COMPAS-XL: Ein Ultraschall- Gruppenstrahlerprüfsystem der unbegrenzten Möglichkeiten?

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1 For more papers of this publication click: Seminar des FA Ultraschall Moderne Systemtechnik bei Prüfungen mit Ultraschall - Vortrag 07 COMPAS-XL: Ein Ultraschall- Gruppenstrahlerprüfsystem der unbegrenzten Möglichkeiten? Uwe VÖLZ, Gottfried SCHENK, BAM, Berlin Kurzfassung. Bei der Entwicklung des COMPAS-XL Prüfsystems konnte auf die langjährige Erfahrung der BAM beim Einsatz der Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik in so verschiedenen Bereichen wie der Energieerzeugung oder des schienengebundenen Verkehrs zurückgegriffen werden. Es ist das jüngste Produkt der Prototypen-Geräteentwicklung, die in der BAM im Rahmen der Entwicklung neuer Prüfverfahren in einer bereits über dreißigjährigen Tradition durchgeführt wird. In diesem Beitrag werden die technischen Möglichkeiten des COMPAS-XL- Prüfsystems vorgestellt, nicht ohne auch auf die unvermeidlichen, technischen Grenzen hinzuweisen. Einführung Die Vision der Entwickler von Ultraschallgeräten für die ZfP ist es, ein System zu realisieren, das alle Anwendungsmöglichkeiten der Ultraschallprüfung abdeckt. Die Herausforderung liegt vor allem in der Vielzahl von Einsatzgebieten mit den unterschiedlichsten Anforderungen an die Prüftechnik. Um diesem ehrgeizigen wie anspruchsvollen Ziel möglichst nahe zu kommen, ist es notwendig, die Erfahrungen aus möglichst vielen Einsatzbereichen der Prüfpraxis in die Entwicklung mit einfließen zu lassen. Die Entwicklung des COMPAS-XL [3][6] basiert auf der langjährigen Erfahrung der BAM auf dem Gebiet der Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik, die durch Pilotanwendungen in Bereichen wie z.b. der Turbinenprüfung, der Prüfung von kerntechnischen Anlagen und der Prüfung von Eisenbahnkomponenten erreicht werden konnte. Aufbauend auf dem COMPAS-128, einem in den 90er Jahren entwickelten und in der Prüfpraxis bereits vielfach eingesetzten und bewährten digitalen Prüfsystem, ist es das jüngste Produkt der Prototypen-Geräteentwicklung der BAM, wie sie im Rahmen der Entwicklung neuer Prüfverfahren schon seit über 30 Jahren durchgeführt wird. Der Zusatz XL der neuen Gerätebezeichnung steht hier allerdings nicht für die Abmessungen des Gerätes, wie es im ersten Moment naheliegend erscheint, sondern für die fast unbegrenzte Erweiterbarkeit des Systems. Durch die rasante Entwicklung der Mikroelektronik in den letzten Jahrzehnten ist es heute möglich, dem Anwender in immer kürzeren Zeitabständen kleinere und trotzdem leistungsfähigere Geräte zur Verfügung zu stellen. Mit dem COMPAS-XL ist es gelungen, ein Ultraschallprüfsystem zu entwickeln, das im Anlagenbereich fast unbegrenzte Kanalzahlen ermöglicht und auch im Laborbetrieb, für die einfache automatisierte Prüfung oder als handliches Gerät für die manuelle Prüfung eingesetzt werden kann. Durch das modulare Konzept ist die Anpassung des Systems an beliebige Systemgrößen möglich, was große Kanalzahlen, wie sie für den Real-Time-Scanner-Betrieb, die elektronische Rasterabtastung und für parallel arbeitende Gruppenstrahlersysteme erforderlich sind, mit einem vertretbaren Aufwand und erschwinglichen Preis verfügbar 1

