A-Bild
A-Bild-Daten
Jedes Ultraschallprüfgerät zeichnet immer zwei grundlegende Parameter eines Echos auf: Höhe (Amplitude) und zeitliche Position relativ zu einem Nullpunkt (Impulslaufzeit). Die Laufzeit hängt ihrerseits von der Tiefenlage oder dem Abstand zum Reflektor ab, und basiert auf der Schallgeschwindigkeit im geprüften Werkstoff nach dem folgenden einfachen Verhältnis
Abstand = Schallgeschwindigkeit x Laufzeit
Die einfachste Darstellung einer Ultraschallwelle ist das A-Bild, in dem die Echoamplitude und die Laufzeit in einem einfachen Koordinatensystem aufgezeichnet werden, wobei die vertikale Achse die Amplitude darstellt und die horizontale Achse die Zeit. Das folgende Beispiel zeigt ein gleichgerichtetes A-Bild, nicht gleichgerichtete A-Bilder werden auch eingesetzt. Der rote Balken auf dem Bildschirm ist eine Blende, die einen Teil des Wellenzuges zur Analyse auswählt, normalerweise zum Messen der Amplitude und/oder der Tiefe.
B-Bilder
Eine andere Darstellungsweise des A-Bilds ist das B-Bild mit Einzelwert. Ein B-Bild wird oft mit Prüfgeräten für konventionellen Ultraschall und Korrosionsdickenmessern eingesetzt, um die Tiefe der Reflektoren entsprechend ihrer linearen Position aufzuzeichnen. Beim Abtasten des Prüfteils mit dem Prüfkopf wird die Dicke als Funktion von Zeit oder Position aufgezeichnet und ein Tiefenprofil erstellt. Anhand der Beziehung zwischen Ultraschalldaten und tatsächlicher Position des Prüfkopfs wird eine proportionale Ansicht aufgezeichnet, in der Daten mit bestimmten Bereichen des Prüfteils verknüpft sind. Dieses Nachführen der Position wird normalerweise mittels elektromechanischer Geräte, Weggeber genannt, durchgeführt. Weggeber werden entweder in Halterungen von Hand geführt oder sind in automatische Systemen eingebaut, die den Prüfkopf mit einem programmierbaren motorgesteuerten Scanner führen. In beiden Fällen zeichnet der Weggeber die genaue Punkt der Datenerfassung nach einer vom Prüfer festgelegten Prüfsequenz und Indexauflösung auf.
Im folgenden Beispiel zeigt das B-Bild zwei tief liegende Reflektoren und einen flach liegenden Reflektor, die den Positionen der Querbohrungen im Justierkörper entsprechen.
C-Bild
Eine andere Darstellungsart ist das C-Bild. Das C-Bild ist eine zweidimensionale Darstellung der Prüfdaten als Draufsicht oder Flächenansicht des Prüfteils. Diese Darstellung ähnelt einem Röntgenbild, in dem die Amplitude oder die Tiefe des Signals in der Blende von jedem Punkt im Prüfteil relativ zu dessen Position in verschiedenen Farben dargestellt wird. Planare Bilder können von flachen Prüfteilen durch Verfolgung der Daten zur X-Y-Position oder auf zylindrischen Teilen durch Verfolgung der axialen und winkligen Position erzeugt werden. Mit konventionellem Ultraschall wird ein mechanischer Scanner mit Weggebern verwendet, um die Koordinaten des Schallkopfs mit der gewünschten Index-Auflösung zu verfolgen. Die folgenden Bilder zeigen ein C-Bild eines Justierkörpers, die mit einem konventionellem Tauchtechnikprüfsystem mit fokussiertem Tauchtechnikprüfkopf erzeugt wurden.
