DE102013211304A1

DE102013211304A1 - Phasengesteuerter Gruppenschwinger zur verbesserten Ultraschallprüfung

Info

Publication number: DE102013211304A1
Application number: DE102013211304.8A
Authority: DE
Inventors: Hubert Mooshofer; Karsten Schörner; Uwe Büchner; Werner Heinrich; Karsten Kolk; Hans-Peter Lohmann; Johannes Vrana
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2014-12-18
Also published as: WO2014202237A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfobjektes mittels Ultraschall, wobei Prüfkopfe als phasengesteuerte Gruppenschwinger ausgebildet sind und eine Mehrzahl verschiedene Größen aufweisende Schwinger (1) aufweisen, die derart angeordnet sind, dass große Schwinger für große Schallweglängen und kleine Schwinger für kleine Schallweglängen verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfobjekts mittels Ultraschall, wobei insbesondere ein Senderprüfkopf und ein Empfängerprüfkopf bei einem Pitch/Catch-System an gegenüberliegenden Prüfobjektoberflächen oder bei einem Tandem-System an einer gemeinsamen Prüfobjektoberfläche angeordnet sind.
Das so genannten Pitch/Catch-Verfahren wird zur zerstörungsfreien Prüfung verwendet, beispielsweise um senkrecht zur Oberfläche orientierte Defekte in einem Prüfling bzw. Prüfobjekt zu finden. Ein Prüfobjekt kann beispielsweise Stahl aufweisen oder aus Stahl bestehen. In einer typischen Prüfkonfiguration sind Sender- und Empfänger-Prüfkopf an gegenüberliegenden Bauteiloberflächen angeordnet. Der Senderprüfkopf schallt eine Prüfzone aus einer bestimmten Richtung an. Der Empfängerprüfkopf empfängt Echos aus einer anderen Richtung aus derselben Prüfzone. Die Richtungen sind dabei so gewählt, dass ein Defekt mit einer bestimmten Orientierung den vom Sender einfallenden Schall in Richtung des Empfängers reflektiert.
Vergleichbares gilt für die so genannte Tandem-Prüfung, mit dem Unterschied, dass sich Sender und Empfänger an derselben Bauteilseite befinden, und dass der Schall an einer Bauteilseite umgelenkt wird.
Zur Inspektion eines größeren Volumens eines Prüfobjektes müssen Prüfzonen in unterschiedlichem Abstand von einer Bauteiloberfläche gescannt werden. Aufgrund eines unterschiedlich langen Schallweges ergibt sich das Problem, dass der verwendete Prüfkopf einem Kompromiss genügen muss. Der Prüfkopf sollte nicht zu klein sein, um einen kleinen Divergenzwinkel und einen hohen Schalldruck für lange Schallwege zu erzeugen. Andererseits sollte der Prüfkopf nicht zu groß sein, um ein definiertes gerichtetes Schallfeld für kurze Schallwege zu bewirken. Dies beeinträchtigt eine Inspektion besonders bei nach zu einer Prüfung Objektoberfläche angeordneten und weit von der Prüfobjektoberfläche entfernten Prüfzonen.
Eine Pitch/Catch- bzw. Tandem-Ultraschallprüfung kann herkömmlicherweise mittels eines jeweiligen Einzelschwinger-Prüfkopfes und mechanischem Scannen realisiert werden. In diesem Fall ist es möglich, unterschiedliche Köpfe zur Abdeckung verschiedener Tiefenzonen zu verwenden. Es ist ebenso möglich, bei Verwendung von "Phased Arrays" (Phasengesteuerte Gruppenschwinger bzw. phasengesteuerte Gruppenantenne), die Schwingergröße elektronisch einzustellen.
Anstelle eines mechanischen Scans kann die Pitch/Catch- bzw. Tandem-Prüfung ebenso mittels Phased Arrays ausgeführt werden, was zu einer Vervielfachung der Prüfgeschwindigkeit führt. In der PCT/EP 2012/058723 ist ein geeigneter Phased-Array-Prüfkopf beschrieben, bei dem eine Anordnung von Sägezähnen vorgeschlagen wird. Aufgrund der hohen Kosten ist in diesem Fall ein Prüfkopfwechsel nicht praktikabel. Bei einem derartigen Sägezahn-Phased-Array-Prüfkopf muss aufgrund einer begrenzten Kanalzahl verfügbarer Ultraschall-Prüfgeräte eine Elementgröße groß gewählt werden.
