DE2625162B2 - UltraschaU-Impulsechoverfahren zur Bestimmung der Abmessungen, insbesondere der Wanddicke, von Prüfstücken und Schaltvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens - Google Patents
UltraschaU-Impulsechoverfahren zur Bestimmung der Abmessungen, insbesondere der Wanddicke, von Prüfstücken und Schaltvorrichtung zur Ausführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Impulsechoprüfverfahren
zur Bestimmung der Abmessungen, insbesondere der Wanddicke, von Prüfstücken aus der
Impulslaufzeit.
Es ist an sich bekannt, die Wandstärke vom Prüfstücken unter Einsatz der Folgefrequenz der
Impulse zu messen, die sich selbst steuern, wobei das Echo eines Impulses den nächsten Impuls auslöst und
aus der reziproken Laufzeit des Impulses im Prüfstück und durch Vergleich mit einem Normalfrequenzgenerator
die Laufzeit sich ergibt. Zwar kann die Frequenzmessung mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden, die
Schwierigkeit liegt aber in einem unvermeidlichen Nullpunktsfehler des Sendeimpulses, so daß die
Folgefrequenz regelmäßig zu niedrig bestimmt wird und die Dämpfung des Prüfkopfquarzes das Meßergebnis
nachteilig beeinflußt, vgl. z. B. Krautkrämer: »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, Springer-Verlag,
Berlin etc., 1966, Seite 224 ff.
Es ist zwar bereits ein Verfahren bekannt, die Dicke eines Prüfstückes mit Hilfe von Ultraschall zu
bestimmen. Auch hier wird ein Ultraschallimpuls an der Oberfläche in das Prüfstück eingeschallt und die hier
gebildeten Echoimpulse werden empfangen. Hierbei kann auch ein bestimmter, z. B. der zweite Echoimpuls
zur Messung herangezogen werden, wobei eine Spitzenamplitude mit einem vorbestimmten Wert
verglichen werden kann. Man kann auch Mehrfachechos bei der Messung berücksichtigen und auswerten.
Allerdings liegt dem bekannten Verfahren eine abweichende Aufgabe zugrunde, bei einem sonst schwierig
ausmeßbaren Prüfstück das Dickenmeßverfahren auszuführen, nämlich bei einem bewegten mehrschichtigen
Bauteil. Von den zwei, den Suchimpulsen zugeordneten Eigenschaften ist eine Eigenschaft eine Pegelgröße bzw.
die Minimalamplitude, ferner soll durch schaltungstechnische Mittel möglich werden, Ein- und Ausgangssignale
besser voneinander zu unterscheiden. Es kommt auch darauf an, das Eintrittsechosignal, das ja das bekannte,
unerwünschte Sendersignal ist, von einem echten Meßsignal, besonders vom ersten Echoimpulssignal
feiner zu trennen. Das bekannte Verfahren dient im einzelnen zum Ausmessen von Polyäthylenkabeln,
dessen innerer Mantel Oberflächenunregelmäßigkeit aufweist Wenn auch beim bekannten Verfahren
elektrische Bauteile und Kreise verwendet werden, wie Zähler, Logikkreise, Tore oder Flip-Flop-Kreise, so sind
diese doch für ein anderartiges Meßverfahren zusannmengeschaltet.
Ein Digitaibauteil wird z. B. lediglich als Digitalanalogwandler verwendet, im Ausgang der
Baustufe ist also ein analoger Wert gewünscht. Die Empfängerlogikschaltung ist auf bei vorliegender
Erfindung nicht interessierende Parameter eingestellt, z. B. auf die sogenannte Fensterbreite, auf eine
Mindestzeitdauer eines zweiten Echoimpulses bzw. zwischen dem ersten und zweiten Echo ist ein
Mindestzeitintervall von 200 ns vorgesehen, so daß die Empfängerschaltung untypisch für die Messung an sich
beliebiger Dicken mit Ultraschall ist. Das bekannte Prüfstück bedarf besonderer Mittel, um die akustische
Impendanz anzupassen, da der Polyäthylenmantel mal heiß ist, mal in einem Kühitrog gekühlt werden muß.
Hierzu ist ein besonderer Aufwand für eine Triggerschaltung mit mindestens vier Röhren oder Transistoren
erforderlich. Die bekannten Zähler arbeiten lediglich in Abhängigkeit dieser Fensterbreite, die auf die Regelwerte des bekannten Prüfstückes, nämlich Ummantelungen
in der Größenordnung von nur 0,5 mm, ausgelegt sind. Das bekannte Verfahren (DT-AS
23 34 167) betrifft somit nicht ein Ultraschalldickenmeßverfahren
zur Ausmessung an sich beliebig dicker Prüfstücke, bei der ganz überwiegend digital arbeitende
Meßwertanzeiger benutzt werden. Ferner ist der meßtechnische Aufwand der Schaltung nach wie vor
groß. Ferner gilt auch hier, daß, wenn Analogkre'se zur Bestimmung der Wanddicke herangezogen werden, ein
Konstantspannungsgenerator und ein Video- bzw. Sägezahngenerator jedenfalls dann verwendet werden
muß, wenn Prüfstücke beliebiger Dicke ausgemessen werden sollen. Aber gerade hier ist es schwierig, die
lineare Form der Sägezahnamplitude im Laufe des Betriebes wegen der sich ändernden Temperatur und
wegen des Alterns der elektronischen Bauteile konstant zu halten.
