Ultraschall-Sende(S)-Empfänger(E)-Prüfköpfe: Unterschied zwischen den Versionen

Aus Lexikon der Kunststoffprüfung
Zur Navigation springen Zur Suche springen
(Änderungen von Oluschinski (Diskussion) wurden auf die letzte Version von Reincke zurückgesetzt)
Zeile 1: Zeile 1:
 
{{PSM_Infobox}}
 
{{PSM_Infobox}}
−
<span style="font-size:1.2em;font-weight:bold;">Ultraschall-Stoßwellen-Prüfköpfe</span>
+
<span style="font-size:1.2em;font-weight:bold;">Ultraschall-Sender (S)-Empfänger (E)-Prüfköpfe </span>
 
__FORCETOC__
 
__FORCETOC__
−
==Einsatzkriterien der Prüfköpfe==
+
==Allgemeines==
−
Die konventionell eingesetzten und vertriebenen [[Ultraschall-Normal-Prüfköpfe|Normal-Prüfköpfe]] werden bei vielen Prüfaufgaben verwendet, wo eine hinreichende Messauflösung und Genauigkeit für die meisten untersuchten [[Kunststoffbauteil|Bauteile]] gefordert wird. Zur Defektoskopie an Bauteilen mit geringer Dicke oder oberflächennahen Fehlern können diese [[Ultraschall-Prüfköpfe|Prüfköpfe]] aufgrund der Abmessungen des Nah- und Fernfeldes zumeist nicht angewandt werden. Eine Ursache ist auch die Impulsform und Frequenzcharakteristik dieser Prüfköpfe, die durch eine relativ geringe Bedämpfung und vergleichsweise schmalbandiges Frequenzband gekennzeichnet sind ('''Bild 1''') [1]. Das '''Bild 1a''' zeigt das [[HF-Bild]] eines Prüfkopfs mit mittlerer Bedämpfung, der ein deutliches Ausschwingverhalten des Ultraschallsignals aufweist. Bei einer schwachen oder nicht angepassten Bedämpfung ergibt sich das starke Schwingungsverhalten und schmalbandige Frequenzband des Prüfkopfes entsprechend dem '''Bild 1b'''.
+
Ultraschall-S/E-Prüfköpfe, die auch als Sender/Empfänger-Prüfkopfe bezeichnet werden, bestehen aus einer elektrisch und schwingungstechnisch getrennten Sendeeinheit und Empfängereinheit, also separaten [[piezokeramischer Schwinger|piezoelektrischen Schwingern]]. Derartige Prüfköpfe werden verwendet, wenn aufgrund der geringen Dicke des Prüfstücks oder oberflächennaher Ungänzen die Nahauflösung des [[Ultraschall-Normal-Prüfköpfe|Normal-Prüfkopfs]] selbst bei erhöhten Frequenzen oder Verwendung einer Vorlaufstrecke (Delay-Line) nicht ausreichend ist, d. h. die Rückwand- oder Fehlerechos können zeitlich nicht vom Sendeimpuls getrennt werden. Diese Prüfköpfe beinhalten deshalb zwei elektrisch und akustisch entkoppelte [[Ultraschall-Normal-Prüfköpfe|Normalprüfköpfe]] in einem Gehäuse, wodurch messtechnisch eine Kombination aus [[Ultraschall-Durchschallungs-Technik|Durchschallungs-]] und [[Ultraschall-Impuls-Echo-Technik|Impuls-Echo-Methode]] entsteht.
  
−
[[Datei:Stosswellen_Pruefkoepfe-1.JPG|550px]]
+
==Schematischer Aufbau eines S/E-Prüfkopfes==
 +
 
