Prüfköpfe nach EN Einfluss auf die Qualität der Ultraschallprüfung

Transkript

1 Prüfköpfe nach EN Einfluss auf die Qualität der Ultraschallprüfung G. Splitt, U. Schlengermann, GE Inspection Technologies, Hürth Einleitung Die Norm EN ist Teil der Europäischen Norm zur Charakterisierung und Verifizierung der Ultraschall-Prüfausrüstung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Sie gilt für die Prüfköpfe und wurde im September 2001 als Deutsche Norm veröffentlicht. Ihr Anwendungsbereich umfasst Prüfköpfe mit einem oder zwei Schwingern für Direktkontakt oder Tauchtechnik mit Mittenfrequenzen zwischen 0,5 MHz und 15 MHz, fokussierend oder nicht fokussierend. Die Norm nennt Qualitätskriterien, indem sie die zu dokumentierenden Parameter und die dafür geltenden Toleranzen festlegt. Jeder Prüfkopf muss eindeutig gekennzeichnet sein, so dass die Arbeitsfrequenz, die Schwingergröße, der Einschallwinkel und die Wellenart identifiziert werden können. Zu jedem Prüfkopftyp muss es ein Datenblatt geben, dass die Eigenschaften in Übereinstimmung mit der Norm EN beschreibt. Dabei unterscheidet die Norm zwischen Prüfköpfen, die in großer oder kleiner Anzahl oder für besondere Prüfaufgaben gefertigt werden. Bei großen Stückzahlen muss die Qualität der Prüfköpfe durch ein allgemeines Datenblatt dokumentiert werden, dass die Werte zu den entsprechenden Parametern mit Toleranzen aufführt. Bei kleinen Stückzahlen oder Einzelfertigung für spezielle Anwendungen sollen in einer Herstellererklärung die individuellen Messwerte angegeben werden. Die Norm definiert jedoch nicht, was eine große Stückzahl ist, d.h. ab welcher Fertigungsmenge ein allgemeines oder ein spezielles Datenblatt vorhanden sein muss. Technisches Merkblatt Die Norm unterscheidet zwischen informativen, gemessenen und berechneten Daten, die der Hersteller in einem technischen Merkblatt zum Prüfkopf mitzuliefern hat. Insgesamt sind 25 Parameter gemäß der aus EN entnommenen Tabelle 1 aufgeführt, von denen jedoch nicht alle für jeden Prüfkopftyp infrage kommen. Außerdem können Lieferant und Besteller vereinbaren, einige Informationen auszulassen oder andere Angaben hinzuzufügen, falls dies notwendig erscheint. Neben den in Tabelle 1 genannten Daten müssen die zur Kontrolle verwendeten Geräte, ihre Einstellungen und andere Messbedingungen wie das verwendete Prüfkopfkabel im Datenblatt aufgeführt werden. Seite 1 von 9

2 Einfluss des Ultraschallgerätes Das für die Messungen zu verwendende Ultraschallgerät wird in der Norm nicht näher spezifiziert. Es muss nur, soweit anwendbar, die Forderungen der EN erfüllen. Es ist dem Hersteller also freigestellt, ein beliebiges Ultraschallgerät mit beliebigen Einstellungen zu verwenden. Insbesondere kann daher ein beliebiger Sendeimpuls, wie z.b. ein Nadelimpuls, ein Rechtecksender oder ein Burst-Sender verwendet werden. Es ist allgemein bekannt, dass die Messergebnisse für eine Reihe von Parametern, wie z.b. Mittenfrequenz, Bandbreite o- der relative Empfindlichkeit von der Art und Einstellung des Senders abhängen. Die Verwendung verschiedener Sender kann daher zu erheblichen Unterschieden bei den Messwerten des selben Prüfkopfes führen. Andererseits können nominell Seite 2 von 9

