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Elektrische Schaltung zur direkten Anzeige von durch Ultraschall gemessenen Dicken und Abständen
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung, welche die Möglichkeit einer direkten Anzeige von durch Ultraschall gemessenen Dicken und Abständen bietet und bei der die folgenden Einrichtungen auf bekannte Art miteinander verbunden sind : ein Synchronisations-Anlasskreis, ein Ultraschall-Impulssender, eine Sonde mit einem oder mehreren elektroakustischen Umformern und ein Verstärker der reflektierten Impulse. Zweck der Erfindung ist, den Einfluss jener Zeit auszuschalten, welche die Ultraschallwellen benötigen, um das zwischen dem elektroakustischen Umformer und der ersten Flächenbegrenzung der zu messenden Dicke befindliche verzögernde Medium zu durchlaufen.
Ultraschallwellen dienen zur Messung der Wandstärke von Behältern und Rohren, die nur von einer
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wenn die zu messenden Oberflächen stark gekrümmt sind. Ausserdem ist bei diesem Verfahren das Feststellen der Grundfrequenz ziemlich langwierig oder erfordert die Verwendung komplizierter Instal-
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denn diese ermöglichen das Ablesen der Dicken direkt in Längeneinheiten, wenn der gemessene Wert durch das Zeitintervall zwischen zwei Impulsen gegeben ist.
Beim Messen von Dicken mittels Ultraschall-Sonden, die mit zwei Umformern versehen sind, wobei der Körper der Sonde ein verzögerndes Mittel bildet, da er zwischen dem elektroakustischen Umformer und der ersten Grenzfläche der Dicke oder der zu messenden Distanz gelegen ist, oder auch beim Messen von Niveauabständen oder Niveauschwankungen (z. B. von einem Niveau mit Bezug auf einen Mittelwert) besteht keine Möglichkeit, bekannte Indikationsverfahren zu verwenden, da das Zeitintervall zwischen dem gesendeten Impuls und dem ersten reflektierten Ultraschallimpuls gegeben ist durch die Summe des eigentlichen gemessenen Wertes und des konstanten Zeitintervalls, ähnlich wie man eine Wandstärke mittels der erwähnten Doppelsonden misst.
In diesen Fällen ist das durch Ultraschall gemessene Intervall gegeben durch die Zeit, die der Ultraschallimpuls benötigt, um das verzögernde Medium der Sonde zu durchlaufen (d. h. den aus Plasten gefertigten, zwischen den elektroakustischen Umformern und der Oberfläche der zu messenden Wand befindlichen Körper) sowie durch die für das Durchlaufen der Wand benötigte Zeit. Ein ähnliches Problem entsteht bei der Verwendung des Tauchverfahrens, da das Eintauchmittel gleichfalls eine beträchtliche Zwischenschicht bildet.
Ziel der Erfindung ist es, den erwähnten Einfluss der Zeit, die von den Ultraschallwellen benötigt wird, um das verzögernde Medium zu durchlaufen, zu beseitigen. Dies wird bei einer elektrischen
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Schaltung zur direkten Anzeige von durch Ultraschall gemessenen Dicken und Abständen mit einem
Synchronisations-Anlasskreis, einem Ultraschallimpulssender, einer Sonde mit einem oder mehreren elektroakustischen Umformern und einem Verstärker der reflektierten Impulse, wobei der Synchroni- sations-Anlasskreis und der Ausgang des Verstärkers an gesonderte Eingänge eines Mess-Flip-Flop-Kreises angeschlossen sind, der zwei stabile Lagen aufweist, die zur Erzeugung rechteckiger Messimpulse dienen, welche der Zeit entsprechen,
die von den Ultraschallwellen zum Durchlaufen der Strecke vom aussendenden zum empfangenden elektroakustischen Umformer benötigt wird, erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Synchronisations-Anlasskreis an den Eingang eines weiteren zum Vergleich dienenden Flip-Flop-Kreises angeschlossen ist, der eine stabile Lage für die Bildung rechteckiger Vergleichsimpulse aufweist, die auf jene Zeit eingestellt werden können, welche die Ultraschallwellen für das Durchlaufen der Strecke vom elektroakustischenSende-Umformer bis zur Grenzfläche der zu messenden Dicke bzw.
bis zur Entfernung eines Bezugsniveaus benötigen, wobei die Ausgänge dieser beiden FlipFlop-Kreise an die Ausgänge eines Differenzkreises angeschlossen sind, der zur Bildung eines resultierenden Differenzimpulses dient und in den ein Gerät geschaltet ist, das die gemessene Dicke oder Niveaudifferenz direkt anzeigt.