 +
Durch die notwendige zweikanalige Ausführung des Ultraschallmesssystems überlagert sich in der Anzeige der Sendeimpuls nicht mit dem Empfangsecho. Damit lassen sich noch dicht unter der Prüfstückoberfläche liegende Fehler nachweisen oder sehr genaue Ergebnisse bei der Wanddickenmessung erzielen [1, 2].<br>
 +
Die beiden Schwinger, die ständig in den Betriebsmodi Senden bzw. Empfangen arbeiten, sind bezüglich der Normale oder Trennebene um einen bestimmten Winkel geneigt, den man als Dachwinkel &beta; bezeichnet ('''Bild 1'''). Je nach dem realisierten Dachwinkel werden geneigte Vorlaufstrecken der Länge l unter den [[piezokeramischer Schwinger|Schwinger]] geklebt, wodurch sich die maximale Empfindlichkeit in einem vorgegebenen Tiefenbereich ergibt [1].
 +
 
 +
[[Datei:S_E_Pruefkoepfe-1.JPG|550px]]
 
{|  
 
{|  
 
|- valign="top"
 
|- valign="top"
 
|width="50px"|'''Bild 1''':  
 
|width="50px"|'''Bild 1''':  
−
|width="600px"|[[HF-Bild]] und Frequenzspektrum eines Normal-Prüfkopfs (a) mit kurzer Impulsform und hoher Bandbreite, (b) mit breiter Impulsform und geringer Bandbreite in Anlehnung an [2]
+
|width="600px"|Schematischer Aufbau eines Ultraschall-S/E-Prüfkopfs  
 
|}
 
|}
  
−
Die Schwingungsform und die Empfindlichkeit des [[piezokeramischer Schwinger|Schwingers]] werden allerdings auch von der elektrischen Anpassung an die Messgeräteelektronik beeinflusst, welche gleichzeitig als Frequenzfilter wirkt. Die Bandbreite &Delta;f des Prüfkopfs ergibt sich aus der Differenz der oberen f<sub>o</sub> und unteren f<sub>u</sub> Grenzfrequenz, d. h. der Frequenz bei der sich die Amplitude des Frequenzspektrums um 3 dB verringert hat.
+
Die Vorlaufstrecken entsprechen Keilen, die aus gut schallleitenden [[Kunststoffe]]n, wie Polymethylmethacrylat ([[Kurzzeichen]]: PMMA) oder Polystyrol ([[Kurzzeichen]]: PS), bestehen. Zwischen dem [[piezokeramischer Schwinger|Schwinger]] und dem Vorsatzkeil ist zumeist noch eine akustische Anpassungsschicht angebracht, deren Dicke der Viertelwellenlänge (&lambda;/4) des Prüfkopfs entspricht und die insbesondere zur Impedanzanpassung und optimalen Schallübertragung zwischen Schwinger und Vorlauf auf der Sender- und Empfängerseite dient. Neben einem geringen Reflexionsfaktor wird mit einem geeigneten Dämpfungskörper somit auch eine hohe mechanische und akustische Bedämpfung des S/E-Prüfkopfs realisiert [3]. Falls nur eine Neigung der Schwinger bzw. Vorlaufkeile um den Winkel &beta; vorliegt, dann spricht man auch von [[Ultraschall-Normal-Prüfköpfe|Normal-S/E-Prüfköpfen]]. Werden die Schwinger zusätzlich in der 90°-befindlichen Ebene um den Winkel &gamma; geneigt (&gamma; > &beta;), dann liegt ein Winkel-S/E-Prüfkopf vor, mit dem Transversalwellen im Prüfobjekt erzeugt werden können. Für den Winkel &gamma; gelten die unter dem Begriff [[Ultraschall-Winkel-Prüfköpfe|Winkel-Prüfkopf]] festgelegten Bedingungen und Aussagen.<br>
−
 
+
Der Einsatz- bzw. Arbeitsbereich von S/E-Prüfköpfen liegt in dem Prüfstückbereich, wo sich die Schallfelder des Senders (S) und des Empfängers (E) überlagern ('''Bild 2''').
−
==Anwendungen in der Defektoskopie==
 
−
 
 
−
Die Prüfköpfe entsprechend '''Bild 1''' werden in der Regel in der Defektoskopie oder [[Ultraschall-Wanddickenmessung|Wanddickenmessung]] von dickwandigen Prüfstücken verwendet. Aufgrund des über längere Zeit ausklingenden Ultraschallsignals (Sendeimpuls) ergeben sich dann natürlich Probleme wenn Fehler an dünnwandigen Bauteilen (Bleche, Kunststoff-Laminate) detektiert werden sollen oder bei derartigen [[Prüfkörper]]n eine Wanddickenmessung durchgeführt werden soll.<br>
 
