DE2937709C2 - Einrichtung zur Schallemissionsprüfung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen einfach herstellbaren nichtselektiven faseroptischen Multiplexer, bei dem jedem Eingangslichtwellenleiter eines (Lichtwellenleiter-)Bündels ein Kollimationselement zugeordnet ist. Dadurch ist die Anzahl der Eingangslichtwellenleiter (Kanäle) nahezu beliebig wählbar. Bei dem Multiplexer kann die Lichtrichtung umgekehrt werden, so daß ein vielfacher Verteilkoppler entsteht.

Description

— daß der Prozessor (5, 6) mehrere den Aufnehmern (1) zugeordnete Schieberegister (5) unterschiedlicher Registerlänge aufweist,

— daß jedem Schieberegister (5) eine Signalformungsschaltung (3) zugeordnet ist, welche zu Beginn eines jeden über den jeweiligen Schwellenwertdetektor eintreffenden Schallemissionssignals ein Signalanfangskennungssignal (4) erzeugt,

— daß der Prozessor (5, 6) ein Taktsignal mit vorherbestimmtem festem Takt erzeugt, welches die im Schieberegister (5) jeweils gespeicherten Signalanfangskennungssignale (4) weiterschiebt,

— daß der Prozessor (5, 6) über einen als Nachschlagetabelle ausgebildeten Musterspeicher verfügt, in dem für alle im Erfassungsbereich der Aufnehmer liegende Q lellorte die Standardmuster der in den Speicherzellen aller Schieberegister (5) gespeicherten Signalanfangskennungssignale (4) abgelegt sind und

— daß der Prozessor (5, 6) eine an den Ausgang der Schieberegister (5) angeschlossene Ortungslogik (6) enthält, die die gespeicherten Standardmuster mit den bei der Schallemissionsprüfung in den Schieberegistern auftretenden Mustern vergleicht und bei der Koinzidenz den dem Muster zugeordneten Quellort über die Ausgabeeinrichtung (7) ausgibt.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Schallemissionsprüfung und zur zweidimensionalen Ortung von Schallemissionsquellen in Werkstoffen, mit mindestens vier Aufnehmern zur Erfassung der Schallemissionssignale und deren Ankunftszeiten bei den Aufnehmern, mit einem jedem Aufnehmer jeweils zugeordneten Verstärker, Filter und Schwellenwertdetektor und mit einem Prozessor der den Schallemissionssignalen einen Schallemissionsquellort zuordnet sowie die Abspeicherung der ermittelten Quellorte in einem Speicher und deren Ausgabe über eine Ausgabeeinheit steuert.

Eine derartige Einrichtung ist aus der US-PS 85 024 bekannt und verfügt über Schwellenwertdetektoren, deren Ausgänge unmittelbar mit verschiedenen Eingängen eines Prozessors verbunden sind. Bei der bekannten Einrichtung werden Master-Slave-Schaltungen zur Ausblendung von Störsignalen außerhalb des zu überwachenden Bereichs verwendet, wobei die Ausblendung von Störsignalen durch eine Signalanalyse, z. B. eine Auswertung der Anstiegszeit oder der Peakamplitude erfolgt. Außerdem wird eine räumliche Filterung durchgeführt, d. h. Signale, bei denen die Differenz der Ankunftszeiten an zwei Aufnehmern außerhalb vorgegebener Schranken liegt, werden verworfen.

Es sind auch bereits Ortungssysteme für die Schallemissionsprüfung mit zwei oder drei Aufnehmern bekannt, bei denen ein Schallemissionssignal in dem Moment detektiert wird, wo die Amplitude des Signals eine vorgegebene feste Schwelle oder eine vom Störpegel abhängige variable Schwelle überschreitet Zum Zweck einer eindeutigen Signaldefinition ist es bei diesen Geräten erforderlich, daß vor dem Eintreffen des Signals eine bestimmte Ruhepause eingehalten wird. In dem Moment, wo das erste Signal ankommt, werden gleichzeitig zwei oder drei Uhren gestartet, die die Zeitdifferenzen zur Ankunft eines akustischen Signals an den anderen Aufnehmern bestimmen. In einem Rechner werden aus den Laufzeitdifferenzen die Ortskoordinaten der Quelle berechnet Manche derartige Geräte gestatten auch eine weitergehende Signalanalyse, wie z. B. die Messung der Energie.
Auf dem Markt befinden sich auch Ortungssysteme, die eine Messung der Laufzeitdifferenzen zwischen Aufnehmerpaaren durchführen. Dazu werden die Laufzeicdifferenzen zwischen der Ankunft von Schallsignalen an zwei Aufnehmern gemessen und für zwei oder drei Paare wird die Häufigkeitsverteilung dieser Laufzeitdifferenz bestimmt Für die Laufzeitdifferenzen, die relativ häufig auftreten, werden mit Hilfe eines Rechners mögliche Quellorte bestimmt

