DE3126138C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Dicke
eines Werkstückes mit Schritten gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine
Vorrichtung zur Messung der Dicke eines Werkstückes mit
Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung der obengenannten
Gattung sind aus der DE-OS 26 20 950 bekannt.
Aus JP 52-132 864 ist ein System bekannt zur Kompensation
der Variation der Geschwindigkeit der
Ultraschallausbreitung in einem bestimmten Werkstück durch
Variieren der Anzahl der Messungen, die für eine
Bestimmung der Dicke des Werkstückes aus der
Geschwindigkeit der Schallausbreitung in ihm notwendig
sind.
Häufig wird dabei die verstrichene Zeit durch Zählen von
Taktimpulsen gemessen, so daß die Genauigkeit des hieraus
abgeleiteten Wertes für die Dicke des Materialstückes von
der Frequenz oder Dauer der Taktimpulse abhängt.
Andererseits sind die Anforderungen der Benutzer
hinsichtlich einer hohen Genauigkeit gestiegen. Es wird
eine Auflösung von 0,1 mm oder weniger gefordert, wobei
davon ausgegangen wird, daß die Schallgeschwindigkeit
innerhalb des Werkstückes etwa 10 000 m/sec oder mehr
beträgt. In diesem Fall sind Taktimpulse mit einer Dauer
von 2×10-8sec (20 Nanosekunden) erforderlich, d. h.
die Taktimpulse haben eine Frequenz von etwa 50 MHz.
Gegenwärtige Halbleiter-IC-Oszillatoren mit einer
Grenzfrequenz von 50 MHz sind jedoch relativ teuer und
haben einen hohen Energiebedarf, weshalb auch die
Betriebskosten verhältnismäßig hoch sind. Bekannte
Vorrichtungen und Verfahren zur Dickenmessung mittels
Ultraschall sind daher sehr aufwendig in der Beschaffung
und im Betrieb.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung derart
weiterzubilden, daß die Kosten für die Einrichtung und den
Betrieb verringert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des
kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 bzw. des
Patentanspruchs 4 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den den
Patentansprüchen 1 und 4 jeweils nachgeordneten
Patentansprüchen hervor.
Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind im folgenden
anhand von Fig. 3 bis 5 der beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben, wobei für die Größe N, die eine ganze Zahl
nicht kleiner als 2 darstellt, der Wert 4 gewählt ist.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen
Vorrichtung zur Dickenmessung mittels
Ultraschall,
Fig. 2(a)-(e) Zeitdiagramme zur Darstellung der an
verschiedenen Punkten der Schaltung nach
Fig. 1 auftretenden Wellenformen,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Dickenmessung mittels Ultraschall,
Fig. 4(a)-(e) Zeitdiagramme zur Darstellung der an
verschiedenen Punkten der Schaltung nach
Fig. 3 auftretenden Wellenformen und
Fig. 5(a)-(k) Zeitdiagramme zur Darstellung des Prinzips
der Wirkungsweise der Vorrichtung nach
Fig. 3 und der damit erzielten Wirkung.
Bevor nun die erfindungsgemäße Vorrichtung und das
erfindungsgemäße Verfahren im einzelnen beschrieben
werden, werden zum besseren Verständnis anhand von Fig. 1
und von Fig. 2(a)-(e) zunächst eine herkömmliche
Vorrichtung und ein herkömmliches Verfahren beschrieben,
wie sie aus der eingangs genannten JP 52-132 864 bekannt
sind.