Phased-Array C-Bild
Ein von einem Phased-Array-Sensor erstelltes C-Bild ist dem von einem Schallkopf für konventionellen Ultraschall sehr ähnlich. Jedoch wird bei Phased-Array-Systemen der Sensor mechanisch auf der einen Achse bewegt, während das Schallbündel die andere Achse entsprechend der Sendemodulierungssequenz abtastet. Wie in C-Bildern mit konventionellem Ultraschall wird die Signalamplitude oder -tiefe im von der Blende begrenzten Bereich erfasst. Bei Phased-Array werden die Prüfdaten bei jeder neuen Sendemodulierung mit der programmierten Schallbündelapertur aufgezeichnet.
Im Folgenden wird das C-Bild des gleichen Justierkörpers aus dem vorherigen Abschnitt dargestellt, der von einem Linien-Array-Sensor von 5 MHz mit 64 Elementen und mit geradem Vorlaufkeil oder Verschleißbacke erfasst wurde. Bei allen Sendemodulierunge wird die Apertur aus 16 Schwingern gebildet, und bei jedem Impuls erhöht wird der erste Schwinger um eins erhöht. Daraus ergeben sich auf der Länge von 37 mm des Sensors 49 Datenpunkte, die (horizontal in der Abbildung) aufgezeichnet werden. Während der Sensor in gerader Linie vorwärts geführt wird, entsteht das C-Bild. Ist eine präzise geometrische Entsprechung der Darstellung mit dem Prüfteil notwendig, wird mit einem Weggeber geprüft, aber auch die manuelle Prüfung ohne Weggeber liefert in vielen Fällen nützliche Informationen.
Auch wenn die Bildauflösung wegen des breiteren aktiven Schallbündels nicht ganz der einer Darstellung mit konventionellem Ultraschall entspricht, müssen doch auch andere Gesichtspunkte berücksichtigt werden. Das Phased-Array-System ist tragbar und kann vor Ort eingesetzt werden, was mit einem System für konventionellem Ultraschall nicht möglich ist. Auch kostet es etwa ein Drittel des Preises. Darüber hinaus wird eine Phased-Array-Darstellung in wenigen Sekunden erstellt, was mit konventionellem Ultraschall und der Tauchtechnik normalerweise mehrere Minuten dauert. Ein C-Bild in Echtzeit wird im Folgenden gezeigt.
Querschnitts-B-Bild
Ein Querschnitts-B-Bild zeigt eine detaillierte Vorderansicht des Prüfteils auf einer einzigen Achse an. Diese Darstellungsform liefert mehr Informationen als das bereits besprochene B-Bild mit Einzelwert. Statt nur einen einzigen Messwert aus dem Blendenbereich aufzuzeichnen, wird das gesamte A-Bild in jeder Prüfkopfposition digitalisiert. Aufeinanderfolgende A-Bilder werden über der Laufzeit oder der Weggeberposition aufgetragen und damit wird ein Querschnitt der Prüfzeile erstellt. So können oberflächennahe und tiefliegende Reflektoren im Prüfteil gesehen werden. Bei dieser Methode werden oft die gesamten A-Bild-Daten von jeder Position gespeichert und können zur Analyse oder Überprüfung auf dem Bildschirm wieder aufgerufen werden.
Hierzu wird jeder digitalisierte Punkt der Wellenform so aufgezeichnet, dass die die Signalamplitude darstellende Farbe in der richtigen Tiefe erscheint.
Aufeinanderfolgende A-Bilder werden digitalisiert, ihnen wird eine Farbe zugeordnet, sie werden in benutzerdefinierten Intervallen (Zeit oder Position) aneinandergereiht und ergeben dann ein echtes Querschnittsbild.
Phased-Array mit Linien-Scan
In Phased-Array-Systemen wird ohne den Sensor zu bewegen nur durch elektronisches Abtasten entlang der Zeile eines Linien-Arrays ein Querschnittsprofil erstellt. Die Sendemodulierungen werden in Sequenz durchtaktet und die dazugehörigen A-Bilder digitalisiert und angezeigt. Aufeinanderfolgende Aperturen werden für das aktiven Querschnittsbild aneinandergereiht. Die folgende Animation zeigt diese Sequenz mit einem Linear Array mit 16 Elementen.
