DE3625618A1 - Verfahren zur digitalen spitzenwertmessung fuer ultraschallpruefimpulse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur digitalen Spitzenwertmessung für Ultraschallimpulse nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und stellt eine Verbesserung und weitere Ausbildung des Verfahrens nach Patent P 35 38 948.6 dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Dynamikbereich des Verfahren nach dem Hauptpatent zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung ausgehend von dem Ver­ fahren nach dem Hauptpatent gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrie­ ben.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.

Fig. 2 zeigt den Signalverlauf in der Schaltung nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Aufteilung des Meßbereiches.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.

In der in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellten Schaltung ist ein Ultraschallsender 2 mit einem Prüfkopf 4 wiedergegeben, der gleichzeitig als Sender und Empfänger für die Prüfimpulse arbeitet, die vom Prüfkopf auf ein zu prüfendes Werkstück 6 abgegeben werden, das in üblicher Weise in einem mit einer Flüssgkeit gefüllten Tank untergebracht ist, wobei der Prüfkopf 4 in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Das vom Prüfkopf 4 empfangene Meßsignal wird einem linearen Vorverstärker 10 auf­ gegeben. Der Sender 2 wird von einem Taktgenerator 12 ange­ steuert, dessen Triggerimpulse gleichzeitig einer Zeitsteuerung 14 aufgegeben wird, über die eine Zeitblende 16 erzeugt wird, die den Signalerwartungsbereich eingrenzt und beispielsweise auf den Bereich eingestellt ist, in dem ein Fehlerecho zu erwarten ist.

Für die Spitzenwertmessung des Ausgangssignals 18 des Vorver­ stärkers 10 ist ein durch den Gesamtblock 20 repräsentierter Meßschaltkreis zur Messung des Spitzenwertes des Signals 18 vorgesehen. Dieser Meßschaltung wird auch die Zeitblende 16 auf­ gegeben.

Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 10 wird auf einen Kompara­ torbaustein 28 aufgegeben. Dieser Komparatorbaustein ist als Fensterkomparator ausgebildet und weist zwei getrennte Kompa­ ratoren 30, 32 auf, deren Referenzspannungen sich um eine Spannungsstufe, hier beispielsweise um 2 dB, unterscheiden, wie durch einen eingezeichneten festen Spannungsteiler angedeutet, der hier zwischen den Minusgängen der Komparatoren angeordnet ist, während die Pluseingänge der Komparatoren parallel mit dem Ausgangssignal des Vorverstärkers beaufschlagt werden.

Das Ausgangssignal des Fensterkomparators 28 wird einer Tor­ schaltung 34 aufgegeben, die beispielsweise aus zwei parallelen Und-Gliedern besteht und auf die die Zeitblende 16 als zweites Torsignal aufgeschaltet ist. Die Torschaltung kann auch im nach­ folgenden Speicher integriert sein.

Die Ausgangssignale der beiden Tore der Torschaltung werden einem Speicher 36 aufgegeben, der hier aus zwei Flip-Flop besteht, die jeweils das Ausgangssignal der beiden Komparatoren 30, 32 des Fensterkomparators 28 speichern. Dem Speicher 36 ist ein weiterer Speicher 38 nachgeschaltet.

Eine von der Zeitblende 16 gesteuerte Logik 40 erzeugt einen Impuls zur Übertragung des Speicherinhalts des Speichers 36 auf den Speicher 38 und zum Rücksetzen des Speichers 36. Die Speicher 36 und 38 liegen an einer Zählersteuerung 42 an. Von dieser Steuerung wird ein von der Logik 40 getakteter Digitalzähler 44 gesteuert. Dieser Zähler ist beispielsweise ein 4-Bit-Binär­ zähler, der vorwärts und rückwärts zählt. Der Zählerausgang ist auf einen D/A-Wandler 46 geschaltet, von dem die gestufte Referenzspannung auf den Fensterkomparator 28 gegeben wird. Die Referenzspannung im Komparator wird also in Abhängigkeit von der Zählrichtung des Zählers 44 entweder um eine Stufe herauf- oder herabgesetzt. Die Zählersteuerung 42 bestimmt in Abhängigkeit vom Verhältnis des Scheitelwertes zur Referenzspannung die Zähl­ richtung des Zählers 44 und setzt den Zähler still, wenn der Scheitelwert des dem Fensterkomparator aufgegebenen Signals 18 zwischen den beiden Referenzwerten liegt, die an den Komparatoren 32 und 30 anliegen, also im Komparatorfenster. Der Ausgang des Zählers 44 gibt digital die jeweilige Referenzspannung an. Die jeweilige Referenzspannung kann also zwischen dem Zähler 44 und dem D/A-Wandler 46 abgegriffen werden und steht am Ausgang 48 des Schaltkreises 20 zur Verarbeitung zur Verfügung.