Ferner ist bekannt, bei einem Dickenmeßverfahren mit Ultraschall die Dicke aus der Laufzeit zwischen
Eintrittsecho und z. B. dem Rückwandecho auszumessen, wobei zum Schaltkreis ein Flip-Flop, ein Tor, ein
Sägezahngenerator und ein monostabiler Multivibrator gehören. Das bekannte Verfahren bezweckt jedoch, den
Sollwert übersteigende Fehlablesungen zu unterdrükken, ebenfalls die auf Mehrfachechos zurückgehenden
Störsignale. Dementsprechend werden die Steuersignale, die auf Ultraschalleintrittssignal und Rückwandecho
zurückgehen, für eine Amplitudenanzeige (Spannungspegel eines Kondensators) ausgenutzt und dienen nicht
dazu, mehrere Digitalkreise zu beeinflussen (US-PS 35 54 013).
Ein bekanntes Verfahren, die Sägezahnform herzustellen, besteht darin, eine Kapazität mit Gleichspannung
während desjenigen Intervalls aufzuladen, welches der Breite des Zeitsignals entspricht. Die Kapazität
integriert den Gleichstrom in Abhängigkeit der Zeit und bildet hierbei die Sägezahnspannung. Der Spitzenwert
der Sägezahnspannung ist charakteristisch für die Breite des Zeitsignals. Die Stromkonstanz und die Kapazität
verändern sich jedoch oberhalb der normalen Betriebstemperatur und können dadurch in nachteiliger Weise
die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Dickenmessung beeinflussen (US-PS 34 85 087).
In einer anderen bekannten Vorrichtung wird zwar ein elektrischer Digitalkreis verwendet, wodurch Drift
und Stabilität im Vergleich zu Analogkreisen verbessert wird; allerdings ist hier ein Taktgeber hoher Stabilität
unerläßlich. Der Taktgeber hoher Frequenz neigt ferner dazu, den Rauschpegel der elektrischen Kreise zu
erhöhen und übermäßig Leistung zu verzehren. Um eine Dickenauflösung von 0,001 Zoll (= 0,03 mm) zu
erhalten, wenn ein Aluminiumprüfstück untersucht wird, is; ein Taktgeber mit einer Frequenz von 125 MHz
erforderlich. Wenn es ferner um die Messung von Wanddicken von Prüfstücken geht, die unterschiedliche
Schallgeschwindigkeit aufweisen, so muß die Frequenz des Taktgebers entsprechend geändert werden und man
benötigt hierfür besondere elektronische Abstimmkreise, die so aufgebaut sein müssen, daß sie konstante
Charakteristika in einem vorbestimmten Temperaturbereich haben. Im anderen Falle ist eine Mehrzahl von
Taktgebern hoher Frequenz erforderlich, wobei jeder bei einer unterschiedlichen Frequenz schwingt, um die
Wanddicke von Prüfstücken zu bestimmen, die wegen unterschiedlichen Werkstoffes unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten
haben. -^
Andere Verfahren arbeiten mit feineinstellbaren Zählwerten und verwerten zwei stabile hochgenaue und
deshalb kostspielige elektrische Taktkreise (vgl. die Veröffentlichung im Buch »Pulse, Digital and Switching
Waveforms«, Millman and Taub, McGraw-Hill, New York, 1965, Seiten 683 ff.).
Man verwendet in einer bekannten Vorrichtung die Mittelwertbildung am Zeitintervall, um die Stabilität
und das Auflösungsvermögen der Dickenmessung zu erhöhen. Hierbei wird ein Zeitsignal mit einer
Impulsbreite gebildet, weiche von der Wanddicke abhängt. Man mißt die Impulsbreite hierbei durch die
Anzahl der Pulse P von einem Taktgeber hoher Frequenz während des Zeitsignalintervalls, wobei die
Anzahl der Pulse durch eine Konstante π geteilt wird, um den Mittelwert der Impulse je Messung zu
erhalten Γ [^ J Die Anzahl der üblicherweise durchgeführten
Messungen n' wird gleich η gesetzt, um eine mittlere Anzahl (Mittelwert) von Taktimpulsen zu
erhalten, die während des Zeittorintervalls P gezählt wurden; diese beträgt:
P = -?- χ n'
η
η
(Gleichung 1)
Das Verfahren mit dem gemittelten Zeitintervall erhöht das Auflösungsvermögen, wenn verglichen mit
dem digitalen Meßverfahren und gewährleistet ebenfalls eine größere Konstanz, um den stets vorhandenen
Geräuschpegel auf Null zu mitteln. Dieses insofern verbesserte Verfahren, bei dem das Zeitintervall
gemittelt wird, kann aber nicht geeicht werden, da die Anzahl der Messungen n'in dem Nenner der Gleichung
1 festliegt. Um also die gleiche Auflösung beizubehalten, wenn es darum geht, Prüfstücke mit unterschiedlicher
Schallgeschwindigkeit zu messen, muß man einen separaten Taktgeber oder einen einstellbaren Taktgeber
verwenden, und zwar für jede unterschiedliche Schallgeschwindigkeit. Insofern benötigt auch dieses
Verfahren eine teuerere und umständliche Apparatur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ultraschallmessung an beliebigen Prüfstücken durchzuführen,
d. h. an solchen, in welchen die Ultraschallgeschwindigkeit unterschiedlich sein kann, hierbei die
Meßgenauigkeit dadurch zu erhöhen, daß der Schwund bzw. Drift mehr unterdrückt wird und das Justieren der
Schaltung einfacher, als auch der Bauaufwand verringert wird.
