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Dokumentenidentifikation DE10248979B4 24.08.2006
Titel Multielement-Ultraschall-Transducer und Ultraschall-Prüfverfahren
Anmelder Magnetic Analysis Corp., Mount Vernon, N.Y., US
Erfinder Venczel, John, South Salem, N.Y., US
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Anmeldedatum 21.10.2002
DE-Aktenzeichen 10248979
Offenlegungstag 30.04.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse G01N 29/07(2006.01)A, F, I, 20060315, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01N 29/265(2006.01)A, L, I, 20060315, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft die Untersuchung oder Prüfung von Röhren, Rohren, Stäben oder Stangen und anderen Gegenständen unter Verwendung von Ultraschall-Transducern (oder -Wandlern). Die Erfindung betrifft insbesondere die Erhöhung der Prüfgeschwindigkeit in einer zerstörungsfreien Prüfung derartiger Gegenstände, während eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit bereitgestellt werden.

Eine Ultraschallprüfung wird allgemein verwendet, um sowohl Oberflächendefekte, z.B. Risse, als auch innere Defekte, z.B. Hohlräume oder Einschlüsse von Fremdmaterial, zu erfassen. Sie wird außerdem zum Messen der Wanddicke von Röhren- und Rohren sowie des Durchmessers von Stäben oder Stangen verwendet. Im sogenannten Puls-Echoverfahren dient der gleiche Transducer sowohl als Sender als auch als Empfänger von Ultraschallstrahlen oder -wellen, die zum Erfassen solcher Defekte und Durchführen solcher Messungen verwendet werden.

In einem solchen Verfahren erzeugt der Transducer in Antwort auf einen elektrischen Impuls eine als Ultraschallimpuls bezeichnete Druckwelle. Die Druckwelle durchläuft ein Ankopplungs- bzw. Kopplungsmedium zwischen dem Transducer und dem geprüften Gegenstand. Bei einer Longitudinalwellenprüfung tritt, nachdem der Ultraschallimpuls eine Grenzfläche zwischen dem Kopplungsmedium und dem geprüften Gegenstand erreicht hat, ein Teil des Impulses in den Gegenstand ein, während ein anderer Teil zum Transducer zurückreflektiert wird (d.h. es tritt eine Teilreflexion und eine Teiltransmission auf). Der anfangs reflektierte Impuls wird als Vorderwand- oder Eintrittsecho bezeichnet. Der in den Gegenstand eintretende Teil des Impulses setzt sich bis zur Rückwand fort, wo eine weitere Teilreflexion und eine Teiltransmission auftritt. Diese Teilreflexion wird als Rückwandecho bezeichnet. Wenn im geprüften Gegenstand beispielsweise ein innerer Defekt vorhanden ist, wird ein Teil des Ultraschallimpulses auch am Defekt zum Transducer zurückreflektiert. Der Defekt kann durch Kenntnis der zwischen verschiedenen Reflexionen verstrichenen Zeitdauer lokalisiert werden. Für eine automatische Defektprüfung wird zwischen dem Eintritts- oder Vorderwand- und dem Rückwandecho ein Fenster bzw. eine Blende (Gate) eingerichtet. Alle Peaks von Pulsen innerhalb des Fenster- oder Blendenbereichs werden erfaßt, wodurch ein analoges Ausgangssignal erzeugt wird, das aufgezeichnet werden kann und einen Defekt oder Fehler im geprüften Gegenstand darstellt. Außerdem sind durch Kenntnis des Zeitunterschieds zwischen den Vorderwand- oder Eintritts- und Rückwandechoimpulsen sowie der Geschwindigkeit der das Medium des geprüften Gegenstandes durchlaufenden Ultraschallwelle Dickenmessungen möglich.

Das am häufigsten verwendete Puls-Echoverfahren für eine zerstörungsfreie Prüfung von Gegenständen, z.B. von Rohren und Stangen, wird unter Verwendung von Rotations-Ultraschallprüfgeräten ausgeführt. Ultraschall-Transducer sind auf einem Rotations-Ultraschallprüfgerät angeordnet, während das zu prüfende Rohr oder die Stange frei durch das Prüfgerät bewegt wird. Indem die Transducer im Prüfgerät um das Rohr gedreht werden, anstatt das Rohr zu drehen, während es durch das Prüfgerät bewegt wird, wird das Erfordernis für eine schwere Maschine und eine hohe Leistung bei der Prüfung großer und langer Rohre und Stangen eliminiert. Der Zwischenraum zwischen dem Gegenstand und den Transducern wird im allgemeinen mit Wasser gefüllt, um eine Kopplung oder Ankopplung für den Ultraschallstrahl bereitzustellen. Die elektrischen Signale vom Ultraschallprüfgerät werden den rotierenden Transducern durch Drehkondensatoren zugeführt. Um verschiedenartige Oberflächen und innere Defekte zu erfassen und Dickemessungen bereitzustellen, werden im allgemeinen mehrere Transducer auf dem Prüfgerät montiert, wobei jeder Transducer so ausgerichtet ist, daß er eine spezifische Funktion ausführt.

Beispielsweise ist ein Transducer in einer Longitudinalwellen-Prüfanordnung typischerweise so ausgerichtet, daß der Ultraschallstrahl senkrecht zur Oberfläche des geprüften Gegenstandes verläuft. In diesem Fall beträgt der Einfallwinkel 90 Grad. Longitudinalwellen sind zum Erfassen innerer Defekte und zum Durchführen von Dicken- oder Durchmessermessungen geeignet. Wenn der Einfallwinkel nicht 90 Grad beträgt, tritt im geprüften Gegenstand eine gebrochene Scherwelle auf. Scherwellen werden zum Erfassen sowohl von Oberflächendefekten als von inneren Defekten verwendet. Transducer können so ausgerichtet werden, daß sie sowohl sich in Längs- als auch in Querrichtung erstreckende Defekte erfassen können.

Um die Nachweisbarkeit oder Detektion unregelmäßig geformter Defekte zu verbessern, werden Scherwellen sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn erzeugt. 1 zeigt eine Anordnung zum Ausführen eines solchen Prüfvorgangs durch zwei versetzt angeordnete Transducer. Die Einfallstrahlen der Transducer verbleiben innerhalb der gleichen Ebene eines sich senkrecht zur Längsachse des Rohrs erstreckenden Querschnitts. Mit dieser Anordnung breiten sich die Strahlen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn aus und bewegen sich zwischen der Außen- und der Innenfläche des Rohrs, bis ein Defekt erfaßt wird, an dem der Strahl teilweise zum Transducer zurückreflektiert wird. Wie in 1 dargestellt ist, wird der sich im Uhrzeigersinn ausbreitende Strahl von einem Riß am Innendurchmesser zurückreflektiert, während der sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitende Strahl von einem Riß am Außendurchmesser zurückreflektiert wird.

In einem anderen Beispiel können die weitaus weniger üblichen Querrisse durch Schrägstellen des Transducers in einer Ebene erfaßt werden, die die Längsachse des Rohrs enthält, ohne daß der Transducer von seiner Position versetzt wird, in der er einen Longitudinalstrahl emittiert. In diesem Fall würde der Strahl sich entlang der Rohrlänge ausbreiten und von Querrissen zurückreflektiert.

Ein Rohr kann vollständig gescannt werden, wenn ein Satz von Transducern um die Rohrmitte gedreht wird, während das Rohr entlang seiner Längsachse frei bewegt wird. Um eine Dickenmessung und eine vollständige Defekterfassung zu ermöglichen, werden mehrere Transducer im Rotations-Prüfgerät angeordnet. Transducer können im allgemeinen für eine Longitudinalwellenprüfung und für einen Prüfvorgang mit sich im Uhrzeigersinn, im Gegenuhrzeigersinn, nach vorne und nach hinten ausbreitenden Scherwellen ausgerichtet werden. Daher sind fünf Kanäle erforderlich, so daß jeder Transducer individuell ansteuerbar ist.

Die geradlinige Bewegung des Rohrs in Kombination mit der Drehbewegung der Transducer um das Rohr führt zu einem spiralförmigen Prüfweg um den Rohrumfang. Um eine 100%-ige Prüfung zu gewährleisten, müssen die Spiralbahnen sich leicht überlappen. Dadurch wird die Prüfgeschwindigkeit oder der Prüfdurchsatz begrenzt. Wenn das Rohr schneller bewegt wird, nimmt die Ganghöhe der Spiralbewegung zu, so daß die Spiralbahnen sich möglicherweise nicht mehr überlappen. In diesem Fall können zwischen separaten, benachbarten Spiralbahnen Zwischenräume entstehen. Infolgedessen würden im Rohr ungeprüfte Volumenbereiche verbleiben. Andererseits ist die Drehzahl des Prüfgeräts mechanisch begrenzt. Außerdem sollte die Rate oder Frequenz, mit der ein Transducer einen Ultraschallstrahl emittiert, d.h., die Impulsfolgefrequenz, nicht größer sein als ein bestimmter Wert, der gemäß der Drehzahl eines Drehprüfgeräts vorgegeben ist. Außerdem ist die Strahlgröße des Transducers durch die erforderliche Empfindlichkeit des Prüfvorgangs selbst begrenzt. Je größer der Strahl ist, desto weniger empfindlich wird der Strahl auf kleine Defekte sein, so daß einige kleine Defekte möglicherweise nicht erfaßt werden.