Der auf diese Weise erzielte Vorteil besteht darin, dass das Ultraschallgerät unter verschiedenen Bedingungen so eingestellt werden kann, dass das Anzeigegerät den richtigen Wert der gemessenen Entfernung oder Dicke angibt, einerlei, ob es sich um Werte handelt, die von Null aufwärts oder um Werte, die von minus zu plus um einen Nullwert schwingen, wie solches bei Messungen von Flüssigkeitsspiegeln der Fall ist.
Beispielsweise Ausführungen der Erfindungen werden an Hand der Zeichnungen beschrieben, welche in Fig. 1 das Blockschema eines für direkte Anzeigen von Dicken oder Abständen konstruierten Ultraschallgerätes zeigt, während Fig. 2 ein Vergleichsdiagramm darstellt, aus dem der Verlauf der Ultraschallimpulse ersichtlich ist, und die Fig. 3 und 4 zwei Schaltungen als Beispiele für Differenzstromkreise samt Anzeigegerät veranschaulichen.
Die bekannten Stromkreise des Ultraschallgerätes sind in Fig. 1 durch schwache Linien wiedergegeben. Es sind dies der Ultraschall-Pulssender --1--, die mit einem elektroakustischen Sendeum- former --3-- und einem elektroakustischen Empfangsumformer --4-- versehene Sonde --5--, die beide an der Grenzfläche --6-- des Körpers --5-- der Sonde anliegen, ferner die Wand --7--, die zwischen den Oberflächen --8 und 9-- zu messen ist, sowie der Verstärker --10-- der reflektierten Impulse.
Durch starke Linien sind die folgenden erfindungsgemässen Stromkreise und ihre Schaltungen wiedergegeben : der Mess-Flip-Flop-Stromkreis --11--, der zwei stabile Lagen aufweist ; der zum Vergleich dienende Flip -Flop - Stromkreis --12-- mit nur einer stabilen Lage ; der Differenz-Stromkreis --13-- und das Anzeigegerät --14--.
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Zeit to (s. Diagramm --2a--). durch welche der Ultraschall-Impulssender --2-- und der elektroakustische Umformer --3-- angelassen werden. Es entstehen Ultraschallwellen, welche von der Grenz- fläche --6-- des Sondenkörpers --5-- bis zur gegenüberliegenden Oberfläche --9-- der zu messenden Wand laufen und nach der Reflexion zum elektroakustischen Empfangsumformer --4-- zurückgelangen.
Der Ultraschall zeigt also die ganze doppelte Entfernung zwischen den Grenzflächen --6 und 9-- an, während nur die Anzeige der Wanddicke --7-- innerhalb ihrer Grenzflächen-8 und 9-gefordert wird.
An dem elektroakustischen Empfangswandler-4-entstehen durch das Einfallen der Ultraschallimpulse Spannungssignale. Diese werden im Verstärker --10-- verstärkt und erhalten dann infolge der Wirkung eines Detektors die im Diagramm --2b-- angegebene Form. Die mit zwei Umformern versehene Sonde ist so angeordnet, dass der von der Gegenwand --9-- reflektierte Impuls an der Grenz- fläche --6-- zur Zeit empfangen wird. Wie angedeutet, können nach der Zeit t durch etwaige Reflexionen und Transformationen der Ultraschallwellen noch sekundäre Impulse entstehen, aber diese sind für das Messen nicht massgebend und werden durch im weiteren beschriebene Massnahmen aus dem Indikationsverfahren ausgeschaltet.
Zugleich wird durch die Anlassimpulse, zur Zeit t., der Mess-Flip-Flop-Kreis-11-- gekippt, der zwei stabile Lagen aufweist (z. B. ein bistabiler Multivibrator) sowie auch der Vergleichs-Flip-FlopKreis --12--, der nur eine stabile Lage aufweist (z. B. ein monostabiler Multivibrator).
An den zweiten, abgesondertenEingang des Mess-Flip-Flop-Kreises --11-- mit zwei stabilen Lagen werden über den Verstärker --10-- reflektierte Ultraschallimpulse, vom elektroakustischen Empfangs-
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umformer --4-- herrührend, angeschlossen. Infolge der abgesonderten Eingänge dieses Kreises kann keiner der sekundären Impulse des Verlaufes --2b-- auf sein Kippen einen Einfluss haben. Es ist damit die Sicherheit gegeben, dass der spezifische Flip-Flop-Kreis --11-- während einer Periode der Wiederholungsfrequenz nur zweimalig kippt, u. zw. einmal durch den Anlassimpuls zur Zeit t., das zweite Mal durch den ersten reflektierten Impuls zur Zeit t,.
