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Prüfköpfe nach EN 12668-2 – Einfluss auf die Qualität der Ultraschallprüfung

G. Splitt, U. Schlengermann, GE Inspection Technologies, Hürth

Einleitung Die Norm EN 12668-2 ist Teil der Europäischen Norm zur Charakterisierung und Verifizierung der Ultraschall-Prüfausrüstung zur zerstörungsfreien Werkstoff-prüfung. 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 zwi-schen 0,5 MHz und 15 MHz, fokussierend oder nicht fokussierend. Die Norm nennt Qualitätskriterien, indem sie die zu dokumentierenden Parame-ter und die dafür geltenden Toleranzen festlegt. Jeder Prüfkopf muss eindeutig gekennzeichnet sein, so dass die Arbeitsfrequenz, die Schwingergröße, der Ein-schallwinkel und die Wellenart identifiziert werden können. Zu jedem Prüfkopftyp muss es ein Datenblatt geben, dass die Eigenschaften in Übereinstimmung mit der Norm EN 12668-2 beschreibt. Dabei unterscheidet die Norm zwischen Prüfköpfen, die in großer oder kleiner Anzahl oder für besondere Prüfaufgaben gefertigt werden. Bei großen Stückzah-len muss die Qualität der Prüfköpfe durch ein allgemeines Datenblatt dokumen-tiert 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 wer-den. Die Norm definiert jedoch nicht, was eine große Stückzahl ist, d.h. ab wel-cher 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 mitzulie-fern hat. Insgesamt sind 25 Parameter gemäß der aus EN 12668-2 entnomme-nen Tabelle 1 aufgeführt, von denen jedoch nicht alle für jeden Prüfkopftyp in-frage kommen. Außerdem können Lieferant und Besteller vereinbaren, einige In-formationen auszulassen oder andere Angaben hinzuzufügen, falls dies notwen-dig 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.


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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 12668-1 erfüllen. Es ist dem Hersteller also freigestellt, ein beliebiges Ultra-schallgerät 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 Messer-gebnisse 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


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gleiche Prüfköpfe von verschiedenen Herstellern in Wirklichkeit unterschiedlich sein, wenn nicht das selbe Ultraschallgerät zur Messung der Prüfkopfdaten ver-wendet wurde. Die Norm fordert, dass die Einstellungen des Gerätes notiert wer-den und empfiehlt, die Form des Sendeimpulses aufzuzeichnen und dem Prüfbe-richt hinzuzufügen. Die Norm legt fest, dass die Echospannung direkt an der Senderbuchse des Gerä-tes gemessen wird, also ohne den Verstärker zu verwenden, indem man das Sig-nal 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 zwi-schen 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 Sen-der vor. Viele Ultraschallgeräte haben jedoch schon intern die Möglichkeit, ver-schiedene Dämpfungswiderstände einzustellen. Diese liegen ebenfalls parallel zum Sender. Wenn das Gerät z.B. über einen internen 50-Ohm-Dämpfungs-widerstand 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 Zulässig-keitsgrenzen festgelegt. Damit werden einheitliche Bewertungskriterien für Prüf-köpfe geschaffen, die deren Vergleichbarkeit gewährleisten, solange das Ultra-schallgerät und seine Einstellungen spezifiziert sind. Die Parameter der Norm EN 12668-2 unterscheiden sich sowohl hinsichtlich der Messverfahren als auch der Zulässigkeitsgrenzen zum Teil deutlich von bisher angewendeten nationalen Normen und herstellereigenen Spezifikationen. Bei ei-nigen Parametern, wie Frequenz oder elektrischer Impedanz, sind die Zulässig-keitsgrenzen weiter, bei anderen, wie Bandbreite oder Impulsdauer, dagegen er-heblich enger gefasst bzw. neu eingeführt. Insbesondere zeigt sich, dass die Zu-sammenhänge zwischen Impulsdauer, Bandbreite und Frequenz in den Zulässig-keitsgrenzen nicht kongruent abgebildet werden. Es gelten folgend Toleranzen: Frequenz f: ±10 % Bandbreite BB: ±15 % Impulsdauer T10: ±10 % Wie man leicht sieht (Bild 1), ergibt die Änderung der Frequenz f um ±10 % eine entsprechende Änderung der Impulsdauer T10 von ebenfalls ±10 %. Eine zusätz-liche Toleranz bei der Bandbreite von ±15 % ergibt dann insgesamt eine Variati-


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on der Impulsdauer von –15 % bis +30 % (Bild 2). Dies steht dann im Wider-spruch zu der von der Norm vorgegebenen Toleranz von nur ±10 %.

-1-0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

1,5 2 2,5 3Zeit / µs

rel.

Am

plitu

de A

/Am

ax

Echo mit f = fnenn => T10 = 0,560µsEcho mit f = fnenn + 10% => T10 = 0,504µsEcho mit f = fnenn - 10% => T10 = 0,616µs

T10

Bild 1: Impulsdauer T10 bei 10% Frequenzvariation

-1-0,9-0,8-0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

1

1,5 2 2,5 3Zeit / µs

rel.

Am

plitu

de A

/Am

ax

Echo mit f = fnenn; BBnenn = 50% => T10 = 0,560µsEcho mit f = fnenn + 10%; BB = BBnenn + 15% => T10 = 0,475µsEcho mit f = fnenn - 10%; BB = BBnenn - 15% => T10 = 0,730µs

T10

Bild 2: Impulsdauer T10 bei 10 % Frequenz- und 15 % Bandbreiten-Variation


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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 T10-Grenze um knapp eine halbe Wellenlänge nach links. Da der Wellenzug innerhalb der T10-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 geeigne-tere 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 Kur-ve in Bild 2 wären das etwas mehr als 20 dB und für die rote Kurve etwas weni-ger 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 Spekt-rum die Mittenfrequenz nach EN 12668-2 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 %.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

100 %

+/-10 %

f(EN)=√[ 4,33 MHzf(u)=2,5 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 Prüf-köpfe geändert werden müssen, um die EN 12668-2 zu erfüllen. Damit ist dann – für denselben Prüfkopftyp - das Prüfergebnis anders als bisher, d.h. bei der Be-


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wertung von Reflektoren ist somit die Kontinuität bei der wiederkehrenden Prü-fung 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 12668-2, MWB 45-4 EN, Vorderseite Dabei sind folgende wesentlichen Änderungen gegenüber dem bisherigen Kraut-krämer-Datenblatt zu beachten:

1. Die nach EN 12668-2 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 T10 wird zusätzlich aufgeführt. 4. Die relative Empfindlichkeit Srel wird statt der Verstärkungsreserve einge-

führt. 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.


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Bild 5: Prüfkopfdatenblatt nach EN 12668-2, 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-


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vergenzwinkel, Temperaturbereich und Prüfkopfabmessungen waren schon im-mer Standard in den Prüfkopf–Datenblättern von Krautkrämer. Auf Wunsch kann zusätzlich ein Kalibrierzertifikat erstellt werden, das die indivi-duellen Daten für den einzelnen Prüfkopf dokumentiert. Ebenso kann dieses vier-seitige 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 12668-2 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 Bei-spielen 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


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Zusammenfassung

• Messvorschriften und Toleranzvorgaben der Norm EN 12668-2 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 von-einander 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 Fas-sung ausgeräumt werden.

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