Es bestand jedoch eine zunehmende Nachfrage nach höheren Durchsätzen und höheren Prüfempfindlichkeiten beim zerstörungsfreien Prüfen von Rohren oder Röhren, Stangen oder Stäben, usw. Weil höhere Durchsätze insbesondere für Online-Prüfverfahren (d.h. Prüfverfahren nach der Fertigung oder Verarbeitung) wünschenswert sind, können hinsichtlich der Prüfempfindlichkeit und -genauigkeit keine Kompromisse gemacht werden.

Der Durchsatz eines Prüfgeräts kann durch Erhöhen der Anzahl von an verschiedenen Positionen auf einem Rotor montierten Transducern erhöht werden. Mit einer Erhöhung der Anzahl verwendeter Transducer sind jedoch mehrere Probleme verbunden. Die Anzahl von zum Analysieren der von den Transducern emittierten und empfangenen Signalen erforderlichen Kanälen sowie die Anzahl der erforderlichen Kopplungskondensatoren würden entsprechend zunehmen, wodurch die erforderlichen Drehverbindungen komplizierter würden. Außerdem ist der Montageraum auf dem Rotor möglicherweise begrenzt und wird ein Übersprechen (Cross talk) zwischen Transducern problematischer.

Hinsichtlich des vorstehenden Sachverhalts wäre es wünschenswert, eine Ultraschall-Transduceranordnung bereitzustellen, mit der bei einer Ultraschallprüfung höhere Durchsätze und höhere Prüfempfindlichkeiten erreichbar sind.

Es wäre außerdem wünschenswert, eine Ultraschall-Transduceranordnung zur Verfügung zu haben, durch die die Prüfempfindlichkeit bei vorgegebenen mechanischen Einschränkungen von Rotations-Prüfgeräten und Impulsfolgefrequenzanforderungen maximiert werden.

Es wäre außerdem wünschenswert, eine Ultraschall-Transducer-Anordnung bereitzustellen, die den Raum auf Rotations-Prüfgeräten effizient ausnutzt, ohne daß die Anzahl erforderlicher Kanäle und Kondensatoren zunimmt.

Die US-A-4 070 905 beschreibt eine Anordnung von Ultraschall-Transducern mit mehreren Transducerelementen zum Erstellen eines Echogramm-Scans von Gegenständen. Dabei werden verschiedene Gruppen benachbarter Transducerelemente aktiviert, so dass jede Gruppe Impulse von Ultraschallenergie aufeinanderfolgend oder abwechselnd in ein Objekt aus mehreren Winkelrichtungen richtet. Dies wird durch aufeinanderfolgendes Aktivieren der Elemente in einer Gruppe erreicht, um Strahlen zu erzeugen, die in das Objekt gerichtet werden können. Das zusammengesetzte Winkel-Scanmuster wird durch die aufeinanderfolgende Aktivierung der Elemente erreicht, während die Transduceranordnung feststehend bleibt. Die Echos, die von dem Gegenstand reflektiert werden, werden zur Erzeugung eines zusammengesetzten Scan-Bilds des Gegenstands oder einer gepulsten Doppler-Strahls verwendet. Diese Technik der Ultraschall-Echoskopie wird in medizinischen Diagnoseverfahren verwendet, um Informationen über die Anatomie des Patienten zu erlangen, wie beispielsweise die Visualisierung des Herzens eines Patienten oder die Messung des Blutflusses eines Patienten.

Die DE 4 027 161 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Überprüfung von länglichen Gegenständen mittels Ultraschall, wobei zumindest drei Ultraschall-Transducer in einer Reihe längs einer Linie nebeneinander angeordnet sind, die gegen die Längsachse des Objekts geneigt ist, so dass die äußeren Transducer Ultraschallwellen empfangen, während die anderen Transducer Ultraschallwellen übertragen und/oder empfangen können.

Die US-A-4 478 083 betrifft einen Ultraschall-Tomographen zum Abtasten und Überprüfen eines Gegenstands aus verschieden geneigten Winkeln.

Die DE 4 410 580 A1 betrifft eine Ultraschall-Prüfmaschine mit einem Rotor und mindestens einem Transducer zum Prüfen eine Prüfstücks. Der Rotor kann um die Achse des Prüfstücks rotieren, das ein länglicher Gegenstand mit einem konstanten Querschnitt ist. Zum allgemeinen Stand der Technik wird ferner auf die US-Patente 4 676 106, 4 254 661 und 4 815 043 verwiesen.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Ultraschall-Transducersysteme und -verfahren bereitzustellen, durch die während einer Ultraschallprüfung höhere Durchsätze und höhere Prüfempfindlichkeiten erreicht werden.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Mit den erfindungsgemäßen Ultraschall-Transducersystemen und -verfahren kann die Prüfempfindlichkeit bei vorgegebenen mechanischen Einschränkungen von Rotations-Prüfgeräten und Impulsfolgefrequenzanforderungen maximiert werden.

Ferner wird mit den erfindungsgemäßen Ultraschall-Transducersystemen und -verfahren der Raum auf Rotations-Prüfgeräten effizient ausgenutzt, ohne daß die Anzahl erforderlicher Kanäle und Kondensatoren zunimmt.

Ein erfindungsgemäßer Multielement-Transducer weist mehrere Transducerelemente auf, die einzeln oder gruppenweise ansteuerbar sind. Jedes Transducerelement oder benachbarte Gruppen von Transducerelementen sind in der Lage, einen Ultraschallstrahl mit einer gewünschten Strahllänge zu erzeugen, der die Prüfempfindlichkeitsanforderungen erfüllt. Mindestens ein solcher Multielement-Transducer kann auf einem Rotations-Prüfgerät montiert werden, das zum Prüfen verarbeiteter Gegenstände, z.B. von Rohren und Stangen, programmierbar steuerbar ist. Bei vorgegebenen mechanischen und Impulsfolgefrequenzeinschränkungen von Rotations-Prüfgeräten werden durch die bereitgestellten Systeme und Verfahren für zerstörungsfreie Prüfungen höhere Durchsätze erreicht. Der Multielement-Transducer kann so positioniert werden, daß eine Longitudinalwellenprüfung oder eine Scherwellenprüfung durchgeführt werden kann, um verschiedenartige Defekte zu erfassen und eine Rohrdicke bzw. einen Stangendurchmesser zu messen.

Gemäß einem geeigneten Verfahren können während verschiedener Aktivierungsperioden einzelne Transducerelemente oder benachbarte Transducerelemente angesteuert werden. Gemäß einem anderen geeigneten Verfahren können zwei oder mehr einzelne Transducerelemente oder Gruppen benachbarter Transducerelemente, die jeweils durch mindestens ein Transducerelement getrennt sind, während verschiedener Aktivierungsperioden angesteuert werden. Die von den einzelnen oder den Gruppen von Transducerelementen empfangenen Signale können gemultiplext werden, um die Anzahl der für eine Analyse erforderlichen Kanäle zu reduzieren. Ein Kanal kann zum Analysieren der von einem einzelnen Transducerelement oder von einer Gruppe von Transducerelementen empfangenen Signale verwendet werden. Nachdem eine gewünschte Zeitdauer abgelaufen ist, können Signale von einem anderen einzelnen Transducerelement oder einer Gruppe von Transducerelementen für eine Analyse auf den Kanal geschaltet werden. Dadurch nimmt die Prüfgeschwindigkeit zu, ohne daß die Anzahl verwendeter Kanäle erhöht wird.

Rohre sind zum Darstellen und Erläutern der vorliegenden Erfindung besonders geeignet, so daß sie in der folgenden Diskussion mit dem Grundsatz verwendet werden, daß die diskutierten Prinzipien innerhalb des erfindungsgemäßen Konzepts auch auf andersartige verarbeitete Gegenstände anwendbar sind.

