DE2339496A1

DE2339496A1 - Schneller phasenmesser

Info

Publication number: DE2339496A1
Application number: DE19732339496
Authority: DE
Inventors: Bernard Audenard; Michel Pigeon; Claude Stach
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1972-08-03
Filing date: 1973-08-03
Publication date: 1974-02-14
Also published as: DE2339496C2; GB1427604A; FR2194971A1; US3864638A; IT991939B; FR2194971B1

Description

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410-21.196P 3. 8. 1973

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Schneller Phasenmesser

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen sdinellen Phasenmesser, der in Steuereinrichtungen zur Auslösung eines Warnsignals abhängig vom Betrag (Absolutwert) und von der Phase eines Impulses bei Geräten zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung verwendet werden kann, und insbesondere bei Geräten, die mit Wirbelströmen arbeiten und eine Erfassung von immer kleineren Fehlern in Materialien und insbesondere von Fehlern in Röhren bzw. Rohren erlauben.

Es ist bereits ein Erf as sung s verfahr en bekannt (FR-PS 1 588 827),

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410-(B4632.3)-Ko-r (8)

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bei dem ein periodisches Signal abgetastet wird, um einerseits bei jedem Nulldurchgang eines Bezugssignales mindestens eine der ansteigenden oder abfallenden Flanken von dessen Amplitude und andererseits bei jedem Durchgang des Bezugssignales durch mindestens einen der positiven und negativen Extremwerte seiner Amplitude zu untersuchen, was zwei Folgen von aufeinanderfolgenden Abtastsignalen ergibt, die aufeinanderfolgende Werte der Komponenten des zu untersuchenden periodischen Signales in Phase mit und um 90 phasenverschoben zu dem Bezugssignal darstellen.

In derselben Druckschrift weist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mindestens eine Abtastschaltung auf, in die das zu untersuchende periodische Signal eingespeist wird und die im wesentlichen aus einem Speicher-Verstärker, einem Speicher-Ein-Aus-Schalter und mindestens einem Impulsformer besteht, in den das Bezugssignal eingespeist wird, der mit dem Ein-Aus-Schalter verbunden ist und Abtastschlußimpulse kurzer Dauer bei jedem Nulldurqhgang des Bezugssignales bei mindestens einem Ansteigen oder Abfallen seiner Amplitude und bei mindestens einem positiven oder negativen Extremwert seiner Amplitude liefert.

Das beschriebene Verfahren und die erläuterte Erfassungsschaltung werden bei Vorrichtungen angewendet, die zur Messung der Komponenten eines periodischen Signales in Phase und um 90 phasenverschoben hinsichtlich eines Bezugssignales derselben Frequenz bestimmt sind. Es ist bei einer zerstörungsfreien Versuchsvorrichtung mit Wirbelströmen beispielsweise auch schon ein Verfahren diskutiert worden,

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das deutlich die Auflösung verbessert und in einer Speisung zweier Spulen (oder Sonden) über einen Oszillator besteht, die in differentieller Weise in den benachbarten Zweigen einer abgeglichenen Brücke vorgesehen sind, und wobei dem durch die Brücke gelieferten Signal in den beiden Erfassungskanälen zwei Signale in Phase und um 90 phasenverschoben überlagert werden, die von einem 90 -Phasenschieber (FR-PS 1 585 061) erzeugt und aus dem in die Spulen (oder Sonden) eingespeisten Signal geformt werden, was so ein Bezugssignal ergibt. Die durch die Erfassungskanäle gelieferten Signale werden in horizontale und vertikale Ablenkkanäle eines Oszilloskops eingespeist , auf dem sich eine Lissajous-Figur bildet, deren Form das durch die Brücke gelieferte Signal kennzeichnet, wenn eine fehlerhafte Stelle im Prüfling nachgewiesen wird.

Dieselbe Analyse kann auch mittels einer Vorrichtung durchgeführt werden, die über das durch das in die Spulen eingespeiste Signal gebildete Bezugssignal eine direkte und änderungsfreie Abnahme der Komponenten des untersuchten Signales in Phase und um 90 phasenverschoben gestatten, was aufgrund des oben erwähnten Erfassungsverfahrens möglich ist. Darüber hinaus kann die Frequenz der Analyse in einem weiten Bereich kontinuierlich gewählt sein, was eine kontinuierliche Analyse des Prüflings in der Tiefe ermöglicht. Schließlich kann durch Drehung der Auftreffebene in bezug auf die XOY-Bezugsachsen des Oszilloskops ein in einer beliebigen Phase auftretender Parameter dargestellt werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von einem