Zur Signalverarbeitung ist hier ein Baustein 50 dargestellt, in dem das digitale Eingangssignal beispielsweise direkt mit einer Leuchtdiodenanzeige 52 wiedergegeben wird. Die Zahl der Leucht­ dioden kann dabei der Zahl der vorgesehenen Spannungsschritte entsprechen und beispielsweise bei 16 Spannungsschritten aus 16 Leuchtdioden bestehen. Im Baustein 50 ist weiter ein Interface 54 wiedergegeben, an dessen Ausgang beispielsweise ein Rechner 56 anschließbar ist. Weiter ist ein D/A-Wandler 58 dargestellt, in dem das digitale Signal in ein Analogsignal gewandelt wird, das dann beispielsweise von einer Registriereinheit 60 analog auf­ zeichenbar, aber auch über ein analoges Anzeigegerät darstellbar ist.

In Fig. 2 ist der zeitliche Ablauf der Messung wiedergegeben. In der obersten Zeile I ist der Triggerimpuls A wiedergegeben. Mit seiner negativen Flanke kann beispielsweise der in der Zeile II wiedergegebene Sendeimpulse B ausgelöst werden. Vom Triggerimpuls A wird weiter die Erzeugung der Zeitblende 16 ausgelöst, welche hier für den Fehlererwartungsbereich gesetzt ist - Zeile III.

Das in Zeile IV wiedergegebene Ultraschallsignal besteht aus drei Impulsen, nämlich dem Eintritts- bzw. Oberflächenecho 17, dem Fehlerecho 18 und dem Rückwandeche 19. Die Zeitblende 16 ist dabei so gesetzt, daß nur das Fehlerecho 18 ausgewertet wird. Über der Zeile IV sind die um eine Referenzspannungsstufe x dB verschiedenen Referenzspannungen 31, 33 wiedergegeben, die an den beiden Komparatoren 30, 32 des Fensterkomparators 28 anliegen. Diese Referenzspannungen werden am Ende der Zeitblende um eine Spannungsstufe verändert, hier erhöht.

Für die Ausgänge der beiden Komparatoren 30 und 32 gibt es drei Zustände:

• 1. Liegt die Spannung des Spitzenwertes des aufgegebenen Signales 18 im Komparatorfenster, also zwischen den an den Kompa­ ratoren 30 und 32 anliegenden Referenzspannungen, wird nur der Komparator mit der kleineren Referenzspannung getriggert. Im Speicher 36 wird damit über das Tor 4 eines der beiden Flip-Flop gesetzt. In Abhängigkeit hiervon wird über die Zählersteuerung 42 der Zähler 44 gestoppt und der Ultra­ schallsender abgeschaltet. Der Zählerstand gibt dann digital den Spitzenwert an, der über den Baustein 50 angezeigt oder bearbeitet werden kann. Dieser Zustand ist in Fig. 2 rechts dargestellt.
• 2. Liegt der Spitzenwert oberhalb des Komparatorfensters, triggern beide Komparatoren 32, 30. Im Speicher 36 werden beide Flip-Flop gesetzt. Dies veranlaßt die Zählersteuerung, den Zähler 44 aufwärts zählen zu lassen - Fig. 2 links. Es wird nach jedem Blendentakt die Referenzspannung um eine Stufe erhöht, bis sich der unter 1. beschriebene Zustand einstellt.
• 3. Liegt der Spitzenwert unterhalb des Komparatorfensters, triggert keiner der beiden Komparatoren. Im Speicher 36 wird keiner der beiden Flip-Flop gesetzt. Damit veranlaßt die Zählersteuerung 42 den Zähler zum Abwärtszählen, bis sich der in 1. beschriebene Zustand einstellt.
• 4. Es besteht die Möglichkeit, daß das Eingangssignal außerhalb des Meßbereiches liegt - Überbereich bzw. Unterbereich. Es würde dann der Zustand 1 nicht erreicht. In diesem Fall wird der Zähler in seiner höchsten bzw. niedrigsten Stufe still­ gesetzt und Bereichsüberschreitung angezeigt.

