DE2226172A1 - Verfahren zur messung und auswertung von ultraschall-pruefimpulsen - Google Patents
Verfahren zur messung und auswertung von ultraschall-pruefimpulsenInfo
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Description
Verfahren zur Messung und Auswertung von Ultraschall- Prüfimpulsen
Die Erfindung bezieht sioh auf ein Verfahren zur Messung und
Auswertung von Ultrasohall-Prüfimpulsen einer gewählten Impulsfolgefrequenz
bei der Ultraschallprüfung von Blechen und von ähnlichen Prüflingen nach dem Impuls-Echo-Verfahren mit einer
Mehrzahl von SE-Prüfköpfen, - wobei die Fehler - und Rückwandechos
mit Hilfe von Zeittoren unter Berücksichtigung der Vorlaufstrecken
und der Prüflinglaufzeit ausgeblendet, die Fehlerechos auf Rückwandechos normiert und deren Amplituden gemessen sowie
unter Berücksichtigung der Laufzeiten nach Maßgabe zugeordneter Tiefenkennlinien korrigiert werden. - Für ( aus der Praxis)
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bekannte Verfahren der beschriebenen Gattung gelten erhebliche Nachteile. Um diese und die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe verständlich zu machen sei zunächst folgendes vorgetragen:
Nach dem Impuls-Echo-Verfahren unter Anwendung von SE-Prüfköpfen
(SE = Sender und Empfänger getrennt) werden einzelne, kurze und in der Folgefrequenz wählbare Ultraschall-Impulse in den Prüfling
gesendet und von einem getrennten Empfänger die Reflexe wieder aufgenommen. Anhand der Fig. 1 seien die wichtigsten
Zusammenhänge und Begriffe dieses Verfahrens erläutert. In Fig. 1 a ist das Prinzip eines SE-Prüfkopfes bei der Prüfung eines
Bleches skizziert. Der Impuls durchläuft zunächst vom Sender aus eine Kunststoffstrecke und wird über einen Wasserspalt in
das Blech eingeleitet. Reflexionen des Impulses finden statt an der Blechoberfläche - dieser Reflex wird Überkoppeleoho genannt sowie
am Fehler und an der Rückwand des Bleches. Bild Ib zeigt das Reflektogramm dazu, mit dem Sendeimpuls, dem Überkoppelecho,
dem Fehlerecho und dem Rückwandecho. Die Zeit vom Sendeimpuls bis zum Empfang des Rückwandechos entspricht der Gesamtlaufzeit
des Impulses. Bei Auftreten eines Fehlers im Prüfling wird der Impuls ganz oder teilweise an der Fehleroberfläche reflektiert«
Fehlerechos besitzen in jedem Falle eine kürzere Laufzeit und liegen damit innerhalb der Prüflinglaufzeit. Diese wird hier
mit Fehlererwartungsbereioh bezeichnet. Der Beginn dieses Bereiches
ist durch das Überkoppelecho angedeutet. Die Zeit vom
Sendeimpuls bis zum Überkoppelecho entspricht der Laufzeit des Impulses in der Vorlaufstrecke. Die Laufzeit des Impulses im
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Andrejewski, Honke & Gesthuysen, Patentanwälte, 4300 Essen, Theaterplßtz
- 3 Prüfling kann bei bekannter Prüflingdicke aus der Formel
t 2d
'st - c
mit der bekannten Schallgeschwindigkeit von c = 5923 m/s exakt
berechnet werden. Zum Beispiel beträgt die Laufzeit eines Ultraschall-Impulses in einem 2o mm dicken Blech 6,74 /us. Die Laufzeiten
in der Kunst stoff strecke und im Wasserspal't sind von SB-Prüfkopf
zu SE-Prüfkopf unterschiedlich'und außerdem durch Verschleiß im Betrieb ständig variabel. Die Vorlaufzeit gebräuchlicher
Prüfköpfe liegt zwischen etwa 15 und 2o /us.
Bei der Auswertung eines Ultraschall-Impulses besteht die Forderung,
möglichst genaue Angaben über die Beschaffenheit des vom Schallfeld durchstrahlten Materials zu erhalten, d.h., eine
Aussage darüber zu bekommen, ob das Material fehlerfrei odei?
fehlerbehaftet ist. Um zu dieser Prüf information zu gelangen^,
müssen Fehler- und Rückwandechohöhen gemessen werden. Hierzu ist es notwendig diese Echos aus der Reflexfolge herauszublenden.
Es stellt sich also die erste Tfilaufgabe, Zeittore, wie in Fig. 1 b skizziert, zu bilden - FE-Blende und RE-Blende -. Dabei
muß einmal die Torzeugungseinheit über einen Rechner gemäß der vorgegebenen Prüflingdicke angesteuert werden können und zum
zweiten die Lage der Fehlertore innerhalb der Impulslaufzeit von einem Impuls zum nächsten automatisch steuerbar sein, um den
individuellen und den Verschleiß unterlegenen Längen der Vorlaufstrecke vieler SE-Prüfköpfe Rechnung zu tragen. An die
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Lösung dieser Aufgabe knüpft sich also die Forderung hoher Steuergeschwindigkeit. Nach Ausblenden von Fehler- und Rückwandecho
können deren Höhen gemessen werden. Diese Messungen müssen bei jedem einzelnen Prüfimpuls, also mit hoher Geschwindigkeit,
erfolgen. Die absolute Höhe des Fehlerechos ist aber noch kein direktes Maß für die Größe eines im Schallfeld befindlichen
Fehlers, da die Echohöhe im wesentlichen außerdem noch abhängig ist von zwei Gruppen von Einflußgrößen.
Die erste Gruppe hängt mit der Erzeugung, der Ausbreitung und dem Empfang des Schallfeldes zusammen. Es besteht eine Abhängig
keit der Fehlerechohöhe von
der Empfindlichkeit des SE-Prüfkopfes
den Ankopplungsbedingungen
sowie dem Abstand des Fehlers vom SE-Prüfkopf.