Weitere Merkmale der Erfindung, ihrer Eigenschaften und ihrer verschiedenen Vorteile werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Teile bezeichnen; es zeigen:

1 eine Querschnittansicht eines Rohrs mit zwei Transducern in einer herkömmlichen Anordnung zum Ausführen einer Scherwellenprüfung;

2 eine perspektivische Ansicht eines allgemein exemplarischen Multielement-Transducers gemäß spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;

3 eine Querschnittansicht des Multielement-Transducers von 2 entlang der Linie 3-3;

4 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Multielement-Ultraschall-Transducers;

5 eine Querschnittansicht der in 4 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Multielement-Transducers entlang der Linie 5-5:

6 eine perspektivische Ansicht eines gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch ein Rotations-Prüfgerät geprüften Rohrs;

7 eine Querschnittansicht des Rotations-Prüfgeräts und des Rohrs von 6 entlang der Linie 7-7;

8 eine perspektivische Ansicht eines in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehenen exemplarischen Prüfmusters entlang des geprüften Rohrs;

9 eine Seitenansicht eines exemplarischen erfindungsgemäßen Multielement-Transducers, während er Ultraschallstrahlen auf ein Rohr emittiert;

10 eine Wellenform einer exemplarischen Ultraschall-Prüfperiode;

11 eine Wellenform einer exemplarischen erfindungsgemäßen Ultraschall-Prüfperiode;

12 eine Zusammenstellung von Seitenansichten einer exemplarischen Ultraschall-Prüffolge gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

13 eine allgemeine schematische Ansicht eines Systems, in dem ein erfindungsgemäßer Multielement-Transducer für eine zerstörungsfreie Prüfung verwendbar ist.

Um die hohen Durchsätze für eine Ultraschallprüfung zu erreichen, kann ein Transducerelement in mehrere Transducerelemente geteilt sein, die einzeln oder kollektiv ansteuerbar sind. Jedes Transducerelement kann aktiviert werden, um aus einem elektrischen Impuls einen Ultraschallimpuls zu erzeugen. Ähnlicherweise kann jedes Transducerelement einen elektrischen Impuls aus einem empfangenen Ultraschallimpuls erzeugen. Jedes Transducerelement, oder eine Kombination von benachbarten Transducerelementen, kann in der Lage sein, einen Ultraschallstrahl mit einer geeigneten Strahlgröße zu erzeugen, der vorgegebene Prüfempfindlichkeitsanforderungen erfüllt. Bei dieser Anordnung nimmt die Anzahl von Transducerelementen für eine vorgegebene Aufgabe zu. Nachstehend werden die Vorteile der vorliegenden Erfindung verdeutlicht.

2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines exemplarischen Multielement-Transducers 100. Der Multielement-Transducer 100 kann mehrere Transducerelemente 110 aufweisen. Wie dargestellt, sind die Transducerelemente 110 linear angeordnet. Die Transducerelemente 110 können jedoch in einer beliebigen geeigneten Konfiguration angeordnet sein. Die Transducerelemente 110 sind durch Zwischenräume 120 getrennt. Die Zwischenräume 120 dienen dazu, die Transducerelemente 110 voneinander zu isolieren, so daß sie separat ansteuerbar sind. In einer anderen geeigneten Anordnung können die Zwischenräume 120 ein Material zum Isolieren der Transducerelemente 110 aufweisen. Die Transducerelemente 110 können in einem Gehäuse 130 angeordnet sein. Das Gehäuse 130 kann ein beliebiges geeignetes Gehäuse sein, z.B. ein IF- oder Flansch-Gehäuse.

3 zeigt eine Querschnittansicht eines Multielement-Transducers 100 entlang der Linie 3-3 von 2. 3 zeigt die Oberfläche der Transducerelemente 110, von denen Ultraschallimpulse emittiert und empfangen werden können. Das Gehäuse 130 weist eine Innenfläche 134 und eine Außenfläche 132 auf. Der Bodenabschnitt des Gehäuses 130, der die Oberfläche der Transducerelemente 110 abdeckt, kann für Ultraschallwellen durchlässig sein, um zu ermöglichen, daß sich Ultraschallwellen von den Transducerelementen 110 weg und zu ihnen hin bewegen können. In einer anderen geeigneten Anordnung muß der Bodenabschnitt des Gehäuses 130 die Transducerelemente 110 nicht abdecken. Obwohl der dargestellte Multielement-Transducer 100 nur eine gerade oder lineare Reihe von Transducerelementen aufweist, kann der Multielement-Transducer auch mehrere Reihen von Transducerelementen 110 aufweisen.

4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Multielement-Transducers 100 als Teil eines Transducers 150. Der Transducer 150 weist neun Transducerelemente 10 im Multielement-Transducer 100 auf. Der Transducer 150 wird spezifisch als Transducer zum Prüfen von Stangen und Rohren mit einem Außendurchmesser von etwa 6,35 cm (2,5 Zoll) beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Stangen und Rohren mit beliebigen Außenduchmessern verwendbar ist. Jedes der Transducerelemente 110 hat zum Prüfen von Stangen und Rohren mit einem Außendurchmesser von etwa 6,35 cm (2,5 Zoll) vorzugsweise eine Länge 112 von 6,35 mm (0,25 Zoll) und eine Breite 114 von 9,53 mm (0,375 Zoll). Die Zwischenräume 120 zwischen den Transducerelementen 110 können eine vernachlässigbare Länge haben. Daher kann die Reihe der Transducerelemente 110 etwa 5,72 cm (2,25 Zoll) lang sein. Die Transducerelemente 110 können aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, z.B. aus einem piezoelektrischen Material. Die Transducerelemente 110 bestehen vorzugsweise aus dünnen Stangen oder Stäben aus piezoelektrischen keramischen Elementen, die in ein Polymermaterial eingebettet ist. Die elektrischen und Ultraschalleigenschaften des Multielement-Transducers 100 können von der Mikrostruktur und den Eigenschaften der Materialien abhängen, aus denen die Transducerelemente 110 bestehen.

Jedes Transducerelement 110 ist vorzugsweise über einen Ansatz 155 mit einem Koaxialkabel 165 verbunden. Es sind vorzugsweise neun Koaxialkabel 165 vorgesehen, die in einem Abschirmkabel 160 angeordnet sind, wobei jedes Kabel einem der Transducerelemente 110 zugeordnet ist. Durch über die Kabel 165 übertragene Signale können die Transducerelemente 110 einzeln, kollektiv oder in verschiedenen Gruppierungsanordnungen angesteuert werden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Wenn alle Transducerelemente 110 parallel verbunden und angesteuert werden, wirkt der Multielement-Transducer 100 als einzelner Transducer, der einen relativ langen Ultraschallstrahl emittiert, weil die Zwischenräume 120 eine vernachlässigbare Länge haben. Der Multielement-Transducer 100 ist vorzugsweise zylindrisch fokussiert und hat eine Brennweite von 6,35 cm (2,5 Zoll) zum Prüfen von Stangen und Rohren mit einem Außendurchmesser von etwa 6,35 cm (2,5 Zoll).

5 zeigt eine Querschnittansicht des Multielement-Transducers 100 von 4 entlang der Linie 5-5 von 4. 5 zeigt die Oberfläche von Transducerelementen 110, an denen Ultraschallimpulse emittiert und empfangen werden können. Das in den 4 und 5 dargestellte Gehäuse 130 ist ein Standard-IF-Gehäuse mit einer Innenfläche 134 und einer Außenfläche 132. Die Transducerelemente 110 können in einem rechteckigen Gehäuse 170 angeordnet sein, das an der Innenfläche 134 des Gehäuses 130 befestigt ist.

In der vorstehenden Diskussion unter Bezug auf die 4 und 5 wurde eine spezifische Ausführungsform des Multielement-Transducers 100 beschrieben. Die Abmessungen und Eigenschaften des Multielement-Transducers 100 sind jedoch nicht auf die vorstehend dargestellten Abmessungen und Eigenschaften beschränkt, sondern können basierend auf den Abmessungen und Eigenschaften des zu prüfenden Gegenstandes verändert werden.

6 zeigt ein Rohr, das durch ein Rotations-Prüfgerät 200 geprüft wird. Das Rohr 230 weist eine Längsachse 250 auf. Der Hauptkörper des Prüfgeräts 200 kann von einem würfelförmigen Rahmen 205 umschlossen sein, von dem sich zwei äußere Wellen 210 erstrecken. Das Rohr 230 tritt von einer der äußeren Wellen 210 in das Prüfgerät 200 ein, so daß die Mitte des Rohrs 230 (d.h. die Längsachse 250) sich durch die Mitten der Wellen 210 und des Prüfgeräts 200 erstreckt. Dem Rohr 230 kann auch ermöglicht werden, sich in die Richtung 260 entlang der Längsachse 250 des Rohrs frei zu bewegen, ohne daß es mit irgendeinem Teil des Prüfgeräts 200 in Kontakt kommt. Das dargestellte Rohr 230 weist eine Innenfläche 232 und eine Außenfläche 234 auf. Das Prüfgerät 200 kann eine Prüfeinheit (in 6 nicht dargestellt, aber in 7 dargestellt) aufweisen, die im kubischen Rahmen 205 angeordnet ist. Schlauchleitungen 220 und 221 können verwendet werden, um dem Prüfgerät 200 ein Kopplungsmedium zuzuführen und das Kopplungsmedium im Prüfgerät in Umlauf zu halten. Das Kopplungsmedium (in 6 nicht dargestellt, aber in 7 dargestellt) kann ein beliebiges geeignetes Medium sein, in dem sich Ultraschalwellen ungehindert ausbreiten können. Als Kopplungsmedium kann Wasser gewählt werden, insbesondere weil es kostengünstig ist. Wenn das Rohr 230 geprüft wird, kann das Kopplungsmedium über die Schlauchleitung 220 an einer der äußeren Wellen 210 zugeführt werden, während das Kopplungsmedium über die Schlauchleitung 220 an der anderen äußeren Welle 210 austreten kann. Wenn das Rohr durch das Prüfgerät 200 bewegt wird, kann das Kopplungsmedium durch die Prüfeinheit des Prüfgeräts 210 gepumpt und in der Prüfeinheit in Umlauf gehalten werden. Die Wellen 210 können Dichtungen aufweisen, die das in der Prüfeinheit enthaltene Wasser zurückhalten.