In den dem Speicher 36 nachgeschalteten Speicher 38 wird jeweils am Ende der Zeitblende der Inhalt des Speichers 36 überführt, und zwar hier gesteuert durch die negative Flanke der Zeitblende. Mit den beiden Speichern 36 und 38 ist ein Vergleich der n-ten Messung mit der (n-1)-ten Messung möglich. Durch Toleranzen der im Fensterkomparator eingebauten Teilwiderstände kann die Breite des Fensters kleiner sein als eine Spannungsstufe des D/A-Wandlers 36. Dies würde dazu führen, daß die Zählersteuerung 42 den Zähler 44 ständig auf- und abwärts zählen läßt, da der Spitzenwert aufgrund der Toleranzen jeweils abwechselnd oberhalb bzw. unterhalb des Komparatorfensters liegt. Durch den Vergleich der Inhalte der beiden Speicher 36 und 38 in der Zählersteuerung während zweier aufeinanderfolgender Messungen wird dieser instabile Zustand vermieden. Es wird dann einer der beiden Referenzspannungen der Bestimmung des Spitzenwertes zugrunde gelegt, wobei Meßgenauigkeiten nicht vermeidbar sind.

Eine solche Instabilität kann auch dadurch vermieden werden, daß die Fensterbreite als die Referenzspannungsstufung des Fenster­ komparators größer gewählt wird als eine Spannungsstufe des D/A-Wandlers 46, und zwar um so viel, daß auch unter Berück­ sichtigung der Bauteiltoleranzen die Fensterbreite mindestens der Teilerstufe des D/A-Wandlers 46 entspricht. Im allgemeinen reicht es dabei aus, die Fensterbreite um etwa 5 bis 10% größer vor­ zusehen als eine Spannungsstufe.

Das beschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß nur wenige kritische schnelle Bauelemente, nämlich die des Fenster­ komparators 28, des Tores 34 und des ersten Speichers benötigt werden, während alle weiteren Bauelemente mit dem relativ langsamen Triggertakt des Taktgenerators 12, d. h. der Pulsfolgefrequenz für die Ansteuerung des Ultraschallsenders arbeiten. Die Grenz­ frequenz des Gerätes wird also von dem Fensterkomparator 28, dem Signaltor 34 und der ersten Speichereinheit 36 bestimmt.

Durch die Verwendung von ECL-Bausteinen im Fensterkomparator 30, im Signaltor 34 und im Speicher 36 kann die maximale Frequenz der US-Impulse bis zu 300 MHz betragen. Die übrigen Bauteile, die nur mit dem Triggertakt arbeiten, können in TTL-Technik ausgeführt werden.

Mit der Schaltung nach Fig. 1 ist eine Dynamik von 30 dB erreich­ bar mit einer Stufung von 2 dB. Der Dynamikbereich kann auf einfache Weise dadurch verdoppelt werden, daß die Schaltung mit einem elektronisch steuerbaren Spannungsteiler bzw. einem Vor­ verstärker mit umschaltbaren Verstärkungsfaktor versehen wird. Eine entsprechend abgewandelte Ausführung des Meßschaltkreises 20 ist in Fig. 3 dargestellt. An dem Schaltkreis liegen die gleichen Eingangswerte wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 an. Dem Fensterkomparator 28 ist hier ein elektronisch umschaltbarer Spannungsteiler 62 vorgeschaltet. Der zweite Speicher 38 fehlt hier und der Fensterkomparator ist, wie oben angegeben, mit einer um eine Toleranzspanne gegenüber der Stufung der vom D/A-Wandler 46 abgegebenen Referenzspannung vergrößertem Fenster ausgebildet.