2 macht. Dadurch werden für die Gruppenstrahlertechnik neue Anwendungsbereiche [4] erschlossen, in denen heute noch konventionelle Systeme mit mechanischen Manipulationssystemen zum Einsatz kommen. 1. Systemaufbau Der in Bild 1 gezeigte Geräteprototyp besteht aus zwei Moduleinheiten und verfügt über 128 gemultiplexte bzw. 32 aktive Kanäle, die in ein tragbares 19 Tischgehäuse integriert sind. Durch den internen Rechner kann er autark mit einem Monitor und einer Tastatur bedient werden. Im Normalfall wird das COMPAS-XL-Prüfsystem über eine Gigabit- Ethernet- mit einem externen Rechner verbunden und von diesem gesteuert. Bild 1. Prototyp COMPAS-XL (COMpact Phased Array System - extended Large) Auf jeder Moduleinheit sind, wie in den Bildern 2 und 3 dargestellt, aktiv gesteuerte Gruppenstrahlerkanäle untergebracht, d.h. jedes Modul weist im Multiplexbetrieb insgesamt Kanäle auf. Durch den Einsatz von bis zu Modulen in einem Anlagengerät, wie in Bild 4 zu sehen, kann damit eine maximale Anzahl von 1024 Kanälen erreicht werden, wovon 256 aktiv zur Schallfeldsteuerung eingesetzt werden können. Ein spezielles Triggerkonzept ermöglicht, wie im Bild 5 und 6 dargestellt, den Parallelbetrieb mehrerer solcher Systeme. Durch eine spezielle Synchronisationseinrichtung wird die zeitliche Abweichung der Sendeimpulse innerhalb eines Prüfablaufes (Winkelschwenks) auf maximal die halbe Abtastperiode von 5ns begrenzt. Damit ist es möglich, eine Prüfanlage aus beliebig vielen parallel arbeitenden Gruppenstrahlersystemen aufzubauen und über eine gemeinsame Netzwerkanbindung zu steuern. Die Anzahl der steuerbaren Systeme wird dabei ausschließlich durch die Netzwerktopologie und die Grenzen der Anwendungssoftware beschränkt. 2

3 Sendemodule 4 x Kanäle COMPAS-FPGA Empfängermodul :-Kanäle Hauptplatine Embedded PC 280 mm x 230 mm x 50 mm Taktmodul Bild 2. Foto der Moduleinheit Empfänger 1 Sender 1 analoge und digitale Signalver- Arbeitung Parameter Embedded PC PCI-Bus Bit Empfangsmultiplexer : Schallfeldsteuerung Netzwerk Empfänger Sender Zwischenbus Bild 3. Schema der Moduleinheit Zwischenbus Systemtakt Taktmodul 200MHz Modul n (max.) Modul 2 Modul 1 Embedded PC Netzwerk Bild 4. Systemaufbau 3

4 Zwischenbus Systemtakt Taktmodul n 200MHz Systemtakt Taktmodul 1 200MHz Modul n (max.) Modul 1 Modul n (max.) Modul 1 Embedded PC Gerät n Embedded PC Gerät 1 Netzwerk Bild 5. Parallelbetrieb COMPAS-XL 1 COMPAS-XL 2 COMPAS-XL n Gigabit-LAN Bild 6. Synchronisation der Sendeimpulse Durch die Trigger- und Synchronisationsfunktionen ist es, wie im Bild 7 gezeigt, ebenfalls möglich, ein Prüfsystem nach dem Prinzip des getakteten Gruppenstrahlers [2] aufzubauen, das gleichzeitig auch die Funktionen eines konventionellen Gruppenstrahlers abdeckt. Damit ist es z.b. möglich, ein zweidimensionales Array in einer Richtung als getakteten Gruppenstrahler mit softwaregesteuertem Schallfeld zu betreiben, während es in der anderen Richtung konventionell mit elektronisch gesteuertem Schallfeld arbeitet. Allerdings müssen dazu alle Module mit dem 200MHz Systemtakt synchronisiert werden, was in diesem speziellen Fall die maximale Anzahl der kombinierbaren Module auf begrenzt. Taktmodul 200MHz Systemtakt Modul 1 Modul 2 Modul Embedded PC Embedded PC Embedded PC Gigabit-LAN Bild 7. COMPAS-XL als getakteter GRST 4