−
Für derartige dünnwandige Prüfstücke sollten insbesondere bei der Wanddickenmessung oder der Defektoskopie Stoßwellen-Prüfköpfe eingesetzt werden, die über ein deutlich vermindertes Ausschwingverhalten bei gleichzeitig sehr breitbandigem Frequenzgang verfügen ('''Bild 2'''). Diese hoch bedämpften Stoßwellen-Prüfköpfe mit niedriger akustischer Impedanz erlauben die saubere Trennung vom Start- und Stoppsignal bei der Laufzeitmessung, d. h. es findet keine Überlagerung des Sendesignals mit dem Rückwand- oder Fehlerecho statt, da eine Impulsform nahe dem idealen „Dirac-Stoß“ vorhanden ist.
 
  
−
[[Datei:Stosswellen_Pruefkoepfe-2.JPG|270px]]
+
[[Datei:S_E_Pruefkoepfe-2.JPG|550px]]
 
{|  
 
{|  
 
|- valign="top"
 
|- valign="top"
 
|width="50px"|'''Bild 2''':  
 
|width="50px"|'''Bild 2''':  
−
|width="600px"|HF-Bild und Frequenzspektrum eines Stoßwellen-Prüfkopfs mit sehr kurzer Impulsform und extrem hoher Bandbreite in Anlehnung an [2]
+
|width="600px"|Schallfeld des Ultraschall-S/E-Prüfkopfs (a) mit großem und kleinem Dachwinkel &beta; und (b) Empfindlichkeits-Abstands-Diagramm
 
|}
 
|}
  
−
Die Schwingungsform des Prüfkopfsignals hängt wesentlich vom Verhältnis der akustischen Impedanzen vom Schwinger- und Dämpfermaterial ab. Bei identischer Impedanz liegt ein stark bedämpfter Prüfkopf vor. Die Schwingungsform ist sehr kurz und beträgt nur wenige Sinusschwingungen ('''Bild 1a'''). Bei extrem kurzen Impulsen mit einer bis eineinhalber Sinusschwingungen spricht man von Stoßwellen-Prüfköpfen, die eine breitbandige Schwingercharakteristik aufweisen ('''Bild 2'''). Je weniger die Impedanz des Dämpfers an die des [[piezokeramischer Schwinger|Schwinger]] angepasst ist, umso schlechter ist die Dämpfung und die Frequenzcharakteristik ist entsprechend schmalbandig ('''Bild 1b''').  
+
Wie man aus '''Bild 2a''' ersieht, kann man durch die Wahl des Dachwinkels, des Abstands von Sender und Empfänger als auch die Länge des Vorlaufkeils die Nahfeldauflösung in einem weiten Bereich variieren, wobei allerdings auch die Totzone des Prüfkopfs davon beeinflusst wird. Die Empfindlichkeit variiert demzufolge mit dem Laufweg des Ultraschalls l und lässt sich grafisch im Diagramm entsprechend '''Bild 2b''' darstellen. Das dunkelrote Feld markiert die Zone der maximalen Empfindlichkeit und das hellrote Dreieck den Arbeitsbereich. Bei großen Dachwinkeln wird der Ultraschall schon konstruktionsbedingt schräg und nicht senkrecht zur [[Oberfläche]] eingeschallt. Infolge dessen entsteht mit Zunahme des Dachwinkels ein sogenannter Umwegfehler, der sich in einer Vergrößerung der Laufzeit und damit z. B. in einem Fehler bei der [[Ultraschall-Wanddickenmessung|Wanddickenmessung]] niederschlägt. Dieser Fehler kann durch die [[Justieren|Justierung]] des Ultraschallsystems oder rechnerisch bei digitalen Geräten kompensiert werden.  
  