Der Zähler 44 ist hier als 5-Bit-Binär-Zähler ausgebildet und der D/A-Wandler 46 ist ein logarithmischer 4-Bit-D/A-Wandler mit 1-dB-Stufung. Der elektronische Umschalter des Spannungsteilers 62 wird von der Zählersteuerung 42 betätigt. Dem größten Spitzen­ wert ist hier der Zählerstand 0 dB zugeordnet. Der Teiler 62 vor dem Fensterkomparator 28 kann elektronisch zwischen 0 dB und -16 dB umgeschaltet werden. Eine Abschwächung erfolgt beim MSB (Most Significant Bit) des Zählers = 0, also für den Referenz­ spannungsbereich 0 bis -15 dB. Die Spitzenwertamplituden können also in beiden Meßbereichen mit den gleichen Referenzspannungen verglichen werden.

Die Meßgeschwindigkeit der vorstehend beschriebenen Geräte, das ist die Zahl der Messungen, die zur Ermittlung des Spitzenwertes im ungünstigsten Fall durchgeführt werden muß, ist abhängig von der Anzahl der für das jeweilige Meßproblem erforderlichen bzw. vorgesehenen Referenzspannungsstufen. Im ungünstigsten Fall werden bei n-Referenzspannungsstufen (n-1) Messungen mit Meß­ wertauswertung bis zur Feststellung des Spitzenwertes benötigt.

Eine höhere Meßgeschwindigkeit ist erreichbar, wenn der Dynamik­ bereich mit n-Referenzspannungsstufen in m-Bereiche mit n/m- Referenzspannungsstufen unterteilt werden, wobei m größer n und n gleich 3, 4, 5 . . . sein sollte.

Eine solche Aufteilung des Dynamikbereiches auf m-Bereiche ist in Fig. 4 dargestellt. In der Zeile I sind hier die beispielsweise benötigten 32 Amplitudenstufen mit 1 dB Abstufung und einem Dynamikbereich 0 bis -31 dB dargestellt. Dieser Gesamtbereich ist hier in m = 4 Bereiche mit je 8 Referenzspannungen aufgeteilt. Wie in den Zeilen II bis V der Fig. 4 wiedergegeben, enthält der Bereich m ₁ die Stufen 0 bis -7 dB, der Bereich m ₂ die Stufen -8 bis -15 dB, der Bereich m ₃ die Stufen -16 bis -23 dB und der Bereich m ₄ die Stufen -24 bis -31 dB.

Jedem Bereich m ₁-m ₄ ist hierbei ein Meßschaltkreis entsprechend dem Meßschaltkreis 20 nach Fig. 1 oder Fig. 3 zugeordnet, die jeweils identisch ausgebildet sind und bei denen jeweils der D/A-Wandler 46 acht Referenzspannungsstufen liefert und der Zähler 44 ein 3-Bit-Binärzähler sein kann.

Eine entsprechende Schaltung ist in Fig. 5 in einem Ausführungs­ beispiel wiedergegeben. Das Eingangssignal ist hier das Ausgangs­ signal des Vorverstärkers 10. Es wird hier beispielsweise vom Vorverstärker 10 eines Pegelanpassungs-Bausteines 64 aufgegeben, in dem eine Pegelanpassung entsprechend Fig. 4 vorgenommen wird, so daß an den vier Ausgängen dieses Bausteines jeweils die Signalpegelbereiche entsprechend den Zeilen II bis V der Fig. 4 anliegen, also die Pegelbereiche m ₁ bis m ₄. Auf die einzelnen Meßschaltkreise ist ferner das Blendensignal 16 aufgeschaltet.

Die Ausgänge der Signalpegel für die Bereiche m ₁ bis m ₄ des Anpassungsbausteines 64 sind jeweils einem Meßschaltkreis 66 a bis 66 d aufgeschaltet. Diese Meßschaltkreise 66 a bis 66 d sind iden­ tisch und haben beispielsweise als Ausgang jeweils den Ausgang des Zählers 44. Diese Zählausgänge sind auf einen gemeinsamen Ausgabe-Baustein 68 aufgeschaltet, der prinzipiell dem Baustein 50 nach Fig. 1 entsprechen kann.

Statt einer vorgeschalteten Pegelanpassungsbausteines 64 kann jedem der Meßschaltkreise 66 a bis 66 d, wie bei der Ausführung nach Fig. 3, ein Spannungsteiler zugeordnet sein, über den die einzelnen Meßschaltkreise jeweils auf einen der Bereiche m ₁ bis m ₄ einstellbar sind. Es könnte dann der Ausgang des Vorver­ stärkers 10 direkt parallel auf die Bausteine 66 a bis 66 d auf­ geschaltet werden.