5 2. Modulaufbau 2.1 Analogteil Empfänger Die Grenzwerte der analogen Stufen des COMPAS-XL Prüfsystems werden weitgehend von der Abtastfrequenz der eingesetzten Analog-Digital-Umsetzer (ADU) bestimmt. Sie beträgt 100MHz, da diese Frequenz noch problemlos mit vertretbarem Aufwand beherrschbar ist und den Einsatz preiswerter hochauflösender Bausteine ermöglicht. Die obere Grenzfrequenz des Systems ist auf 20MHz begrenzt, da für eine ausreichende Genauigkeit bei der digitalen Datenverdichtung und Blendenbewertung mit Gleichrichtung und Maxwertbildung die Abtastfrequenz mindestens das Fünffache der maximalen Signalfrequenz betragen sollte. Die untere Grenzfrequenz von 0,35MHz resultiert aus der Notwendigkeit, tieffrequente Störungen und eventuelle Schwingneigungen in Verbindung mit Ultraschallprüfköpfen durch entsprechende analoge Tiefpassfilter auszublenden. Der Verstärkungsbereich wurde so gewählt, dass bei maximaler Verstärkung der Dynamikbereich der ADUs voll ausgenutzt wird. Die Verstärkung kann kanalweise auf Werte von bis zu 36dB eingestellt werden. Über eine zweite Verstärkerstufe wird eine zusätzliche Verstärkung bzw. ein laufzeitabhängiger Tiefenausgleich (TGC) von bis zu 36dB realisiert. Durch den Einsatz von extrem rauscharmen, spannungsgesteuerten Verstärkern (Voltage Gain Amplifier, VGA) beträgt der Signal-Rausch-Abstand von summierten Kanälen ohne zusätzliche digitale Filterung mehr als 60dB. Bei voller Verstärkung von 72dB wird eine geregelte Dynamik von mehr als 98dB erreicht. Die Kanalverzögerung kann für jeden aktiven Kanal im Bereich von 0 bis 20000ns in Schrittweiten von 1ns eingestellt werden. Das ergibt bei einer geforderten Winkelauflösung [5] von 1 und einem Schwenkbereich von ±35 eine Frequenzbandbreite von 0,35 bis 10MHz. Bei einer Prüfkopffrequenz, die der oberen Grenzfrequenz des Systems von 20MHz entspricht, verringert sich die Winkelauflösung auf 2. Die maximale Pixelzahl von ermöglicht in Verbindung mit der Datenverdichtung die Aufzeichnung von Schallwegen im Kilometerbereich, so dass hier die Ultraschallphysik die Grenzen vorgibt. Reine HF-Daten können bei 20MHz Signalfrequenz über einen Bereich von 400mm (Transversalwelle) aufgezeichnet werden Sender Die Sendestufen erzeugen negative Rechteck-Anregungsimpulse mit einer Pulsbreite von 20 bis 2500ns, die in Schritten von 1ns eingestellt werden kann. Damit können Prüfköpfe im Frequenzbereich von 0, bis 20MHz angeregt und der Sendimpuls optimal an die Frequenz des Schwingers angepasst werden. Wegen der regelbaren Sendespannung von bis zu 250V und der damit verbundenen hohen Sendeleistung wird hier auf einen Multiplexer verzichtet, so dass vollwertige Sendestufen auf einer Moduleinheit vorhanden sind. Die Kanalverzögerung kann, wie im Empfangsteil, für jeden aktiven Kanal von 0 bis 20000ns in Schrittweiten von 1ns variiert werden. Die maximale Pulsfolgefrequenz wird durch die Leistung der Sendestufen und die Organisation des Datentransfers auf 20kHz begrenzt. Darüber hinaus lässt die Ultraschallphysik bei maximaler Pulsfolgefrequenz lediglich einen Schallweg von 80mm (Transversalwelle) zu, was die Prüfgeschwindigkeit zusätzlich einschränkt. 5