Die herkömmliche Vorrichtung nach Fig. 1 umfaßt
einen Synchronisationssignalgenerator 1, einen mittels
des Generators 1 zur Erzeugung mittels elektrischer Impulse
in einer vorbestimmten Zeitdauer T₁ gesteuerten
Impulstransmitter 2, einen Meßkopf 3 zur Umwandlung jedes
der von dem Transmitter 2 zugeführten elektrischen Impulse
in einen Ultraschallimpuls, der in ein Werkstück
10 der Dicke W eingeleitet werden soll, und zur Aufnahme
jedes von dem Boden des Werkstücks 10 reflektierten Echoimpulses
und zur Umwandlung dieses Echoimpulses in einen
Spannungsimpuls, einen Verstärker 4 zur Verstärkung der
Spannungsimpulse, einen auf die Impulse des Synchronisationssignalgenerators
1 und die verstärkten Spannungsimpulse
des Verstärkers 4 ansprechenden Multivibrator 5 zur Erzeugung
eines elektrischen Impulses mit einer Dauer, die
der Zeitdauer T₂ gleich ist, die von der Zeit der Übertragung
eines Ultraschallimpulses bis zur Zeit des Empfangs
des zugehörigen Echoimpulses dauert, einen Taktimpulsgenerator
6 zur Erzeugung von Taktimpulsen mit
einer Zeitdauer T₃, ein UND-Gatter 7, das mittels
der elektrischen Impulse des Multivibrators 5 geschaltet
wird, um die Taktimpulse des Generators 6 nur während
der geschalteten Zeitdauer durchzulassen, einen Zähl- und
Rechnerschaltkreis 8 zum Zählen der Anzahl der durch das
UND-Gatter 7 durchgelassenen Taktimpulse und zur Berechnung
der Dicke aufgrund des gezählten Wertes unter Berücksichtigung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Ultraschallimpulse im Werkstück
(der Schaltkreis ist mit einer Geschwindigkeitseinstellvorrichtung
versehen, obwohl dies nicht in Fig. 1 gezeigt
ist), um ein Signal abzuleiten, das der Dicke des Werkstücks
10 entspricht, eine Anzeige 9 zur Anzeige des
Signals des Schaltkreises 8, und eine Energiequelle 5
zur Versorgung der entsprechenden Bauteile mit der notwendigen
elektrischen Energie. Die Anzeige 9 kann als
Digitalanzeige ausgebildet sein.
Beim Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Gerätes berührt der
Meßkopf 3 die Oberfläche des Werkstücks 10 und die elektrischen
Impulse mit einer Zeitdauer T₁ werden von dem
Transmitter 2 dem Meßkopf 3 zugeführt. In Abhängigkeit
von den elektrischen Impulsen erzeugt der Meßkopf 3
Ultraschallimpulse, wie sie in Fig. 2(a) dargestellt
sind, und überträgt diese Impulse in das Werkstück
10. Jeder der in das Werkstück 10 übertragenen Ultraschallimpulse
wird vom Boden des Werkstücks reflektiert
und erreicht den Meßkopf 3 mit einer Verzögerungszeit
T₂, gemessen von der Zeit der Übertragung in das Werkstück
10. Somit weisen die Ultraschallimpulse eine in Fig. 2(b)
gezeigte Wellenform auf und werden von dem Meßkopf
3 empfangen, der sie wiederum in entsprechende Spannungsimpulse
umwandelt. Die Spannungsimpulse werden mittels
des Verstärkers 4 verstärkt. Die Verzögerungszeit T₂
kann ausgedrückt werden als T₂=2W/C, wobei W die Dicke
des Werkstücks und C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Ultraschallimpulse in dem Werkstück darstellt. Der
Multivibrator 5 wird in Abhängigkeit von einem jeden Synchronisationssignal
von dem Generator 1 angeschaltet
und in Abhängigkeit von einem jeden empfangenen Echoimpuls
abgeschaltet, wodurch er einen der Dicke entsprechenden
Spannungsimpuls 12 entsprechend der Dauer der Verzögerungszeit
T₂ des Echoimpulses erzeugt, wie dies in Fig. 2(c)
dargestellt ist. Der der Dicke entsprechende Spannungsimpuls
12 wird dem UND-Gatter 7 zugeführt. Andererseits
weisen die Taktimpulse 13 eine Zeitdauer T₃ auf, wie
dies in Fig. 2(d) dargestellt ist, wobei sie mittels eines
Kristalloszillators innerhalb des Taktimpulsgenerators
6 erzeugt werden und dem UND-Gatter 7 zugeführt werden.