Die zweite Gruppe umfaßt die Größen, die die Natur des Fehlers betreffen, wie
Fehlarform
Reflexionskoeffisient
Beschaffenheit der Fehleroberfläche
Neigung der Fehlerebene zum Schallstrahl etc.
Aus dem Vorgesagten leitet sich, die weitere Aufgabe ab, die genannten
Einflüsse in geeigneter Weise zu eliminieren.
In der ersten Gruppe der Einflußgrößen muß zum Ausgleich der
durch FertigungsSchwankungen und individuellen Verschleiß bedingten
Empfindlichkeitsunterschiede zwischen den einzelnen SE-Prüfköpfen sowie der zeitlichen Schwankungen der Schallübertragung
die Fehlereohohöhe durch Bezug auf die Rückwändechohöhe
relativiert werden. Das Rückwandecho ist nämlich in annähernd gleicher Weise von Prüfkopfempfindlichkeit und Ankopplung abhängig
wie das Fehlerecho. Die Abhängigkeit der Fehler- und Rückwandeehos vom Fehlerabstand muß durch eine Korrektur beider
Echohöhen gemäß der Tiefenkennlinien der Prüfköpfe eliminiert werden. Darüber hinaus ergibt sich eine tote Zone an der Einstrahlseite.
Die in der zweiten Gruppe genannten, die Natur des Fehlers betreffenden
Einflußgrößen körinen zum ersten durch Wahl des Verfahrens der digitalen, impulsweisen Abtastung der Fehler mit
einem relativ schmalen Schallbündel und zum zweiten durch eine logische Verknüpfung von mehreren örtlich aufeinanderfolgenden
und über zwei Schwellwerte diskriminierten Prüfinformationen berücksichtigt werden. Die logische Verknüpfung muß in einer
Datenverarbeitungsstufe durchgeführt werden. Sie xcLrd daher
hier nicht weiter erörtert.
Nach Eliminierung der Einflüsse der ersten Gruppe wird die Aufgabe
abgeschlossen, indem über Diskriminatoren eine Fehlergrößen-
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bestimmung durchgeführt wird.
Die Erzeugung von US-Impulsen sowie die Aufnahme und Sichtbarmachung
der Reflexionen gehören seit langem zum Allgemeingut der Technik. Die Auswertung der US-Impulse, d.h. die Frage nach
dem Informationsinhalt unter Berücksichtigung der eben genannten Einflußgrößen der ersten Gruppe kann von einem Betrachter
mit Hilfe von anzeigenden Geräten wie z.B. Oszillographen oder Ultraschall-Prüfgeräten, die spezialisierten Oszillographen
gleichzusetzten sind, vorgenommen werden. Diese Art der Auswertung hat den entscheidenen Nachteil, daß sie sehr zeitaufwendig
1st und nur quasi statisch durchgeführt werden kann. Bei der objektiven, automatischen Ultraschallprüfung werden zur Auswertung
sog. Monitore eingesetzt, die zum Stand der Technik gehören. Diese Monitore erzeugen die Zeittore für den Fehlererwartungsbereich,
als auch für das Rückwandecho, Diese Torsteuerung hat den Nachteil, daß sie nur von Hand oder über relativ langsam
arbeitende Regelkreise auf Vorlaufstrecke und Materialdicke eingestellt werden kann. Bei Benutzung von mehreren SE-Prüfköpfen
ergibt sich dadurch die nachteilige Forderung, daß alle SE-Prüfköpfe
die gleiche Vorlaufstrecke besitzen müssen. - Die Monitore besitzen außerdem eine oder mehrere Triggerschwellen
zur Diskriminierung auftretender Pehlerechos.
Zum Ausgleich der Prüfkopfempfindlichkeit und Ankopplungsschwanlungen
durch Bezug des Pehlerechos auf das Rückwandecho wird die bekannte "gain-control" eingesetzt. Bei dieser Verstärkungs-
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steuerung werden eine bestimmte Anzahl von Rückwandechos aufintegriert
und die Verstärkung für die nachfolgenden Reflexe auf den Mittelwert dieser Integration eingestellt. Bei Einsatz
mehrerer .SE-Prüfköpfe besteht dabei die Möglichkeit, einen
Mittelwert über die Rückwandechos aller eingesetzten SS-Prüfköpfe zu bilden und dabei nur die Rückwandechos zur Integration
zuzulassen, die an einer fehlerfreien Stelle reflektiert wurden. D.h. als Bezugswert dient das ungestörte Rückwandecho,,
worauf auch die bekannten AVG-Diagramme (Abstand - Verstärkung Fehlerjgröße)
basieren. Es soll hierbei vermieden werden, daß der durch Fehlerabschattung verminderte Rückwandreflex ein
Anheben des Fehlerechos verursacht. Dieses Verfahren der Normierung der Fehlerechos auf das Rückwandecho hat jedoch Machteile:
Die Regelung ist von Natur relativ träge. Um durch Integration einen Mittelwert zu bilden, sind erfahrungsgemäß einige
Io Impulse nötig. Plötzliche Änderungen der Ankopplung können mit dieser Regelung nicht erfaßt werden. Diese Art der Regelung
bedingt immer eine Extrapolation von zeitlich vorangegangenen Impulsen auf nachfolgende und örtlich getrennt liegende Reflexe.
Zum Ausgleich von Tiefenkennlinien sind zwar automatische., elektronische
Verfahren bekannt,geworden,, wonach Verstärker gemäß
der Impulslaufzeit nach einer vorgegebenen Charakteristik gesteuert werden. Es können jedoch nicht beliebige und komplizier·.·
te Kennlinien-Funktionen, wie sie bei SE-Prüfköpfen gegeben sind,
ausgeglichen werden. Es wird außerdem nicht der Tatsache Eechnung
getragen, daß die Kennlinien für Fehlerechos von denen der
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Rückwandechos abweichen, da die Echos verschiedenen Gesetzen gehorchen.
