Einsatz von langen Kabeln bei der Ultraschallprüfung mit Einzelschwingermessköpfen

Zu einem Ultraschallprüf- oder Dickenmesssystems gehört ein Messkopfkabel. In der Regel wird es jedoch nur daraufhin überprüft, ob es nicht gebrochen, ausgefranst oder anderweitig defekt ist. Die meisten Ultraschallprüfungen werden im herkömmlichen Frequenzbereich von 500 KHz bis 20 MHz mit Messkopfkabeln mit einer maximalen Länge von ca. 2 m durchgeführt. Wenn höhere Testfrequenzen oder längere Kabeln verwendet werden, sollten jedoch mögliche mit einhergehende Effekte berücksichtigt werden.

In diesem Anwendungsbeispiel wird die Verwendung sehr langer Kabel mit Messköpfen bei Prüffrequenzen von etwa 20 MHz und geringer beschrieben. Die speziellen Problem von Kabeln, die mit sehr hochfrequenten Messköpfen (50 MHz und höher) im Zusammenhang auftreten werden im White Paper: Hochfrequnz-Ultraschallprüfung zum Auflösen von kleinsten Einschlüssen dargestellt.

Zu berücksichtigende Faktoren bei langen Kabeln

Es sollten diese vier Faktoren berücksichtigt werden: Kabelreflexionen, Kabeldämpfung, Kabelverzögerung und Kabelrauschen. Diese Effekte werden mit längeren Kabeln immer signifikanter, insbesondere mit Kabeln, die länger als etwa 20 m sind.

Kabelreflexion

In jedem Ultraschallsystem bewegt sich ein Sendeimpuls vom Impulsgenerator des Geräts zum Messkopf mit einer Geschwindigkeit, die in einem typischen Koaxialkabel an die Lichtgeschwindigkeit heranreicht. Wenn dieser Sendeimpuls den Messkopf erreicht, wird ein Großteil der elektrischen Energie in Schallwellen umgewandelt. Ein Teil der elektrischen Energie wird jedoch zum Impulsgenerator reflektiert. Wenn sie den Impulsgenerator erreicht, wird ein Teil dieser Energie zum Messkopf reflektiert (die Menge der an jedem Ende des Kabels reflektierten Energie hängt in erster Linie von der Übereinstimmung oder Nichtübereinstimmung der elektrischen Impedanz ab). Wenn dieser reflektierte Impuls den Messkopf erneut erreicht, fungiert er als zweiter, kleinerer Sendeimpuls, der dem ursprünglichen Impuls um ein Zeitintervall folgt, das der elektrischen Umlaufzeit im Kabel entspricht.

Bei normalen Prüfkonfigurationen mit kurzen Kabeln kommt dieser reflektierte Impuls sehr schnell nach dem anfänglichen Sendeimpuls an und hat keinen signifikanten Effekt auf die Leistung des Messkopfs. Wenn sich jedoch die elektrische Laufzeit durch das Kabel der Resonanzperiode des Messkopfs (1/Frequenz) nähert, verlängert der reflektierte Impuls die Länge des Sendeimpulses und der Messkopf gibt erneut Impulse aus. Diese zusätzliche Schwingung begrenzt die Auflösung nahe der Oberfläche in machen Fällen erheblich. Bei Vorlaufstreckenmessköpfen führt der reflektierte Impuls zudem zu einer erneuten Anregung des Ankoppelechos der Vorlaufstrecke, was eine Auflösung nahe der Oberfläche auch verringert. Bei sehr langen Kabeln werden ein zweiter Sendeimpuls und doppelte Rückwandechos beobachtet, deren zeitlicher Abstand der elektrischen Länge des Kabels entspricht.

Bei manchen Anwendungen können die nachteiligen Effekte von Kabelreflexionen durch die Umstellung von Einzelschwingermessköpfen auf Sender-Empfänger-Messköpfe vermieden werden. Da Sender-Empfänger-Messköpfe separate Sender- und Empfänger-Elemente verwenden und sie normalerweise nur das erste empfangene Echo berücksichtigen, stellen erhöhte Sendeimpulse und Echoschwingungen normalerweise kein Problem dar (Probleme mit Dämpfung, Verzögerung und Rauschaufnahme können jedoch weiterhin bestehen).