Das UND-Gatter 7 wird mittels der der Dicke entsprechenden
Spannungsimpulse 12 geschaltet, wodurch eine Reihe von
Taktimpulsen 14 (siehe Fig. 2(e)) durch das UND-Gatter 7
gelangen und dem Zähl- und Rechnerschaltkreis 8 zugeführt
werden. Der Zähl- und Rechnerschaltkreis 8 zählt die Anzahl
der Taktimpulse in der Impulsreihe oder dem Impulszug
14, der von dem UND-Gatter 7 zugeleitet wird.
Wenn die Anzahl der in dem Taktzug 14 befindlichen Taktimpulse
n ist, dann ist aufgrund der Beziehung
T₂=2W/C=T₃×n,
die Dicke W wie folgt:
W=C×T₃×n/2.
Der somit abgeleitete Dickenwert wird auf der Anzeige 9
angezeigt.
In der Praxis ist es üblich, daß ein sogenannter
Nullpunkt-Einstellschaltkreis zwischen dem Synchronisationssignalgenerator
und dem Multivibrator angeordnet
ist. Bei der obigen Beschreibung des herkömmlichen
Gerätes ist jedoch ein derartiger Schaltkreis weggelassen,
da die Kenntnis eines derartigen Schaltkreises weder für
das Arbeitsprinzip des herkömmlichen Gerätes noch für
das Verständnis der Erfindung erforderlich ist.
Aus der Formel zur Ableitung der Dicke W sieht man, daß
die Auflösung oder Genauigkeit des erhaltenen Dickenwerts
von der Zeitdauer T₃ der Taktimpulse und daher von
der Frequenz der Taktimpulse abhängt.
Wie bereits jedoch vorher erwähnt, weisen das Verfahren
und die Vorrichtung dieser Art nach dem Stand der Technik
den Nachteil auf, daß sie nicht nur hohe Kosten, sondern
ebenfalls einen hohen Energiebedarf erfordern.
Im folgenden soll daher die Erfindung unter Bezugnahme
auf die Fig. 3, 4(a)-(e) und 5(a)-(k) beschrieben werden.
Der in Fig. 3 dargestellte Schaltkreis hat im wesentlichen
den gleichen Aufbau wie der in Fig. 1 gezeigte Schaltkreis,
mit der Ausnahme, daß er einen Phasenkontrollschaltkreis
20 zusätzlich zu den Bauteilen des Schaltkreises
von Fig. 1 aufweist, und daß eine Schallgeschwindigkeitseinstelleinrichtung
in Verbindung mit dem Zähl-
und Rechnerschaltkreis 8 dargestellt ist, der die Bezugsziffer
21 aufweist. Entsprechend weisen die gleichen
Bauteile von Fig. 1 in Fig. 3 die entsprechenden Bezugsziffern
auf.
Fig. 4(a) zeigt Ultraschallimpulse P₁, P₂, . . ., die aufeinanderfolgend
in ein Werkstück 10 mit einer Zeitdauer T₁
eingeleitet werden, während Fig. 4(b) die entsprechenden
Ultraschallechoimpulse R₁, R₂, . . ., aufzeigt, die von
der Bodenfläche des Werkstücks reflektiert wurden. Fig. 4(c)
zeigt die Impulse 12 der Dauer, die gleich der
Verzögerungszeit T₂ sind, die am Ausgang des Multivibrators
5 erzeugt werden, die die Bezugsziffern 12-1, 12-2, . . .,
in der folgenden Beschreibung aufweisen.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung von Fig. 3 zur Ableitung
der Impulse 12-1, 12-2, . . ., ist der Arbeitsweise der
Vorrichtung von Fig. 1 zur Ableitung der der Dicke entsprechenden
Spannungsimpulse 12 gleich. Das Gerät von
Fig. 3 arbeitet jedoch im Vergleich zum Gerät gemäß
Fig. 1 in bezug auf das Zählen der der Dicke entsprechenden
Impulse mittels der Taktimpulse unterschiedlich, wie
dies im folgenden beschrieben wird.