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zu analysierenden Fehlersignal (V *f), das von einem bereits diskutierten Gerät zur Werkstoffprüfung mit Wirbelströmen erzeugt wird, und ausgehend von einem Bezugssignal (V ref), das vom Oszillator des gleichen Gerätes geliefert wird, in einem Phasenmesser ein analoges Signal zu erzeugen, dessen Amplitude proportional zur Phasendifferenz zwischen diesen beiden periodischen Signalen in einem Bereich zwischen + 180 und -180 ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Rampenoder Stufensignalerzeuger, der durch ein geformtes Bezugssignal (V ref) gesteuert ist, einen ersten und zweiten Abtastspeicher, die das Stufensignal abtasten, eine Logikeinrichtung für den Richtung ssiun, die durch das Bezugssignal und das zu analysierende geformte Signal (V f) gesteuert ist und zwei Steuersignale der Abtastspeicher und ein logisches Signal für den Richtungssinn der Phasenverschiebung liefert, ein Glied für die Änderung des Vorzeichens, das durch die Logikeinrichtung für den Richtungssinn und den zweiten Abtastspeicher gesteuert ist, um ein analoges Signal (V = ΐ k ^P) zu liefern, das nach Ablauf einer Sinusperiode den Wert und das Vorzeichen der Phasenverschiebung zwischen dem Bezugssignal (V ref) und dem zu analysierenden Signal (V ^) angibt, und ein analoges Gatter, das durch das analoge Signal und ein Steuersignal des Extremwertes des Betrags des zu analysierenden Signales gesteuert ist, um das Ausgangssignal zu sperren, wenn der Betrag kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.

Gemäß der Erfindung weist der Phasenmesser einen Stufensignalgenerator vom Ursprung 0 auf eine konstante Spannung für eine HaIb-

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periode (Jt ) des Bezugssignales (V ref) auf, unabhängig von der Frequenz der Analyse. Es wird so auf der vertikalen Achse, auf der die Spannung aufgetragen ist, der lineare Wert erhalten, der einen Winkel zwischen 0 und 5Γ auf der Abszisse darstellt.

Das Stufensignal wird von dem Bezugs signal (V ref) erhalten, das beim Durchgang durch "0" von der Sinuskurve erfaßt und durch einen schnellen und genauen Vergleicher geformt wird. Dieser Vergleicher triggert während einer Halbperiode die Erzeugung eines Stufensignales, dessen Amplitude durch einen Vergleicher mit veränderlichem Koeffizienten gesteuert ist, der die Höhe des Stufensignals steuert.

Das zu analysierende Signal V ψ (phasenverschoben) wird durch einen Vergleicher geformt, der zum Vergleicher des Bezugssignales identisch ist, und tastet dann das Stufensignal während seiner Halbperiode ab. Es wird also unabhängig vom Vorzeichen der Phasenverschiebung eine Überlappung der Halbperioden erhalten, die eine vom Stufensignal, die andere von der öffnung der Abtasteinrichtung, so daß eine die Phase darstellende Gleichspannung am Ausgang der Abtasteinrichtung auftritt.

Während das Stufensignal während einer Phase von 180 erzeugt wird, ist es zur Erzielung einer Phase bis zu 360 erforderlich, ein Vorzeichen dem abgetasteten Wert beizufügen, um ί 180 zu erhalten.

Eine auf dem Lesen der komplementären Zustände oder nicht auf

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dem Zeitpunkt von 0 oder 180 der Eingangs signale beruhende Logikeinrichtung erlaubt in einer Vorzeichenumkehrschaltung die Erzeugung eines analogen Signales, das proportional zur Phase der Anomalie im Bereich von + 180 ist.

Das durch den Extremwert des Betrages des Signales V "f gesteuerte analoge Gatter oder Glied liefert ein analoges Signal, wenn das zu analysierende Signal größer als ein bestimmter Wert ist. Dieses Signal kann in einer Steuereinrichtung zur Auslösung eines Warnsignales verwendet werden, die in Geräten zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Wirbelströmen vorgesehen ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Grundschaltbild des erfindungsgemäßen Phasenmessers,

Fig. 2 Zeitdiagramme zur Erläuterung des Betriebs des Phasenmessers ,

Fig. 3 ein Grundschaltbild eines Generators für Rampen- oder Stufensignale konstanter Amplitude für den Phasenmesser,

Fig. 4 das Grundprinzip einer Logikeinrichtung für den Richtungssinn des Phasenmessers, und

Fig. 5 das Grundprinzip einer Vorzeichenumkehrschaltung des Phasenmessers.