Die einzelnen Meßschaltkreise 66 a bis 66 d arbeiten in der oben beschriebenen Weise. Da jedem Schaltkreis ein bestimmter Dynamik­ bereich zugeordnet ist, wird der Spitzenwert in dem Schaltkreis ermittelt, in dessen Dynamik-Bereich der Spitzenwert liegt. Sobald in einem der Schaltkreise der Spitzenwert dadurch fest­ gestellt wird, daß der Scheitelwert innerhalb des Komparator­ fensters liegt, wird der an dem Ausgabebaustein 68 anliegende Zählerstand in diesem Bereich mit einem dem jeweiligen Dynamik­ bereich zugeordneten Faktor multipliziert und dann als Scheitel­ wert digital oder analog ausgegeben.

Bei m-Bereichen mit n-Referenzspannungsstufen in jedem der Bereiche liegt damit der Spitzenwert nach maximal (n-1) Ultra­ schallmeßimpulsen vor.

Bereichsüber- bzw. Bereichsunterschreitungen werden mit den Bausteinen 66 a bzw. 66 d in Verbindung mit dem Ausgabebaustein ermittelt.

Vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Messung eines positiven Spitzenwertes. Durch Erzeugung negativer Referenz­ spannung in Verbindung mit einer entsprechenden Beschaltung der Komparatoren des Fensterkomparators können auch negative Spitzen­ werte gemessen werden. Eine andere Möglichkeit hierzu bietet beispielsweise ein invertierend schaltbarer Vorverstärker.

Claims (6)

1. Verfahren zur digitalen Spitzenwertmessung für Ultraschall­ prüfimpulse mit einer vorgegebenen Impulsfolgefrequenz, bei dem das empfangene Signal nach Verstärkung an einer Kom­ paratorschaltung anliegt, deren Ausgang innerhalb einer vorgegebenen periodisch erzeugten Zeitblende für den zeit­ lichen Signalerwartungsbereich mit einem Speicher verbunden ist, der zu Beginn der Zeitblende rückgesetzt wird, wobei das empfangene Signal einem Fensterkomparator aufgegeben wird, dessen Fensterbreite einer Spannungsstufe einer von einem D/A-Wandler gelieferten stufenweise veränderbaren Referenzspannung entspricht, der D/A-Wandler von einem Digitalzähler angesteuert wird, dessen Zählrichtung in Abhängigkeit vom Speicherinhalt gesteuert und der bei Gleichheit zwischen dem empfangenen Signal innerhalb der Zeitblende und der jeweiligen Referenzspannung stillgesetzt wird, die Anzeige von dem Zählerendstand abgeleitet wird, und das Taktsignal für den Digitalzähler mit der Zeitblende frequenzgleich und aus dieser abgeleitet ist, nach Patent P 35 38 948.6, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkte Signal mit unterschiedlichen Signalpegeln an der Fenster­ komparatorschaltung anliegt bzw. an diese anlegbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Signalpegel über Spannungsteiler mit einem Teilungsfaktor f(n) erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verstärker mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren f(n) vorgesehen sind, um unterschiedliche Signalpegel zu erzeugen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein D/A-Wandler mit Referenzspannungen benutzt wird und Zähler mit x/n Zählerstellungen und über x Spannungsteiler die Signalspannung vor dem Fensterkomparator mit einem Teilungs­ faktor f(n)/x aufgeteilt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Signalspannungen mit unterschiedlichen Pegeln jeweils geson­ derten Fensterkomparatoren zugeführt werden, denen jeweils ein Speicher, ein Zähler und ein eine Mehrzahl von Referenz­ spannungen liefernden D/A-Wandler mit zugehörigen Steuer­ mitteln zugeordnet sind und daß die Anzeige vom Endstand desjenigen Zählers abgeleitet wird, der demjenigen Fenster­ komparator zugeordnet ist, in dessen Fenster der Spitzenwert detektiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Signalspannungen, die oberhalb bzw. unterhalb des Meßbereiches liegen, der Zähler in seiner höchsten bzw. niedrigsten Stufe stillgesetzt und eine Über- bzw. Unterbereichsanzeige ausgelöst wird.