−
Die Bleimetaniobat-Schwinger (PbNb<sub>2</sub>O<sub>6</sub>) weisen bei den [[Piezokeramik]]en die kleinste akustische Impedanz Z (20,5&sdot;10<sup>6</sup> kg/m<sup>2</sup>s) auf und lassen sich am einfachsten bedämpfen, wobei diese Dämpfungskörper in der Regel aus Gemischen von Schwermetallpulver und [[Kunststoffe]]n bestehen. Je höher die akustische Impedanz des Prüfkopfes sein soll, umso größer muss der Schwermetallanteil im Dämpfungskörper sein. Das Bleimetaniobat eignet sich genau wie Polyvinylidenfluorid ([[Kurzzeichen]]: PVDF) speziell zum Aufbau hochauflösender Prüfköpfe mit extrem kurzen Impulsen für Stoßwellen-Prüfköpfe. Bei den PVDF-Prüfköpfen besteht der Dämpfungskörper nur aus stark absorbierenden Kunststoffen. Bei identischer Frequenz und analogem Schwingerdurchmesser zeigen z. B. Stoßwellen-Prüfköpfe aus PVDF und Bleimetaniobat eine annähernd vergleichbare Empfindlichkeit bei sehr kurzen Ultraschall-Impulsen (siehe '''Bild 2''') [2].
+
Neben dem Dachwinkel haben auch die Prüffrequenz, die Schwingerart und -form, die Abmessungen des Schwingers und des Vorsatzkeils und der Abstand von Sender und Empfänger Einfluss auf die Qualität und Zuverlässigkeit des Prüfergebnisses [2, 4, 5].  
−
Für Stoßwellen-Prüfköpfe zur Direktankopplung an Stahl und andere metallische als auch keramische Werkstoffe werden aufgrund der guten Impedanzanpassung fast nur Bleimetaniobat-Schwinger eingesetzt, wobei sich damit sehr kleine und hochfrequente Prüfköpfe (Finger-Tip) herstellen lassen.
 
−
Die vergleichsweise geringe Impedanz von Bleimetaniobat ist auch für [[Ultraschall-Sende(S)-Empfänger(E)-Prüfköpfe|Ultraschall Sende (S)-Empfänger (E)-]] und [[Ultraschall-Winkel-Prüfköpfe|Winkel-Prüfköpfe]] von Bedeutung, falls gleichzeitig eine große Bandbreite der Frequenz benötigt wird. Bei Identität der akustischen Impedanz von Schwinger und Vorsatzkeil, wirkt der Keil in Verbindung mit der Anpassungsschicht selbst als Dämpfer, aber auch als Frequenzfilter für den Schwinger. In diesem Fall ist die Energieübertragung in das Prüfobjekt optimal. Das Bleimetaniobat wird oftmals verwendet, wenn sehr kleine Schwingerabmessungen z. B. für Finger-Tip-Prüfköpfe benötigt werden, da in diesem Fall keine störenden Querschwingungen auftreten, die die Signalform und die Frequenz (Signalverzerrungen und Frequenzverschiebungen) beeinflussen können [2].
 
−
Mit piezoelektrischen Kunststofffolien aus PVDF ist eine hochwirksame Schallabstrahlung speziell in Flüssigkeiten und [[Kunststoffe]]n gegeben. PVDF ist deshalb für hochfrequente [[Ultraschall-Normal-Prüfköpfe|Normal-Prüfköpfe]] ohne und mit Vorlaufstrecke (Delay-Line- oder [[Ultraschall-Tauchbad-Technik|Tauchtechnik-Prüfköpfe]]) geeignet (f bis zu 150 MHz).
 
−
Piezo-Komposite sind aufgrund ihrer akustischen Impedanz auch sehr gut zur Schallabstrahlung in Flüssigkeiten und Kunststoffen geeignet, wobei der Kunststoff-Füller des Dämpfers nur mäßig gefüllt sein sollte (Impedanz). Damit lassen sich auch sehr breitbandige Tauchtechnik-Prüfköpfe herstellen, deren Empfindlichkeit höher als die von [[piezokeramischer Schwinger|Piezokeramik-Schwingern]] ist. Bei Winkel- und S/E-Prüfköpfen genügt schon das Aufkleben von 1-3-Piezo-Compositen auf den Vorsatzkeil aus, um ein breitbandiges Übertragungsverhalten zu erreichen, ähnlich dem Piezokeramik-Prüfkopf mit Anpassungsschicht [2].
 