Wie vorstehend erwähnt, kann das Rohr 230 während des Prüfvorgangs um die Achse 250 gedreht werden. Wie in 7 dargestellt, die eine Querschnittansicht des Rotations-Prüfgeräts 200 und des Rohrs 230 entlang der Linie 7-7 von 6 zeigt, kann die vom würfelförmigen Rahmen 205 umschlossene Prüfeinheit 240 beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn 265 um die Achse 250 gedreht werden. Das Kopplungsmedium 225 bleibt sowohl mit der Außenfläche 234 des Rohrs 230 als auch mit der Innenwand 242 der Prüfeinheit 240 in Kontakt und füllt daher während des Prüfvorgangs den Zwischenraum zwischen dem Rohr 230 und dem Prüfgerät 240.

Außer der Längsachse 250, die die Mitten sowohl des Rohrs 230 als auch der Prüfeinheit 240 schneidet, existiert eine radiale Achse 255, die senkrecht zur Längsachse 250 ausgerichtet ist, die Längsachse schneidet und in der Ebene von 7 liegt. Wenn die Prüfeinheit 240 um die Längsachse 250 gedreht wird, dreht sich auch die radiale Achse 255 um die Längsachse 250. Der Multielement-Transducer 100 kann in der Prüfeinheit 240 angeordnet werden und in Abhängigkeit davon ausgerichtet werden, welches Merkmal geprüft werden soll, d.h., Einschlüsse, Oberflächenrisse, innere Risse, Gleichmäßigkeit der Dicke, usw. Beispielsweise kann zum Prüfen innerer Defekte und zum Messen der Rohrdicke eine Longitudinalwellen-Prüfanordnung verwendet werden. Bei einer derartigen Anordnung, die in den 7 und 8 nicht dargestellt ist, kann der Multielement-Transducer so ausgerichtet werden, daß der emittierte Ultraschallstrahl senkrecht zur Oberfläche des geprüften Rohrs 230 ausgerichtet ist. D.h., der Ultraschallstrahl bleibt während der Longitudinalwellenprüfung in einer Linie mit der radialen Achse ausgerichtet, wenn der Multielement-Transducer um die Längsachse 250 um das Rohr gedreht wird.

Die 7 und 8 zeigen eine Scherwellenanordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. In einer solchen Anordnung kann der Multielement-Transducer 100 in der Prüfeinheit 240 so angeordnet und ausgerichtet sein, daß der Ultraschallstrahl 270 nicht senkrecht zur Außenfläche 234 des Rohrs 230 emittiert wird. Die vorstehend diskutierten Transducerelemente des Multielement-Transducers 100 können in einer linearen Reihe parallel zur Längsachse 250 ausgerichtet sein. Weil der Einfallwinkel nicht 90 Grad beträgt, kann ein Teil des einfallenden Strahls 270 an der Grenzfläche zwischen dem Kopplungsmedium 225 und der Außenfläche 234 des Rohrs 230 gebrochen werden. Wie dargestellt, kann sich der gebrochene Strahl 275 im Uhrzeigersinn durch das Rohr 230 ausbreiten und wird zwischen der Innenfläche 232 und der Außenfläche 234 teilweise reflektiert, bis der Strahl 270 einen Defekt 290 erreicht. Der Strahl 270 kann dann vom Defekt 290 zum Multielement-Transducer 100 zurück reflektiert werden.

Um Scherwellen zu erzeugen, wie beispielsweise den Ultraschallstrahl 275, kann der Multielement-Transducer 100 von seiner Position, an der er sich befinden würde, wenn er einen Strahl senkrecht zur Außenfläche 234 des Rohrs 230 emittieren würde, in die Richtung 280 versetzt werden, wie in 7 dargestellt. Der Versatz in die Richtung 280 kann von der radialen Achse 255 in einer beliebigen Richtung weggerichtet sein, vorausgesetzt, daß der Versatz in der gleichen Ebene liegt, die sich senkrecht zur Längsachse 250 erstreckt und die radiale Achse 255 enthält, und vorausgesetzt, daß der Multielement-Transducer 100 parallel zur Längsachse 250 ausgerichtet ist. Diese Bedingungen gelten, wenn die Prüfeinheit 240 und der Multielement-Transducer 100 um die Längsachse 250 gedreht werden. Das Versatzmaß in die Richtung 280 kann von verschiedenen Faktoren abhängen, z.B. vom geprüften Material (d.h. von der Schallgeschwindigkeit im Material des geprüften Rohrs 230), vom Durchmesser des Rohrs 230, usw. Um einen gebrochenen Scherwellenstrahl im Gegenuhrzeigersinn zu erzeugen, kann der Multielement-Transducer 100 einfach bezüglich der Richtung 280 entgegengerichtet von der Achse 255 versetzt werden.

8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines exemplarischen Prüfmusters entlang des Rohrs 230. Der dargestellte einzelne Multielement-Transducer 100 ist parallel zur Längsachse 250 angeordnet und in die Richtung 280 von der radialen Achse 255 versetzt, um eine Scherwellenprüfung auszuführen. Die 7 und 8 zeigen nur einen in der Prüfeinheit 240 angeordneten Multielement-Transducer 100 zum Ausführen einer Scherwellenprüfung im Uhrzeigersinn. Im Betrieb können typischerweise zwei Transducer verwendet werden, wie in 1 dargestellt, wobei ein Transducer einen gebrochenen Scherwellenstrahl im Uhrzeigersinn und der andere einen gebrochenen Scherwellenstrahl im Gegenuhrzeigersinn erzeugt. Gemäß den 7 und 8 kann daher ein weiterer Multielement-Transducer (nicht dargestellt) auf der Prüfeinheit 240 bezüglich der Richtung 280 entgegengerichtet versetzt angeordnet sein, so daß ein Strahl durch das Rohr 230 im Gegenuhrzeigersinn reflektiert werden kann, wie in 1 dargestellt.

Wie in 8 dargestellt, kann das Rohr 230 während des Prüfvorgangs in die Richtung 260 bewegt werden, während der Multielement-Transducer 100 sich um die Längsachse 250 in die Richtung 265 dreht. Diese Kombination von Bewegungen führt zu spiralförmigen Prüfbahnen 300 um den Umfang des Rohrs 230. Zwischen aufeinanderfolgenden Prüfbahnen 300 sind in der Darstellung Zwischenräume dargestellt. Dies dient jedoch lediglich zu Darstellungszwecken.

Die spiralförmigen Bahnen 300 müssen sich leicht überlappen, um eine zuverlässige Defektdetektion und eine 100%-ige Prüfung zu gewährleisten. Wenn das Rohr 230 schneller in die Richtung 260 bewegt wird, können bei gleicher Länge 310 des auf die Oberfläche 234 einfallenden Strahls und der gleichen Drehzahl in die Richtung 265 ungeprüfte Volumen des Rohrs 230 verbleiben. Die folgende Gleichung bezieht sich auf die vorstehend erwähnten Punkte: vmax = &bgr;1·&ohgr; wobei vmax die maximale Prüfgeschwindigkeit bezeichnet (d.h. die maximale Geschwindigkeit, mit der eine Prüfung durchgeführt werden kann), wodurch sich auch der Prüfdurchsatz ergibt. &bgr;1 bezeichnet die Länge des einfallenden Strahls, und &ohgr; bezeichnet die Drehzahl des Prüfgeräts. Weil der Ultraschallstrahl 270 zylindrisch fokussiert ist, und weil die Intensität um die Ränder des Multielement-Transducers 100 herum abnimmt, ist die Länge 310 des einfallenden Strahls im allgemeinen kleiner als die Gesamtlänge des Multielement-Transducers 100.