6 2.2 Digitalteil Wie in den Bildern 8 und 9 gezeigt sind sämtliche digitalen Funktionen zur Schallfeldsteuerung im COMPAS-FPGA untergebracht. Es kommt ein Baustein der Virtex-II Familie von Xilinx zum Einsatz, in dem sich die Funktionseinheiten zur Auswahl der Empfangsund Sendekanäle, zur Steuerung der Empfangsverstärkung und der TGC, zur Generierung der Rechteck-Sendeimpulse, zur Phasensteuerung der ADU-Takte und zur Summierung der Empfangskanäle befinden. Weiterhin enthält er digitale Filterstufen, die Funktionsblöcke zur Datenverdichtung und Zwischenspeicherung der Messdaten und eine für die Kommunikation mit den anderen Slave-Moduleinheiten sowie dem PCI-Interface. Die Rechneranbindung erfolgt über eine Standard-PCI-, die in einem zusätzlichen programmierbaren Baustein, dem Interface-FPGA, implementiert ist. Dieser enthält darüber hinaus noch die Baugruppen zur Triggerung und Synchronisation des Prüfsystems. Ein interner Embedded-PC dient als nbaustein, der über eine Gigabit-Ethernetschnittstelle mit der Außenwelt kommuniziert und darüber hinaus einen autarken Betrieb des Prüfsystems erlaubt. Sendespannung Sendeverstärker Sendeimpulse COMPAS-FPGA Sendeverzögerung [1ns] Sendeimpulsbreite Sendekanalauswahl Empfangskanalauswahl 32 DAU s Empfangsverstärkung Steuerspannungen Takte Empfangsverzögerung [1ns] Empfangsverstärker Empfangs- MUX ADU s 100 MSPS x Empfangsverzögerung [10ns] (FIFO) 12Bit Kanalsummierung Bild 8. Analoge Signalverarbeitung Digitalfilter (IIR 4.Ordnung) Datenverdichtung (Gleichrichtung, Datenspeicher (18Bit, 2x 24kWorte) Kanalsummierung Maxwertbildung, 4 Blenden) Status-, Steuer- & Parameterregister COMPAS-FPGA Master 1x 18Bit Zwischenbus Status-, Steuer- & Kanalsummierung Parameterregister COMPAS-FPGA Slave 1 1x 18Bit Zwischenbus PCI- Interface I²C-Bus (Systemüberwachung) Digital-IO (Triggerung und Synchronisation) Status-, Steuer- & Kanalsummierung Parameterregister COMPAS-FPGA Slave n (max.15) Bild 9. Digitale Signalverarbeitung 6

7 3. Softwareschnittstelle Das Softwarekonzept [1] des COMPAS-XL Prüfsystems basiert auf einer ZEUS-Parameterstruktur. Die Anwendungssoftware kann im Prüfgerät direkt auf die Treiberschnittstelle zugreifen, die ZEUS-Struktur bearbeiten und somit alle Parameter für die Gerätejustierung, den Prüfablauf, dessen Triggerung und die Messdatenaufnahme ändern. Zusätzlich wird die Treiberschnittstelle über eine Serveranwendung auf dem TCP/IP- Protokoll im Netzwerk abgebildet. Der Treiber arbeitet dabei gleichzeitig als Client und stellt, wie im Bild 10 dargestellt, die für ein Einzelgerät auch auf einem externen PC zur Verfügung. Um mehrere COMPAS-XL-Systeme auch in Kombination mit konventioneller Prüftechnik, z.b. dem MODUS-Prüfsystem [6], mit einer Anwendungssoftware bedienen zu können, ist es möglich, die direkt über TCP/IP-Sockets im Netzwerk anzusprechen. Die Messdaten werden ausschließlich im ZEUS-Format [7] als Online-Datenstrom im Netzwerk oder als Datei auf einem Datenträger zur Auswertung zur Verfügung gestellt. Beide nvarianten sowie das Datenformat sind für den Anwender offengelegt und dokumentiert. COMPAS-XL Gerät 1 PC zur Steuerung eines Gerätes UTdriver- UTdriverServer- Anwendung UTdriver- Anwendungssoftware UTzeus- Datei COMPAS-XL Gerät n PC zur Steuerung mehrerer Geräte UTdriver- UTdriverServer- Anwendung Anwendungssoftware UTzeus- Datei Netzwerk Bild 10. Schema der Treiberschnittstelle 