Einführung
Der Industriezweig der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) profitiert durch die Einführung von Geräten mit TFM-Funktion von einem bedeutenden technologischen Fortschritt. Das TFM-Verfahren ist eine wichtige Weiterentwicklung der Phased-Array-Ultraschallprüftechnik (PAUT). Doch bei einigen auf PAUT spezialisierten Prüfern herrscht aber wohl immer noch eine gewisse Verwirrung, wenn es um TFM und den Zusammenhang mit FMC geht oder die Unterschiede zwischen konventioneller PAUT und TFM/FMC. Dieses Anwendungsbeispiel vermittelt einen grundlegenden Überblick über die Funktionsweise der TFM-Bildgebung und richtet sich an Personen mit PAUT-Vorkenntnissen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit und Klarheit wird nicht näher auf Aspekte der Ausbreitungsmodi eingegangen.
Bildverarbeitung bei herkömmlichen Phased-Array-Ultraschallprüfungen (PAUT)
Das Markenzeichen von Ultraschall-Phased-Array ist die Möglichkeit, auf jede gewünschte Stelle im Prüfteil zu fokussieren. Das Phased-Array-Fokussierverfahren verwendet Verzögerungen bei der Übertragung und beim Empfang, um die Laufzeitbeugung von kurzen gesendeten Wellenformen an der gewünschten Stelle zu synchronisieren. Im Fokusbereich des Prüfteils wird die generierte Breite des Schallbündels schmaler und die entsprechende Erkennungsauflösung erhöht sich erheblich.
Physikalische Schallbündelbildung
Herkömmlicher Phased-Array verwendet bei der Übertragung die physikalische Überlagerung einfacher Schallwellen, um ein Schallbündel zu erzeugen, das auf eine spezifische fokussierte Tiefe im Prüfteil gerichtet wird. Der Satz Sendeelementen bildet eine Apertur, aus der ein kohärenter akustischer Impuls hervorgeht. Die Aktivität der herkömmlichen Phased-Array-Übertragung wird als „physikalische“ Schallbündelbildung bezeichnet. Bei einem S-Bild erfolgt beispielsweise eine physikalische Schallbündelbildung für jeden benutzerdefinierten Winkel.
Synthetische Schallbündelbildung
Am Ende der akustischen Übertragung zwischen Sender, Streuer und Empfänger registrieren die Elemente, aus denen die Empfangsapertur besteht, alle Echos vom Prüfteil als A-Bilder. A-Bilddaten enthalten die Echoamplitude und Laufzeit. Um die Empfindlichkeit des Empfängers in einem spezifischen Bereich des Prüfteils zu verstärken, werden die A-Bilder verzögert und summiert, als würde die Fokussierung durch physikalische Schallbündelbildung erfolgen. Doch diese Mal erfolgen alle Verzögerungen und Summierungen in der Software des Erfassungsgeräts. Diese Schallbündelbildung beim Empfang wird als „synthetische“ Schallbündelbildung bezeichnet. Alle für die synthetische Schallbündelbildung erforderlichen Berechnungen werden mittels einer speziellen Frontend-Elektronik durchgeführt, die eine schnelle Echtzeit-Bildgebung ermöglicht.
Beschränkung der herkömmlichen PAUT
Der Vorteil der Phased-Array-Fokussierung ist eine deutliche Verbesserung der Empfindlichkeit im Fokusbereich, wodurch die Erkennungsleistung im fraglichen Bereich erhöht wird. Diese erhöhte Empfindlichkeit ist jedoch auf eine steuerbare, festgelegte Tiefe im Prüfteil beschränkt. Reflektoren außerhalb des Fokusbereichs erscheinen verschwommen und etwas größer wie der gleiche Reflektor im Fokusbereich.
FMC-Datenerfassung
TFM-Bildrekonstruktion
TFM – Erstellung hochaufgelöster Bilder
Total Focusing Method (TFM) ist die systematische Anwendung des grundlegenden Fokussierungsprinzips von Phased-Array in einem festgelegten Prüfbereich innerhalb eines Prüfteils. Der Prüfbereich wird in ein Raster von Positionen, oder „Pixeln“, segmentiert und die Fokussierung durch Phased-Array-Schallbündelbildung wird auf jedes Pixel in diesem Raster angewendet. Derzeit ist TFM die effizienteste Methode, um dieses Bild des Prüfbereichs zu generieren, welches überall und in jeder Tiefe fokussiert ist.
Würde jedoch die PAUT-Erfassungsstrategie mittels physikalischer Schallbündelbildung für Total Focusing Method verwendet werden, wäre der Zeitaufwand zur Erzeugung eines einzelnen TFM-Bildes für die meisten ZfP-Anwendungen zu groß. Mit TFM ist beispielsweise die Anzahl Pixel, die ein Bild bilden, viel höher als die Anzahl einzelner Winkel, die zur Erzeugung eines S-Bilds, das denselben Prüfbereich abdeckt, erforderlich ist. Ein S-Bild aus 100 Winkeln erfordert 100 Erfassungen durch physikalische Schallbündelbildung, ein TFM-Bild aus 100 Pixel × 100 Pixel hingegen 10.000 Erfassungen durch physikalische Schallbündelbildung.
