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Phased Array Ultraschall

Zerstörungsfreie Prüfung mit Phased Array Ultraschall (PAUT)

Die Phased Array Ultraschall Technologie oder auch Gruppenstrahlertechnik kennt man im Alltag wohl am ehesten aus der medizinischen Diagnose. So werden Phased Array Sensoren z.B. bei der Ultraschalluntersuchung innerer Organe oder auch in der Schwangerschaft genutzt. Hier erzeugt das Prüfgerät mit entsprechender Software und einem sog. Multieelementprüfköpf hochauflösende Querschnittsbilder des Körpers. Die Organe können mit dem Ultraschallsensor unter verschiedenen Einschallwinkeln und -tiefen betrachten werden. Die Beschaffenheit des menschlichen Körpers eignet sich mit seinem hohen Wasseranteil ideal für die Ultraschallprüfung und ermöglicht eine relativ leichte Durchschallung und Analyse.

Auch in der Industrie wird seit einigen Jahren verstärkt auf die Phased Array Ultraschalltechnik gesetzt. Im Gegensatz zu dem menschlichen Körper ist der Einsatz der Phased Array Technologie hier jedoch deutlich komplexer. Dies liegt daran, dass die zu prüfenden Materialien (z.B. Metalle, Verbundstoffe, CFK) unterschiedliche akustische Eigenschaften, Geometrien und Dicken besitzen, und zudem weniger leicht zu durchschallen sind. Es werden Volumenfehler und Schweißnähte untersucht, Wanddicken gemessen und Materialien auf Korrosion geprüft.

Was bedeutet Phased Array?

Bei der konventionellen Ultraschallprüfung werden Standard Prüfköpfe oder SE-Prüfköpfe genutzt. Standardprüfköpfe arbeiten mit einem Schwingerelement, welches Ultraschallimpulse versendet und auch empfängt. SE-Prüfköpfe besitzen zwei Elemente – einen Sender- sowie einen Empfänge – wodurch sog. Totzeiten vermieden werden.

Um ein Array mit konventionellen Prüfköpfen zu erzeugen, werden diese z.B. linear oder clusterförmig angeordnet. Hierdurch kann gleichzeitig eine größere Fläche oder auch gleichzeitig unter verschiedenen Winkeln geprüft und dadurch die Prüfdauer reduziert werden. Ein Applikationsbeispiel ist das PROline Rohrprüfsystem, welches für die Fa. TÜV Nord Material Testing entwickelt wurde. Es arbeitet mit einer clusterförmigen Prüfkopfanordnung und konnte so die Prüfdauer im Vergleich zur vorherigen Ultraschallprüfung halbieren.

Cluster-Prüfkopf auf einem Rohr

Abbildung: PROline Rohrprüfsystem mit clusterförmigen Prüfkopfanordnung

Ein Phased Array Prüfkopf ist vereinfacht eine Zusammenfassung solch einzelner Prüfköpfe bzw. Elemente in einem Gehäuse – nur sind diese Elemente viel kleiner als ein normaler Prüfkopf. In einem Phased Array Prüfkopf sind 16 bis zu 256 kleine Schwingerelemente verbaut, welche einzeln angeregt bzw. getaktet werden können. Sie können als Linien-Array (Streifen), als 2D Matrix, als Ring-Array oder in einer komplexen beliebigen Form angeordnet sein.

Durch die elektronische Aktivierung bzw. Steuerung der einzelnen Elemente werden lenkbare Wellenfronten erzeugt, wodurch Prüfbereiche flexibel, schnell und ohne Sensorbewegung abgetastet werden können. Man kann sich einen lenkbaren Strahl vorstellen, der durch das Material geführt wird.

Funktion Phased Array Prüfkopf

Abbildung: Darstellung der Einschallung mit einem Phased Array Prüfkopf: links: senkrechte Einschallung; rechts: Einschallung unter einem Winkel durch verzögerte Ansteueurng der Elemente

Um senkrecht in das Material einzuschallen werden alle vier Elemente gleichartig angesteuert. Dadurch verläuft die Wellenfront senkrecht durch das Material.
Um unter einem bestimmten Winkel einzuschallen, werden die Elemente von links nach rechts verzögert angesteuert. Dadurch wandert die Wellenfront schräg durch das Material. So kann ohne Winkelprüfkopf flexibel unter diversen Winkeln in das Material geprüft werden.

Die Vorteile der Phased Array Technologie

Der Vorteil der Phased Array Technologie gegenüber der konventionellen Ultraschalltechnik liegt in der elektronischen Schallbündelsteuerung und Fokussierung der vielen Einzelelemente.

  • Sie werden dynamisch angesteuert, sodass jeder Prüfpunkt des Bauteils auch bei komplexen Geometrien optimal durchschallt wird. So wird die Schallbündelform und -größe an die zu erwartende Fehlerstelle angepasst.
  • Die elektronische Fokussierung des Schallbündels in verschiedenen Tiefen ermöglicht bei der Volumenprüfung eine bessere Größenbestimmung von Fehlstellen.
  • Durch einen sog. Sektorscan kann das Bauteil in einem Durchgang unter verschiedenen Winkeln geprüft werden.
  • Auch für beschränkt zugängliche Prüfobjekte ist die Phased Array Technologie durch die Fähigkeit der Änderung des Einschallwinkels ohne Bewegen des Prüfkopfes bestens geeignet.
  • Durch den Ersatz von Mechanik durch Elektronik wird der Verschleiß reduziert
  • Hohe Reproduzierbarkeit durch die digitale Speicherung der Einstelldaten und dadurch Minimierung von mechanischen Einstellungen.
  • Diese technischen Features erhöhen nicht nur die Wahrscheinlichkeit der Fehlerauffindung, sondern beschleunigen auch den Prüfvorgang.