Der Taktimpulsgenerator 6 umfaßt einen Kristalloszillator,
der Taktimpulse mit einer Zeitdauer T₄ unter der Steuerung
des Synchronisationssignalgenerators 1 erzeugt, wobei
jedoch die Phase der Taktimpulse um 2 π/N Radiane (N ist
eine ganze Zahl nicht kleiner als 2) in eine vorbestimmte
Richtung verschoben wird, und zwar jedesmal, wenn
die Messung der Verzögerungszeit T₂ beendet ist. Es soll
angenommen werden, daß die Ultraschallimpulse P₁, P₂, . . .,
in das Werkstück 10 zu den Zeitpunkten T₁, T₂, . . ., eingeleitet
werden. Die Phase der Taktimpulse schreitet dann vor
(oder wird verzögert) um 2 π/N Radiane bei jedem der
Zeitpunkte t₁′, t₂′, . . ., wie dies in Fig. 4(e) gezeigt
ist, und zwar unter der Steuerung des Signals des Phasenkontrollschaltkreises
20, in dem der Zeitpunkt t₁′ so
ausgewählt wird, daß er zu dem genauen Zeitpunkt zwischen
(t₁+T₂) und t₂ liegt, und der Zeitpunkt t₂′ so ausgewählt
wird, daß er ein genauer Punkt zwischen (t₂+T₂)
und t₃ ist.
Somit erzeugt der Generator 6 an seinem Ausgang Taktimpulse
22-1 mit einer Phase (ϕ₀+2 π/N) während der
Dauer von t₁′ bis t₂′, Taktimpulse 22-3 mit einer
Phase (ϕ₀+(2 π/N)×2) während der Dauer von t₂′ bis
t₃′ usw., wie dies in Fig. 4(d) dargestellt ist,
die dem UND-Gatter 7 zugeführt werden. Dem UND-Gatter
7 werden ebenfalls Spannungsimpulse 12 von dem Dickenmultivibrator
5 zugeführt. Das UND-Gatter 7 erzeugt
Taktimpulszüge 23-1, 23-2, . . ., die zueinander um 2 π/N
Radiane phasenverschoben sind, wie dies in Fig. 4(e)
dargestellt ist. Die Taktzüge 23-1, 23-2, . . ., werden
dem Zähl- und Rechnerschaltkreis 8 zugeführt, wo die
Anzahl der in jedem der N aufeinanderfolgenden Taktzüge
23-1 bis 23-N enthaltenen Taktimpulse gezählt
werden. Somit wird die Messung der Verzögerungszeit
in bezug auf N aufeinanderfolgende Echoimpulse durchgeführt.
Andererseits wird ein Faktor bezüglich der
Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallimpulse
in dem Werkstück 10 von der Einstelleinrichtung 21
dem Zähl- und Rechnerschaltkreis 8 zugeführt, so daß
der Schaltkreis 8 die gezählten Werte mittels des
Faktors verarbeitet, um ein der Dicke des Werkstücks
entsprechendes Signal abzuleiten. Der so erhaltene
Werkstückdickenwert wird auf der Anzeige 9 angezeigt,
die vorzugsweise eine Digitalanzeige ist. Der Taktimpulszug
32-1 mit einer Phase ϕ₀ (siehe Fig. 4(e))
entspricht hier dem Taktimpulszug 14 (siehe Fig. 2(e)).