Weil die Drehzahl außer durch die mechanischen Grenzen des Prüfgeräts auch durch die Impulsfolgefrequenzanforderungen begrenzt ist, wird die Länge des einfallenden Strahls erfindungsgemäß durch Bereitstellen eines Multielement-Transducers 100 erhöht. Dadurch wird auch die Prüfgeschwindigkeit oder der Prüfungsdurchsatz erhöht. Je länger der Strahl ist, desto weniger empfindlich ist er jedoch für eine Defektdetektion und desto ungenauer ist der Prüfvorgang. Weil der Multielement-Transducer 100 eine Reihe aus mehreren kleineren Transducerelementen aufweist, die einzeln, kollektiv oder in einer beliebigen gewünschten Kombination ansteuerbar sind, kann eine geeignete Strahllänge durch Ansteuern der geeigneten Transducerelemente in bestimmten Kombinationen erhalten werden. Nachfolgend werden einige Beispiele verschiedener Aktivierungsanordnungen in Verbindung mit einem Longitudinalwellen-Prüfvorgang diskutiert, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Durch Eliminieren des Versatzes in die Richtung 280 (d.h., der Versatz wird auf null gesetzt) würde eine Longitudinalwellen-Prüfanordnung erhalten.

Der Multielement-Transducer 100 besteht, wie in 9 dargestellt, aus neun Transducerelementen 110, die durch 1 bis 9 numeriert sind. Der Multielement-Transducer 100 kann so angeordnet sein, daß er parallel zur Längsachse 250 des Rohrs 230 ausgerichtet ist. Jedes Transducerelement 110 kann durch ein zugeordnetes Kabel 165 angesteuert und überwacht werden. Um zu ermöglichen, daß ein Prüfvorgang mit relativ hohen Geschwindigkeiten durchgeführt werden kann, können die Transducerelemente 110 so aktiviert werden, daß sie Strahlen einzeln oder in Gruppen emittieren. Beispielsweise kann der erste Transducer einen Strahl 270 emittieren. Außerdem können das fünfte und das sechste Transducerelement einen größeren Strahl 270 auf einen anderen Abschnitt des Rohrs 230 emittieren. Durch Parallschalten zweier benachbarter Transducerelemente kann ein Ultraschallstrahl mit einer gewünschten Länge erzeugt werden. Es können mehr als einer Gruppe von zwei Transducerelementen aktiviert werden, indem jeder Gruppe von Transducerelementen verschiedene Kanäle zugewiesen werden.

Wenn jedem Transducerelement oder jeder Gruppe von Transducerelementen ein separater Kanal zugewiesen werden soll, kann die Verdrahtung und die Verarbeitung des Rotations-Prüfgeräts jedoch kompliziert werden, wodurch auch die Kosten des Geräts zunehmen können. Daher sind gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung jedes Transducerelement oder jede Gruppe von Transducerelementen sequentiell ansteuerbar, wobei ihre jeweiligen Signale in einem oder in mehreren Kanälen gemultiplext werden. Um dies zu ermöglichen, ohne daß die Impulsfolgefrequenz abnimmt, können von jedem Transducerelement oder jeder Gruppe von Transducerelementen empfangene Signale sequentiell geschaltet werden, wodurch diese Signale abgehackt bzw. abgebrochen werden, nachdem eine vorgegebene Zeitdauer verstrichen ist oder eine gewünschte Anzahl von Echos erhalten wurde. Die folgende Diskussion zeigt auf, wie dies erreichbar ist.

10 zeigt eine Wellenform einer nicht abgehackten Ultraschall-Prüfperiode 400 eines Longitudinalwellenprüfvorgangs, wobei die Amplituden der durch einen Transducer übertragenen und empfangenen Impulse als Funktion der Zeit dargestellt sind. Die Prüfperiode 400 kann mit einem Anfangsimpuls 410 starten und mit einem Anfangsimpuls 490 der nächsten Prüfperiode enden. Ein Impuls 420 ist ein Ultraschallecho, das die von der Außenfläche des geprüften Rohrs an der ersten Grenzfläche zurückreflektierte Welle darstellt (d.h. die erste Reflexion des Anfangsstrahls von der Außenfläche des geprüften Gegenstandes). Unter der Voraussetzung, daß Wasser als Kopplungsmedium verwendet wird, stellt die Zeitdifferenz zwischen den Impulsen 410 und 420 die Laufzeit des Anfangsimpulses im Wasserweg zu und von der Außenfläche des Rohrs dar. Der Impuls 430 ist ein Ultraschallecho, das die von der Innenfläche des geprüften Rohrs an der ersten Grenzfläche zurückreflektierte Welle darstellt. Die Impulse 420 und 430 können als erstes Eintritts- oder Vorderwandecho bzw. erstes Rückwandecho bezeichnet werden. Nachdem die Impulse 420 und 430 empfangen wurden, können mehrere Echos folgen, die Mehrfachreflexionen von der Innen- und Außenfläche des Rohrs an der ersten Grenzfläche darstellen. Die Impulse 422 und 432 stellen solche Echos dar, die kleinere Amplituden aufweisen können.

Außerdem können einige der in 10 dargestellten Impulse nachfolgende Reflexionen zwischen der Außenfläche des Rohrs und der Fläche des Transducers an nachfolgenden Grenzflächen darstellen. Beispielsweise können Impulse 440 und 450 zweite Vorderwand- oder Eintritts- bzw. Rückwandechos an einer zweiten Grenzfläche darstellen (d.h. die zweite Reflexion des Anfangsstrahls von der Außenfläche des geprüften Gegenstandes), während Impulse 442 und 452 weitere Reflexionen von der Innen- und Außenfläche des Rohrs nach der zweiten Grenzfläche darstellen können. Außerdem können weitere nachfolgende Reflexionen an weiteren Grenzflächen auftreten (d.h. nachfolgende Reflexionen des Anfangsstrahls von der Außenfläche des geprüften Gegenstandes), sowie nachfolgende Reflexionen an der Innen- und Außenfläche, was zu weiteren Echos führt, wie beispielsweise zu den durch 460, 470 und 480 dargestellten Impulsen. Wie in 10 ersichtlich ist, nehmen die Impulsamplituden der Echos im Verlauf der Zeit im allgemeinen ab. Diese ergibt sich im wesentlichen aufgrund der Mehrfachreflexionen zwischen den mehreren Wänden, wodurch die Signalamplitude abgeschwächt wird. Die Prüfperiode 400 endet, wenn alle Mehrfachechos im wesentlichen auf null abgenommen haben und ein neuer Anfangsimpuls 490 übertragen wird.

Die Ultraschallprüfung kann durch Überwachen des Zeitintervalls zwischen dem ersten Eintritts- oder Vorderwandecho 420 und dem ersten Rückwandecho 430 durchgeführt werden. Dieses Zeitintervall kann als Defekt-Blende oder Fenster 425 bezeichnet werden. Im Fall eines inneren Defekts kann beispielsweise ein Echo in der Defekt-Blende 425 auftreten. Für eine automatische Prüfung werden alle Peaks von Pulsen in der Defekt-Blende 425 erfaßt und als Defekte charakterisiert, wenn sie einen vorgegebenen Impuls-Amplitudenschwellenwert überschreiten. In 10 sind keine Defekte dargestellt.

Anhand der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß nach Auftreten eines ersten Rückwandechos 430 die Ultraschalldefekterfassung für einen Longitudinalwellen-Prüfvorgang abgeschlossen werden kann. Bei typischen Ultraschallprüfungen kann die nächste Prüfperiode jedoch nicht gestartet werden, solange nicht alle Mehrfachechos im wesentlichen auf null abgenommen haben. Beispielsweise erzeugt eine Ultraschall-Prüfperiode mit einer Zeitdauer von etwa 500 &mgr;s eine Impulsfolgefrequenz von etwa 2 kHz. Diese Impulsfolgefrequenz kann wesentlich erhöht werden, wenn beispielsweise der vorstehend beschriebene Multielement-Transducer verwendet wird. Dies kann erreicht werden, indem jedes Transducerelement oder jede Gruppe von Transducerelementen einzeln angesteuert wird und ein Schaltvorgang ausgeführt wird, um ein anderes Transducerelement oder eine andere Gruppe von Transducerelementen anzusteuern, nachdem das erste Rückwandecho durch das erste emittierende Transducerelement oder die erste Gruppe emittierender Transducerelemente erfaßt wird, usw.

11 zeigt eine durch Verwendung eines Multielement-Ultraschall-Transducers erhaltene Wellenform 500, wobei die Amplituden der durch den Multielement-Transducer übertragenen und empfangenen Impulse als Funktion der Zeit dargestellt sind. Ein Kanal kann einem Transducerelement oder einer Gruppe von Transducerelementen zugewiesen werden, das/die anfangs angesteuert wird. Dadurch kann eine erste Prüfperiode mit einem Anfangspuls 510 starten und mit einem Anfangsimpuls 520 der nächsten Prüfperiode enden. Ein Impuls 512 ist das erste Eintritts- oder Vorderwandecho, und ein Impuls 516 ist das erste Rückwandecho. Eine Defekt-Blende 515 stellt das Zeitintervall zwischen dem ersten Eintritts- oder Vorderwandecho 512 und dem ersten Rückwandecho 516 in der ersten Prüfperiode dar. Unter der Voraussetzung, daß Wasser als Kopplungsmedium verwendet wird, stellt die Zeitdifferenz zwischen den Impulsen 510 und 512 die Laufzeit des Anfangsimpulses im Wasserweg zu und von der Oberfläche des Rohrs dar. Wenn mindestens ein Echo in der Defekt-Blende 515 eine Amplitude erreicht, die größer ist als der Schwellenwert 505, wird das Echo als ein Defekt darstellendes Signal betrachtet. Während der exemplarischen ersten Prüfperiode von 11 werden keine Defekte erfaßt.