Auf diese Weise entstehen die spezifischen rechteckigen Impulse to - t2 gemäss dem Verlauf --2c--, deren Dauer gleich ist der Laufzeit der Ultraschallwelle vom sendenden zum 3 -- bis zum empfangenden -- 4 -- elektroakustischen Umformer, d. h. einschliesslich der Durchgangszeit durch das verzögernde Sondenmedium.
Der Vergleichs-Flip-Flop-Kreis --12--, der eine einzige stabile Lage aufweist, erzeugt rechteckige Impulse gemäss dem Verlauf --2d-- gleichfalls beginnend zur Zeit to und endigend zur Zeit tl.
Er kann durch Änderung der Zeitkonstante nach Bedarf eingestellt werden.
Das Einstellen der Zeit t ergibt sich aus dem Zweck der Messeinrichtung. Wenn man die Anzeigevorrichtung z. B. im Stromkreis einer Ultraschall-Dickenmesseinrichtung verwendet, wird das Zeitintervall to-t, auf die gleiche Länge eingestellt, die die Ultraschallwellen benötigen, um das verzögernde Medium des Sondenkörpers --5-- zu durchlaufen. Ähnlich verfährt man beim Ultraschallniveaumesser, der das relative Steigen oder Absinken eines Flüssigkeitsspiegels gegenüber einem Nullniveau anzeigen soll, indem man das Zeitintervall 111 - tl doppelt so lang macht wie die Zeit, die von den Ultraschallwellen benötigt wird, um die Strecke von der Sonde oder vom elektroakustischen Umformer bis zum betreffenden Niveau zu durchlaufen.
Man kann demnach durch Änderung der Dauer t,-1, des rechteckigen Impulses (s. Diagramm --2d--) das Nullniveau einstellen, gegenüber welchem die Messung oder Indikation vorgenommen wird.
Die beiden auf die beschriebene Weise gewonnenen Impulse, nämlich diejenigen gemäss Diagramm --2c--, die vom Flip-Flop-Diagramm des Kreises --11-- herrühren, und die Impulse gemäss Diagramm --2d--. die vom Vergleichs-Flip-Flop-Kreis --12-- herrühren, werden an den DifferenzKreis --13-- angeschlossen, in welchem die Zeitdauer der einen von der der andern abgezogen wird.
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welches dem anzuzeigenden Wert oder Abstand proportional ist.
Wenn die Wiederholungsfrequenz und die Höhe der Impulse konstant ist, dann ist der mittlere Wert der Impulse gemäss dem Diagramm --2e-- ihrer Dauer und damit auch dem gemessenen Wert proportional. Die Anzeige des mittleren Wertes kann von dem mit einer drehbaren Spule ausgestatteten Gerät --14-- ausgeführt werden, welches direkt einen Bestandteil des Differenz-Kreises --13-- bildet, denn kurze Impulsdifferenzen sind schwierig zu übertragen (wenn beispielsweise Stahl von 1 mm Dicke gemessen wird, ergibt sich eine Impulsdauer-Differenz von 0, 34 li sec).
Beispiele für Differenzkreis-Schaltungen sind in den Fig. 3 und 4 wiedergegeben.
Fig. 3 zeigt einen Differenzkreis, in welchem die Längen zweier Impulse voneinander subtrahiert
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diese nur einen brauchbaren Wert erreicht. Von Nachteil ist der Umstand, dass er nur für die Anzeige von Werten einer einzigen Polarität verwendet werden kann. Für Dickenmessungen ist dieser Kreis verwendbar.
Dort, wo entweder positive oder negative Abstände indiziert werden, wie z. B. beim Messen von Niveaus, bietet der in Fig. 4 dargestellte Kreis Vorteile, bei dem allerdings Bedingung ist, dass die
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Null in der Mitte der Skala kann man positive oder negative Abweichungen von einem bestimmten Vergleichsabstand ablesen, der durch die Impulsdauer tl - t2 gegeben ist.
In beidenFällen indiziert das in den Differenzkreis eingeschaltete Gerät --14-- den Mittelwert der entstehenden Differenzimpulse.
Durch die beschriebene Schaltung wird auf einfache Weise eine Einrichtung verwirklicht, die zur direkten Anzeige einer mittels Ultraschall gemessenen Dicke, Tiefe oder Entfernung dient.