Eine weitere bekannte Einrichtung basiert auf der Detektion von Koinzidenzen, wobei mit Hilfe von drei Aufnehmern eine Ortung erfolgt. Dabei ist es möglich, auch sich zeitlich überlappende Signale zu erfassen, jeder Kombination von Ankunftszeiten an den drei Aufnehmern innerhalb der maximalen Laufzeit für ein akustisches Signal wird ein Schallemissions-Que ort zugeordnet. Eine solche Einrichtung gestattet bereits erheblich höhere Geschwindigkeiten als bei Einsatz der vorgenannten Methoden. Allerdings sind bei hoher Ereignisfolge Fehlortungen möglich, d. h. es wird zwar jeder korrekte Quellort angezeigt, zusätzlich werden jedoch auch nicht existierende Quellen detektiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Schallemissionsprüfung zu schaffen, die es gestattet, höhere Signalraten zu verarbeiten, bei denen der Abstand zwischen zwei Signalen sehr klein sein darf, ohne daß tatsächlich nicht existierende Phantomquellen angezeigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Prozessor mehrere den Aufnehmern zugeordnete Schieberegister unterschiedlicher Registerlänge aufweist, daß jedem Schieberegister eine Signalformungsschaltung zugeordnet ist, welche zu Beginn eines jeden über den jeweiligen Schwellenwertdetektor eintreffenden Schallemissionssignals ein Signalanfangskennungssignal erzeugt, daß der Prozessor ein Taktsignal mit vorherbestimmtem festem Takt erzeugt, welches die im Schieberegister jeweils gespeicherten Signalanfangskennungssignale weiterschiebt, daß der Prozessor über einen als Nachschlagetabelle ausgebildeten Musterspeicher verfügt, in dem für alle im Erfassungsbereich der Aufnehmer liegende Quellorte die Standardmuster der in den Speicherzellen aller Schieberegister gespeicherten Signalanfangskennungssignale abgelegt sind und daß der Prozessor eine an den Ausgang der

Schieberegister angeschlossene Ortungslogik enthält, die die gespeicherten Standardmuster mit den bei der Schallemissionsprüfung in den Schieberegistern auftretenden Mustern vergleicht und bei der Koinzidenz den dem Muster zugeordneten Quellort über die Ausgabeeinrichtung ausgibt.

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Einrichtung eine Mustererkennung durch Vergleich der tatsächlich erfaßten Muster mit den in einer Nachschlagetabelle abgespeicherten Mustern erfolgt, ist es möglich, auch bei einer Oberlagerung der verschiedenen Muster im Speicher eine sichere Ortsbestimmung für die Schallemissionsquellen durchzuführen. Durch die vier Schieberegister erfolgt eine Überbestimmung, da bereits die in drei Schieberegistern gespeicherten Signalanfangserkennungssignale eindeutig einen Schallemissionsquellort definieren. Unter Einbeziehung des vierten Schieberegisters ergibt sich daß, nicht alle denkbaren Muster der vier Schieberegister tatsächlich auftretende Muster sein können, v/ei! bei vier Aufnehmern durch die Laufzeiten zu drei Aufnehmern bereits festgelegt x-t, wie lang die Laufzeit zum vierten Aufnehmer ist. Ein Signalanfangskennungssignal im vierten Schieberegister ist daher bereits durch die Signalanfangskennungssignale in den drei übrigen Schieberegistern vorbestimmt Aus diesem Grunde ist die Zahl der gespeicherten Muster kleiner als die Zahl der denkbaren Muster für alle vier Schieberegister. Durch das Vorhandensein eines v^;erten Schieberegisters ist somit eine störsichere Mustererkennung möglich, weil nicht jedem beliebigen Muster ein Quellort zugeordnet ist, sondern nur den geometrisch sinnvollen Mustern.

In der eine Figur umfassenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch als Blockschaltbild dargestellt.