Hierfür wird vorgeschlagen, daß erfindungsgemäß bei einem Ultraschallimpulsechoverfahren nach dem Oberbegriff
eine vorbestimmte Anzahl von periodisch in das Prüfstück eingeschallten Suchimpulsen verwendet wird,
die gleich oder verhältnisgleich der Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Prüfstück gewählt ist.
Hierdurch wird die Anzahl der auszuzählenden Impulse der Schallgeschwindigkeit im Prüfstück ganzzahlig
proportional gemacht, und auf diesem Weg verringert sich der apparative Aufwand, indem z. B. nur
zwei Digitalkreise- und nur ein Taktgeber feste Frequenz verwendet wird, bei dem die Frequenz ferne
vorteilhaft niedriger als bei bekannten Taktgebern ist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung dient nocl folgendes:
Zum besseren Verständnis der Erfindung dient nocl folgendes:
Es wird ein Zeitintervallkreis, welcher der Mittelwert bildung dient, in abgeänderter Form verwendet, wöbe
ein programmierbarer (zweiter) Zählerkreis zun Einsatz kommt, der z. B. eine Teilerstufe enthält, welch«
in durch η teilt, und ein solcher Kreis dient zur Eichung dei
Apparatur, weiche die Wanddicke von Werkstücken unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit bestimmen soll
Vorzugsweise ist der programmierbare (zweite) Zähler kreis durch geeignete Bauteile, z. B. Speichen- bzw
Rändelradschalter programmiert, auf einen Wert welcher verhältnisgleich der akustischen Geschwindig
keit im Prüfstück ist. Die Anzahl der Messungen Q is gleich dem Wert, welcher in den programmierbarei
Zählerkreis einprogrammiert ist. Die Anzahl dei innerhalb eines Zeittorintervalls auftretenden Impulse
beträgt:
P = -1-n
(Gleichung 2)
Die Breite des Zeitsignalimpulses isit gleich derjeni
gen Zeit, die erforderlich ist, damit das 'Ultraschallsignal welches mit der Geschwindigkeit V im Prüfstück
wandert, zweimal die Wandstärke des Prüfstücke:
jo durchschreitet, also
2 χ Wandstärke
J5 Die Anzahl der Taktimpulse pro Zeiteinheit ist gleicr
der Taktgeberfrequenz / Der festgelegte Wert n, um dif mittlere Anzahl von Impulsen pro Messung zu erhalten
verbleibt unverändert, und damit geht die Gleichung ί über in:
2 χ Dicke χ / χ Q
V χ η
—^- (Gleichung 3)
Wenn die Anzahl der durchgeführten Messungen Q, gegeben durch den programmierbaren (zweiten) Zählerkreis,
gleich dem Zahlenwert der Schallgeschwindigkeit V im Prüfstück ist, vereinfacht sich die Gleichung 3
zu:
ρ __
2 χ Dicke χ /
(Gleichung 4)
Wenn die Frequenz /und der Frequenzteiler η auf ein
Verhältnis 5 χ W-O gewählt werden, dann hängt dei
Exponent (n— 1) von der Größe der Frequenz /und vom Frequenzteiler π ab und die Gleichung 4 vereinfacht sich
zu:
P = Dicke χ 10"
(Gleichung 5)
Hieraus ergibt sich, daß nach Teilung durch die richtige Dekade die Anzahl der ausgewählten Impulse
gleich der Wanddicke des Prüfstückes ist. Ist das Verhältnis anders als 5 χ KV"-O1 müssen zusätzliche
h5 Teilerkreise verwendet werden, die einzeln an sich bekannt sind, um die ausgezählte Anzahl der Impulse /
umzuwandeln in auslesbare Werte der Wanddicke.
Diese Dickenmeßvorrichtung kann in geeigneter
Weise justiert werden, um die Wanddicke eines jeden Prüfstückes messen zu können. Ist die Schallgeschwindigkeit
im Prüfstück unbekannt, wird ein Muster des Prüfstückes, welches eine bekannte Wanddicke hat,
gemessen. Dann wird der programmierbare (zweite) Zählerkreis so lange nachgeschaltet, bis der Wert der
gemessenen Wanddicke gleich ist der bekannten Wanddicke.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, durch einen programmierbaren Schaltkreis den über das
Zeitintervall mittelnden Kreis zu beeinflussen und die Dickenmeßvorrichtung in einfacher Weise dann justieren
zu können, wenn Prüfstücke mit unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit vorliegen, hierbei digitale Elektronikbauteile
zweckmäßig zu verwenden, die Justage für jede Schallgeschwindigkeit brauchbar ist, aber auch
ein besseres Betriebsverhalten und ein größeres Auflösungsvermögen gestattet.