4. Zusammenfassung Das Ultraschall-Gruppenstrahlerprüfssystem COMPAS-XL kann durch seine Universalität ein weites Spektrum von Prüfaufgaben in der ZfP mit Ultraschall abdecken. Der modulare Aufbau des Systems ermöglicht die optimale Anpassung an das jeweilige Prüfproblem, wodurch der gerätetechnische wie finanzielle Aufwand begrenzt wird. Durch den Parallelbetrieb und die synchrone Triggerung mehrerer Moduleinheiten bzw. Geräte kann das System als konventioneller Gruppenstrahler, Real-Time-Scanner und als getakteter Gruppenstrahler konfiguriert und eingesetzt werden. Der Kanalzahl sind dabei durch die Erweiterbarkeit, vor allem über die Synchronisation von mehreren Geräteeinheiten, praktisch keine Grenzen gesetzt. Ein Betrieb bei der optimalen Verzögerungsauflösung von 1ns ist allerdings nur bei gleichzeitiger Steuerung von bis zu 256 Gruppenstrahlerkanälen in einer Master-Slave-Konfiguration möglich. Abschließend kann gesagt werden, dass die Spezifikationen des COMPAS-XL z.t. erheblich über die anderer kommerziell erhältlicher Geräte hinaus gehen. Trotzdem unterliegen sie immer noch gewissen Beschränkungen. Diese sind vor allem durch die 100MHz-Abtastung, welche die obere Grenzfrequenz auf 20MHz begrenzt, sowie durch die maximal einstellbare Pulsfolgefrequenz von 20kHz gegeben. Es ist jedoch davon auszugehen, dass angesichts des bereits erwähnten rasanten mikroelektronischen Fortschritts diese Einschränkungen bei einer Weiterentwicklung in naher Zukunft 7

8 überwunden werden können. Wobei das eingangs erwähnte Traumziel eines Universalgerätes, das sämtliche Einsatzgebiete und Applikationen abdeckt, noch für lange Zeit ein Wunschtraum bleiben wird. Insgesamt kann jedoch gesagt werden, dass das Konzept des COMPAS-XL-Prüfsystems mit seinem modularen, skalierbaren Aufbau und der praktisch unbegrenzten Erweiterbarkeit hin zu sehr großen Kanalzahlen einen Meilenstein auf dem Gebiet der Vielkanal-Gruppenstrahlerprüfsysteme für die ZfP gesetzt hat. Dies vor allem mit Hinblick auf zukünftige Applikationen mit zweidimensional gesteuerten Schallfeldern (Matrix- Arrays) oder Linear-Arrays mit mehr als tausend Elementen, wie sie in der Medizintechnik bereits Stand der Technik sind und auf kurz oder lang auch in der ZfP mit Ultraschall Einzug halten werden. Referenzen [1] U. Völz, G. Schenk, H.-J. Montag, W. Spruch Anwendung des ZEUS-Urdatenformats in der Praxis DGZfP Jahrestagung 2007, Poster 54 [2] L. von Bernus, A. Bulavinov, D. Joneit, M. Kröning, K. M. Reddy Der getaktete Gruppenstrahler ein neues Verfahren zur Signalverarbeitung und Bildrekonstruktion in der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung ZfP-Zeitung 102, Dezember 2006, Seite [3] G. Schenk, U. Völz, E. Dohse, L. Bauer COMPAS-XL - Outstanding Number of Channels with a New Phased Array System ECNDT [4] R. Boehm, W. Spruch Phased Array Rotation Scanner Probe System for Ultrasonic Testing of Sleeve Shafts ECNDT [5] H. Wüstenberg, G. Schenk Entwicklungen und Trends bei der Anwendung von steuerbaren Schallfeldern in der ZfP mit Ultraschall DGZfP-Jahrestagung [6] Fa. Büro für Technische Diagnostik Produktbeschreibung der US-Prüfgeräte MODUS & COMPAS-XL [7] Arbeitsgemeinschaft ZfP Ergebnisdaten- und Urdaten-Standardisierung Spezifikation: Strukturierung von Urdaten Version 1.0 vom