Nach dem ersten Rückwandecho 516 kann der Kanal umgeschaltet und einem anderen Transducerelement oder einer anderen Gruppe von Transducerelementen zugewiesen werden, das/die anschließend angesteuert werden soll. Weil das neu anzusteuernde Transducerelement bzw. die Gruppe von Transducerelementen nicht dem gleichen Abschnitt der Oberfläche des geprüften Rohrs zugewandt ist wie das erste Transducerelement bzw. die erste Gruppe von Transducerelementen, kann nach dem Schaltvorgang mindestens ein teilweise anderes Volumen des Rohrs geprüft werden. Dadurch kann eine zweite Prüfperiode mit dem Anfangsimpuls 520 starten und mit dem Anfangsimpuls 530 der nächsten Prüfperiode enden. Ein Impuls 522 stellt das erste Eintritts- oder Vorderwandecho und ein Impuls 526 das erste Rückwandecho dar. Eine Defekt-Blende 525 stellt das Zeitintervall zwischen dem ersten Eintritts- oder Vorderwandecho 522 und dem ersten Rückwandecho 526 in der zweiten Prüfperiode dar. Die Zeitdifferenz zwischen den Impulsen 520 und 522 stellt die Laufzeit des zweiten Anfangsimpulses im Wasserweg zu und von der Oberfläche des Rohrs dar. Wenn mindestens ein Echo in der Defekt-Blende 515 eine Amplitude erreicht, die größer ist als der Schwellenwert 505, wird das Echo als ein Defekt darstellendes Signal betrachtet. Während der zweiten Prüfperiode überschreitet das Echo 523 den Schwellenwert 505, während das Echo 524 den Schwellenwert nicht überschreitet. Dadurch kann nur das Echo 523 als einen Defekt im geprüften Rohr darstellendes Signal spezifiziert werden. Eine solche Defektdetektion kann durch Voreinstellen eines allgemeinen Schwellenwertes 505 und Verwendung einer programmierbaren Steuerung, z.B. eines Computers oder einer beliebigen anderen geeigneten Vorrichtung, automatisiert werden, die die Defekt-Blenden 515 und 525 überwachen kann. Auf dem Computer kann ein Peak-Detektionsalgorithmus laufen, und der Computer kann Defekte basierend darauf erfassen, ob die Amplitude von Impulsen innerhalb der Defekt-Blenden den vorgegebenen Schwellenwert 505 überschreitet.

Die vorstehende Diskussion trifft gleichermaßen auch auf Stangen oder Stäbe zu. Nachdem ein erstes Rückwandecho auftritt, kann der Kanal umgeschaltet und einem anderen Transducerelement oder einer anderen Gruppe von Transducerelementen zugewiesen werden, das/die anschließend angesteuert werden soll, wodurch eine neue Prüfperiode erhalten wird, usw.

Außerdem kann die vorstehend beschriebene Longitudinalwellen-Prüfanordnung auch für Dicken- und Durchmessermessungen verwendet werden. Die im geprüften Gegenstand zurückgelegte Strecke und die Laufzeiten der empfangenen Pulse sind im gleichen Material proportional, weil die Schallgeschwindigkeit innerhalb eines Materials konstant ist. Durch Kalibrieren einer spezifischen Probe mit einer vorgegebenen Schallgeschwindigkeit kann das verstrichene Zeitintervall zwischen dem ersten Eintritts- oder Vorderwandimpuls 512 und dem ersten Rückwandimpuls 516 in 11 im Fall eines Rohrs in ein Dickenmaß und im Fall einer Stange oder eines Stabs in einen Durchmesser umgewandet werden. Diese Verarbeitung kann für jeden Prüfvorgang unter Verwendung einer programmierbaren Steuerung automatisiert werden, die die Länge der Defekt-Blenden 515 und 525 aufzeichnen und die entsprechende Dicke durch Multiplizieren der verstrichenen Zeit mit der Ultraschallwellengeschwindigkeit im Material des geprüften Gegenstands berechnen kann.

Die Prüfperioden können in festen Zeitintervallen geschaltet werden. D.h., anstatt zu warten, bis das erste Rückwandecho empfangen wird, bevor ein neuer Anfangsimpuls emittiert wird, kann das Prüfgerät so programmiert sein, daß eine vorgegebene Zeitdauer verstreicht, bevor ein neuer Anfangspuls emittiert wird. Diese vorgegebene Zeitdauer kann größer sein als die zum Empfangen eines ersten Rückwandechos erforderliche Zeitdauer und kann basierend auf den Eigenschaften jedes geprüften Gegenstandes berechnet oder bestimmt werden, z.B. basierend auf den Abmessungen und dem Material. Außerdem wird, wenn eine Scherwellenprüfung verwendet wird, ein solcher gemäß einem festen verstrichenen Zeitintervall ausgeführter Schaltvorgang vorzugsweise verwendet, um ausreichend Zeit zur Verfügung zu stellen, in der ein gebrochener Anfangspuls einen gewünschten Abschnitt des Gegenstandes im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn durchlaufen kann.

Gemäß 9 ist die Intensität der Ultraschallstrahlen 270 entlang der Länge eines Transducerelements 110 möglicherweise nicht gleichmäßig. Obwohl die Strahlintensität für die Mitte jedes Transducerelements 110 ziemlich gleichmäßig sein kann, kann sie entlang der Ränder der Transducerelemente z.B. auf etwa 50% ihres Maximalwertes abnehmen. Außerdem ist ein Ultraschallstrahl 270 typischerweise zylindrisch fokussiert, so daß sein Brennpunkt entlang der Längsachse 250 liegt, wenn der Multielement-Transducer 100 wie in 9 dargestellt angeordnet ist. Dies kann zu ungeprüften Zwischenräumen auf der Oberfläche des Rohrs 230 führen, weil die Fläche des einfallenden Strahls 270, wenn er die Oberfläche des Rohrs 230 erreicht, kleiner ist als zum Zeitpunkt seiner Emission. Durch gleichzeitiges und aufeinanderfolgendes Aktivieren mehrerer Transducerelemente können diese Probleme jedoch gelöst werden, während gleichzeitig überlappende Prüfbedingungen erfüllt sind. Dadurch wird ein Komproniß zwischen der Prüfempfindlichkeit und dem Abdeckungsgrad erhalten, wenn die Anzahl gleichzeitig zu aktivierender Transducerelemente betrachtet wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können eine gewünschte Strahllänge und eine gewünschte Überlappung bzw. Abdeckung durch gleichzeitiges Aktivieren von zwei Transducerelementen 110 und Wiederholen der Aktivierung für andere Gruppen von Transducerelementen 110 erreicht werden, wie nachstehend beschrieben wird.

12 zeigt eine bevorzugte Aktivierungsfolge der Transducerelemente 110 des Multielement-Transducers 100, wobei zwei Transducerelemente 110 kombiniert sind, um einen einzelnen Transducerstrahl 270 zu erzeugen. 12 zeigt Transducerelemente 1 und 2, die zuerst aktiviert werden, gefolgt von Transducerelementen 4 und 5, gefolgt von Transducerelementen 7 und 8, gefolgt von Transducerelementen 2 und 3, gefolgt von Transducerelementen 5 und 6, gefolgt von Transducerelementen 8 und 9, gefolgt von Transducerelementen 3 und 4, und schließlich gefolgt von Transducerelementen 6 und 7.