  
−
Mit den beschriebenen Stoßwellen-Prüfköpfen lässt sich z. B. die Bindungsqualität von Verbunden (Kunststoffbeschichtungen von Metallen, gummierte Metallwalzen) anhand der Lage der der Zwischenechos und deren Phasenlage sowie des Vorzeichens des Reflexionsfaktors beurteilen. Erforderlich ist dann ein Ultraschallgerät zur Beurteilung von [[HF-Bild]]ern, wenn Werkstoffe oder Verbunde mit sehr unterschiedlichen Schallimpedanzen geprüft werden sollen. Die Amplitude des Zwischenechos lässt dann Rückschlüsse auf die Qualität der Güte der Anbindung (keine Luft) oder bei Delaminationen (Ankoppelschwankungen) zu.
+
==Ausführungsbeispiele von S/E-Prüfköpfen==
−
Bei sehr kleinen Abständen der Echos (Fehlerecho 1 und nachfolgende oder Rückwandechos) können sich diese überlagern bzw. interferieren, wodurch sich der Bezugspunkt des Nulldurchganges einer Wanddickenmessung verschiebt. Dies tritt ein, wenn zur Auswertung von Laufzeitmessungen nicht die Amplitude, sondern deren Nulldurchgänge verwendet werden, die dann als Start- und Stoppsignal des Diskriminators (Threshold) benutzt werden. Das kann bei grobkörnigen oder stark streuenden Werkstoffen eintreten, wo Interferenzen mit dem Störpegel auftreten. Diese Fehler können minimiert werden, wenn statt der [[Ultraschall-Normal-Prüfköpfe|Normal-Prüfköpfe]] Stoßwellen-Prüfköpfe verwendet werden.
 
  
−
==Einsatz zur [[Ultraschall-Wanddickenmessung|Wanddickenmessung]]==
+
Beispiele für unterschiedliche S/E-Prüfköpfe sind in '''Bild 3''' dargestellt, wo man die separaten Anschlüsse für den Sender und den Empfänger erkennen kann.
  
−
Speziell bei der Anwendung von digitalen Wanddickenmesssystemen sind insbesondere die absolute Bauteildicke, die Geometrie des Prüfstücks, der untersuchte Werkstoff und die geforderte Genauigkeit bzw. Auflösungsgrenze zu beachten. Während bei großen oder dicken Bauteilen, grobkörnigen Werkstoffen sowie [[Kunststoffe]]n vergleichsweise niedrige Prüffrequenzen angewandt werden, sind bei geringen Dicken oder feinkörnigem Gefüge hohe Frequenzen bei Einsatz von [[Ultraschall-Sende(S)-Empfänger(E)-Prüfköpfe|S/E-]] oder Stoßwellen-[[Ultraschall-Prüfköpfe|Prüfköpfen]] zu bevorzugen. Bei hohen Prüffrequenzen liegt dann insbesondere bei Einsatz von Stoßwellen-Prüfköpfen eine hohe absolute Genauigkeit vor, die bei niedrigen Prüffrequenzen und Verwendung von S/E-Prüfköpfen nicht gegeben ist [3].
+
[[Datei:S_E_Pruefkoepfe-3.JPG|550px]]
−
 
+
{|  
−
Außer bei spektroskopischen Untersuchungen ist es also bei vielen Prüfproblemen notwendig, mit sehr kurzen, d. h. breitbandigen Ultraschallimpulsen zu arbeiten, wobei hier folgende Anwendungsmöglichkeiten für Stoßwellen-Prüfköpfe bestehen [4]:
+
|- valign="top"
−
 