Die Funktion des in Fig. 3 gezeigten Gerätes und die
dadurch erzeugte Wirkung sollen nun unter Bezugnahme
auf die Fig. 5(a) bis (k) beschrieben werden.
In den Fig. 5(a) bis (k) ist angenommen, daß N vier und
ϕ₀ Null ist; die Taktimpulse haben eine Zeitdauer von
T₄, und die der Dicke entsprechenden Spannungsimpulse
12 haben eine Dauer T₂=T₄, was dem Fall entspricht,
in dem die Taktimpulszüge 23-1, 23-2, 23-3 und 23-4
zueinander um 2 π/4 Radiane (90°) phasenverschoben sind.
Fig. 5(a) zeigt aus Einfachheitsgründen nur einen der
der Dicke entsprechenden Spannungsimpulse 12 statt der
der Dicke entsprechenden Spannungsimpulse 12-1 bis 12-4.
Fig. 5(b) bis (e) zeigen die Taktimpulszüge 23-1 bis
23-4, während die Fig. 5(f) bis (i) die Art des Zählens
der der Dicke entsprechenden Spannungsimpulse 12-1 bis
12-4 mittels der phasenverschobenen Taktimpulse darstellen,
unter der Annahme, daß das Zählen an der vorderen
Kante jedes Taktimpulses durchgeführt wird, wie dies
mittels der dicken ausgezogenen Linien dargestellt ist.
Der Zustand der in Fig. 5(f) dargestellten Taktimpulse
entspricht dem üblichen Fall. In Fig. 5(f) beträgt
die Ziffer der Zählung zwei (2), wobei es jedoch aus der
Zeichnung offensichtlich ist, daß die im Fall von Fig. 5(f)
erhaltene Auflösung T₄ entsprechend der Zeitdauer
A eines Zyklus der Taktimpulse ist, da das Zählen
mittels eines Zyklus der Taktimpulse bewirkt wird.
In jeder der Fig. 5(g) bis (i) ist die Anzahl der Zählungen
zwei (2) wie im Fall von Fig. 5(f), wobei jedoch
darauf hingewiesen werden soll, daß im Falle der Fig. 5(g)
bis (i) das Zählen an Stellen durchgeführt wird, die
um 90° zueinander in der Größenordnung von Fig. 5(g),
Fig. 5(h) und Fig. 5(i) phasenverschoben sind, und
die zwischen den führenden Kanten der benachbarten Taktimpulse
von Fig. 5(f) liegen. Somit wird das Zählen
viermal so durchgeführt, daß alle der in den Fig. 5(f)
bis (i) dargestellten Zähloperationen durchgeführt werden,
deren gesamte Anzahl acht (8) ist. Es ist offensichtlich,
daß die in diesem Fall erhaltene Auflösung
T₄/4 ist, die der Zeitlänge B entspricht, die von dem
Zeitpunkt, an dem der Wert "zwei (2)" in Fig. 5(i) gezählt
wurde, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der nächstfolgende
Taktimpuls in Fig. 5(f) beginnt, gemessen wurde.
Das heißt, in diesem Fall wurde die Auflösung im Vergleich
zum Fall von Fig. 5(f), der dem üblichen Fall entspricht,
um ein Vierfaches verbessert. Mit anderen Worten,
man kann mit dieser Ausführungsform eine derartige Auflösung
erhalten, die man in dem Fall erhält, in dem man
das Zählen mittels der Taktimpulse durchführt, die eine
Zeitdauer T₄/4 (das vierfache vom Standpunkt der
Frequenz) haben, wenn keine Phasenverschiebung bewirkt
wird. Fig. 5(j) zeigt die Taktimpulse, deren Dauer
auf T₄/4 geändert wurden, während Fig. 5(k) die Art
und Weise zeigt, in der das Zählen mittels der Taktimpulse
von Fig. 5(j) durchgeführt wird.