Wenn ein Transducerelement des Multielement-Transducers 100 aktiviert ist, treten im allgemeinen nur in diesem Transducerelement und möglicherweise in den auf beiden Seiten benachbart dazu angeordneten Transducerelementen mehrere Echos auf. Wenn beispielsweise das Transducerelement 2 aktiviert wird, werden im Transducerelement 2 Echos auftreten, und wahrscheinlich werden in den Transducerelementen 1 und 3 Echos auftreten, und in den anderen Transducerelementen werden wahrscheinlich keine Echos auftreten. Dadurch können die Transducerelemente 4 und 5 aktiviert werden kurz nachdem in ausreichendem Maße Reflexionen in den Transducerelementen 1 und 2 empfangen wurden. Ähnlicherweise können die Transducerelemente 7 und 8 aktiviert werden kurz nachdem in ausreichendem Maße Reflexionen in den Transducerelementen 4 und 5 empfangen wurden, usw. In der in 12 dargestellten Anordnung werden Transducerelemente paarweise aktiviert, wodurch ein Strahl mit einer gewünschten Wellenlänge und einem gewünschten Empfindlichkeitspegel erzeugt wird, während ein Übersprechen (Cross talk) zwischen Transducerelementen minimiert wird. Außerdem wird jedes Transducerelement zweimal aktiviert, wodurch eine überlappende Prüfung gewährleistet wird und die aufgrund einer verminderten effektiven Strahlfläche erhaltenen Zwischenräume eliminiert werden. Die Verarbeitung kann auf einem einzigen Kanal erfolgen, indem das Ausgangssignal jeder Gruppe von Transducerelementen sequentiell auf die nächste Gruppe geschaltet wird und die empfangenen Signale auf dem einzigen Kanal gemultiplext werden. Dadurch wird die effektive Impulsfolgefrequenz (d.h. die Rate, mit der eine Gruppe von Transducerelementen einen Ultraschallstrahl emittiert) erhöht, wodurch der Prüfdurchsatz erhöht wird.

Die Aktivierungsfolge muß nicht der in 12 dargestellt Folge entsprechen, so lange die Gruppen von Transducerelementen, die aufeinanderfolgend aktiviert werden, um mindestens ein Transducerelement beabstandet sind. Beispielsweise können zunächst die Transducerelemente 2 und 3 aktiviert werden, gefolgt von den Transducerelementen 7 und 8, gefolgt von den Transducerelementen 4 und 5, gefolgt von den Transducerelementen 1 und 2, gefolgt von den Transducerelementen 6 und 7, gefolgt von den Transducerelementen 3 und 4, gefolgt von den Transducerelementen 8 und 9 und schließlich gefolgt von den Transducerelementen 5 und 6. Außerdem müssen die aufeinanderfolgend aktivierten Transducerelemente nicht um mindestens ein Transducerelement beabstandet sein. Dies ist lediglich eine Maßnahme zum Minimieren des Übersprechens (Cross talk) von Transducerelementen. Beispielsweise können zunächst die Transducerelemente 1 und 2 aktiviert werden, gefolgt von den Transducerelementen 3 und 4, gefolgt von den Transducerelementen 5 und 6, gefolgt von den Transducerelementen 7 und 8, gefolgt von den Transducerelementen 2 und 3, gefolgt von den Transducerelementen 4 und 5, gefolgt von den Transducerelementen 6 und 7 und schließlich gefolgt von den Transducerelementen 8 und 9.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung können verschiedene Gruppen von Transducerelementen gleichzeitig aktiviert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können zwei Kanäle verwendet werden. In diesem Fall können vier gemultiplexte Aktivierungsperioden vorgesehen sein. In der ersten Periode können die Transducerelemente 1 und 2 mit dem Kanal 1 und die Transducerelemente 5 und 6 mit dem Kanal 2 verbunden sein. In der zweiten Periode können die Transducerelemente 4 und 5 mit dem Kanal 1 und die Transducerelemente 8 und 9 mit dem Kanal 2 verbunden sein. In der dritten Periode können die Transducerelemente 7 und 8 mit dem Kanal 1 und die Transducerelemente 3 und 4 mit dem Kanal 2 verbunden sein. In der vierten Periode können die Transducerelemente 2 und 3 mit dem Kanal 1 und die Transducerelemente 6 und 7 mit dem Kanal 2 verbunden sein. Mit zwei Kanälen kann durch Aktivieren zweier Paare von Transducerelementen pro Periode in vier aufeinanderfolgenden Perioden eine effektive Impulsfolgefrequenz von typischerweise 2 kHz erhalten werden.

In einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können vier Kanäle verwendet werden, um eine noch vorteilhaftere effektive Impulsfolgefrequenz zu erhalten. In diesem Fall können zwei Aktivierungsperioden vorgesehen sein. In der ersten Periode können die Transducerelemente 1 und 2 mit dem Kanal 1, die Transducerelemente 3 und 4 mit dem Kanal 2, die Transducerelemente 5 und 6 mit dem Kanal 3 und die Transducerelemente 7 und 8 mit dem Kanal 4 verbunden sein. In der zweiten Periode können die Transducerelemente 2 und 3 mit dem Kanal 1, die Transducerelemente 4 und 5 mit dem Kanal 2, die Transducerelemente 6 und 7 mit dem Kanal 3 und die Transducerelemente 8 und 9 mit dem Kanal 4 verbunden sein. Mit vier Kanälen kann durch Aktivieren von vier Paaren von Transducerelementen pro Periode in zwei aufeinanderfolgenden Perioden eine effektive Impulsfolgefrequenz von typischerweise 4 kHz erhalten werden. Diese Anordnung kann beispielsweise auf eine lineare Reihe mit neun Transducerelementen angewendet werden. Die Auswahl einer Multiplexanordnung kann von der Größe des geprüften Rohrs oder der geprüften Stange, dem erforderlichen Wasserweg und den zu prüfenden Arten von Defekten abhängen.

13 zeigt eine allgemeine schematische Darstellung eines Systems 700, das einen Multielement-Transducer für eine automatische zerstörungsfreie Prüfung verwendet. Das System 700 kann aus einem Prüfgerät 200, einem Multielement-Transducer 100, einem Multiplexer 710, einem Stellglied 730, einer Steuerschaltung 740, Kopplungskondensatoren 770 und einem Analysator bestehen. Mindestens ein Multielement-Transducer 100 kann auf dem Prüfgerät 200 montiert sein, das ein Rotations-Prüfgerät sein kann, wie vorstehend in Verbindung mit 6 beschrieben wurde.

Es können mehr als ein Multielement-Transducer verwendet und auf einem Drehprüfgerät angeordnet werden, um verschiedene Arten von Defekten zu erfassen. Beispielsweise können mehrere Multielement-Transducer auf einem Rotations-Prüfgerät angeordnet sein, wobei jeder Transducer neun Transducerelemente aufweist, und wobei jedem Multielement-Transducer ein separater Kanal zugeordnet ist. Diese Transducer können für eine Scherwellenprüfung im Uhrzeigersinn, im Gegenuhrzeigersinn, in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung und für eine Longitudinalwellenprüfung ausgerichtet sein. Dadurch können unter Verwendung von Multielement-Transducern durch Multiplexverfahren höhere Durchsätze erhalten werden, während die Fähigkeit des Prüfgeräts, Defekte zu erfassen und Durchmesser- oder Dickenmessungen durchzuführen, beibehalten oder sogar verbessert wird.

Wie in 13 dargestellt, verbinden Kabel 165 die verschiedenen Transducerelemente des Multielement-Transducers 100 mit dem Multiplexer 710. Der Multiplexer 710 kann Signale von den Kabeln 165 in n verfügbare Kanäle 720 multiplexen.

Jeder Kanal kann mit dem Stellglied 730 verbunden sein. Das Stellglied 730 kann ein Pulsgeber/-empfänger sein, der elektrische Signale an den Multielement-Transducer 100 überträgt und von ihm empfängt, um die Transducerelemente anzusteuern bzw. Impulse zu empfangen. Sowohl der Multiplexer 710 als auch das Stellglied 730 können durch die Steuerschaltung 740 gesteuert werden. Die Steuerschaltung 740 kann Steuersignale über eine Verbindung 750 zum Multiplexer 710 übertragen, um den geeigneten Kanal (Kanäle) mit dem (den) entsprechenden Transducerelement(en) zu verbinden. Die Stuerschaltung 740 kann ferner Steuersignale über eine Verbindung 760 übertragen, um das Stellglied 730 anzuweisen, geeignete elektrische Signale über die geeigneten Kanäle über den Multiplexer 710 zum Multielement-Transducer 100 zu übertragen und davon zu empfangen.

Das Prüfgerät 200 kann mit einem Analysator 780 verbunden sein, der im Prüfvorgang emittierte und empfangene Ultraschallwellen verarbeiten und darstellen kann. Der Analysator 780 kann jedem der Kanäle 720 einen Eingang zuordnen. Im Analysator 780 können geeignete Algorithmen zum Erfassen von Defekten und Ausführen von Dicken- oder Durchmessermessungen laufen. Das Stellglied 730 und der Analysator 780 können für eine automatische Prüfung, z.B. für eine Defektdetektion und für Dicken-/Durchmessermessungen, programmierbar sein. Um die sich vom Prüfgerät 200 erstreckende Verdrahtung zu vereinfachen, können Kopplungskondensatoren 770, die jedem der n Kanäle 720 zugeordnet sind, verwendet werden, um das Prüfgerät 770 mit dem Analysator 780 und mit einer beliebigen anderen externen Schaltung verbinden.

Der in Verbindung mit den verschiedenen Figuren beschriebene Multielement-Transducer 100 ist exemplarisch, und es kann ein beliebiger anderer Multielement-Transducer verwendet werden (z.B. eine lineare Anordnung mit einer anderen Anzahl von Transducerelementen, eine zweidimensionale Anordnung, usw.).