+
|width="50px"|'''Bild 3''':
−
* Wanddickenmessung an dünnen metallischen Teilen
+
|width="600px"|Beispiele für S/E-Prüfköpfe (Handprüfköpfe) unterschiedlicher Größe und Frequenz (a) der Fa. GE Measurement & Control Solutions, Alzenau und (b) der Fa. GAZ- Prüftechnik GmbH, Alpen
−
* Wanddickenmessung an Kunststoffteilen, auch an [[Faserverstärkte Kunststoffe|glasfaserverstärkten]] und [[Teilchengefüllte Kunststoffe|gefüllten Kunststoffen]]
+
|}
−
* Auffinden oberflächennaher und -entfernter Fehler
 
−
* [[Ultraschall-Tauchbad-Technik|Tauchtechnik-Prüfung]] an Teilen im Bereich der Luft- und Raumfahrtindustrie
 
−
* Prüfung von [[Ultraschall-Schweißnahtprüfung|geschweißten]], gelöteten und geklebten Kleinteilen auf Bindefehler (siehe: [[Bindenaht]])
 
−
* genaue Messungen der [[Schallgeschwindigkeit]] durch die Auswertung aufeinanderfolgender Echosignale [5].
 
  
  
Zeile 56: Zeile 48:
 
|-valign="top"
 
|-valign="top"
 
|[1]
 
|[1]
−
|Krautkrämer, J., Krautkrämer H.: Werkstoffprüfung mit Ultraschall. Springer Verlag, Berlin, (1986), (ISBN 978-3-662-10909-0)
+
|Steeb, S.: Zerstörungsfreie Werkstoffstück- und Werkstoffprüfung. 5. Auflage, Expert Verlag, Renningen (2016), (ISBN 978-3-81693-261-1); 2. Auflage (1993) (ISBN 3-8169-0964-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter M 41)
 
|-valign="top"
 
|-valign="top"
 
|[2]
 
|[2]
−
|Deutsch, V., Platte, M., Vogt, M.: Ultraschallprüfung – Grundlagen und industrielle Anwendungen. Springer Verlag, Berlin (1997), (ISBN 3-540-62072-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter M 45)
+
|Matthies, K.: Dickenmessung mit Ultraschall. DVS-Verlag GmbH, Berlin, 2. Auflage, (1998), (ISBN 3-87155-940-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter M 44)
 
|-valign="top"
 
|-valign="top"
 
|[3]
 
|[3]
−
|Matthies, K. u. a.: Dickenmessung mit Ultraschall. DVS-Verlag GmbH, Berlin, 2. Auflage, (1998), (ISBN 3-87155-940-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter M 44)
+
|Deutsch, V., Platte, M., Vogt, M.: Ultraschallprüfung – Grundlagen und industrielle Anwendungen. Springer Verlag, Berlin (1997), (ISBN 3-540-62072-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter M 45)
 
|-valign="top"
 
|-valign="top"
 
|[4]
 
|[4]
−
|Klein, M.: Untersuchungen des Schallfeldes breitbandiger Ultraschall-Prüfköpfe. Technische Forschung Stahl, Abschlussbericht zum Forschungsvertrag 6210-GA/101, (1977)
+
|Schuster, V., Lach, M., Platte, M.: Die Qual der Wahl: Welcher Prüfkopf für welchen Einsatz. DGZfP-Jahrestagung „Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung“ 2004, Salzburg, Österreich, Sonderdruck Karl Deutsch, SD 1/51
 
|-valign="top"
 
|-valign="top"
 
|[5]
 
|[5]
−
|Heeling, A.: Ein Vierteljahrhundert Spundwanddickenmessung mittels Ultraschall bei der Bundesanstalt für Wasserbau. Fachtagung Bauwerksdiagnose, 18. – 19. Februar 2010, Berlin ([http://www.ndt.net/search/docs.php3?MainSource=97 http://www.ndt.net/search/docs.php3?MainSource=97]) (Zugriff am 28.05.2018)
+
|Lexikon der Ultraschallsensoren: [http://www.pulsotronic.de/shop/pdf-all-de/normen/Ultraschall_Sensoren.pdf http://www.pulsotronic.de/shop/pdf-all-de/normen/Ultraschall_Sensoren.pdf] (Zugriff am 23.10.2017)
 
|}
 
|}
  
 
[[Kategorie:Akustische Prüfverfahren Ultraschall]]
 