Zusammengefaßt ergeben sich für die bekannt gewordenen Verfahren und Geräte zur Lösung der vorbeschriebenen Aufgabe folgende
Nachteile und Mangel:
Die zur Ausblendung von Fehler- und Rückwandechos notwendige Erzeugung von Kurzzeittoren ist hinsichtlich ihrer
Lage und Zeitdauer nur von Hand oder über langsam arbeitende Regelkreise möglich. Es sind damit gleiche Vorlauf-Strecken
für alle eingesetzten SE-PrUfköpfe erforderlich. Eine direkte Berücksichtigung des Verschleißes ist nicht
möglich. Der Wartungsaufwand für viele SE-Prüfköpfe wird
damit untragbar groß.
Das Verfahren zur Normierung auf das Rückwandecho, die sog. gain-control, ist zu träge. Sie berücksichtigt nicht
die Bedingungen des gerade laufenden und meßtechnisch zu erfassenden Impulses, sondern stützt sich auf zeitlich
und örtlich von diesem getrennt liegende Impulse, wobei außerdem ein mit mehr oder weniger großer Streuung behafteter
Mittelwert als Referenz gebildet wird. Dicht unter der Oberfläche befindliche Fehler sowie Fehlerarten, bei denen
nur kleine Fehlerreflexe auftreten, jedoch das Rückwandecho vollkommen absorbiert wird, kommen nicht zu Anzeige,
wenn die gain-control auf dem ungestörten Rück-
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wandeeho basiert. Stützt sie sich auf das fehlergestörte Rückwändeoho, so ergeben sich die Nachteile, daß einmal
jeder einzelne SE-Prüfkopf eine eigene gain-control-Einheit
besitzen muß und zum zweiten, daß die Anzeige der eben genannten Fehlerarten infolge Trägheit des Verfahrens
unsicher wird.
Eine automatische Erfassung der Fehlertiefenlage und ein Ausgleich von Fehler- und Rückwandecho nach beliebigen,
prüfkopfabhängigen Tiefenkennlinien ist nicht gegeben.
Insgesamt gesehen ist also bisher weder ein Verfahren oder ein Gerät bekannt geworden, mit dem die eingangs fixierte Forderung
geschlossen gelöst werden könnte, noch erfüllt eine Zusammenfassung der einzelnen, bekannten Teilverfahren die Forderung.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur automatischen Messung und Verarbeitung von Ultraschall-Impulsen, insbesondere geeignet zur Verwendung in Ultraschall-Prüfanlagen
mit vielen SE-Prüfköpfen und elektronischer Datenverarbeitung, zu entwickeln, wobei die vorerwähnten Nachteile
und Mangel bekannter Teilverfahren vermieden werden,sollen.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung besteht die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe darin,
daß die Vorlaufstrecken aller SE-PrUfköpfe einzeln und nachein-
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ander im Takt der Impulsfolgefrequenz automatisch durch Auszählen
der Impulslaufzelt mit hoher Zählfrequenz und elektronischer
Differenzbildung von Impulslaufzelt und Prüflinglaufzeit ermittelt und als Anzahl Schwingungen gespeichert soviie
durch Auszählen der genannten Zählfrequenz auch die Zeittore erzeugt werden,
daß die Amplituden des maximalen Fehlerechos sowie des Rückwandechos
automatisch für jeden Impuls praktisch simultan bestimmt und digital in Echohöhenspeicher gespeichert werden sowie
die Laufzeit des maximalen Fehlerechos pro Impuls ebenfalls durch automatisches Auszählen der Zählerfrequenz festgelegt
wird,
daß ferner die Korrektur der Fehlerechos nach Maßgabe der Laufzeit
durchgeführt wird, indem die Laufzelt als Adresse für den
Zugriff auf eine in einem elektronischen Speicher angelegte Tabelle benutzt wird, die mit einer entsprechenden Tiefenkennlinienfunktion
programmiert ist, und
daß endlich die Normierung der Fehlerechos auf die zugeordneten Rückwandechos durch logarithmisohe Messung der Echohöhen auf
eine Subtraktion zurückgeführt und diese durch simultanes Auszählen
der Echohöhenspeicher durchgeführt sowie die Differenz in einem Zähler fixiert wird.
Ohne weiteres kann dabei die Relation Fehlereoho ' Rückwandeaho
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bzw. deren Differenz in Ziffern angezeigt und über Digital-Komparatoren
diskriminiert werden. Die Impulslaufzeit und die Prüflinglaufzeit werden zweckmäßigerweise im Binär-Code gespeichert.
Am einfachsten werden beim Erzeiigen der Zeittore
die gespeicherten Vorlaufstrecken je SE-Prüfkopf sowie die Prüflingdicke als auszuzählende Größen eingesetzt. Im allgemeinen
wird man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Amplituden des maximalen Fehlerechos sowie des Rückwandeehos digital
und logarithmisch speichern und anzeigen«, Auch die Impulslaufzeit
kann in Ziffern angezeigt werden. Im allgemeinen empfiehlt es sich, 'zusätzlich eine Korrektur der Rückwandeohos durchzuführen,
indem die Prüflingdicke als Adresse für den Zugriff auf eine in einem weiteren elektronischen Speicher angelegte Tabelle
benutzt wird, die mit einer entsprechenden Kennlinienfunktion programmiert ist.