Der auf der Anzeige 9 angezeigte Dickenwert kann abgeleitet
werden, indem man die gesamte Anzahl der Zählungen
"acht (8)" durch "vier (4)" dividiert, welches die
Zeit ergibt, in denen das Zählen bewirkt wurde,
wobei eine derartige Division mittels des Zähl- und
Rechnerschaltkreises 8 durchgeführt wird.
Von der Analogie in bezug auf den oben beschriebenen
spezifischen Fall ist leicht zu verstehen, daß allgemein
in dem Fall, in dem die Dauer T₂ der der Dicke entsprechenden
Impulse mittels der Taktimpulse mit einer
Zeitdauer T₄ gemessen wird, die Dicke W des Werkstücks
durch die Formel
W=C×T₄×n/2
ausgedrückt werden kann, wobei n die Anzahl der gewählten
Taktimpulse und T₄ die Periode bzw. Dauer der Taktimpulse
dargestellt. In diesem Fall ist die Auflösung
der Dickenmessung CT₄/2 (dieser Fall entspricht dem
üblichen Fall).
Andererseits kann in dem Fall, in dem die Dauer T₂ jedes
der N aufeinanderfolgenden Dickenimpulse mittels Taktimpulsen
mit einer Zeitdauer NT₄ unter der Bedingung gemessen wird,
daß die Phase der Taktimpulse um 2 π/N Radiane nach Beendigung
der Messung eines jeden der Dickenimpulse verschoben
ist, die Anzahl n ausgedrückt
werden als
und die Dicke W des Werkstücks kann ausgedrückt werden als
W=C×T₄×n/2
mit dem Ergebnis, daß die Auflösung in diesem Fall
CT₄/2 ist. Das heißt, der gleiche Auflösungsgrad, wie er
beim üblichen Fall erhalten werden kann, kann auch dann erhalten
werden, wenn die Frequenz der Taktimpulse auf 1/N vermindert
wird, wenn eine derartige Phasenverschiebung, wie
oben beschrieben, bewirkt wird.
Wenn N′ aufeinanderfolgende Dickenimpulse mit einer Zeitdauer
T₂ mittels der Taktimpulse mit einer Zeitdauer T₄
unter der Bedingung gemessen werden, daß die Phase der
Taktimpulse um 2 π/N′ Radiane nach Beendigung der Messung
eines jeden Dickenimpulses verschoben ist, ist die erhaltene
Auflösung CT₄/2N′. Das bedeutet, daß die Auflösung
im Vergleich zu dem üblichen Fall um N′ mal verbessert
ist.
In dem Fall, in dem das Zählen in bezug auf N aufeinanderfolgende
Dickenimpulse 12 durchgeführt wird, wird
der auf der Anzeige 9 angezeigte Dickenwert mittels
Dividieren der gesamten Anzahl der Zählungen, die man
von dem Zählbetrieb erhält, durch die Anzahl der Zeiten
N, in der die Zählungen durchgeführt wurden, abgeleitet,
wobei die Division mittels des Zähl- und Rechnerschaltkreises
8 durchgeführt wird.
Man sieht, daß das beschriebene Verfahren so arbeitet,
als ob man die Frequenz der Taktimpulse um ein N-faches
erhöhen würde.