Hierfür wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein Ultraschallsuchimpuls periodisch an der Oberfläche in
das Prüfstück eingeschallt und die zugehörigen Ultraschall-EchoimpuIse,
welche an einer akustischen Impedanzänderung reflektiert werden, empfangen werden,
daß Zählwerte verwendet werden, die verhältnisgleich mit der Laufzeit des jeweiligen Suchimpulses sind,
welcher die Dicke od. dgl. des Prüfstückes von dieser Oberfläche bis zur Stelle der Impedanzänderung und
zurück durchwandert, dies wird durch das Zeitintervall zwischen einem ersten Signal und einem zweiten Signal
bestimmt,, wobei das erste Signal auf den eingeschallten
Suchimpuls und das zweite Signal auf das Impulsecho zurückgeht, welches vom jeweiligen Suchimpuls erzeugt
ist, wobei der Zeitpunkt des zweiten Signals hier der Empfangszeitpunkt ist, daß diese Zählwerte, die durch
solche, aufeinanderfolgende Zeitintervalle gebildet werden, akkumuliert bzw. angesammelt werden und
ferner ein Ausgangssignal gebildet wird, welches auf diesen angesammelten Zählwerten basiert, nachdem
eine vorbestimmte programmierbare Anzahl (Menge) von Suchimpulsen übermittelt worden war, wobei diese
Suchimpulsanzahl verhältnisgleich mit der Schallgeschwindigkeit im Prüfstück wird bzw. ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung werden die bekannten Nachteile vermieden
bzw. verringert. Da digitale Kreise verwendet werden, werden die Nachteile der analog arbeitenden
Gleichstromgeneratoren und der Sägezahngeneratoren vermieden. In vorteilhafter Weise wird durch den
programmierbaren Zählerkreis die Anzahl der Messungen verändert, bevor der Dickenmeßwert angezeigt
wird, so daß man nur einen Taktgeber mit fester Frequenz zu verwenden braucht, wobei die Frequenz
des Taktgebers niedriger liegt als bei der bekannten digitalen Apparatur. Die Dickenmeßvorrichtung gemäß
Erfindung kann dazu verwendet werden, ohne weiteres die Wanddicke von Prüfstücken zu ermitteln, die
unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten aufweisen, wobei in vorteilhafter Weise entfällt, die Taktgeberfrequenz
zu verändern. Die Drift wird beseitigt, die Stabilität des Schaltkreises erhöht.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher
erläutert. Die Zeichnung zeigt die Schaltungsvorrichtung gemSß Erfindung in Blockdarstellung.
Hier ist der Folgefrequenz-Taktgeber 10 dargestellt, welcher periodisch Zeitimpulse erzeugt, regelmäßig im
Frequenzbereich von 500 Hz bis 20 kHz, welche dem Impulsgeber 12 zugeführt werden, um periodisch einen
Sender-Empfänger-Prüfkopf 14 zu erregen. Dieser Prüfkopf 14. welcher in Abhängigkeit der vom
Impulsgeber 12 zugeführten elektrischen Signale arbeitet, sendet periodisch einen Ultraschall-Suchimpuls
in ein Prüfstück IV, dessen Dicke zu messen ist, und empfängt aus ihm die entsprechenden Echoimpulse. Die
Echoimpulse werden im Prüfkopf in elektrische Signale umgewandelt und einem Empfängerkreis 16 zugeführt,
welcher von Echos abhängige Triggersignale erzeugt,
to und dem Zeit-Flip-Flop-Kreis 18 zuführt, um ein für die
Dicke charakteristisches Zeitsignal zu erzeugen, welches der Laufzeit des jeweiligen Suchimpulses durch das
Prüfstück entspricht Es wird ein Zeitsignal für jeden Suchimpuls, welchen der Prüfkopf 14 erzeugt, gebildet.
Andererseits wird durch einen anderen Taktgeber 20 ein Zug von Impulsen mit vorbestimmter Frequenz
einem Torkreis 22 zugeführt. Das Zeitsignal vom Flip-Flop-Kreis 18 bewirkt daß der Torkreis 22
während eines Zeitintervalls offen ist, welches verhältnisgleich der Breite des Zeitsignals ist, welches der
Dicke des Prüfstückes Wentspricht. Ein erster Zählkreis 24, vorzugsweise eine Teilerstufe bzw. ein Teilerkreis
mit fester Teilung durch n, ist mit dem Ausgang des Torkreises 22 gekoppelt, um die Menge der vom
Taktgeber 20 über das offene Tor 22 während des jeweiligen Zeitsignalintervalls empfangenen Impulse zu
akkumulieren, aber auch mit dem Zweck, ein Ausgangs-Zählsignal zu bilden, welches charakteristisch für die
akkumulierte Menge der durch π dividierten Impulse ist.
jo Ein Zähler 26, der an den Zählkreis 24 angekoppelt ist,
akkumuliert d. h. sammelt, und speichert die Ausgangs-Zählsignale
dieser durch π teilenden Zählstufe 24. Die Menge der Impulse, die im Zähler 26 angesammelt
werden, wird einem Ablese- bzw. Auslesegerät 28
j5 zugeführt durch das ein Programmänderungssignal
bzw. ein den neuen Stand anzeigendes Signal von der Programmänderungsstufe 30 zu dem Ablesegerät 28
übertragen wird. Während einerseits die bevorzugte Ausführungsform des ersten Zählkreises 24 eine
Zählerstufe in Form eines festen, durch π teilenden Teilers ist, kann, je nach Einzelfall, ein geeigneter
Zählkreis bzw. Logikkreis verwendet werden, in welchem bzw. in welchen die Ausgangszählwerte nach
Erhalt vergrößert werden, welche vom Taktgeber 20 über den offenen Torkreis 22 und die Zählstufe 24
übermittelt wurden.
Ein zweiter, als Programmierer ausgebildeter Zählkreis 32, vorzugsweise eine programmierbare Teilerstufe,
die durch η teilt, ist vorhanden und durch einen
so Adressenteil 34 voreingesteflt Der Adresser.teil kann
ein Sprossenschalter aufweisendes Bauteil oder eine andere Baueinheit sein. Durch den Adressenteil 34 wird
der zweite Zählkreis 32 auf die Schallgeschwindigkeit im Prüfstück abgestimmt, dessen Dicke zu messen ist.