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In der Fig. 1 werden ein Bezugssignal V ref und ein zu analysierendes Signal V ψ in die Eingänge des erfindungsgemäßen Phasenmessers eingespeist. Diese Signale werden zunächst in einer nicht dargestellten Grundschaltung verarbeitet, die im allgemeinen in Geräten zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Wirbelstrom^ vorgesehen und beispielsweise in der FR-PS 1 588 827 beschrieben ist.

In der Fig. 1 wird das Bezugssignal V ref durch einen Nulldurchgang-Detektor oder eine Erfassungsschaltung 11 geformt. Das Signal S , das dem Ausgangssignal der Schaltung 11 entspricht, wird einerseits in einen Stufensignalerzeuger 13 und andererseits in einen Eingang einer Logikeinrichtung 14 für den Richtungssinn eingespeist.

Der Stufensignalgenerator 13, der näher anhand der Fig. 3 erläutert ist, verwendet einen Operationsverstärker 31, der im Stufensignalgenerator vorgesehen ist, d. h. eine integrierte Schaltung. Ein Rückkopplungskondensator 32 des Verstärkers 31 ist über einen Feldeffekttransistor 33 kurzgeschlossen, der während einer Halbperiode durch das Signal V ref gesteuert ist. Während der Öffnungsdauer lädt sich der Kondensator 32 mit einem Gleichstrom über einen Widerstand 34 auf. Das Signal wird nach einem Durchgang durch einen Extremwertdetektor 35 in einem Vergleicher 36 mit einem einstellbaren Gleichstromsignal verglichen, das die Höhe des Stufensignales festlegt. Dieses Gleichstromsignal kann mittels einer gemeinsamen Einspeisung in den Vergleicher und mittels eines Potentiometers 37 erhalten werden. Das am Ausgang des Vergleichers 36 auftretende Fehlersignal wird über einen Widerstand 38 zum Eingang des Verstärkers 31 rückgeführt,

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so daß die Erhöhung oder Verringerung des Extremwertes des Stufensignales die Amplitude des Stuf ens ignales auf den Wert des durch das Potentiometer 37 einstellbaren Gleichstromsignales zurückführt. Wenn das Veränderungsverhältnis der Frequenz größer als 1 bis 10 wird, dann wird eine Umstellung des Kondensators 32 erforderlich.

Auf diese Weise erzeugt der Stufensignalgenerator 31 ein Sägezahnsignal S3 (Fig. 3b), dessen Amplitude konstant und einstellbar bleibt. Es besitzt die gleiche Periode wie das Bezugssignal mit einer zur Halbperiode dieses Signales gleichen Zeitdauer.

Die Logikeinrichtung 14 (Fig. l) für den Richtungssinn ist in der Fig. 4 näher dargestellt. Sie weist auf zwei getrennte Schaltungen, um einerseits ein logisches Signal S5 für das Vorzeichen der Phasenverschiebung und andererseits Steuerabtastsignale S4 und S4a zu erzeugen .

Die erste Schaltung, die in der Fig. 4a dargestellt ist, verwendet ein Flipflop D (Kippschaltung), die an ihrem Ausgang Q einen Zustand "0" oder "1" entsprechend zu ihrem Eingang d annimmt, in den das Signal S2 eingespeist wird, das aus der Umformung des zu analysierenden Signales V *P durch das Glied 12 entsteht, und somit läuft das Signal Sl auf dem Pegel "1" zum Eingang H. Das in der Fig. 4a 1 dargestellte Diagramm zeigt, daß für eine Phasenverzögerung des Signales Vf das Flipflop D im Zustand "1" ist; und es ist im Zustand "0" (Fig. 4a2), wenn es in seiner Phase voreilt. Eine Umschaltung der Ausgänge des Flipflops D ergibt ein Bezugssignal S5 =

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(Ausgang an der Klemme Q , komplementär zu Q) gegen die Schaltung zur Änderung des Vorzeichens (Fig. 1) oder erlaubt eine Phasenverschiebung von 180 am einen Eingang Q des Flipflops C (Fig. 4b).