In dem einfachsten Ausführungsbeispiel ist das Gerät so
aufgebaut, daß die Taktimpulse eine Frequenz von 25 MHz
haben (da ein IC-Oszillator, der eine derartige Frequenz
liefert, leicht bei relativ niedrigen Kosten erhältlich
ist). Die Phase der Taktimpulse wurde aufeinanderfolgend
um 180° verschoben und die Verzögerungszeit
der zwei aufeinanderfolgenden Dickenimpulse so gemessen,
daß die Dicke eines Werkstückes mit einer Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit
von 10 000 m/sec mit einer
Auflösung von 0,1 mm bestimmt werden konnte. Das so aufgebaute
Gerät wurde zur Messung der Dicke von Stahlmaterial
verwendet, welches eine Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit
von 5950 m/sec hat, während die Geschwindigkeitseinstelleinrichtung
21 des Gerätes auf einen
Wert von 5050 m/sec eingestellt wurde, so daß der gezählte
Wert mit 0,595 im Zähl- und Rechnerschaltkreis 8
multipliziert wurde. Andererseits wurde die Dicke von
Aluminium gemessen, welches eine Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit
von 6260 m/sec aufweist, wobei die Geschwindigkeitseinstelleinrichtung
21 des Gerätes auf
einen Wert von 6260 m/sec eingestellt wurde, so daß der
gezählte Wert mit 0,626 in dem Zähl- und Rechnerschaltkreis
8 multipliziert wurde. In beiden Fällen konnte der auf
der Anzeige 9 angezeigte Dickenwert mit einer Zahl
bis zur ersten Dezimalstelle angezeigt werden, d. h.,
die Anzeige konnte innerhalb der Auflösung von 0,1 mm
gemacht werden.
In einem anderen Beispiel wurde das Gerät so aufgebaut,
daß die Phase der Taktimpulse aufeinanderfolgend um
18° zur Messung der Verzögerungszeit von zehn aufeinanderfolgenden
Dickenimpulsen verschoben wurde. In diesem Fall
konnte der auf der Anzeige 9 angezeigte Dickenwert mit einer
Zahl bis zur zweiten Dezimalstelle angegeben werden,
d. h. die Anzeige wurde mit einer Auflösung von 0,01 mm
durchgeführt.
Mit der Erfindung wird somit eine Dickenmessung mit
hoher Auflösung erreicht, die man mit bekannten Geräten
nur dann erreicht wird, wenn man die Frequenz der Taktimpulse
auf ein N-faches steigert. Erfindungsgemäß werden N aufeinanderfolgende
Dickenimpulse mittels Taktimpulsen gemessen,
deren Phasen aufeinanderfolgend um 2 π/N Radiane
verschoben sind, während die Frequenz nicht gesteigert
wird. Weiter ist es mit der Erfindung möglich, einen
teuren IC-Oszillator mit einer höheren Grenzfrequenz
zu vermeiden, wodurch die Kosten des Gerätes gesenkt werden.
Claims (13)
1. Verfahren zur Messung der Dicke eines Werkstückes mit
folgenden Schritten:
- (a) Periodisches Einleiten von Ultraschallimpulsen in das Werkstück zur Durchführung aufeinanderfolgender Meßzyklen,
- (b) Empfangen von entsprechenden Echo-Ultraschallimpulsen aus dem Werkstück,
- (c) Erzeugen von Impulsen in Abhängigkeit vom Empfang von Echoimpulsen in jedem Meßzyklus zur Bestimmung einer Meßperiode in jedem Zyklus,
- (d) Erzeugen von Taktimpulsen,
- (e) Weiterleiten der Taktimpulse innerhalb der Meßperiode eines jeden Meßzyklus an einen Zähler, und
- (f) Zählen der am Zähler ankommenden Taktimpulse,
dadurch gekennzeichnet, daß
- (g) innerhalb einer Folge von N Meßzyklen (wobei N eine ganze Zahl nicht kleiner als 2 ist) nach jedem Meßzyklus die Phase der Taktimpulse um 2 π/N Radiane in einer vorbestimmten Richtung verschoben wird und
- (h) die Zahl der Taktimpulse, die in den Meßperioden der Folge von N Meßzyklen geliefert werden, gezählt und durch N geteilt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Phase der
Taktimpulse nach Beendigung einer jeden Meßperiode um
2 π/N Radiane fortschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, da die Phase der
Taktimpulse nach Beendigung einer jeden Meßperiode um
2 π/N Radiane verzögert wird.