Um z. B. ein aus Aluminium bestehendes Prüfstück zu testen, in dem die Schallgeschwindigkeit 6,35 χ 105
cm/sek beträgt, müssen die Sprossen- oder Rändelschalter auf die Indexauslesung »2500« gesetzt werden, um
die Dicke des Prüfstückes in amerikanischen Einheiten
to zu messen, bzw. diese Rändelradschalter
od. dgl. werden auf die Indexauslesung »6350« gesetzt, um die Dicke des aus Aluminium bestehenden
Werkstückes in metrischem Maßstab bzw. Einheiten zu messen.
b5 Der zweite Zählkreis 32 zählt die Menge der
Zeitimpulse, welche vom ersten Taktgeber 10 dem Impulsgeber 12 zugeführt werden und dementsprechend
die Anzahl der Zeitsignalintervallc.
Wenn die Anzahl der Zeitimpulse vom Taktgeber 10, ausgezählt vom zweiten Zählkreis 32, gleich der
vorgesetzten Anzahl in dem Adressenteil 34 ist, wird vom ersten Zählkreis 32 ein Signal der Programmänderungsstufe
30 zugeführt, ebenfalls zum Verzögerungs- ■-,
kreis 38. Die Auslesung wird jetzt auf den neusten Stand durch Erhalt des Zählwertes vom Zähler 26 gebracht.
Nach einer Verzögerung, die ausreichend ist, um sicherzustellen, daß das Programmänderungssignal bzw.
das Signal des neuesten Standes im Ablesegerät 28 ι ο eingegangen ist, wird vom Verzögerungskreis 38 ein
Rückstellsignal zum ersten Zählkreis 24, also auch zum Zähler 26 übermittelt, um diese beiden elektrischen
Kreise auf Null zu setzen. Der zweite Zählkreis 32 stellt sich selbst zurück bzw. auf Null zwecks periodischer r,
Arbeitsweise, nachdem er eine vorbestimmte Menge von Zeitimpulsen abgezählt hatte.
Die Schaltvorrichtung arbeitet folgendermaßen: Um die Dicke des Prüfstückes auszumessen, wird der
Sender-Empfänger-Prüf kopf 14, um Ultraschallenergie
übertragen zu können, an die Oberfläche des Prüfstükkes W mit Hilfe eines geeigneten Koppelmittels
angekoppelt, z. B. mittels Öl oder Wasser. Die Schallgeschwindigkeit im Prüfstück wird einprogrammiert
in den programmierbaren zweiten Zählkreis 32, der ein Teiler durch η ist, was durch den Adressenteil 34
erfolgt.
Der periodisch gebildete Zeitimpuls, welcher von dem Folgefrequenz-Taktgeber 10 dem Impulsgeber 12
zugeführt wird, bewirkt, daß letzterer periodisch den to
Prüfkopf 14 erregt. In Abhängigkeit von jedem eingehenden Impulssignal schallt Prüfkopf 14 einen
Ultraschall-Prüfimpuls in das Prüfstück und empfängt ebenfalls zugehörige Echoimpulse von der Eintrittsfläche
und der Rückwand des Prüfstückes. Die empfange- )■-, nen Echoimpulse werden durch den Prüfkopf 14 in
elektrische Signale umgewandelt und dem Empfängerkreis 16 zugeführt Der Empfänger 16 erzeugt
Triggersignale, welche über seinen Ausgang einem Zeit-Flip-Flop-Kreis 18 zugeführt werden. Ebenfalls in
wird aber auch ein Zeitimpuls über den ersten Taktgeber 10 zu dem Flip-Flop 18 zugeführt, um diese
Einheit 18 zu Beginn jeder Periode (Zyklus) rückzustellen. Der Video-Ausgang-Triggerimpuls, erhalten vom
Empfängerkreis 16 und welcher ein Echoimpuls des .r> Oberflächeneintrittssignals ist, startet den Flip-Flop-Kreis
18, während der Video-Ausgang-Triggerimpuls, welcher dem Rückwandechosignal entspricht, die
Erregung des Flip-Flop-Kreises 18 beendet. Die Impulsbreite des sich ergebenden bzw. resultierenden ->i>
Zeitsignals im Ausgang ist maßgebend für den Abstand, den das Ultraschallimpulssignal im Werkstück während
des Zeitintervalls zwischen den Triggersignalen durchwandert, d. h. ist gleich der Dicke des Prüfstückes.
Das zugehörige Zeitsignal vom Flip-Flop-Kreis 18, τ>
dessen Impulsbreite verhältnismäßig der Dicke des Prüfstückes ist, wird einem Eingang des Tores 22
zugeleitet, um das Tor 22 während des Intervalls zu öffnen, in welchem das Zeitsignal vorliegt. Der zweite
Taktgeber 20 erzeugt diskrete Taktimpulse für den wi
zweiten Eingang des Torkreises 22.
Vorzugsweise können die Taktimpulse eine Frequenzhöhe von 12,8 MHz haben, welche wesentlich
höher als die Frequenz des Folgefrequenz-Taktgebers 10 ist, welche regelmäßig bei 10 kHz liegt. Während br>
dieses Zeitsignalintervalls, bei offenem Tor 22, werden die Taktimpulse vom zweiten Taktgeber 20 über den
offenen Torkreis 22 dem ersten Zählkreis 24 zugeführt, welcher eine feststehende, durch η teilende Teilerstufe
ist. Der erste Zählerkreis 24 erzeugt ein Zählsignal im Ausgang, nach Eingang eines jeden n- Impulses vom
Taktgeber 20. Der Wert η in diesem Ausführungsbeispiel wird unter Berücksichtigung dessen gewählt, damit
die Größe der Frequenz des Taktgebers 20 in MH/
= 0,05 wird.