Es ist Aufgabe eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfobjekts mittels Ultraschall, insbesondere mittels Pitch/Catch- oder Tandemprüfung, derart bereitzustellen, dass Prüfzonen in allen Abständen und Schallweglängen von einem Sendeprüfkopf und zu einem Empfängerprüfkopf mit gleicher oder zumindest ausreichender Messgenauigkeit abgetastet werden. Insbesondere soll die Messgenauigkeit für Prüfzonen in einem kleinsten und in einem größten Abstand zu einer Prüfobjektoberfläche im Vergleich zu herkömmlichen Systemen groß sein.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfobjektes mittels Ultraschall vorgeschlagen, wobei ein Senderprüfkopf von einer Prüfobjektoberfläche mit von Senderichtung abhängigen ersten Schallweglängen zu möglichen Defekten in eine Prüfzone einschallt und bei Vorliegen eines Defekts ein Empfangsprüfkopf mit von Empfangsrichtungen abhängigen zweiten Schallweglängen Echos aus der Prüfzone empfängt, wobei der Senderprüfkopf und der Empfängerprüfkopf als phasengesteuerte Gruppenschwinger mit einer Mehrzahl verschiedene Größen aufweisenden Schwingern geschaffen sind, die derart angeordnet sind, dass die Größen der Schwinger des Senderprüfkopfs an die ersten Schallweglängen und die Größen der Schwinger des Empfängerprüfkopfes an die zweite Schallweglänge angepasst sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfobjektes mittels Ultraschall vorgeschlagen, wobei ein Senderprüfkopf von einer Prüfobjektoberfläche mit von Senderichtungen abhängigen ersten Schallweglängen zu möglichen Defekten in Prüfzonen einschallt und bei Vorliegen eines Defekts ein Empfängerprüfkopf mit von Empfangsrichtungen abhängigen zweiten Schallweglängen Echos aus den Prüfzonen empfängt, wobei der Senderprüfkopf und der Empfängerprüfkopf als phasengesteuerte Gruppenschwinger mit einer Mehrzahl verschiedene Größen aufweisenden Schwingern geschaffen sind.
Ein phasengesteuerter Gruppenschwinger kann ebenso als ein Phased-Array bezeichnet werden. Bei einer derartigen Anordnung von Schwingern werden relative Phasen jeweiliger den Schwingern zugeführter Signale derart variiert, dass ein wirksames Schallmuster der Gruppe in einer gewünschten Richtung verstärkt und in unerwünschten Richtungen unterdrückt ist. Auf diese Weise können Richtungen zum Senden als auch Richtungen zum Empfangen eingestellt werden. Um einen Defekt mit einer bestimmten Orientierung in einer Prüfzone des Prüfobjektes zu erfassen, muss ein Senderprüfkopf mit einer bestimmten Richtung in die Prüfzone einschallen und der Empfängerprüfkopf aus einer anderen bestimmten Richtung aus derselben Prüfzone Echos empfangen. Bei einer Ausführung eines Tandemsystems als phasengesteuerter Gruppenschwinger kann dieser sowohl als Senderprüfkopf als auch als Empfängerprüfkopf wirken.
Schwinger können ebenso als Antennen bezeichnet werden. Eine anzupassende Größe kann beispielsweise eine Länge oder eine Wirkfläche eines Schwingers sein. Insbesondere werden geometrische Größen angepasst. Weitere Beispiele für eine anzupassende Größe sind eine Breite, eine Höhe und/oder eine Dicke.
Die Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, dass ein verwendetes Phased Array bzw. ein phasengesteuerter Gruppenschwinger verschiedene Schwingergrößen aufweist, die entsprechenden Schallweglängen angepasst sind.
