Schichtdickenmessung mit Ultraschall

Zsofia Varga, 04.02.2014

Mit Hilfe des Ultraschallecho-Verfahrens, auch Impuls-Echo-Verfahren genannt, kann die Schichtdicke eines nur einseitig zugänglichen Bauteils bestimmt werden. Aus der Laufzeit des Ultraschallimpulses kann dann auf die Schallgeschwindigkeit geschlossen werden.

Ultraschallprüfverfahren

Bei der Ultraschallprüfung macht man sich die Eigenschaft von Schallwellen zu Nutze, dass diese sich unterschiedlich schnell in verschiedenen Medien ausbreiten. Ein Teil der Wellen wird mit unterschiedlicher Wellenimpedanz an den Grenzflächen reflektiert, der andere Teil breitet sich weiter aus. Je größer die Unterschiede der Impedanz sind, desto größer wird auch der reflektierte Anteil.

Prüfvorgang

Zunächst werden ein Sendeprüfkopf und ein Empfängerprüfkopf senkrecht am Bauteil befestigt. Oft kann ein Prüfkopf gleichzeitig als Sender und Empfänger dienen. Dabei sendet der Sendeprüfkopf kurze Ultraschallimpulse aus. Dahinter entsteht eine Kette an Rückwandechos. Als Ultraschallimpulsreflektoren dienen Fehlstellen, Bauteiloberflächen oder Konstruktionselemente. Die Impulse werden anschließend vom Empfängerprüfkopf wieder aufgenommen. Die Impulslaufzeit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}t\end{array} //]]>$ wird danach ausgewertet und es können Aussagen über Tiefenlage und Ausdehnung der Reflektoren gemacht werden.

Bereits zwischen dem ersten Rückwandecho und dem Sendeimpuls kann eine Wanddickenmessung erfolgen. In die Messung gehen die Dicke der Ankoppelschicht, Anschwingverhalten und Schutzschichtdicke des Prüfkopfes ein. Diese lassen sich aber bei der Auswertung herausjustieren. Je dünner die Schicht, desto eher sollte eine Messung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rückwandechos erfolgen. Bei sehr dünnen Messobjekten sollte ein Vorsatzstück (delay-line) zwischen Aufsatzfläche und Prüfkopf verwendet werden. Dadurch wird die Schichtdicke künstlich verlängert und somit verhindert, dass die Rückwandechofolge vor dem Eintrittsecho des Messkörpers erscheint. Die gesuchten Messwerte $//<![CDATA[ \begin{array}{l}t_v\end{array} //]]>$ (Laufzeit in der Vorlaufstrecke) und $//<![CDATA[ \begin{array}{l}t_w\end{array} //]]>$ (Laufzeit im Werkstück) können einfach am Bildschirm abgelesen werden. Durch dieses Verfahren kann der Abstand zur ersten Grenzschicht ermittelt werden. Ob es sich dabei um das Ende des Bauteiles, eine konstruktive Trennlage oder um einen Riss handelt kann zunächst nicht immer gesagt werden. Dazu bedarf es weiteren Informationen über das Bauteil. Für die Auswertung muss die Ausbreitungsgeschwindigkeit bekannt sein. Die Schallgeschwindigkeiten verschiedenster Werkstoffe sind tabelliert.

In der Praxis wird dieses Verfahren zur Dickenmessung von Wänden, Estrichen auf schlecht schallleitenden Trennschichten und Sohlplatten mit grundwasserdichtender Funktion herangezogen. Besonders gut eignet sich das Ultraschallecho-Verfahren bei dichten, homogenen Werkstoffen wie Beton oder gebrannten Steinen.

Entfaltung

Sehr dünne Lackschichten auf Beton, Holz, Glas oder Kunststoff in dem Größenbereich 8-100 $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\mu m\end{array} //]]>$ können mit den herkömmlichen Verfahren nicht bestimmt werden. Die reflektierten Schallanteile sind nicht mehr als einzelne Echos erkennbar, sondern verlaufen ineinander. Eine Auswertung ist weder mit dem Auge noch mit elektronischen Schaltungen möglich. Deshalb verwendet man hier die Signalverarbeitungstechnik Entfaltung. Bei der Entfaltung wird ein Delay-Line-Prüfkopf benutzt. Dieser enthält in der Vorlaufstrecke eine Folie, die dünner als die zu messende Schicht ist. Die Echofolgen aus der Prüfschicht werden anschließend mit den Echofolgen der Folie verglichen.

Literatur

• Deutsch, V.; Platte, M.; Manfred, V. (Hersg.): Ultraschallprüfung. Springer-Verlag. Berlin, 1997.
• Große, C. U. (Hersg.): Grundlagen der zerstörungsfreien Prüfung. München, 2013.
• Krautkrämer, K. (Hersg.): Werkstoffprüfung mit Ultraschall. Springer-Verlag. Berlin, 1986.