Um dieses Problem zu vermeiden, wird eine andere Erfassungsstrategie verwendet, bei der die Amplitudenwerte im Raster durch synthetische Schallbündelbildung für die Sende- und für die Empfangsphase berechnet werden. Diese Strategie erfordert einen Satz Fokusgesetze, die jeder Pixelposition im Raster des gesamten Prüfbereichs entsprechen, und einen Satz grundlegender Wellenformen oder roher A-Bilder. Ein effizienter Weg, um diesen Satz roher A-Bilder zu erhalten, ist die FMC-Datenerfassung (Full Matrix Capture).
FMC – Erfassungsstrategie für produktive TFM
Full Matrix Capture (FMC) ist ein Erfassungsprozess, bei dem alle A-Bilder (Amplitudenzeiteinheiten) zwischen allen einzelnen Paaren Sende- und Empfangssensorelemente abgerufen werden. Diese rohen A-Bilder werden im FMC-Datensatz gespeichert. Um das beste Fokussierungsergebnis zu erzielen, sollten alle Elemente, die die komplette Sensorapertur bilden, zum Erzeugen des FMC-Datensatzes durch synthetische Schallbündelbildung verwendet werden. In diesem Fall ist die für den FMC-Datensatz benötigte Anzahl Prüfdatenerfassungen gleich der Anzahl Sensorelemente. Der FMC-Datensatz enthält alle Informationen hinsichtlich Schallausbreitung zwischen allen Sensorelementen, einschließlich Reflexionen an Grenzflächen und Schallstreuung durch Fehler. Jede Art der PAUT-Prüfdatenerfassung kann mittels FMC rekonstruiert werden, einschließlich Sektorbild, Bildgebung von ebenen Wellenfronten (PWI), dynamischer Änderung der Fokustiefe (DDF) usw.
Auch wenn die zur FMC-Bilderfassung erforderliche Anzahl Prüfdatenerfassungen beinah so hoch ist wie mit PAUT, erfordert die Verarbeitung der einzelnen FMC-Datensätze eine hohe Speicherkapazität, Übertragungsbandbreite und Berechnungsleistung. Je nach Elektronik des Prüfgeräts kann der Erhalt der TFM/FMC-Ergebnisse länger dauern als mit herkömmlicher PAUT.
Unterschiede zwischen PAUT- und TFM-Bildern (Beispiel)
Um die Unterschiede der Bildgebung mit PAUT und TFM zu verdeutlichen, verwenden wir ein Beispiel mit einem linearen Phased-Array-Sensor (PA) zur Prüfung gleicher vertikal verlaufender Querbohrungen in einem Stahlkörper.
Im Folgenden ist ein S-Bild mit PAUT (a) und ein TFM-Bild (b) abgebildet, die mit der gleichen Prüfkonfiguration, d. h. OmniScan X3 Prüfgerät mit 5L64-A2 Sensor, SA2-N55S-IHC Vorlaufkeil und 32-Elementapertur, erhalten wurden.
Im S-Bild mit PAUT (a) wird jedes A-Bild mit einer eindeutigen Fokussiertiefe von 22 mm erfasst. Die Querbohrungen im Fokusbereich erscheinen mit einer ähnlichen Amplitude und Größe. Querbohrungen, die weiter von der Fokussierung entfernt liegen, erscheinen verzerrt und mit einer geringeren Amplitude. Für eine einheitlichere Größenbestimmung aller Querbohrungen werden mehrere Bilder mit unterschiedlichen Fokustiefen benötigt.
Im TFM-Bild (b) sind die Schallbündel auf jedes Pixel fokussiert. Wie zu erkennen ist, wird jede Querbohrung mit optimaler Auflösung angezeigt. Trotzdem wird bei den Querbohrungen, die am äußersten Rand der elektronischen Fokussierkapazität liegen, eine geringe Verzerrung beobachtet. Diese Verzerrung ist bei der Schallbündelbildung typisch, tritt also sowohl bei der PAUT- als auch der TFM-Bildgebung auf.
Zusammenfassung: TFM und PAUT im Vergleich
Der Hauptvorteil von TFM besteht darin, dass das gesamte Bild mit einer fokussierten Amplitude angezeigt wird, während mit PAUT das Bild nur im Fokusbereich des Schallbündels hoch aufgelöst wird.
Die synthetische Schallbündelbildung, die bei herkömmlicher PAUT nur beim Empfänger durchgeführt wird, wird auch in der TFM-Übertragungsphase durchgeführt, um die Erfassungsrate für ZfP-Anwendungen im Rahmen zu halten. Die synthetische Schallbündelbildung erfordert die Anwendung spezifischer Verzögerungen der rohen A-Bildern, die mit FMC erfasst wurden. Es ist zu beachten, dass der FMC-Datensatz grundlegende Daten für jede synthetische Schallbündelbildung bereitstellen kann, d. h. für PAUT und TFM.
Aufgrund der großen Menge an FMC-Daten, die zur Erzeugung eines TFM-Bilds verarbeitet werden müssen, kann die Total Focusing Method bei gleicher Apertur die Produktivität verglichen mit PAUT leicht verringern.
Obwohl das TFM-Bild des gesamten Prüfbereichs hoch fokussiert ist, gelten auch hier dieselben akustischen Beschränkungen wie bei PAUT. Amplitudenschwankungen und -verzerrungen werden unter Verwendung von PAUT und TFM beobachtet. Aber die Ergebnisse bei einem Satz mit identischer Streuung in einem Prüfteil sind mit Total Focusing Method einheitlicher.