In der Praxis wird, während der Sensor sich vorwärtsbewegt, in Echtzeit elektronisch abgetastet, und so ständig ein aktualisiertes Querschnittsbild angezeigt. Im Folgenden ist ein mit einem Linien-Array mit 64 Elementen in Echtzeit erstelltes Bild dargestellt.
Dieser hervorgehobene Satz verweist auf die folgende Animation (Sensor mit 16 Elementen), aber der Absatz darunter spricht von einem „Echtzeitbild mit einem Sensor mit 64 Elementen“ und verweist wiederum auf ein folgendes Bild. Ich frage mich, wo dieses Bild ist, weil es nur ein Bild zu geben scheint.
Es kann auch mit einer Schrägeinschallung mit demselben festen Winkel für alle Elemente geprüft werden. Wie später erklärt wird, ist dies sehr praktisch für die Schweißnahtprüfung. Dafür werden mit einem Linear-Array-Sensor mit 64 Elementen und mit Vorlaufkeil Transversalwellen in einem benutzerdefinierten Winkel erzeugt (oft 45 °, 60 ° oder 70 °). Durch das Schalten der Apertur entlang der ganzen Elementzeile des Sensors können die Daten des gesamten Schweißnahtvolumens erfasst werden, ohne beim Prüfen den Abstand zur Schweißnahtmittelline zu ändern. Dies ermöglicht das Prüfen der Schweißnaht in Längsrichtung in einem einzigen Durchgang.
Phased-Array S-Bilder
Von allen bis jetzt behandelten Darstellungsformen ist das S-Bild das einzige, dass es nur mit Phased-Array gibt. Bei einem Linien-Scan haben alle Sendemodulierungen einen festen Winkel, die Aperturen werden in Sequenz durchlaufen. Beim Sektor-Scan ist die Apertur fest und das Schallbündel wird durch eine Sequenz von Winkeln geschwenkt.
Hauptsächlich werden zwei Formen benutzt: Bei der bekanntesten, die sehr häufig in der Medizin verwendet wird, werden Longitudinalwellen durch einen Null-Grad-Vorlaufkeil geschwenkt. Die so entstandene Segmentdarstellung zeigt flächige und leicht angewinkelt liegende Defekte.
Bei der anderen Form wird mittels eines Kunststoffvorlaufkeils der Einschallwinkel erhöht, um Transversalwellen zu erzeugen, meist in einem Bereich von 30° bis 70°. Diese Methode ähnelt der Prüfung mit einem Winkelprüfkopf mit konventionellem Ultraschall, nur dass das Schallbündel durch eine Reihe von Winkeln geschwenkt wird, statt dass mit einem einzigen starren, durch den Vorlaufkeil bestimmten Winkel geprüft wird. Wie auch mit dem linearen Sektor-Scan wird ein Querschnitt des Prüfbereichs dargestellt.
Die tatsächliche Erzeugung des Bildes beruht auf demselben Prinzip aneinandergereihter A-Bilder wie der Linien-Scan im vorhergehenden Abschnitt. Der Prüfer definiert Start, Ende und Schrittauflösung des zur Erzeugung des S-Bilds nötigen Winkels. Es ist zu beachten, dass die Apertur konstant bleibt, und dass in jedem definierten Winkel ein Schallbündel erzeugt wird, dessen Eigenschaften von Apertur, Frequenz, Dämpfung usw. bestimmt werden. Die von jedem Winkel (Sendemodulierung) erzeugte Wellenform wird digitalisiert, farbkodiert und mit dem entsprechenden Winkel aufgezeichnet, wodurch ein Querschnittsbild entsteht.
Das S-Bild wird in Echtzeit erzeugt, was eine kontinuierliche dynamische Bildgebung mit der Bewegung des Sensors bietet. Dies ist zur Darstellung von Defekten sehr nützlich und erhöht die Wahrscheinlichkeit Fehler zu finden, besonders bei unregelmäßig ausgerichteten Defekten, da mit vielen verschiedenen Winkeln gleichzeitig geprüft wird.