[[Kategorie:Akustische Prüfverfahren Ultraschall]]

Version vom 13. August 2019, 10:58 Uhr

Ein Service der
Logo psm.jpg
Polymer Service GmbH Merseburg
Tel.: +49 3461 30889-50
E-Mail: info@psm-merseburg.de
Web: https://www.psm-merseburg.de
Unser Weiterbildungsangebot:
https://www.psm-merseburg.de/weiterbildung
PSM bei Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Polymer Service Merseburg

Ultraschall-Sender (S)-Empfänger (E)-Prüfköpfe

Allgemeines

Ultraschall-S/E-Prüfköpfe, die auch als Sender/Empfänger-Prüfkopfe bezeichnet werden, bestehen aus einer elektrisch und schwingungstechnisch getrennten Sendeeinheit und Empfängereinheit, also separaten piezoelektrischen Schwingern. Derartige Prüfköpfe werden verwendet, wenn aufgrund der geringen Dicke des Prüfstücks oder oberflächennaher Ungänzen die Nahauflösung des Normal-Prüfkopfs selbst bei erhöhten Frequenzen oder Verwendung einer Vorlaufstrecke (Delay-Line) nicht ausreichend ist, d. h. die Rückwand- oder Fehlerechos können zeitlich nicht vom Sendeimpuls getrennt werden. Diese Prüfköpfe beinhalten deshalb zwei elektrisch und akustisch entkoppelte Normalprüfköpfe in einem Gehäuse, wodurch messtechnisch eine Kombination aus Durchschallungs- und Impuls-Echo-Methode entsteht.

Schematischer Aufbau eines S/E-Prüfkopfes

Durch die notwendige zweikanalige Ausführung des Ultraschallmesssystems überlagert sich in der Anzeige der Sendeimpuls nicht mit dem Empfangsecho. Damit lassen sich noch dicht unter der Prüfstückoberfläche liegende Fehler nachweisen oder sehr genaue Ergebnisse bei der Wanddickenmessung erzielen [1, 2].
Die beiden Schwinger, die ständig in den Betriebsmodi Senden bzw. Empfangen arbeiten, sind bezüglich der Normale oder Trennebene um einen bestimmten Winkel geneigt, den man als Dachwinkel β bezeichnet (Bild 1). Je nach dem realisierten Dachwinkel werden geneigte Vorlaufstrecken der Länge l unter den Schwinger geklebt, wodurch sich die maximale Empfindlichkeit in einem vorgegebenen Tiefenbereich ergibt [1].

S E Pruefkoepfe-1.JPG

Bild 1: Schematischer Aufbau eines Ultraschall-S/E-Prüfkopfs

Die Vorlaufstrecken entsprechen Keilen, die aus gut schallleitenden Kunststoffen, wie Polymethylmethacrylat (Kurzzeichen: PMMA) oder Polystyrol (Kurzzeichen: PS), bestehen. Zwischen dem Schwinger und dem Vorsatzkeil ist zumeist noch eine akustische Anpassungsschicht angebracht, deren Dicke der Viertelwellenlänge (λ/4) des Prüfkopfs entspricht und die insbesondere zur Impedanzanpassung und optimalen Schallübertragung zwischen Schwinger und Vorlauf auf der Sender- und Empfängerseite dient. Neben einem geringen Reflexionsfaktor wird mit einem geeigneten Dämpfungskörper somit auch eine hohe mechanische und akustische Bedämpfung des S/E-Prüfkopfs realisiert [3]. Falls nur eine Neigung der Schwinger bzw. Vorlaufkeile um den Winkel β vorliegt, dann spricht man auch von Normal-S/E-Prüfköpfen. Werden die Schwinger zusätzlich in der 90°-befindlichen Ebene um den Winkel γ geneigt (γ > β), dann liegt ein Winkel-S/E-Prüfkopf vor, mit dem Transversalwellen im Prüfobjekt erzeugt werden können. Für den Winkel γ gelten die unter dem Begriff Winkel-Prüfkopf festgelegten Bedingungen und Aussagen.
Der Einsatz- bzw. Arbeitsbereich von S/E-Prüfköpfen liegt in dem Prüfstückbereich, wo sich die Schallfelder des Senders (S) und des Empfängers (E) überlagern (Bild 2).