Anders ausgedrückt verwirklicht die Erfindung insgesamt
die Bestimmung und Speicherung der Vorlaufstrecken aller
SE-Prüfköpfe;
die Erzeugung von Zeittoren zur Ausblendung von Fehlerund Rückwandeehos;
die Messung der Amplituden von Fehler- und Rückwandeehosj
die Ermittlung der Laufzeiten der Fehlerechos;
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die Korrektur von Fehler- und Rückwändeohos nach gegebenen
Tiefenkennlinien;
die ReIationsbildung von Fehlerecho zu Rückwandecho·
die Diskriminierung der Relation Fehlerecho zu Rückwandecho,
Die Vorlaufstrecken aller Prüfköpfe werden einzeln nacheinander im Takt der Impulsfolgefrequenz - je nach Blechdickenbereich
bis ca. 2o KHz - automatisch durch Auszählen der Impulslaufzeit mit einer hohen Frequenz - ca. J>o MHz - und elektronischen
Differenzbildung von Impulslaufzeit und Stahllaufzeit ermittelt und als Anzahl Schwingungen im Binär-Code abgespeichert. Die
Erzeugung der Zeittore erfolgt danach ebenfalls durch Auszählen der genannten Frequenz, wobei die gespeicherten Vorlaufstrecken
je Prüfkopf sowie die Blechdioke als auszuzählende Größen eingesetzt
werden. Die Bestimmung der Amplituden des maximalen Fehlerechos sowie des Rückwandechos wird automatisch für jeden
einzelnen Impuls praktisch simultan durchgeführt, wobei die Messungen digital und logarithmisch z.B. in dB erfolgen sowie
gespeichert und in Ziffern angezeigt werden. Beim Anstieg der ImpTilsspannung wird außerdem pro dB-Stufe ein Signal zur Laufzeitbestimmung
gegeben. Die Ermittlung der Laufzeit des maximalen Fehlereohos pro Impuls wird ebenfalls durch Auszählen
der genannten hohen Frequenz durchgeführt, wobei das letzte der eben erwähnten Signale das Ende dieser Laufzeit markiert.
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Die Laufzeit wird in Ziffern angezeigt. Die Korrektur von Fehlerechos gemäß Tiefenlage wird über die gemessene Laufzeit
durchgeführt, indem diese als Adresse für den Zugriff auf eine, in einem elektronischen Speicher angelegte Tabelle benutzt wird,
die mit einer beliebigen Kennlinienfunktion programmiert sein kann. Die Korrektur für die Rückwandechos erfolgt in einer entsprechend
programmierten zweiten Tabelle, wobei als Adresse hierbei die Blechdicke dient. Die für eine Relationsbildung
notwendige Division von Fehlerechohöhe durch Rückwandechohöhe
wird durch die logarithmische Messung der Echohöhen auf eine Subtraktion zurückgeführt; diese erfolgt durch simultanes Auszählen
der Inhalte der Echohöhenspeicher derart gesteuert, daß die Differenz in einem Z,ähler fixiert wird. Die Bezugsgröße der Relation ist damit das fehlergestörte Rückwandecho.
Die Relation Fehlerecho / Rückwandecho bzw. deren Differenz in dB wird in Ziffern angezeigt und über beliebig viele Digital-Komparatoren
direkt diskriminiert.
Im Ergebnis sind zunächst alle Nachteile der bekannten Verfahren vermieden und die erfindungsgemäße Aufgabenstellung gelöst.
Durch den Bezug des Fehlerechos auf das fehlergestörte Rückwandecho für jeden einzelnen Prüfimpuls ergibt sich noch
ein besonders hervorzuhebender Vorteil. Es werden nämlich auch die Fehler angezeigt, die zwar nur ein kleines Echo erzeugen,
die aber durch den Absohattungseffekt ein Zusammenbrechen
des Rückwandechos verursachen. Denn wird die Bezugsgröße
sehr klein, darf auch das Fehlerecho entsprechend kleiner
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sein. Hierzu gehören Fehler, die sehr dicht unter der Oberfläche,
also in der toten Zone liegen, sowie Fehlerarten, bei denen infolge Sohall-Absorption nur kleine Reflexe auftreten,
das Rückwandecho jedoch vollkommen absorbiert wird. Das Verfahren macht damit quasi eine Anleihe beim Durchschallverfahren.
Es wird ein Vorteil des DurchschallVerfahrens gewonnen, ohne
jedoch damit die Nachteile in Kauf zu nehmen. Im Rahmen der Erfindung liegt es, daß, falls es gewünscht oder für andere
SE-Prüfköpfe oder Prüflinge erforderlich wird, als Bezug das
ungestörte Rückwandecho eingesetzt werden kann.
Die Frage ob der Bezug des Fehlerechos auf das gestörte Rückwandecho eine brauchbare Relation ergibt, die eine eindeutige
Fehlergroßenbestimmung ermöglicht, sei anhand von Fig. 2 beantwortet. Fig. 2 gibt die Abhängigkeit des tiefenkorrigierten
Echohöhenverhältnisses Fehlerecho zum gestörten Rückwandecho wieder. Als Parameter wurden verschiedene Fehlertiefen gewählt.
Die Dicke des Prüflings betrug 24,6 mm. Man kann Fig. 2 entnehmen, daß bis zu einem Fehler von 4 mm keine nennenswerten
Abweichungen der normierten Kurven voneinander auftreten. Wenn also eine Schwelle - wie in der Prüfpraxis üblich - bei etwa
einem 3 bis 4 mm Flachbohrloch gesetzt wird, so ist diese für
jede Fehlerlage gleichwertig. Nach größeren Fehlern hin laufen die Kurven auseinander, insbesondere weicht die Kurve für die
mittlere Lage (12,3 nun) stark ab, weil hierbei das zweite Fehlerecho
an Stelle des Rückwandechos die Rolle des Bezugswertes übernimmt. Es interessiert jedoch bei dem hier vorgestellten
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Konzept nicht mehr, wie die' Kurven oberhalb des Schwellwertes
verlaufen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich ein Ausfuhrungsbeispiel
darstellenden Zeichnungen ausführlicher erläutert: es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 3 den Punktionsaufbau eines nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren arbeitenden Ultraschall-Impuls-Meß- und
Rechengerätes,
Fig. 4 das Prinzip der Torsteuerung für das Gerät der Figo 3>
Fig. 5 eine schematische Erläuterung zur Bestimmung der Amplituden
von Fehlerecho und Rückwandecho sowie zur Normierung und
Fig. β eine schematische Erläuterung zum Tiefenkennllnienausgleich.
Das in Fig. j5 dargestellte Meß- und Rechengerät enthält die
folgenden Funktionseinheiten: Das Leitwerk. Dieses ist gewissermaßen
der Schrittmacher des gesamten Gerätes und enthält im wesentlichen Bausteine, die eine vorgegebene Taktfrequenz,,
die hier j5o MHz beträgt, in verschiedene für die Torsteuerung benötigte, niedrige Steuerfrequenzen untersetzt.