Die zweite in der Fig. 4b dargestellte Schaltung der Logikeinrichtung für den Richtungssinn (Fig. 1) verwendet logische Glieder für exklusives ODER, deren Zustandstabelle in der Fig. 4b gezeigt ist. Das erste Glied C ergibt ein Komplement oder eine Negation S4a für Q=I (Ausgangssignal des vorhergehenden Gliedes) und ein direktes Ausgangssignal S4 für Q = O. Die beiden folgenden Glieder C und C werden lediglich zur Erzeugung einer Verzögerung verwendet, so daß der Speicher der Abtasteinrichtung 16 unterbrochen ist, bevor die Abtasteinrichtung 15 verfügbar ist. Das Glied C ist spiegelbildlich aufgebaut.

Der Zustand der Glieder während des Betriebs ablauf es ist in der Fig. 4b dargestellt:

Eingänge C	Ausgang C Eingang der ersten Abtasteinrichtung 15	Ausgang C Eingang der zweiten Abtasteinrichtung 16
Q = 1 -γ positiv	komplementäres Signal	direktes Signal
Q = O *P negativ	direktes Signal	komplem entäres Signal

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Die Schaltung 17 für die Änderung des Vorzeichens (Fig. 1) ist näher in der Fig. 5 dargestellt. Sie verwendet einen als Addierer (Fig. 5) arbeitenden Operationsverstärker 51 und dient zur Wiederherstellung des Wertes und des Vorzeichens der Phasenverschiebung des zu analysierenden Signales V -f . Wenn das Signal V ψ vor dem Bezugssignal V ref ist, dann beträgt der Spannungswert des Signales S7 am Ausgang der zweiten Abtasteinrichtung 16 (Fig. l) A = k (180 - ^), und A = k ψ für eine Verzögerung.

Das Signal S7 wird in den negativen oder invertierenden Eingang eingespeist, während die der Höhe des Stufensignales (180 ) entsprechende Spannung in den positiven (nicht invertierenden) Eingang eingespeist wird, der mit einem Transistor 52 verbunden und durch das Signal S5 von der Logikeinrichtung für den Richtungssinn (Glied 14 in Fig. 1) auf die folgende Weise steuerbar ist:

Wenn das Signal auf dem Pegel "1" ist, dann ist der Transistor 52 geschlossen und schließt den positiven Eingang des Verstärkers 51 kurz, der an seinem Ausgang eine Spannung V = -kf liefert.

Wenn das Signal auf dem Pegel "0" ist, dann ist der Transistor 52 gesperrt und der Verstärker 51 liefert als Ausgangssignal:

V = k (180° - f) + k.l80° = + kf

Das Vorzeichen des Signales V *P wird also durch die Vorzeichenumkehrschaltung 17 (Fig. 1) durch das Signal S8 wiederhergestellt, wie dies durch die Figuren 5b und 5c dargestellt ist.

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Das Signal V f wird auf gleiche Weise am Eingang der Schaltung der Fig. 1 durch einen Detektor 19 für den Betrag (Absolutwert) gesteuert, der den Extremwert (Maximalwert) des zu analysierenden Signales erfaßt. Die Schaltung 19 liefert ein Signal S9, das vom Schwellenwert des Betrages des Signales V "f abhängt.

Die beiden Signale S8 und S9 werden in ein analoges Glied eingespeist, das das Ausgangssignal SlO sperrt, wenn der Betrag des zu analysierenden Signales V¹P kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.

Der Betrieb des erfindungsgemäßen Phasenmessers ist in Zeitdiagrammen in der Fig. 2 gezeigt. Die dargestellten Kurven zeigen eine zu analysierende Spannung, deren Phase entweder verzögert ist (linke Spalte der Fig. 2) oder deren Phase voreilt (rechte Spalte der Fig. 2), Weiterhin sind alle Kurven der linken Spalte für ein Ausgangs signal S5 der Logikeinrichtung für den Richtungssinn (Fig. 1 und 4) im Zustand "1" und alle Kurven der rechten Spalte mit S5 im Zustand ¹¹O" dargestellt .

Die Kurven a stellen das Bezugssignal V ref am Eingang des erfindungsgemäßen Phasenmessers dar, und zwar so wie es von einer nicht dargestellten Grundschaltung erzeugt wird, die im allgemeinen bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels Wirbelströmen verwendet wird. Dasselbe gilt für das Bezugszeichen c für das zu analysierende Signal V <P .

Die Kurven b und d stellen jeweils die Signale S und S dar,

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entsprechend zu V ref und V «f , nach der Formung in den Gliedern 11 und 12 der Fig. 1 und nach der Einspeisung in den Eingang der Logikeinrichtung für den Richtungssinn.