Die vorstehende Beschreibung dient lediglich zum Darstellen der erfindungsgemäßen Prinzipien, und durch Fachleute können innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Modifikationen vorgenommen werden. Beispielsweise kann ein Multielement-Transducer in einer von einem Rotations-Prüfgerät verschiedenen Prüfgerät verwendet werden. In einer besonderen Anordnung kann der Multielement-Transducer zum Prüfen eines flachen Gegenstandes verwendet werden, z.B. einer Platte, ohne daß der Transducer um die Oberfläche des Gegenstandes bewegt werden muß.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen eines Gegentands unter Verwendung eines Multielement-Transducers mit mehreren Transducerelementen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

    Emittieren eines ersten Ultraschallimpulses von einer ersten Gruppe aus zwei benachbarten Transducerelementen;

    Empfangen erster Ultraschallreflexionen des ersten Ultraschallimpulses durch die erste Gruppe aus zwei benachbarten Transducerelementen;

    Emittieren eines zweiten Ultraschallimpulses von einer zweiten Gruppe aus zwei benachbarten Transducerelementen, wobei mindestens eines der Transducerelemente der zweiten Gruppe keinen Ultraschallimpuls emittiert, wenn die erste Gruppe aus Transducerelementen den ersten Ultraschallimpuls emittiert;

    Empfangen zweiter Ultraschallreflexionen des zweiten Ultraschallimpulses durch die zweite Gruppe aus zwei benachbarten Transducerelementen; und

    Verarbeiten der ersten und der zweiten Ultraschallreflexionen, um zu bestimmen, ob ein Defekt im Gegenstand vorhanden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Scannen einer Außenfläche des Gegenstandes durch den Multielement-Transducer aufweist, wobei das Scannen der Außenfläche des Gegenstands aufweist:

    Drehen des Multielement-Transducers um eine Längsachse des Gegenstandes, wobei der Gegenstand zylindrisch ausgebildet ist und die mehreren Transducerelemente der Außenfläche des Gegenstandes zugewandt bleiben;

    Anordnen des Multielement-Transducers derart, daß er senkrecht zu einer radialen Achse ist, die die Längsachse schneidet und zu dieser senkrecht ist, wobei die radiale Achse um die Längsachse drehbar ist, wobei die Emission der Ultraschallimpulse im wesentlichen parallel zu der radialen Achse erfolgt; und

    Bewegen des Gegenstandes entlang der Längsachse.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Scannen der Außenfläche des Gegenstandes ferner das Anordnen des Multielement-Transducers aufweist, derart, daß er die radiale Achse schneidet, um eine Longitudinalwellenprüfung durchzuführen.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Scannen der Außenfläche des Gegenstandes ferner das Anordnen des Multielement-Transducers aufweist, derart, daß er von der radialen Achse versetzt ist, um eine Scherwellenprüfung durchzuführen.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei das Scannen der Außenfläche des Gegenstandes ferner das Scannen der Außenfläche des Gegenstandes durch eine lineare Reihe aus neun Transducerelementen aufweist, die aufeinanderfolgend von eins bis neun nummeriert sind, wobei das Verfahren ferner das Emittieren von Ultraschallimpulsen und das Empfangen von Ultraschallreflexionen durch folgende Gruppen von Transducerelementen aufweist: Transducerelemente eins und zwei, Transducerelemente zwei und drei, Transducerelemente drei und vier, Transducerelemente vier und fünf, Transducerelemente fünf und sechs, Transducerelemente sechs und sieben, Transducerelemente sieben und acht und Transducerelemente acht und neun.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: Verbinden eines Kanals mit der ersten Gruppe aus Transducerelementen zum Emittieren des ersten Ultraschallimpulses und zum Empfangen der ersten Ultraschallreflexionen; und Verbinden des Kanals mit der zweiten Gruppe aus Transducerelementen zum Emittieren des zweiten Ultraschallimpulses und zum Empfangen der zweiten Ultraschallreflexionen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Kanal ein erster Kanal ist, wobei das Verfahren ferner aufweist:

    Emittieren eines dritten Ultraschallimpulses von einer dritten Gruppe aus zwei benachbarten Transducerelementen, wobei keines der Transducerelemente der dritten Gruppe ein Transducerelement der ersten Gruppe ist; und Verbinden eines zweiten Kanals mit der dritten Gruppe aus Transducerelementen zum Emittieren des dritten Ultraschallimpulses, wenn der erste Ultraschallimpuls emittiert ist.
  8. Ultraschallprüfsystem zum zerstörungsfreien Prüfen eines Gegenstandes, wobei das Ultraschallprüfsystem aufweist:

    eine Rotations-Prüfeinheit mit (a) einer Längsachse, um die sich die Rotations-Prüfeinheit dreht, (b) eine Außenwand und (c) eine Innenwand, wobei die Rotations-Prüfeinheit so konfiguriert ist, daß sie den Gegenstand entlang der Längsachse aufnimmt;

    mindestens einen mit der Innenwand der Rotations-Prüfeinheit verbundenen Multielement-Transducer, wobei der mindestens eine Multielement-Transducer mehrere Transducerelemente aufweist, wobei jedes der mehreren Transducerelemente so konfiguriert ist, daß es Ultraschallimpulse emittiert und Ultraschallreflexionen vom geprüften Gegenstand empfängt;

    ein Stellglied, das so konfiguriert ist, daß es die mehreren Transducerelemente in dem mindestens einen Multielement-Transducer aktiviert.
  9. System nach Anspruch 8, wobei das Stellglied so konfiguriert ist, daß es (a) die mehreren Transducerelemente einzeln oder gemeinsam in Gruppen aus benachbarten Transducerelementen aktiviert, um Ultraschallimpulse zu emittieren, und (b) durch die aktivierten Transducerelemente vom Gegenstand empfangene Ultraschallreflexionen empfängt.
  10. System nach Anspruch 9, ferner mit einem zwischen dem Stellglied und dem mindestens einen Multielement-Transducer geschalteten Multiplexer, wobei das Stellglied so konfiguriert ist, daß Signale über mindestens einen Kanal zum Multiplexer übertragen und vom Multiplexer empfangen werden, wobei der Multiplexer so konfiguriert ist, daß die zu dem mindestens einen Multielement-Transducer übertragenen und von dem mindestens einen Multielement-Transducer empfangenen Signale zu dem mindestens einen Kanal gemultiplext werden.
  11. System nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei der Gegenstand ein Rohr oder eine Stange ist.
  12. System nach Anspruch 9, 10 oder 11, ferner mit einem Analysator zum Verarbeiten der von den mehreren Transducerelementen empfangenen Ultraschallreflexionen.
  13. System nach Anspruch 12, wobei das Stellglied so konfiguriert ist, daß der Gegenstand durch programmierbares Aktivieren der mehreren Transducerelemente und Zuführen der von den mehreren Transducerelementen empfangenen Ultrschallreflexionen zum Analysator für eine Verarbeitung automatisch geprüft wird.
  14. System nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die mehreren Transducerelemente in einer linearen Reihe angeordnet sind, so daß die lineare Reihe parallel zur Längsachse ausgerichtet bleibt.
  15. System nach Anspruch 14, wobei die Rotations-Prüfeinheit eine radiale Achse aufweist, die die Längsachse schneidet und senkrecht zur Längsachse ausgerichtet ist, wobei die radiale Achse zusammen mit der Rotations-Prüfeinheit um die Längsachse drehbar ist, wobei die lineare Reihe von Transducerelementen senkrecht zur radialen Achse angeordnet ist und der von den mehreren Transducerelementen emittierte Ultraschallstrahl im wesentlichen parallel zur radialen Achse ausgerichtet ist.
  16. System nach Anspruch 15, wobei die radiale Achse die lineare Reihe schneidet, um eine Longitudinalwellenprüfung des Gegenstandes durchzuführen.
  17. System nach Anspruch 15 oder 16, wobei die lineare Reihe von Transducerelementen von der radialen Achse versetzt angeordnet ist, um eine Scherwellenprüfung des Gegenstandes duchzuführen.
  18. System nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wobei der mindestens eine Multielement-Transducer eine lineare Reihe aus neun Transducerelementen aufweist, die aufeinanderfolgend von eins bis neun nummeriert sind, und Stellglied so konfiguriert ist, daß es die mehreren Transducerelemente in den folgenden Gruppen benachbarter Transducerelemente aktiviert: Transducerelemente eins und zwei, Transducerelemente zwei und drei, Transducerelemente drei und vier, Transducerelemente vier und fünf, Transducerelemente fünf und sechs, Transducerelemente sechs und sieben, Transducerelemente sieben und acht und Transducerelemente acht und neun.
Es folgen 11 Blatt Zeichnungen






IPC
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