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Die Torsteuerung. In diesem Block werden die notwendigen Zeittore
zum Ausblenden des Fehlererwartungsbereiches sowie des Rüekwandechos erzeugt. Von der Torsteuerung aus werden die
beiden Funktionsgruppen, Laufzeitmessung und Echohöhenmessung,
gesteuert.
Die Echohöhenmessung. In dieser Einheit, die direkt mit dem
Empfangsteil des SE-Prüfkopfes verbunden ist, werden die Fehler- und Rückwandechohöhen gemessen.
Die Relationsbildung. Hier wird das Echohöhenverhältnis zwischen
dem maximalen Fehlerecho und dem Rückwändecho ein und desselben
Impulses gebildet.
Die Laufzeitmessung. Hier wird die Laufzeit des Fehlerimpulses
vom Zeitpunkt des Impulseinlaufs in die Prüflingsoberfläche bis
zum Maximum des größten Fehlerimpulses gemessen.
Der Tiefenkennlinien-Ausgleich. In dieser Funktionseinheit
wird die Tiefen-Korrektur für die Fehlerechohöhe aufgrund der ermittelten Laufzeit als auch die Korrektur für die Rüokwandechohöhe
aufgrund der vorgegebenen Blechdicke bestimmt. Die beiden Korrekturwerte werden bei der Relationsbildung noch vor
dem Ende der Impuls lauf zeit der Relationsbildung zugeführt.
Die Fehlerdiskriminierung. Diese Stufe besteht aus beliebig
vielen einstellbaren Schwellwerten in Form von Digitalkompara-
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toren. Die ja-nein-Informationen der Digitalkomparatoren werden
dem Rechner zugeführt.
Das Leitwerk enthält einen ^o MHz-Oszillator. Aus dieser Frequenz
werden alle für die Steuerung der Zähler, Speicher und Register notwendigen Taktfrequenzen abgeleitet. Mit Hilfe eines
Multiplexers werden für jeden einzelnen SE-Prüfkopf nacheinander sowohl der Sendeimpuls ausgelöst, als auch der Vorverstärker
für den dazugehörigen Empfänger aufgetastet. Außerdem wird im
gleichen Takt der Vorlaufstreckenspeieher zur Ausgabe der entsprechenden
Vorlaufstreckenzeit angesteuert.
Das Problem der Torsteuerung wirft zunächst die Frage nach der Methode der Zeitmessung auf. Man kann eine beliebig genaue
Zeitmessung erreichen, indem eine entsprechend hoch gewählte Frequenz ausgezählt wird. Im vorliegenden Falle ergibt sich allerdings,
wie aus den extrem kurzen Impuls-Laufzeiten zu erkennen ist, - 2o mm Blechdicke = 6,74 /usec - eine sehr hohe Zählfrequenz.
Aus einer geforderten Auflösung der Fehlertoreinstellung von o,l mm Stahlstrecke resultiert eine Zählfrequenz
von ca. j5o MHz, d.h. eine Jo MHz-Schwingung entspricht der
Impulslaufzeit von o,l mm Stahl hin und zurück. Das Prinzip der Torsteuerung ist in Fig. 4 dargestellt,- Der Beginn des
Einzelprüfvorganges wird eingeleitet durch den Sendeimpuls.
Grundsätzlich könnte bereits nach Abklingen des Sendeimpulses die Monitorblende geöffnet und kurz vor dem Rückwandecho wieder
geschlossen werden. Im Hinblick auf mögliche elektromagnetische
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Störimpulse sollte jedoch die Blendenzeit so kurz wie möglich
sein. Daher wird das Tor erst nach Ablauf der Vorlaufzeit geöffnet, wie hier in Fig. 4 links gezeigt. Das bedeutet, daß
die Vorlaufzeit exakt bekannt sein muß. Diese hängt jedoch individuell
vom SE-Prüfkopf und vom Verschleiß ab. Es besteht also die Notwendigkeit, die Größe der Vorlaufzeit, hier mit t
bezeichnet, regelmäßig zu bestimmen. Durch Laufzeitmessung an
einem Testblech bekanner Dicke kann diese Zeit ermittelt werden, indem die exakt berechenbare Stahllaufzeit im Testblech, hier
mit t . benannt, von der gemessenen Gesamtlaufzeit, t„__i abst
ges
gezogen wird. Es werden zwei Betriebsphasen unterschieden, und zwar die Meßphase - in Fig. 4 links von der gestrichelten Linie bei
der mittels Testblech die Vorlaufstrecke jedes einzelnen Prüfkopfes ermittelt und abgespeichert wird, und die Prüfphase in
Fig. 4 rechts -, bei der während des Prüfvorganges für jeden
einzelnen SE-Prüfkopf gesondert aus den gespeicherten Werten und den Prüfblechdicken die Tore gebildet werden. In der Meßphase
werden die SE-Prüfköpfe auf ein Testblech bekannter Dicke aufgesetzt. Die vorgegebene Testbleohdicke wird in einem Zähler hier
mit "Vorlaufstreckenzähler vor" bezeichnet - als Minuend aus der im Bild angeschriebenen Formel, also (- t ,), vorgesetzt.
Praktisch wird das so ausgeführt, daß t . als Komplement zur max. Zählkapazität des Zählers gesetzt wird. Ist z.B. lo.ooo
die max. Zählkapazität, so wird bei einer Testblechdicke von beispielsweise 2o mm entsprechend 2oo Generatorschwingungen der
Zähler auf 9.800 gesetzt. Das Leitwerk löst den Sendeimpuls aus und startet gleichzeitig den "VorlaufStreckenzähler vor". Dieser
läuft vorwärts. Da er negativ vorgesetzt war, läuft er auf
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lo.ooo zu. Bei Erreichen seiner max. Zählkapazität hat er damit 2oo Schwingungen, d.h. die Laufzeit für die Testblechdi-cke ausgezählt.