Wie man in der Zeichnung erkennt, verfügt die Einrichtung zur Schallemissionsprüfung über vier Aufnehmer 1, deren Ausgänge mit den Eingängen von Verstärkern 2 verbuncon sind. Die Verstärker 2 speisen Filter und Schwellenwertdetektoren umfassende Signalformungsschaltungen 3. Am Ausgang einer Sijnalformungsschaltung 3 tritt zu Beginn eines jeden über den jeweiligen Schweüenwertdetektor eintreffenden Schallemissionssignals ein impulsförmiges Signalanfangskennungssignal 4 auf. Die Ausgänge der Signalformungsschaltung 3 sind jeweils mit dem seriellen Eingang von Schieberegistern 5 verbunden. Die Parallelausgänge der Schieberegister 5 speisen eine Ortungslogik 6 mit einem Musterspeicher. Die Ortungsiogik 6 ist mit dem Eingang einer Ausgabeeinrichtung 7 verbunden.

Die Ausgänge der Verstärker 2 sind über Leitungen 8 jeweils mit einer Energiemessungsschaltung 9 verbunden, deren Ausgang über eine Verzögerungsleitung 10 die Ortungslogik 6 speist.

Die Einrichtung zur Schallemissionsprüfi'ng arbeitet nach dem Echtzeitverfahren. Das bedeutet, daß alle detektierbaren, also über einer bestimmten Schwelle liegenden Signale in der Ortungslogik 6 ohne Totzeit verarbeitet werden können. Die Einrichtung schaltet nicht wie bei allen bisher realisierten Systemen für die Dauer der Laufzeit eines Signals zu benachbarten Aufnehmern 1 und darüber hinaus für eine bestimmte Wartezeit ab. Die Ortung geschieht totzeitlos in dem Augenblick, wo ein Satz von drei Zeitdifferenzen zur Ortung vorliegt. Eine Ortung wird in dem Moment als korrekter Ort akzeptiert, in dem alle 4 Ankunftszeiten mit einem vorher in einer look-up-table gespeicherten Muster übereinstimmen. Jeder Ort entspricht einem bestimmten Muster.

Der analoge Teil des Systems besteht aus vier Aufnehmern 1 und vier Vorverstärkern sowie vier Hauptverstärkern pro Gruppe. Nach der Verstärkung und Filterung durchläuft das Signal zur Ereignisdefinition den Signalformer 3 (entscheidend für alle Ortungssysteme). Die Triggersignale werden an einen Ankunftszeitdetektor weitergegeben. Dieser Ankunftszeitdetektor arbeitet als Zwischenspeicher mit Hilfe der Schieberegister 5 und wird zur Ermittlung des Quellorts nach vorher bestimmten Mustern abgefragt (nähere Erläuterung siehe unten). Nach dieser Abfrage wird das Ergebnis in Form eines Datenwortes verzögert zum Zweck einer Synchronisation mit dem Signalparameter (z. B. Energie). Nach der anschließend erfolgenden Rückrechnung der Energie auf den Quellort folgt eine Abrpeicherung des berechneten Wertes. Dieser Speicher kann beispielsweise zur Darstellung auf einem Bildschirm über Digital-Analogwandler ausgelesen v/erden.