3 gleiche Prüfköpfe von verschiedenen Herstellern in Wirklichkeit unterschiedlich sein, wenn nicht das selbe Ultraschallgerät zur Messung der Prüfkopfdaten verwendet wurde. Die Norm fordert, dass die Einstellungen des Gerätes notiert werden und empfiehlt, die Form des Sendeimpulses aufzuzeichnen und dem Prüfbericht hinzuzufügen. Die Norm legt fest, dass die Echospannung direkt an der Senderbuchse des Gerätes gemessen wird, also ohne den Verstärker zu verwenden, indem man das Signal mit einer Tastspitze abgreift und auf einem Oszilloskop abbildet. Bei kleiner Echospannung muss die Eingangsempfindlichkeit des Oszilloskops entsprechend erhöht werden, um das Echo von einem Bezugsreflektor genügend groß auf dem Bildschirm abzubilden. Dies führt jedoch dazu, dass das Oszilloskop durch den gleichzeitig anliegenden Sendeimpuls übersteuert wird, so dass eine Messung der Echospannung nicht möglich ist. Man muss also entweder einen Begrenzer zwischen Prüfkopf und Oszilloskop schalten oder das Signal am Verstärkerausgang des Ultraschallgerätes abgreifen, sofern dies über einen breitbandigen HF- Ausgang verfügt. Ferner schreibt die Norm einen externen 50-Ohm-Widerstand parallel zum Sender vor. Viele Ultraschallgeräte haben jedoch schon intern die Möglichkeit, verschiedene Dämpfungswiderstände einzustellen. Diese liegen ebenfalls parallel zum Sender. Wenn das Gerät z.b. über einen internen 50-Ohm-Dämpfungswiderstand verfügt, ist der externe Widerstand überflüssig. Die Norm sollte in den genannten Punkten entsprechend ergänzt bzw. präzisiert werden. Echoform, Frequenz und Bandbreite Für die zu messenden Daten werden Messverfahren angegeben und Zulässigkeitsgrenzen festgelegt. Damit werden einheitliche Bewertungskriterien für Prüfköpfe geschaffen, die deren Vergleichbarkeit gewährleisten, solange das Ultraschallgerät und seine Einstellungen spezifiziert sind. Die Parameter der Norm EN unterscheiden sich sowohl hinsichtlich der Messverfahren als auch der Zulässigkeitsgrenzen zum Teil deutlich von bisher angewendeten nationalen Normen und herstellereigenen Spezifikationen. Bei einigen Parametern, wie Frequenz oder elektrischer Impedanz, sind die Zulässigkeitsgrenzen weiter, bei anderen, wie Bandbreite oder Impulsdauer, dagegen erheblich enger gefasst bzw. neu eingeführt. Insbesondere zeigt sich, dass die Zusammenhänge zwischen Impulsdauer, Bandbreite und Frequenz in den Zulässigkeitsgrenzen nicht kongruent abgebildet werden. Es gelten folgend Toleranzen: Frequenz f: ±10 % Bandbreite BB: ±15 % Impulsdauer T 10 : ±10 % Wie man leicht sieht (Bild 1), ergibt die Änderung der Frequenz f um ±10 % eine entsprechende Änderung der Impulsdauer T 10 von ebenfalls ±10 %. Eine zusätzliche Toleranz bei der Bandbreite von ±15 % ergibt dann insgesamt eine Variati- Seite 3 von 9

4 on der Impulsdauer von 15 % bis +30 % (Bild 2). Dies steht dann im Widerspruch zu der von der Norm vorgegebenen Toleranz von nur ±10 %. rel. Amplitude A/Amax 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1 1,5 2 T 10 2,5 3 Zeit / µs Echo mit f = fnenn => T10 = 0,560µs Echo mit f = fnenn + 10% => T10 = 0,504µs Echo mit f = fnenn - 10% => T10 = 0,616µs Bild 1: Impulsdauer T 10 bei 10% Frequenzvariation rel. Amplitude A/Amax 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1 1,5 2 2,5 Zeit / µs 3 T 10 Echo mit f = fnenn; BBnenn = 50% => T10 = 0,560µs Echo mit f = fnenn + 10%; BB = BBnenn + 15% => T10 = 0,475µs Echo mit f = fnenn - 10%; BB = BBnenn - 15% => T10 = 0,730µs Bild 2: Impulsdauer T 10 bei 10 % Frequenz- und 15 % Bandbreiten-Variation Seite 4 von 9

5 An der roten Kurve in Bild 2 sieht man auch deutlich eine weitere Schwäche bei der Bestimmung der Impulsdauer. Wenn nämlich die Nachschwingung nur um einen minimalen Wert kleiner ist als hier dargestellt, verschiebt sich die T 10 - Grenze um knapp eine halbe Wellenlänge nach links. Da der Wellenzug innerhalb der T 10 -Grenzen nur 3 Schwingungen lang ist, ergibt die Verschiebung um eine halbe Wellenlänge nach links eine Verkürzung der Impulsdauer um 1/6 oder 17 %. Dies ist gemäß Norm jedoch unzulässig. Wenn man statt der Impulsdauer die relative Amplitude der Nachschwingungen bezogen auf die maximale Amplitude des Echos zur Beschreibung des zeitlichen Auflösungsvermögens heranzieht, hat man eine für die Praxis sehr viel geeignetere Methode, die nicht von minimalen Amplitudenschwankungen abhängt. Man würde dann spezifizieren, um wie viel db die Nachschwingungen nach z.b. 0,5 µs unter der maximalen Amplitude des Echos liegen müssen. Für die schwarze Kurve in Bild 2 wären das etwas mehr als 20 db und für die rote Kurve etwas weniger als 20 db. Bei kleinen Amplitudenänderungen hat man so eine kontinuierliche Änderung des db-wertes. Ein weiterer kritischer Punkt ist die Berechnungsmethode der Mittenfrequenz als geometrisches Mittel aus den 6 db Bandgrenzen des Spektrums. Dies führt dazu, dass bei einem zur Nennfrequenz (5 MHz) des Prüfkopfes symmetrischen Spektrum die Mittenfrequenz nach EN deutlich tiefer als der Schwerpunkt des Spektrums liegt, wie Bild 3 zeigt. Die nach der Norm berechnete Mittenfrequenz eines Prüfkopfs mit z.b. 100 % Bandbreite liegt bei 4,33 MHz und damit deutlich außerhalb der zulässigen Toleranz von -10 %. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 100 % 0,4 0,3 0,2 0,1 +/-10 % f(u)=2,5 MHz f(en)= [ 4,33 MHz f(o)=7,5 MHz Bild 3: Frequenzspektrum 5.0 MHz mit 100 % Bandbreite Die neuen Vorgaben können dazu führen, dass bisher im Markt eingeführte Prüfköpfe geändert werden müssen, um die EN zu erfüllen. Damit ist dann für denselben Prüfkopftyp - das Prüfergebnis anders als bisher, d.h. bei der Be- Seite 5 von 9