Die weitere Zählzeit bis zum Rückwandecho entspricht nun der Vorlaufstrecke. Nachdem das Rückwandecho den Zähler gestoppt
hat, steht in diesem die der Vorlaufstreoke entsprechende Zeit t , an. Sie wird sofort in den Vorlaufstreckenspeicher,
der als Schieberegister ausgebildet ist, übernommen. - Auf die gleiche Art und Weise werden die Vorlaufstrecken der anderen
SE-Prüfköpfe gemessen und abgespeichert. Damit ist die Meßphase
beendet. Korrekturen der Torzeiten zur 'Berücksichtigung der Anstiegsflanke des Rückwandechos sowie der Blechdickentoleranzen
erfolgen über den Vorgabewert für die Testblechdicke.
In der Prüfphase werden mit einer Kette von Zählern^ die mit
entsprechend unterschiedlichen Zählzeiten gesetzt sind, die Zeittore gebildet. Die Zähler zählen ihre vorgegebene Zeit aus
und stoßen nach ihrem "count down" den nächsten Zähler an. Zunächst wird der "Vorlaufstreckenzähler rück1' mit der Vorlaufstrecke
des ersten SE-Prüfkopfes gesetzt und dann zusammen mit dem Sendeimpuls vom Leitwerk aus gestartet. Dieser Zähler läuft
rückwärts. Wenn er den Wert Null erreicht hat, ist die Vorlaufstrecke ausgezählt. Es wird ein Impuls vom Zähler herausgegeben,
mit dem das Pehlertor geöffnet wirdj, d.h. also am Ende der Vorlauf
strecke, was gleichbedeutend mit dem Beginn des Fehleror»
Wartungsbereiches ist. Gleichzeitig mit diesem Impuls wird aber auch der "Blechdickenzähler" gestartet. Dieser ist mit der jeweiligen
Prüflingdicke gesetzt. Beim Nullstand dieses Zählers
wird das Fehlertor wieder geschlossen und gleichzeitig ein
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"Lückenzähler" gestartet. Die hier erzeugte Zeitlücke zwischen PE- und RE-Tor ist für Steuervorgänge bei der Echohöhenmessung
notwendig. Nach dem "count down" des Lückenzählers wird das Rückwandechotor gestartet und vom "RE-Torzähler" entsprechend
den vorangegangenen Zeittorbildungen das Rückwandechotor ausgezählt. Zur Steuerung der Echohöhen-Meßeinheit werden auch noch
die Zeittore für Fehlerecho (FE) und Rückwandecho (RE) allein und ein durchgehendes Zeittor vom Beginn des Fehlererwartungsbereiches
bis zum Ende des Rückwandechos benötigt. Diese Torkonfigurationen sind in Fig. 4 rechts oben angedeutet.
In Fig. 5 werden die Maßnahmen der Echohöhenmessung, der Relationsbildung
zwischen Fehlerecho und Rückwandecho und der Fehlerdiskriminierung veranschaulicht. - Die vom Empfänger aufgenommenen
Impulse werden zunächst verstärkt. Unter dem Empfänger ist das Impulsbild einer einzelnen Ultraschallotung mit Sendeimpuls,
Überkoppelecho, Fehlerecho und Rückwandecho eingezeichnet.
Die US-Schwingungen sind hier nicht gleichgerichtet. Der Sendeimpuls dürfte eigentlich am Empfänger nicht erscheinen,
er ist jedoch in den meisten Fällen als elektromagnetische Überkopplung vorhanden. Diese Echofolge läuft zeitlich in umgekehrter
Reihenfolge, wie sie hier mit Rücksicht auf die übliche Bildschirmdarstellung gezeichnet ist, in den Verstärker
ein. Die verstärkten Signale werden einer Kette von Komparatoren zugeführt. Diese Komparatorenkette dient als schneller digitaler
Spannungsmesser. Die Meßeinheit besteht aus 8o Komparatoren, die wie Triggerstufen bei Erreichen einer fest vorgegebenen
Referenzspannung Kippverhalten zeigen. Um die nachfolgende
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Rechenoperation, nämlich die Division Fehlerecho / Rückwandecho,
auf die elektronisch einfacher durchzuführende Subtraktion zurückführen zu können, sind über Spannungsteiler die Referenzspannungen
logarithmisch aufgebaut, derart, daß sie sich von einem zum folgenden Komparator um jeweils 1 dB unterscheiden.