Die Kurven e entsprechen den Sägezahnsignalen S3, die durch den Stufensignalgenerator der Figuren 1 und 3 erzeugt und in die erste Abtasteinrichtung eingespeist werden. Die Kurven f stellen die Form des Steuersignales S4 der Abtasteinrichtungen dar: Die schraffierten Teile entsprechen der Sperrung der ersten Abtasteinrichtung. Die Signale S6 und S7 (Kurven g und h) entsprechen jeweils den Ausgangssignalen der ersten und zweiten Abtasteinrichtung. Die Kurven i entsprechen dem analogen Signal (S8) entsprechend zu dem zu analysierenden Signal Vψ mit einer Wiederherstellung des Vorzeichens in einem Bereich von i 180°.

Das Flipflop 18 (Fig. l) hat Eingänge, die gesteuert sind durch Signale S9, die den Extremwert des Betrages darstellen, und durch Signale S8 für den Wert und das Vorzeichen der Phasenverschiebung. Es ist bei "0" gesperrt, wenn das zu analysierende Signal V $ noch keine ausreichende Amplitude erreicht hat.

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Claims

Patentansprüche

1- Schneller Phasenmesser, gekennzeichnet durch

einen Rampen- oder Stufensignalerzeuger (13), der durch ein geformtes Bezugssignal (V ref) gesteuert ist, einen ersten und zweiten Abtastspeicher (15, 16), die das Stufensignal abtasten,

eine Logikeinrichtung (14) für den Richtungssinn, die durch das Bezugssignal und das zu analysierende geformte Signal (V ψ ) gesteuert ist und zwei Steuersignale der Abtastspeicher (15, 16) und ein logisches Signal für den Richtungssinn der Phasenverschiebung liefert,

ein Glied (17) für die Änderung des Vorzeichens, das durch die Logikeinrichtung (14) für den Richtungssinn und den zweiten Abtastspeicher (16) gesteuert ist, um ein analoges Signal (V = t k ψ ) zu liefern, das nach Ablauf einer Sinusperiode den Wert und das Vorzeichen der Phasenverschiebung zwischen dem Bezugssignal (V ref) und dem zu analysierenden Signal (V ¹P ) angibt, und

ein analoges Gatter, das durch das analoge Signal und ein Steuersignal des Extremwertes des Betrags des zu analysierenden Signals gesteuert ist, um das Ausgangssignal zu sperren, wenn der Betrag kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.

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2. Phasenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rampen- oder Stufensignalgenerator (13) ein integrierter Operationsverstärker (31) ist, der ein Sägezahnsignal konstanter Amplitude erzeugt, das mit der gleichen Periode wie das Bezugssignal einstellbar ist und eine Zeitdauer aufweist, die einer Halbperiode dieses Signales entspricht.
3. Phasenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sägezahnsignal im eisten Abtastspeicher (15) während einer Zeitdauer abgetastet wird, die der Phasenverschiebung entspricht.
4. Phasenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinrichtung (14) für den Richtungssinn ein erstes Flipflop (D) zur Erzeugung eines logischen Signales für das Vorzeichen der Phasenverschiebung und ein zweites exklusives ODER-Glied zur Erzeugung eines direkten oder komplementären Signales abhängig vom Vorzeichen der Phasenverschiebung aufweist, das in den Eingang des zweiten Gliedes eingespeist wird.
5. Phasenmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das komplementäre Signal des direkten Signals den zweiten Abtastspeicher (16) während der Zeitdauer der geschlossenen Stellung des ersten Abtastspeichers (15) steuert.
6. Phasenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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die Schaltung zur Änderung des Vorzeichens ein als Addierer geschalteter Operationsverstärker (51) ist, wobei ein negativer Eingang durch eine Gleichspannung gesteuert ist, die vom zweiten Abtastspeicher (16) erzeugt wird, und wobei ein positiver Eingang durch einen Transistor gesteuert ist, der das Signal der Phasenverschiebung vor der Logikeinrichtung (14) für den Richtungssinn empfängt.
7. Phasenmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor gesättigt ist und den positiven Eingang des Verstärkers (31) kurzschließt, wenn er durch ein Signal der Phasenverschiebung im ¹¹I"-Zustand angesteuert ist, wobei der Verstärker dann eine Spannung V = -k f liefert.
8. Phasenmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor gesperrt ist, wenn er durch ein Signal der Phasenverschiebung im "Null"-Zustand angesteuert ist, wobei der Verstärker dann eine Spannung V = +kf liefert.

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