In einigen Fällen können Kabelreflexionen durch die Einstellung der Gerätedämpfung auf 50 Ohm und den Anschluss eines 50 Ohm Terminators am Kabelende des Messkopfs reduziert werden. Dies kann jedoch unerwünschte Effekte auf die Echoform haben. Da alle üblichen Prüfköpfe für die zerstörungsfreie Prüfung ein komplexes elektrisches Impedanzprofil aufweisen, ist es ohnehin unmöglich, die elektrische Impedanz mit einem Impulsgenerator perfekt anzupassen.

Kabeldämpfung

Der elektrische Widerstand in langen Kabeln führt zu einem Signalverlust, der mit der Länge zunimmt. Aus diesem Grund sollte bei Konfigurationen zur Fehlererkennung, bei denen eine genaue Verfolgung der Echoamplitude wichtig ist, die Geräteempfindlichkeit immer mit dem tatsächlich für den Test verwendeten Kabel kalibriert werden. Kabelverluste sind normalerweise so gering, dass sie durch eine einfache Anpassung der Geräteverstärkung ausgeglichen werden können. In extremen Fällen empfiehlt sich die Verwendung eines Vorverstärkers am Kabelende des Messkopfs.

Kabelverzögerung

Die elektrische Laufzeit durch das Messkopfkabel ist Teil der gesamten Abstands- oder Dickenmessung bei Verwendung von Kontakt- und Sender-Empfänger-Messköpfen (jedoch nicht bei der Dickenmessung im Echo-Echo-Modus). Lange Kabel können die Messzeit erheblich verlängern und Fehler verursachen, wenn nicht genullt wird. Daher sollte bei allen Konfigurationen, bei denen die Messung von Dicke oder Abstand auf der Zeitmessung des ersten Rückwandechos vom Prüfteil basiert, die Nullpunktkalibrierung des Geräts immer mit dem tatsächlich für den Test verwendeten Kabel durchgeführt werden. Dies ist normalerweise ein leicht zu lösendes Problem, solange das richtige Kalibrierungsverfahren befolgt wird.

Kabelrauschaufnahme

Die Aufnahme von hochfrequentem Rauschen aus der Umgebung über lange Kabel kommt seltener vor als die drei oben aufgeführten Effekte. Sie kann jedoch bei Anwendungen problematisch sein, bei denen sehr lange Kabel, eine hohe Verstärkung und Umgebungen mit elektrischem Rauschen, wie z. B. in der Nähe zu Motoren oder Schweißgeräten, kombiniert werden. In solchen Fällen kann das Kabelrauschen möglicherweise Echos von Interesse überdecken. Mögliche Lösungen umfassen die Verwendung von doppelt abgeschirmten Koaxialkabeln, remote Vorverstärker am Kabelende des Messkopfs und Tiefpassfilterung am Empfänger, um hochfrequente Rauschkomponenten zu filtern.

Kabeleffekte bei der Ultraschallprüfung – Ein Beispiel

Die folgenden Abbildungen von Wellenformen zeigt die Effekte bei der Verwendung von langen Kabeln in einer einfachen Prüfkonfiguration, die einen 10 MHz Breitband-Kontaktmesskopf verwendet, um die Dicke eines 10 mm dicken Referenzblocks aus Stahl zu messen. Die Kabellänge wird in sechs Schritten von 1 m auf 60 m erhöht. Diese Wellenformen sind ein allgemeines Beispiel dafür, wenn lange Kabel eingesetzt werden. Die genauen Messwerte können sich ändern, wenn sich die Messkopffrequenz und Bandbreite ändern. Bei höheren Frequenzen sind die Effekte stärker ausgeprägt, während sie bei niedrigeren Frequenzen weniger ausgeprägt sind.