S E Pruefkoepfe-2.JPG

Bild 2: Schallfeld des Ultraschall-S/E-Prüfkopfs (a) mit großem und kleinem Dachwinkel β und (b) Empfindlichkeits-Abstands-Diagramm

Wie man aus Bild 2a ersieht, kann man durch die Wahl des Dachwinkels, des Abstands von Sender und Empfänger als auch die Länge des Vorlaufkeils die Nahfeldauflösung in einem weiten Bereich variieren, wobei allerdings auch die Totzone des Prüfkopfs davon beeinflusst wird. Die Empfindlichkeit variiert demzufolge mit dem Laufweg des Ultraschalls l und lässt sich grafisch im Diagramm entsprechend Bild 2b darstellen. Das dunkelrote Feld markiert die Zone der maximalen Empfindlichkeit und das hellrote Dreieck den Arbeitsbereich. Bei großen Dachwinkeln wird der Ultraschall schon konstruktionsbedingt schräg und nicht senkrecht zur Oberfläche eingeschallt. Infolge dessen entsteht mit Zunahme des Dachwinkels ein sogenannter Umwegfehler, der sich in einer Vergrößerung der Laufzeit und damit z. B. in einem Fehler bei der Wanddickenmessung niederschlägt. Dieser Fehler kann durch die Justierung des Ultraschallsystems oder rechnerisch bei digitalen Geräten kompensiert werden.

Neben dem Dachwinkel haben auch die Prüffrequenz, die Schwingerart und -form, die Abmessungen des Schwingers und des Vorsatzkeils und der Abstand von Sender und Empfänger Einfluss auf die Qualität und Zuverlässigkeit des Prüfergebnisses [2, 4, 5].

Ausführungsbeispiele von S/E-Prüfköpfen

Beispiele für unterschiedliche S/E-Prüfköpfe sind in Bild 3 dargestellt, wo man die separaten Anschlüsse für den Sender und den Empfänger erkennen kann.

S E Pruefkoepfe-3.JPG

Bild 3: Beispiele für S/E-Prüfköpfe (Handprüfköpfe) unterschiedlicher Größe und Frequenz (a) der Fa. GE Measurement & Control Solutions, Alzenau und (b) der Fa. GAZ- Prüftechnik GmbH, Alpen


Literaturhinweise

[1] Steeb, S.: Zerstörungsfreie Werkstoffstück- und Werkstoffprüfung. 5. Auflage, Expert Verlag, Renningen (2016), (ISBN 978-3-81693-261-1); 2. Auflage (1993) (ISBN 3-8169-0964-7; siehe AMK-Büchersammlung unter M 41)
[2] Matthies, K.: Dickenmessung mit Ultraschall. DVS-Verlag GmbH, Berlin, 2. Auflage, (1998), (ISBN 3-87155-940-7; siehe AMK-Büchersammlung unter M 44)
[3] Deutsch, V., Platte, M., Vogt, M.: Ultraschallprüfung – Grundlagen und industrielle Anwendungen. Springer Verlag, Berlin (1997), (ISBN 3-540-62072-9; siehe AMK-Büchersammlung unter M 45)
[4] Schuster, V., Lach, M., Platte, M.: Die Qual der Wahl: Welcher Prüfkopf für welchen Einsatz. DGZfP-Jahrestagung „Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung“ 2004, Salzburg, Österreich, Sonderdruck Karl Deutsch, SD 1/51
[5] Lexikon der Ultraschallsensoren: http://www.pulsotronic.de/shop/pdf-all-de/normen/Ultraschall_Sensoren.pdf (Zugriff am 23.10.2017)
Abgerufen von „https://wiki.polymerservice-merseburg.de/index.php?title=Ultraschall-Sende(S)-Empfänger(E)-Prüfköpfe&oldid=7959“