Im vorliegenden Beispiel, wenn die Taktfrequenz 12,8
MHz beträgt, wird die Ziffer η mit 256 festgelegt.
Es ist ersichtlich, daß das Zeitsignal von dem Zeit-Fiip-Fiop asynchron mit den Takiimpulsen vom
Taktgeber 20 ist. Das Öffnen und Schließen des Zeittorkreises, mit anderen Worten ausgedrückt, fällt
nicht zusammen mit den Taktimpulsen vom zweiten Taktgeber 20. Die Menge der Zählungen, gezählt vom
ersten Zählkreis 24, ist deshalb unterschiedlich für jedes Zeitsignal und hängt von demjenigen Zeitpunkt ab, zu
welchem das Zeitsignal entgegengesetzt zu den Taktimpulsen vom Taktgeber 20 gebildet wird. Der
erste Zählkreis 24 erzeugt ein einziges Zählsignal im Ausgang von jedem n-Impuls während eines jeweiligen
Zeitsignalintervalls und leitet die Ausgangszählsignale zum Zähler 26, welcher die vom Zählkreis 24
eingehenden Zählwerte ansammelt.
Nachdem eine vorbestimmte Anzahl von Messungen gemacht ist, d. h. eine vorbestimmte Menge von
Zeitsignalen vom Flip-Flop-Kreis 18 erhalten worden sind, wobei der Flip-Flop durch den zweiten Zählkreis
32 mit Hilfe des Adressenteils 34 programmiert war, wird ein vom zweiten Zählkreis 32 herrührendes Signal
der Programmänderungsstufe 30 zugeführt. Diese, in Abhängigkeit eines Signals des Zählerkreises 32
erregbare Stufe 30 leitet ein Programmänderungssignal zum Ablesegerät 28, auf dem die Dicke des Werkstückes
dargestellt wird, wobei das Anzeigeverhältnis gleich der Anzahl der angesammelten und im Zähler 26 gespeicherten
Zählwerte ist. Das Ablesegerät 28 speichert die Anzeige so lange, bis in ihm das nächste Programmänderungssignal
eintrifft. Das Ausgangssignal vom zweiten Zählkreis 32 wird durch den Verzögerungskreis
38 für eine Zeitperiode verzögert, welche ausreichend ist, damit Ablescgerät 28 auf den letzten Stand und den
neuen Wert im Zähler 26 gebracht werden kann. Nach Ablauf dieser Verzögerungszeit wird ein Signal vom
Verzögerungskreis 38 zum voreingestellten Teiler — Zählkreis 24 — sowie dem Zähler 26 zugeführt, um
beide Stufen rückzustellen.
Ein wichtiger Gegenstand der Erfindung besteht im Verfahren zum Justieren der Dickenmeßeinrichtung.
Gemäß vorstehendem Beispiel war die Schallgeschwindigkeit im Prüfstück bekannt und war unmittelbar in den
programmierbaren zweiten Zählkreis 32 über Adressenteil 34 einprogrammiert. Jedoch ist in anderen Fällen
die Ultraschallgeschwindigkeit im Prüfstück nicht bekannt. In diesem Falle wird ein Testprüfstück
bekannter Dicke an den Prüfkopf 14 angekoppelt, so daß Ultraschall in dieses eintreten kann. Dann wird der
dem zweiten Zählkreis angeschlossene Adressenteil 34 eingestellt, derart, daß das Ablesegerät 28 den Wert der
bekannten Dicke anzeigt. Die Ablesung kann in amerikanischen Einheiten (Zöllen) oder in metrischen
Einheiten (cm) erfolgen, aber nachdem die Einstellung einmal erfolgt ist, braucht der Adressenteil 34 nicht
rückgestellt oder nachjustiert zu werden, wenn das auszumessende Prüfütück (unbekannter Dicke) die
gleiche Schallgeschwindigkeit aufweist. In bekannten UltraschalldickenmcL'gcrttten, welche über die Zeit
mitteln, wurde die Anzahl der Messungen — die Programmänderungsperiode — konstant gehalten. In
diesen Vorrichtungen wurde die Folgefrequenz oder die Taktgeberfrequenz verändert, was jedoch den Einsatz
von teuren Taktgeber-Abstimmkreisen erforderlich machte, um die Frequenz ändern zu können. Gemäß
Erfindung ist aber die Menge der durchgeführten Messungen programmierbar, um ein verbessertes
Verfahren zum Justieren der Schaltvorrichtung zu gewinnen. Die Verwendung eines digitalen Schaltkreises,
kombiniert mit Schaltbauteilen, um die Vorrichtung zu justieren, ermöglicht ein Ultraschalldickcnmeßgerät,
dessen Betriebsbeständigkeit, Genauigkeit und das Auflösungsvermögen erhöht ist, im Vergleich zur
bekannten Vorrichtung.
Bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel wird der Start des Zeittores vom Flip-Flop 18 aus durch ein
Signal getriggert, welches dem Echoimpuls entspricht, das beim Eintritt in die Oberfläche (Sendersignal)
abgegeben wird. Es ist ersichtlich, daß man das Starttriggersignal ebenfalls elektronisch durch einen
monostabilen Multivibrator 17 erzeugen kann, der von dem Folgefrequenztaktgeber 10 an den Zeit-Flip-Flop-Kreis
18 angekoppelt ist. Die Impulsbreite des Multivibrators wird justiert, um ein Triggersignal für
den Flip-Flop 18 zu bilden, der durch das Intervall zwischen Bildung des Zeitsignals vom Taktgeber 10 und
dem Ultraschall-Suchimpuls des Prüfkopfes, der in das Prüfstück eintrifft, verzögert ist. Durch die Verwendung
eines künstlichen Starttriggersignals ist es nicht mehr erforderlich, den Prüfkopf 14 während der angenommenen
Empfangszeit des Sendersignals (d. h. des Echosignals während des Schalleintritts durch die
Oberfläche des Prüflings) zu dämpfen. Diese Schwierigkeit ist besonders dann beachtlich, wenn der Prüfkopf in
unmittelbarer Berührung mit der Oberfläche des Prüfstückes ist und die Zeit von diesem Zeitimpuls bis
zum Beginn des Zeitsignals vom Flip-Flop 18 derjenigen Zeit entspricht, die das Ultraschallsignal benötigt, um
durch eine relativ dünne Werkstückplatte zu wandern, die an der Vorderseite des Prüfkopfes 14 angebracht ist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel werden die Zählkreise oder die Zeitgeberteile für eine vorbestimmte
Zeitperiode nach Übertragung des Ultraschall-Suchimpulses in das Werkstück gesperrt, und zwar durch
ι einen Sperrtorkreis 19, der an den Empfängerkreis 16
angekoppelt ist, wie es einzeln an sich bekannt ist. Hierdurch wird bewirkt, daß der Zeit-Flip-Flop-Kreis 18
lediglich durch ein Paar von Echosignalen erregt wird, die von Rückwandreflektionen und vom Echosignal
ι» herrühren, das zum Oberflächeneintritt gehört. Es ist natürlich möglich, das Zeitintervall zwischen zwei,
einander nicht folgenden Rückwandechoimpulsen zu messen, wie an sich bekannt. Es ist ersichtlich, daß in
jedem Falle die Zählung im Zähler 26 einer Teilung in geeigneter Teilerstufe unterworfen werden muß.
Zwar wird bevorzugt, einen Adressenteil vorzusehen, der auf die bekannte Schallgeschwindigkeit im Prüfstück
einjustiert ist, jedoch ist es ersichtlich, daß der Adressenteil 34 für jede andere Einheit bzw. Wert
2» einprogrammiert werden kann, indem das Verhältnis
der Frequenz des Taktgebers 20 und der Wert η in dem ersten Zählkreis 24 auf einen Wert abweichend von
5 χ 10<"-') festgelegt wird, oder indem man einen zusätzlichen Taktgeber und/oder Zählkreise verwendet.
J) Bei vorstehendem Ausführungsbeispiel wurde das
vom Zähler 26 abgehende Signal dem Ablesegerät 28 zugeführt. Man kann jedoch, im Einzelfall, das
Ausgangssignal vom Zähler 26 einem anderen Ablesegerät zuführen oder den, dieses Signal verarbeitenden
ίο Schaltbauteilen. Man kann z. B., um Prüfstücke
auszusortieren, das Ausgangssignal einem digitalen Vergleichsgerät ankoppeln, um ein ja-nein-Signal zu
bilden, wenn die Dicke des Werkstückes zwischen vorbestimmten Werten liegt. Im anderen Fall kann
i'i vorgesehen werden, das Ausgangssignal einem Digital-Analog-Wandler
zuzuführen, dessen Ausgang mit einem Lochkartengerät od. dgl. verbunden ist. In anderen
Einzelfällen kann das Ausgangssignal, ohne überhaupt dargestellt zu werden, einem Computer bzw. Rechner
-in zugeführt werden, um das erhaltene Signal weiter zu
verarbeiten und zu analysieren.
Hierzu I Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Ultraschall-Impulsechoverfahren zur Bestimmung
der Abmessungen, insbesondere der Wanddikke von Prüfstücken aus der Laufzeit von Schallimpulsen,
wobei Ultraschall-Suchimpulse periodisch an der Oberfläche des Prüfstückes in das letztere
eingeschallt, die Echos der Suchimpulse empfangen und die Zeitdifferenzen zwischen den Suchimpulsen
und ihren zugehörigen Echoimpulsen durch Auszählen mit Taktgeberimpulsen bestimmt und die
ausgezählten Zeitdifferenzen zur Mittelwertbildung angesammelt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß eine vorbestimmte Anzahl von periodisch in das Prüfstück eingeschallten Suchimpulsen
verwendet wird, die gleich oder verhältnisgleich der Schallausbreitungsgeschwindigkeit im
Prüfstück, gewählt ist
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Anzahl von Suchimpulsen
durch Einstellung (Justage) einprogrammiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßzeitpunkt für das erste Signal
die Reflexion des Suchimpulses an der Rückwand des Prüfstückes, für das zweite Signal die nachfolgende
Reflexion der Ultraschallenergie des Suchimpulses an der Rückwand genommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes Signal dasjenige elektrische
Signal verwendet wird, welches um eine vorbestimmte Ze't nach Einschallung des Suchimpulses
gebildet wi-.-d, während als Meßzeitpunkt für das zweite Signal ein Echosignal, z. B. der nachfolgenden
Reflexionen, von der Rückwand des Prüfstückes verwendet wird.
5. Schaltvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem
Impulsgeber zur Einschallung der Ultraschall-Suchimpulse
und einem Empfängerkreis, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Empfängerkreis ein
weiterer elektrischer Kreis (18, 24, 26) angeschlossen ist, in dem mit der Laufzeit des Suchimpulses
gleiche bzw. verhältnisgleiche Zählwerte gebildet werden, mit einem ersten angekoppelten Zählkreis
(24), der diese einander folgenden Zählwerte empfängt und ansammelt, und daß ein zweiter
Zählkreis (32) vorhanden ist, angekoppelt über einen elektrischen Kreis (38, 30) an den ersten Zählkreis
(24), derart, daß der erste Zählkreis (24) ein Ausgangssignal abgibt, welches gleich bzw. verhältnisgleich
mit den angesammelten Zählwerten ist.
6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Zählers (26)
mit dem Eingang des Ablesegerätes (28) verbunden ist.
7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablesegerät einen digitalen
Anzeigeteil aufweist.
8. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zählkreis (32) durch
Einstellung (Justage) programmierbar ausgebildet ist.
9. Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese derart ausgebildet ist, daß
sie als Zählwerte nur Taktsignale vorbestimmter fester Frequenz verarbeitet.
10. Schaltvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die angesammelten Zählungen,
welche innerhalb dieser vorbestimmten Zählwertmenge der Suchimpulse vorliegen, die mittlere
r, Anzahl dieser Taktimpulse bestimmen, weiche
zwischen dem ersten und zweiten Signal gebildet sind.
11. Schaltvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ablesegerät od. dgl. (28) an
tu den ersten Zählkreis (24) als auch den zweiten Zählkreis (32) angekoppelt ist, derart, daß das Gerät
die angesammelten Zählungen darstellt, die auf ein Programmänderungssignal zurückgehen, welches
durch den zweiten Zählkreis (32) gebildet wird, in
r> Abhängigkeit von dieser vorbestimmten Menge von Suchimpulsen.
12. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Vereinigung
eines oder mehrerer folgender Untermerkma-
2» Ie:
a) einen ersten Taktgeber (10), um Zeitimpulse zu bilden,
b) einen Impulsgeber (12), gekoppelt an den Taktgeber (10), der in Abhängigkeit von diesen
r) Zeitimpulsen im Ausgang Signale abgibt, durch die
periodische Einschallung von Suchimpulsen in das Werkstück (W) eingeleitet wird,
c) einen Empfängerkreis (16), gekoppelt mit dem Prüfkopf (14), zur Aufnahme von Echoimpulsen als
)o Folge eingeschallter Suchimpulse,
d) ein Zeitkreis, z. B. ein Flip-Flop (18), dessen Eingang mit dem Ausgang des Empfängerkreises
(16) gekoppelt ist, derart, daß ein erstes Signal empfangen wird, welches auf der Übertragung des
Γι Suchimpulses basiert, sowie zur Aufnahme des
nachfolgenden zweiten Signals, welches auf einem zugehörigen Echoimpuls basiert, welches aus dem
Suchimpuls entsteht, und daß in diesem Zeitkreis (18) ein Zeitsignal gebildet ist, welches gleich bzw.
mi verhältnisgleich dem Abstand ist, der vom Suchimpuls
im Werkstück während des Zeitintervalls zwischen dem ersten und dem zweiten Signal
durchlaufen ist,
e) einen zweiten Taktgeber (20) zur Bildung von v>
periodischen Taktgeberimpulsen,
f) einen ersten Zählkreis (24), welcher an den zweiten Taktgeber (20) angekoppelt ist und diese periodischen
Taktimpulse und dieses Zeitsignal empfängt und zu einem dritten Signal umwandelt, das die
w Form eines Zählimpulses hat, welches gleich oder verhältnisgleich mit der Anzahl der periodischen
Taktgeberimpulse ist, welche während dieses Zeitsignals vorliegen,
g) daß ein Zähler (26) an den ersten Zählkreis ri'i angekoppelt ist, derart, daß das dritte Signal in
seinem Eingang empfangen und nachfolgend die dritten Signale als Zählimpulse oder Zählwerte
angesammelt werden, welche gleich bzw. verhältnisgleich mit der zugehörigen Menge der periodischen
fed Taktimpulse sind, welche während der nachfolgenden
Zeitsignale vorliegen bzw. gebildet sind,
h) daß ein programmierbarer zweiter Zählkreis (32) mit seinem Eingang an den Ausgang des ersten Taktgebers (10) angekoppelt ist, derart, daß er diese
h) daß ein programmierbarer zweiter Zählkreis (32) mit seinem Eingang an den Ausgang des ersten Taktgebers (10) angekoppelt ist, derart, daß er diese
μ Zeitimpulse empfängt und ein viertes Signal bildet,
wenn die Anzahl dieser Zeitimpulse gleich der einprogrammierten Anzahl ist, welche gleich oder
verhältnisgleich mit der Schallgeschwindigkeit im
Prüfstück ist und
i) das Ablesegerät (28) an den Zähler (26) und den programmierbaren zweiten Zählkreis (32) angekoppelt
ist, derart, daß in Abhängigkeit zu diesem vierten Signal ein Ablesewert angezeigt wird,
welcher gleich bzw. verhältnisgleich mit den angesammelten Zählungen bzw. der Anzahl der
ausgezählten Zählwerte ist.
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