Jederr. Aufnehmer 1 ist ein Schieberegister 5 zugeordnet, in welchem die von der Signalformungsschaltung 3 gelieferten Signaie der registrierten Ereignisse gespeichert und mit festem Takt weitergeschoben werden. Die maximale Speicherdauer ist gleich der Anzahl der Schieberegisterplätze, multipliziert mit der Taktzeit und entspricht der maximalen Laufzeit eines Signals zwischen den am weitesten voneinander entfernten Aufnehmern 1 eines Feldes. Die Schieberegister 5 sind mit Einsen und Nullen gefüllt, wobei eine Eins aussagt, daß innerhalb dieses bestimmten Zeittaktes ein Ereignis begonnen hat. Eine Null sagt aus, innerhalb dieses Zeittaktes war kein Signalanfang vorhanden. Jedem möglichen Quellort innerhalb des Aufnehmerarrays entspricht eine bestimmte Belegung von Schieberegisterplätzen (Muster), die sich aus der Form der Arrays und der Anzahl der Schieberegisterplätze ergibt. Diese Muster und der zugehörige Ort werden in einer look-'jptable gespeichert. Die Ortungsiogik 6 fragt nun jeweils drei Schieberegisterplätze auf ihren Inhalt ab. Nicht alle Regist· rplatzkombinationen entsprechen einem sinnvollen Ort; an dieser Stelle erfolgen also die ersten Eliminierungen von Siörsignalen. Benutzt man das System, wie es bisher beschrieben wurde, so entspricht dieses im wesentlichen einem Koinzidenzen ausweitenden System. Die Schwäche eines solchen Systems ist die große Anzahl von Fehlortungen. Es ist möglich, daß zum Zeitpunkt des Eintreffens eines Signals in den anderen Schieberegistern mehr als ein Triggersignal enthalten ist. Die Logik würde dann in der Regel mehr als einen Ursprungsort ermitteln. Der Einfluß solcher Fehlortungen wird zwar durch statistische Mittelung gesenkt, er trägt abfr 'xotzdem zur Verschlechterung des Signal-Störverhältnisses bei. Es ist also wichtig, solche Fehlortungen soweit wie möglich zu verringern. Ei.κ solche Verringerung vo.i Fehlortungen läßt sich durch Hinzunehmen von zusätzlichen Aufnehmern 1 erreichen. Je mehr zusätzliche Aufnehmer 1 in das System eingebracht werden, destc sicherer wird, daß die Anzeige keine Fehlortung darstellt. Je mehr zusätzliche Aufnehmer 1 eingebracht werden, desto komplexer wird aber auch das System. Aus diesem Grunde wprdcn wir uns bei dem Echtzeitschallemissionsprüfsystem auf vier Aufnehmer beschränken, also drei Aufnehmer 1 zur eigentlichen Ortung und eßlen Aufnehmer zur Kontrolle. Die Funktionsweise des Systems ist damit folgende:

Die durch die ersten drei Aufnehmer 1 gegebenen Ankunftszeiten bestimmen eindeutig den Ort bzw. ein Ortsfeld mit ei'aer bestimmten Unscharfe, die durch die

Taktzeit definiert ist. Von diesem Ortsfeld aus läßt sich |"

bei bekannten Koordinaten des vierten Aufnehmers 1 ψ

der Abstand zwischen Quelle und dem vierten Aufneh- |^!i

mer 1 berechnen und damit bei bekannter Schallausbreitungsgeschwindigkeit die Laufzeit und somit auch die Ankunftszeit am vierten Aufnehmer 1 ebenfalls mit einer bestimmten zeitlichen Unscharfe, die allerdings größer ist als die in den anderen Schieberegistern 5. Wird in dem Intervall zwischen maximaler und minimaler Laufzeit im vierten Schieberegister 5 ein Ereignis gefunden, so wird der vorher mit Hilfe von drei Ankunftszeiten detektierte Ort als korrekt akzeptiert, wenn nicht, wird er verworfen und somit die Anzahl der Fehlortungen eingeschränkt. Die Grenzen des Systems liegen darin begründet, daß auf Grund der Unscharfe für jeden Ort mehrere Registerplätze im vierten Schieberegister 5 belegt sein können. Wenn also die Ereignisrate relativ hoch ist. sind sehr viele Registerplätze im vierten Schieberegister 5 belegt. Das vierte Schieberegister 5 kann somit nicht mehr zu einer Einschränkung der Fehlortungen beitragen, da die erlaubten Belegungen sich überdecken. Mit diesem System ist es also theoretisch möglich, Signalfrequenzen bis zur Taktfrequenz zu verarbeiten. Alle emittierenden Quellen werden detektiert. Je höher die Folgefrequenz ist, desto größer ist jedoch die Wahrscheinlichkeit, daß zusätzlich Fehlortungen auftreten. Im Gegensatz hierzu wird ein ereignisserielles System bei zu hoher Ereignisrate keine Fehlortungen durchführen, allerdings auch keine »richtigen« Ortungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

35

40

45

60

65

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einrichtung zur Schallemissionsprüfung und zur zweidimensionalen Ortung von Schallemissionsquellen in Werkstoffen, mit mindestens vier Aufnehmern zur Erfassung der Schallemissionssignale und deren Ankunftszeiten bei den Aufnehmern, mit einem jedem Aufnehmer jeweils zugeordneten Verstärker, Filter und Schwellenwertdetektor und mit einem Prozessor, der den Schallemissionssignalen einen Schaüemissionsquellort zuordnet sowie die Abspeicherung der ermittelten Quellorte in einem Speicher und deren Ausgabe über eine Ausgabeeinheit steuert, dadurch gekennzeichnet,