4. Vorrichtung zur Messung der Dicke eines Werkstückes
mit
- (a) einem Kopf (3) zum Einleiten von Ultraschallimpulsen in das Werkstück und zum Empfangen entsprechender Echo-Ultraschallimpulse,
- (b) einem Synchronisationssignalgenerator (1) zum periodischen Zuführen von elektrischen Impulsen an den Kopf (3), der dadurch die Ultraschallimpulse zur Durchführung einer Folge von aufeinanderfolgenden Meßzyklen sendet,
- (c) einer auf Echoimpulse ansprechenden Einrichtung (5), die mit dem Kopf (3) verbunden ist und in der Zeitspanne von der Zeit der Aussendung eines jeden Ultraschallimpulses bis zur Zeit des Empfangs der entsprechenden Echoimpulse durch den Kopf (3) betätigt wird,
- (d) einem mit dem Synchronisationssignalgenerator (1) verbundenen Taktimpulsgenerator (6) zur Erzeugung von Taktimpulsen,
- (e) einer Torschaltung (7), die mit der auf Echoimpulse ansprechenden Einrichtung (5) und dem Taktimpulsgenerator (6) verbunden ist, und
- (f) einer Zähl- und Signalverarbeitungseinrichtung (8), die mit der Torschaltung (7) verbunden ist,
- (g) wobei die Torschaltung (7) die Taktimpulse des Taktimpulsgenerators (6) nur während der Betätigung der auf Echoimpulse ansprechenden Einrichtung (5) an die Zähl- und Signalverarbeitungseinrichtung (8) weiterleitet,
dadurch gekennzeichnet, daß
- (h) eine mit dem Taktimpulsgenerator (6) verbundene Phasensteuereinrichtung (20) vorgesehen ist, welche in einer Folge von N Meßzyklen (wobei N eine ganze Zahl nicht kleiner als 2 ist) die Phase der vom Taktimpulsgenerator (6) ausgehenden Impulse nach jedem Meßzyklus um 2 π/N Radiane in einer vorbestimmten Richtung verschiebt und
- (i) die Zähl- und Signalverarbeitungseinrichtung (8) dafür eingerichtet ist, die während eines Meßzyklus von der Torschaltung (7) empfangenen Taktimpulse zu zählen und die Summe durch N zu teilen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Phasensteuereinrichtung (20) nach Beendigung der
Betätigung der auf Echoimpulse ansprechenden
Einrichtung (5) die Phase der Taktimpulse um 2 π/N
Radiane nach vorne verschiebt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Phasensteuereinrichtung (20) nach Beendigung der
Betätigung der auf Echoimpulse ansprechenden
Einrichtung (5) die Phase der Taktimpulse um 2 π/N
Radiane verzögert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die auf Echoimpulse
ansprechende Einrichtung (5) einen Multivibrator
umfaßt, der in Abhängigkeit von einem
Synchronisierungssignal des
Synchronisierungssignalgenerators (1) anschaltbar und
in Abhängigkeit von einem Signal entsprechend dem
zugehörigen, vom Kopf (3) empfangenen Echoimpuls
abschaltbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Torschaltung
(7) ein UND-Gatter umfaßt, das mittels des
Ausgangssignals des Multivibrators geschaltet wird und
die Taktimpulse des Taktimpulsgenerators (6) nur
während dieser Schaltdauer durchläßt, so daß die Zahl
der so durchgelassenen Taktimpulse gezählt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zähl- und
Signalverarbeitungseinrichtung (8) einen
Rechnerschaltkreis mit einer
Schallgeschwindigkeitseinstelleinrichtung (21) zur
Einstellung der im jeweiligen Werkstück geltenden
Schallausbreitungsgeschwindigkeit umfaßt zur Ableitung
eines die Dicke des Werkstückes (10) darstellenden
Signals.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Einrichtung
zur Anzeige des abgeleiteten Wertes für die Dicke des
Werkstückes vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Anzeigeeinrichtung den abgeleiteten Dickenwert digital
anzeigt.
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