Die Spannungsmessung wird so, mit einer für Ultraschallbelange voll ausreichenden Genauigkeit von 1 dB, durchgeführt. Die Ansprechgeschwindigkeit
dieser Komparatoren liegt mindestens um einen Paktor 4 höher als die Plankenanstiegsgeschwindigkeit
eines 4 MHz-Impulses. Als Beispiel ist ein Rückwandecho-Impuls in der Komparatorkette eingezeichnet. Durch die Impulsspitze, die
bei 4 dB angenommen wurde, sind alle Komparatoren von 5 - 8o dB
zum Umkippen veranlaßt worden. Da nach Durchlaufen des Ultraschall-Impulses
die Komparatoren wieder zurückkippen, wird über - den einzelnen Komparatoren nachgeschaltete - Amplitudenspeicher
das Verhalten der Komparatorkette beim Impulsdurchgang festgehalten. Die Impuls-Spitzenspannung wird im Speicher
fixiert. Wie in Fig. 5 angedeutet ist, wird der Speicher über
die Torsteuerung nur während des Fehler- bzw. des Rückwandecho-Erwartungsbereiches
aktiviert. - Dieser Fehlerecho-Rückwandecho-Amplitudenspeicher stellt gewissermaßen einen Zwischenspeicher
für die nacheinander eintreffenden Fehler- und Rückwandechos dar. Er wird immer gelöscht, wenn kein Zeittor ansteht, also
auch in der Lücke zwischen Fehler- und Rückwandechotor. Getrennt abgespeichert werden die Fehler- und Rückwandechos in den entsprechenden,
daneben dargestellten 8o-bit-Schieberegistern. Dabei werden die Speicherwerte jeweils simultan und parallel
309850/0-62Ö
- 22 -
übernommen. Die Übernahme wird gesteuert von der Torsteuereinheit,
die, wie in Fig. 5 markiert, über das Fehlerechotor beim
Fehler-Schieberegister und über das Rückwandechotor beim Rückwand-Schieberegister
erfolgt. Nach Ablauf des ImpulsVorganges
steht im Fehler-Schieberegister der höchste im Fehlererwartungbereich
durchgelaufene Impuls und im Rückwandecho-Register die Höhe des Rückwandimpulses digital in dB an. Während also die
Komparatoren mit dem Impuls hochlaufend gekippt und beim ablaufenden
Impuls wieder zurückgekippt werden, halten Speicher und Schieberegister die Impulsspitzen fest.,, der Zwischenspeicher
jeweils nur während des Fehlererwartungsbereiches bzw. für die Zeit des Rückwandechotores, die Schieberegister auch noch nach
Ablauf der Zeittore. Die Echohöhen werden nun mit Hilfe von zwei Zählern über eine Generatorfrequenz von 15 MHz aus den
Schieberegistern seriell ausgelesen. Die Register werden von niedrigen Verstärkungswerten her ausgezählt. Beide Zähler werden
durch den ersten mit einer ja-Informatlon gesetzten Speicher
gestoppt. Das Auszählen beider Speicher erfolgt simultan. Im FE-Schieberegister werden also sechs leere Speicher = 6 dB gezählt,
im RE-Schieberegister vier leere Speicher = 4 dB. Diese Zahlen werden in Ziffern zur Anzeige gebracht. Das Auszählen
der Echohöhen erfolgt, sobald Fehlerecho-, Lücken- und Rückwandechotore nicht mehr vorhanden sind, was in Fig. 5 durch den
Gesamttorimpuls gekennzeichnet ist. Damit ist der Vorgang der Eohohöhenmessung sowohl für das Fehlerecho als auch für das
Rückwandecho abgeschlossen. - Über einen in Fig. 5 nicht mit eingezeichneten, einstellbaren Digitalkomparator wird eine
3 U 9 8 b 0 / 0 P ? 0
- 23 -
Mindesthöhe der Rückwändeohos als Kriterium für einen Prüfkopfdefekt
überwacht.
Um das Echohöhen-Verhältnis von Fehlerecho und Rückwandecho zu bilden, d.h. die Normierung durchzuführen, wird über eine
Start-Stopp-Logik ein weiterer Zähler, hier Relationszähler genannt, gestartet, sobald entweder der FE-Zähler oder der.
RE-Zähler mit der Zählung der Echohöhe fertig ist. Der Relationszähler zählt dann solange 15 MHz-Schwingungen aus, Ms der
zweite Echohöhenzähler ebenfalls stoppt; Er hat damit die Anzahl der Schwingungen, d.h. 1 dB Stufen ausgezählt, die zwischen
dem Fehler- und dem Rückwandecho liegen und somit die Relation der Echohöhen in dB errechnet. Das Vorzeichen dieser Relation
ist ganz einfach dadurch gegeben, daß festgestellt wird, ob zuerst der FE-Zähler oder der RE-Zahler gestoppt hat. Mittels
Ziffernanzeige wird die Relation in dB dargestellt, als auch
das Vorzeichen mit angegeben. Bei negativem Vorzeichen ist das Fehlerecho kleiner als das Rüokwandecho. Der Relationszähler
wird, wie in Fig. 5 angegeben, durch einen Korrekturwert vom_
Tiefenkennlinien-Ausgleich voreingestellt. Daher steht hier als Relationswert auch nicht der Wert 6-4=2, sondern Js
weil, wie hier im Beispiel angenommen, der Korrekturwert 5
betrug.
Bevor die Korrektur für denAusgleich ermittelt werden kann^,
muß die Laufzeit gemessen werden. Die Laufzeitmeßeinheit ist
so konzipiert, daß die Bestimmung der Zeit im Punkte der max0
3 U 9 8 5 Π / Ό Pr? 0
- 24 -
Fehlereohohöhe erfolgt. Um dieses zu ermöglichen, ist der FE-RE-Amplit-udenspeioher
derart ausgeführt, daß beim Umkippen eines jeden Speichergliedes ein Nadel-Impuls erzeugt wird, wie in
Fig. 5 am Speicher oben markiert. Solange ein Ultraschall-Echo im Ansteigen begriffen ist und damit Speicherglieder gesetzt
werden, treten hier zeitlich nacheinander Nadel-Impulse auf. Der letzte auftretende Nadel-Impuls im Fehlererwartungsbereich
zeigt den Zeitpunkt des Durchganges der höchsten Echospitze an. Damit ist bereits die wichtigste Voraussetzung für die Bestimmung
der Laufzeit des max, Fehlerechos gegeben. Wie Fig. 6 zeigt, wird dieser Impuls an einen Übernahmespeieher geführt,
der damit die Übernahme des augenblicklichen Zählstandes eines mit j5o MHz laufenden Zählers veranlaßt. Dieser Zähler wird am
Anfang der Fehlerblende gestartet. Sowohl Eähler als auch Ubernahmespeicher
sind nur für die Zeit des Fehlertores aktiviert. Vom Übernahmespeicher aus wird die Laufzeit als Ziffernanzeige in
mm angezeigt. Die Übernahme erfolgt bei jedem Speicherkipp-Impuls,
d.h. auch während des Hochlaufens eines Ultraschall-Reflexes. Der vorher gespeicherte Wert wird jeweils vom nachfolgenden
gelöscht. Der letzte Impuls leitet damit die Übernahme der Zählzeit ein, die der Laufzeit der Impulsspitze entspricht.
Vom Übernahmespeicher aus wird der Zeitwert als binäre Adresse in den Fehlerkennlinien-Speicher gegeben. - Im Speicher sind
diesen Adressen - also den Fehlertiefen - Speicherelemente zugeordnet, die Korrekturwerte einer beliebigen Kennlinie enthalten.
