkrechter Riss in
der Praxis mit dem Normalprüfkopf kaum zu detektieren
sein. Das hier gemessene Signal wurde an einer Fläche reflektiert,
die durch die Herstellung des Risses als Sägeschnitt
entstanden ist. Die quer und längs zum Probekörper
verlaufenden Ungänzen (Zylinder quer, Zylinder längs)
können mit allen Prüfköpfen sicher detektiert werden.
Am schwierigsten sind senkrechte Zylinder detektierbar,
da hier nur die kleinen Winkelechos am Boden des Prüfkörpers
mit dem Winkelprüfkopf aufgenommen werden
können.
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Zylinder
senkrecht
Normalprüfkopf
Winkelprüfkopf
S-E-Kombination
Zylinder quer Zylinder
längst
Rückw and
Fig. 14: Detektierbarkeit verschiedener Ungänzen in einem Aluminium-Prüfkörper in Abhängigkeit vom Prüfverfahren