6 wertung von Reflektoren ist somit die Kontinuität bei der wiederkehrenden Prüfung nicht mehr gegeben. Prüfkopf-Datenblatt und Herstellererklärung Für Serienprüfköpfe fordert die Norm ein Datenblatt mit Mittelwert und Toleranz für insgesamt 25 Parameter, die jedoch nicht alle für jeden Prüfkopftyp zutreffen. Bild 4 zeigt als Beispiel die Vorderseite des Datenblattes für den Prüfkopf MWB 45-4 mit den Prüfkopfdaten und Bild 5 die Rückseite mit den Erläuterungen. Bild 4: Prüfkopfdatenblatt nach EN , MWB 45-4 EN, Vorderseite Dabei sind folgende wesentlichen Änderungen gegenüber dem bisherigen Krautkrämer-Datenblatt zu beachten: 1. Die nach EN zulässige Frequenz-Toleranz beträgt ±10 % statt ±5 %. 2. Die Toleranz der relativen Bandbreite beträgt ±15 % vom Nennwert statt ±10 % absolut, d.h. die Toleranz wird eingeschränkt. 3. Die Impulsdauer T 10 wird zusätzlich aufgeführt. 4. Die relative Empfindlichkeit S rel wird statt der Verstärkungsreserve eingeführt. 5. Der Verlauf der elektrischen Impedanz wird zusätzlich aufgeführt. 6. Das AVG-Diagramm enthält eine Kurve für den Störpegel. 7. Ultraschallgerät und Sendereinstellungen werden genannt. Seite 6 von 9

7 DGZfP-Berichtsband 94-CD DGZfP-Jahrestagung 2005 Bild 5: Prüfkopfdatenblatt nach EN , MWB 45-4 EN, Rückseite Bild 6: Kalibrierzertifikat mit individuellen Daten eines Prüfkopfs MWB 45-4 Andere von der Norm geforderte Daten wie Abstandskurven (AVG-Diagramm), Echoform, Frequenzspektrum, Nahfeldlänge, Schallbündeldurchmesser und Di- Seite 7 von 9

8 vergenzwinkel, Temperaturbereich und Prüfkopfabmessungen waren schon immer Standard in den Prüfkopf Datenblättern von Krautkrämer. Auf Wunsch kann zusätzlich ein Kalibrierzertifikat erstellt werden, das die individuellen Daten für den einzelnen Prüfkopf dokumentiert. Ebenso kann dieses vierseitige Dokument für Prüfköpfe, die einzeln oder in kleiner Stückzahl gefertigt werden und für die es kein allgemeines Datenblatt gibt, mitgeliefert werden. Bild 6 zeigt auszugsweise Seite 1 und 3 eines solchen Zertifikats. Statistische Auswertung der Messwerte nach EN Die statistische Auswertung über eine große Anzahl von Prüfköpfen desselben Typs zeigt, das die Einhaltung der von der Norm gesetzten engen Grenzen für viele Parameter durchaus praktikabel ist. Die Bilder 7 10 zeigen an einigen Beispielen die Verteilung der Messwerte für verschiedene Parameter von jeweils 40 Prüfköpfen zusammen mit den gültigen Grenzwerten. Daraus ist ersichtlich, dass die Messwerte innerhalb eines engen Bandes liegen, das deutlich schmaler ist als der zulässige Toleranzbereich. Wie die Erfahrung zeigt, ist dieses Ergebnis jedoch nur mit einer gleichmäßigen und qualitativ hochwertigen Fertigung zu erreichen. Bild 7: Mittenfrequenz MWB 45-4 EN Bild 8: Impulsdauer MWB 45-4 EN Bild 9: rel. Empfindlichkeit B 2 S EN Bild 10: rel. Bandbreite B 2 S EN Seite 8 von 9

9 Zusammenfassung Messvorschriften und Toleranzvorgaben der Norm EN führen zu gleichmäßiger Qualität der Prüfköpfe. Die Prüfergebnisse von breitbandigen EN- und Nicht-EN-Prüfköpfen können - trotz gleicher nomineller Frequenz - voneinander abweichen. Die Toleranzen für Mittenfrequenz, Bandbreite und Impulsdauer sind voneinander abhängig und in der Norm nicht konsistent festgelegt. Es sollte ein Normsender vorgegeben werden, um die Abhängigkeit der Messergebnisse vom verwendeten Sender auszuschließen. Die oben genannten Schwächen der Norm sollten in einer revidierten Fassung ausgeräumt werden. Seite 9 von 9