Mittels der Anpassung der Schwinger an die jeweilige Schallweglänge kann eine sehr schnelle Durchführung von Ultraschall(UT-)Prüfungen insbesondere bei Verwendung der Pitch/Catch- und Tandem-Technik bewirkt werden. Des Weiteren wird die Prüfempfindlichkeit in einer Nähe zur Prüfobjektoberfläche wirksam verbessert. Ebenso wird die Prüfempfindlichkeit bei tiefliegenden Prüfzonen bzw. bei möglichen größeren Prüftiefen wirksam verbessert. Es ist kein Prüfkopfwechsel erforderlich, so dass eine Prüfzeit verringert und Kosten eingespart werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Größen der Schwinger zur jeweiligen Schallweglänge proportional geschaffen sind. Die Schwinger sind derart angeordnet, dass kleine Schwinger für kurze Schallwege zur Prüfzone verwendet werden und große Schwinger für lange Schallwege zur Prüfzone.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können für jede Prüfzone bestimmte Senderichtungen und erste Schallweglängen und bestimmte Empfangsrichtungen und weite Schallweglängen eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schwinger in einer Untergruppe eine gleiche Größe aufweisen und eine Mehrzahl von Untergruppen erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Größen der Schwinger der Untergruppen entlang einer Richtung größer werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Größen der Schwinger der Untergruppen entlang einer Richtung stufenartig größer werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Richtung entlang einer Prüfobjektoberfläche oder einer Zwischenstückoberfläche verlaufen. Ein Zwischenstück kann beispielsweise ein Keil sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Größe der Schwinger für jede Prüfzone einem Mittelwert der dazugehörigen Schallweglängen angepasst oder proportional sein und jede Untergruppe mindestens einer jeweiligen Prüfzone zugeordnet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können drei Untergruppen geschaffen sein, wobei die erste und dritte Untergruppe jeweils drei Schwinger und die mittlere zweite Untergruppe fünf Schwinger aufweisen können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können der Senderprüfkopf und der Empfängerprüfkopf an gegenüberliegenden Prüfobjektoberflächen oder an einer gemeinsamen Prüfobjektoberfläche angeordnet sein. Ersteres entspricht einer Pitch/Catch-Anordnung und Letzteres entspricht einer Tandem-Anordnung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann, wenn der Senderprüfkopf und der Empfängerprüfkopf an einer gemeinsamen Objektoberfläche angeordnet sind, der phasengesteuerte Gruppenschwinger als Senderprüfkopf und als Empfängerprüfkopf wirken.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der phasengesteuerte Gruppenschwinger sich entlang einer Ebene erstrecken oder als eine Sägezahnanordnung geschaffen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Defekte mit einer bestimmten Orientierung mit beliebigen Positionen im Prüfobjekt erfasst werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Defekte eine Orientierung senkrecht zu einer Prüfobjektoberfläche auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Defekte flächig sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das gesamte Prüfobjekt prüfzonenweise abgetastet werden.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Prüfkopfes;
2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tandem-Prüfung;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Prüfkopfes.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Prüfkopfes. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sägezahn-Phased-Arrays mit einer abgestuften Schwingergröße. Bei diesem Phased Array mit abgestufter Schwingergröße handelt es sich um ein so genanntes Sägezahn-Array. Eine Stufenzahl kann alternativ zur Darstellung von 1 ebenso anders gewählt sein bzw. einer jeweiligen Prüfaufgabe angepasst sein. Gemäß 1 erstrecken sich Schwinger 1 hier mit einem Winkel von 45° zu einer Kontaktfläche des Prüfkopfes zu einer Prüfobjektoberfläche. Die Schwinger 1 weisen dabei unterschiedliche Längen auf.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tandem-Prüfung. Dabei wird der Prüfkopf gemäß 1 verwendet. 2 zeigt ein Prüfobjekt 3, das hier einen Defekt 5 aufweist. Der Prüfkopf gemäß 2 wirkt in dieser Tandem-Anordnung sowohl als Senderprüfkopf als auch als Empfängerprüfkopf. Der Prüfkopf gemäß 1 wirkt als ein Senderprüfkopf, der von der Prüfobjektoberfläche in eine Prüfzone einschallt. Der Senderprüfkopf schallt mit einer bestimmten Senderichtung in die Prüfzone, wobei der Ultraschall entlang eines ersten Schallweges zum hier vorliegenden Defekt 5 gesendet wird. Da gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Defekt 5 vorhanden ist, kann der Empfängerprüfkopf entsprechende Echos aus der Prüfzone empfangen. Dabei erfasst der Empfängerprüfkopf aus einer bestimmten Empfangsrichtung. Entsprechend wandert das Echo entlang eines zweiten Schallweges mit einer entsprechenden zweiten Schallweglänge 9. Gemäß 2 sind der Sendeprüfkopf und der Empfängerprüfkopf als ein phasengesteuerter Gruppenschwinger entsprechend der Tandem-Anordnung zusammengefasst. Der Gruppenschwinger weist eine Mehrzahl verschiedene Größen aufweisenden Schwinger 1 auf. Da die erste Schallweglänge 7 klein ist, ist eine Länge der dazugehörigen Schwinger 1 ebenso klein. Da die zweite Schallweglänge 9 groß ist, ist die Länge der empfangenen Schwinger 1 für den vorliegenden Defekt 5 groß. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Schallwege bei einer Tandem-Prüfung.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines weiteren erfindungsgemäßen Prüfkopfes. Im Unterschied zu einer Sägezahn-Anordnung wird hier ein planares Phased-Array vorgeschlagen. Bei diesem Phased-Array mit abgestufter Schwingergröße liegen Schwinger 1 in einer gemeinsamen Ebene E. Hierzu weisen die Schwinger 1 verschiedene Längen auf, mit denen die Schwinger 1 sich entlang und in dieser gemeinsamen Ebene erstrecken. Zusätzlich kann als ein Zwischenstück Z ein Keil zwischen Prüfkopf und Prüfobjekt 3 positioniert werden.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und deren Verwendung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfobjektes mittels Ultraschall, wobei Prüfkopfe als phasengesteuerte Gruppenschwinger ausgebildet sind und eine Mehrzahl verschiedene Größen aufweisende Schwinger 1 aufweisen, die derart angeordnet sind, dass große Schwinger für große Schallweglängen und kleine Schwinger für kleine Schallweglängen verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2012/058723 [0006]

Claims

Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfobjekts (3) mittels Ultraschall, wobei ein Senderprüfkopf von einer Prüfobjektoberfläche mit von Senderichtungen abhängigen ersten Schallweglängen (7) zu möglichen Defekten (5) in eine Prüfzone einschallt und bei Vorliegen eines Defekts ein Empfängerprüfkopf mit von Empfangsrichtungen abhängigen zweiten Schallweglängen (9) Echos aus der Prüfzone empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Senderprüfkopf und der Empfängerprüfkopf als phasengesteuerte Gruppenschwinger mit einer Mehrzahl verschiedene Größen aufweisenden Schwingern (1) geschaffen sind, die derart angeordnet sind, dass die Größen der Schwinger des Senderprüfkopfes an die ersten Schallweglängen und die Größen der Schwinger des Empfängerprüfkopfes an die zweite Schallweglänge angepasst sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen der Schwinger zur jeweiligen Schallweglänge proportional geschaffen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Prüfzone bestimmte Senderichtungen und erste Schallweglängen und bestimmte Empfangsrichtungen und zweite Schallweglängen eingestellt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schwinger in einer Untergruppe eine gleiche Größe aufweisen und eine Mehrzahl von Untergruppen geschaffen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen der Schwinger der Untergruppen entlang einer Richtung größer werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen der Schwinger der Untergruppen entlang einer Richtung stufenartig größer werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung entlang einer Prüfobjektoberfläche oder einer Zwischenstückoberfläche verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Schwinger für jede Prüfzone einem Mittelwert der dazugehörigen Schallweglängen angepasst oder proportional ist und jede Untergruppe mindestens einer jeweiligen Prüfzone zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass drei Untergruppen geschaffen sind, wobei die erste und dritte Untergruppe jeweils drei Schwinger und die mittlere zweite Untergruppe fünf Schwinger aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Senderprüfkopf und der Empfängerprüfkopf an gegenüberliegenden Prüfobjektoberflächen oder an einer gemeinsamen Prüfobjektoberfläche angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der Senderprüfkopf und der Empfängerprüfkopf an einer gemeinsamen Prüfobjektoberfläche angeordnet sind, der phasengesteuerte Gruppenschwinger als Senderprüfkopf und als Empfängerprüfkopf wirkt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass phasengesteuerte Gruppenschwinger sich entlang einer Ebene erstrecken oder als eine Sägezahnanordnung erzeugt sind.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur zerstörungsfreien Prüfung eines Prüfobjekts mittels Ultraschall, wobei ein Senderprüfkopf von einer Prüfobjektoberfläche mit von Senderichtungen abhängigen ersten Schallweglängen zu möglichen Defekten in Prüfzonen einschallt und bei Vorliegen eines Defekts ein Empfängerprüfkopf mit von Empfangsrichtungen abhängigen zweiten Schallweglängen Echos aus den Prüfzonen empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Senderprüfkopf und der Empfängerprüfkopf als phasengesteuerte Gruppenschwinger mit einer Mehrzahl verschiedene Größen aufweisenden Schwingern geschaffen sind.
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen der Schwinger proportional zur jeweiligen Schallweglänge geschaffen sind.
Verwendung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Prüfzone bestimmte Senderichtungen und erste Schallweglängen und bestimmte Empfangsrichtungen und zweite Schallweglängen eingestellt sind.
Verwendung nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass Defekte mit einer bestimmten Orientierung mit beliebigen Positionen im Prüfobjekt erfasst werden.
Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Defekte eine Orientierung senkrecht zu einer Prüfobjektoberfläche aufweisen.
Verwendung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Defekte flächig sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Prüfobjekt prüfzonenweise abgetastet wird.