Grundprinzip und Systemaufbau
Ein Ultraschall-Prüfgerät erzeugt kurze elektrische Hochspannungsimpulse, speist diese in den Prüfkopf ein, empfängt die reflektierten oder transmittierten Schallsignale und stellt sie auf einem Bildschirm als A-Scan (Amplitude über Zeit) dar. Moderne Geräte sind vollständig digital und verarbeiten die Signale mit schnellen Analog-Digital-Wandlern (ADC) und digitaler Signalverarbeitung (DSP).
Sender (Pulsgenerator)
Der Pulsgenerator erzeugt Nadelimpulse (Spike-Pulser) oder Rechteckpulse (Squarewave-Pulser) mit Spannungen von typischerweise 100–400 V und Pulsbreiten im Nanosekundenbereich. Die Pulsbreite beeinflusst die Bandbreite des angeregten Schallimpulses: Schmalere Impulse erzeugen breitbandigere Schallimpulse mit höherer axialer Auflösung. Die Pulswiederholfrequenz (PRF) bestimmt, wie viele Messungen pro Sekunde durchgeführt werden; sie muss so gewählt sein, dass das Echo des vorherigen Pulses vollständig abgeklungen ist, bevor der nächste Puls gesendet wird (Ghost-Echo-Vermeidung).
Empfänger und Verstärker
Die vom Prüfkopf empfangenen Signale liegen im Mikrovolt- bis Millivoltbereich und werden durch einen rauscharmen Vorverstärker und nachfolgende Verstärkerstufen auf einen auswertbaren Pegel gebracht. Der Verstärkungsbereich beträgt typischerweise 0–100 dB, in 0,1-dB-Schritten einstellbar. Eine Zeitabhängige Verstärkung (TVG/TGC) kompensiert die entfernungsabhängige Dämpfung, sodass Reflektoren gleicher Größe unabhängig von ihrer Tiefe annähernd gleiche Echohöhen liefern.
Zeitbasis und A-Scan-Darstellung
Die Zeitbasis des Geräts definiert den dargestellten Schallweg (Tiefenbereich). Durch Eingabe der Schallgeschwindigkeit des Prüfwerkstoffs wird die Laufzeit in einen Tiefenwert (mm) umgerechnet. Der A-Scan zeigt die Echohöhe (Amplitude) über dem Schallweg. Bewertungshilfen wie Schieber (Gates) markieren den interessierenden Tiefenbereich; ein Alarm wird ausgelöst, wenn ein Echo die eingestellte Schwelle überschreitet. Die Hüllkurven-Darstellung (Envelope) und der Gleichrichter (HF oder Gleichrichtwert) unterstützen die Signalanalyse.
Digitale Geräte und Datenspeicherung
Aktuelle portable Prüfgeräte wie Olympus EPOCH 650, GE Inspection USM 36 oder Krautkrämer USM Go+ verfügen über schnelle ADC (typisch 100–400 MHz Abtastrate), interne Speicher für Prüfprotokolle und A-Scan-Bilder, USB- und Bluetooth-Schnittstellen sowie Datenbankfunktionen für Prüfpunkte. Prüfprotokolle enthalten: Geräteeinstellungen (Verstärkung, Zeitbasis, Prüfkopf, Koppelmittel, Kalibrierblock), Echohöhen-Bewertung und Indikationskoordinaten.
Mehrkanal-Systeme für die automatisierte Prüfung (AUT)
In der automatisierten Ultraschallprüfung (AUT) werden Mehrkanal-Prüfgeräte eingesetzt, die gleichzeitig Dutzende von Prüfköpfen ansteuern. Systeme wie Olympus OmniScan, Zetec TOPAZ oder M2M Gekko nutzen Phased-Array-Technologie (Gruppenstrahlertechnik), bei der ein Array aus Piezoelementen elektronisch gesteuert wird, um den Schallstrahl zu schwenken und zu fokussieren. Dies ermöglicht eine schnelle, flächendeckende Prüfung ohne mechanische Kopfbewegung. C-Scan-Darstellungen (farbkodierte Fehlertiefe oder Amplitude über der Fläche) dokumentieren die Prüfung bildgebend.