Aus dieser Tabelle wird nach Eingabe der Adresse am Ausgang des Speichers der Korrekturwert bereitgestellt. Da Fehler- und Rückwand-Kennlinie
verschieden sind, wird ein zweiter entsprechender
309850/0650
Andrejewski, Honke & Gesthuysen, Patentanwälte, 4300 Essen, Theoterplatz 3
- 25 -
Kennlinienspeicher für das Rückwandecho benötigt. Dieser wird so programmiert, daß als Adresse die Blechdicke vom Rechner aus
eingegeben wird und am Ausgang der RE-Korrekturwert in· dB bereitgestellt wird. Beide Korrekturwerte werden in einem Subtrahierer
voneinander abgezogen und das Ergebnis als Gesamt-Korrekturwert
und damit die Voreinstellung des Zählers wird noch vor Ablauf der gesamten Impulslaufzeit bereitgestellt, d.h.
noch bevor der Absolutwert für das Rückwandecho in der Echohöhen-Meßeinheit ermittelt worden ist. - Damit ist die Tiefenkennlinien-Korrektur
sowohl für Fehler- als auch für Rückwandechos abgeschlossen.
Die nun noch verbleibende in Fig. 5 eingezeichnete Fehlerdiskriminierung
erfolgt über Digital-Komparatoren. Dabei wird der
Relationswert mit von Hand oder vom Rechner digital gesetzten Schwellwerten verglichen und bei Überschreiten des Schwellwertes
in der jeweiligen Komparatorstufe auf Fehler erkannt. Die so erstellten digitalen Prüfinformationen werden an einen Rechner
weitergegeben.
Das Verfahren insgesamt ist im Ausführungsbeispiel auf die
Prüfung von Blechen zugeschnitten; die Übertragung auf andere Prüflinge ist durch Variationen der entsprechenden Parameter
möglich. Das beschriebene Gerät zur Durchführung des erfindungsgernäßen
Verfahrens ist zwar für rechnergesteuerte Anlagen konzipiert; es kann jedoch auch in Verbindung mit einfachen Registriereinrichtungen
oder bei der Handprüfung eingesetzt werden.
309850/.0 62Ö
Claims (7)
- Andrejewski, Konke & Gesthuysen, Patentanwälte, 4300 Essen, Theaterplatz- 26 -PatentansprüchelJ Verfahren zur Messung und Auswertung von Ultraschall-Prüf-Cmpulsen einer gewählten Impulsfolgefrequenz bei der Ultraschallprüfung von Blechen und von ähnlichen Prüflingen naoh dem Impuls-Echo-Verfahren mit einer Mehrzahl von SE-Prüfköpfen,-wobei die Fehlerechos und die Rückwandechos mit Hilfe von Zeittoren unter Berücksichtigung der Vorlaufstrecken und der Prüflinglaufzeit ausgeblendet, die Fehlerechos auf Rückwandechos normiert und deren Amplituden gemessen sowie unter Berücksichtigung der Laufzeiten nach Maßgabe zugeordneter Tiefenkennlinien korrigiert werden, dadurch gekennzeichnet,daß die Vorlaufstrecken aller SE-Prüfköpfe einzeln und nacheinander im Takt der Impulsfolgefrequenz automatisch durch Auszählen der Impulslaufzeit mit hoher Zählfrequenz und elektronischer Differenzbildung von Impulslaufzeit und Prüflinglaufzeit ermittelt und als Anzahl Schwingungen gespeichert sowie durch Auszählen der genannten Zählfrequenz auch die Zelttore erzeugt werden,daß die Amplituden des maximalen Fehlerechos sowie des Rückwandechos automatisch für jeden Impuls praktisch simultan bestimmt und digital in Echohöhenspeichern gespeichert werden sowie die Laufzeit des maximalen Fehlerechos pro Impuls ebenfalls durch automatisches Auszählen der Zählfrequenz festgelegt wird,daß ferner die Korrektur der Fehlerechos nach Maßgabe der Lauf-3 09850/0690Andrejewski, Honke & Gesthuysen, Patentanwälte, 4300 Essen, Theaterplafz 3- 27 -zeit durchgeführt wird, indem die Laufzeit als Adresse für den Zugriff auf eine in einem elektronischen Speicher angelegte
Tabelle benutzt wird, die mit einer entsprechenden Tiefenkenalinienfunktlon programmiert ist, unddaß endlich die Normierung der Fehlerechos auf die zugeordneten Rückwandechos durch logarithm!sehe Messung der Echohöhen auf
eine Subtraktion zurückgeführt und diese durch simultanes Auszählen der Echohöhenspeicher durchgeführt und die Differenz In einem Zähler fixiert wird, - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die. Relation Fehlei'echo / Rückwandecho bzw. deren Differenz in
Ziffern angezeigt und über Digital-Komparatoren diskriminier-t; wird. - 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeielinet, daß die Impulslaufzeit und die Prüflinglaufzeit im Binärcode gespeichert werden.
- 4, Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis ^* dadurchdaß beim Erzeugen der Zeittore die gespeicherten Vorlaufstr^ökssi je SE-Prüfkopf sowie die Prüflingdicke als auszuzählende (JrCSSsn eingesetzt werden.
- 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis K3 dadurch gekennzeialisaet, daß die Amplituden des maximalen Fehlerechos sowie des Rückwandechos digital und logarithmisch gespeichert und angezeigt werden.3U9850/0820Andrejewski, Honice & Gesthuysen, Patentanwälte, 4300 Essen, Theaterplatz 3
- 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, da£ auch die Impulslaufzeit in Ziffern angezeigt wird.
- 7. Verfahren naoh den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrektur der Rüokwandechos durchgeführt wird, indem die PrUflingdicke als Adresse für den Zugriff auf eine in einem weiteren elektronischen Speicher angelegte Tabelle benutzt wird, die mit einer entsprechenden Kennlinienfunktion programmiert ist.■A ii 9 : ."/·:Leerseite
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