DE2350888C3

DE2350888C3 - Verfahren und Meßgerät zur Ultraschall-Dickenmessung

Info

Publication number: DE2350888C3
Application number: DE19732350888
Authority: DE
Inventors: Toyohiko Sagamihara Kanagawa Kitada (Japan)
Original assignee: KJC. Tokyo Keiki, Tokio
Priority date: 1972-10-10
Filing date: 1973-10-10
Publication date: 1976-07-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ultraschall-Dickenmessung, bei dem von einem Ultraschall-Sender ausgesandte Ultraschall-Impulse in Form von Echoimpulszügen von einem Ultraschall-Empfänger aufgenommen und durch einen Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung verstärkt werden, wobei zur Bestimmung der Dicke des Priifob-888

iektes die vom ausgesandten Impulszug bis zum ersten Echoimpulszug verstreichende Zeitspanne durch eine Zeitmeßeinrichtung ermittelt wird.

Die Erfindung betrifft ferner ein Dickenmeßgerät zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei einem bekannten Verfahren zur Ultraschall-Dickenmessung wird die Zeitspanne ermittelt, die zwischen dem zweiten und einem späteren Echoimpulszug verstreicht. Eine solche Dickenmessung, bei der die Zeitspanne zwischen mehreren Folge-Echoimpulszügen bestimmt wird, ist verhältnismäßig ungenau, zumal die Folge-Echos immer schwächer werden und auch die Verzerrung der einzelnen Impulse innerhalb der Echoimpulszüge größer wird. Es ist infolgedessen nicht gewährleistet, daß jeweils der erste Impuls eines Folge-Echoimpulszuges zur Messung herangezogen wird.

Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren weiterhin, daß beim Eintreffen jedes nächsten Folge-Echoimpulszuges, der innerhalb der /ur Messung herangezogenen Zeitspanne liegt, der Verstärkungsgrad des Verstärkers um einen bestimmten Wert vergrößert werden muß. damit alle Echoimpulszüge in der gewünschten Weise auf etwa konstantem Wert gehalten werden. Dies bedingt eine schaltungstechnisch verhältnismäßig aufwendige dynamische automatische Verstärkungsregelung, zumal der Verstärkungsei ad außerdem vom Abstand aufeinanderfolgender Echoimpulszüge, d. h. von der jeweiligen Dicke des Prufobjektes, abhängt.

Zur Vermeidung dieser Nachteile hat man daher weiterhin Verfahren zur Ultraschall-Dickcnmessung entwickelt, bei denen zur Bestimmung der Dicke des Prüfobjektes die vom ausgesandten Impulszug bis zum ersten Echoimpulszug verstreichende Zeitspanne durch eine Zeitmeßeinrichtung ermittelt wird. Hierbei tritt allerdings ein an Hand der Beschreibung der Ausführungsheisp-ele noch näher erläutertes Problem auf. Ermittelt man nämlich die Höhe der Echoimpulse in Abhängigkeit der Dicke des Prüfobjektes, so stellt man unterhalb einer gewissen Dicke einen starken Amplitudenabfali fest. Dies kann bei Messung von Prüfobjekten kleiner Dicke zur Folge haben, daß innerhalb des ersten Echoimpulszuges nicht der erste Impuls, sondern erst ein späterer Impuls die Zeitmeßeinrichtung auslöst. Da hierdurch die Messung verfälscht wird, kann der Meßbereich der nach diesem bekannten Verfahren arbeitenden Ultraschall-Dikkenmeßgeräte nicht sehr groß gewählt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Mängel ein Verfahren zur Ultraschal !-Dickenmessung zu entwickeln, das innerhalb eines sehr großen Meßbereiches (d. h. auch bei sehr kleinen und sehr großen Prüfobjektdicken) eine sehr genaue Messung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwecks Betätigung der Zeitmeßeinrichtung durch den ersten Impuls des ersten Echoimpulszuges ein von dem Ausgangssignal der Zeitmeßeinrichtung abgeleitetes Steuersignal den Verstärkungsgrad des Verstärkers im Bereich kleiner Prüfobjektdicke und im Bereich großer Prüfobjektdicke derart unterschiedlich steuert, daß im gesamten Meßbereich die Abhängigkeit der Echoimpulsamplitude von der Prüfobjektdicke durch eine flache Kurve gebildet wird.

Durch die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene unterschiedliche Steuerung des Verstär-

kungsgrades im Bereich kleiner und großer Prüfob- ist ferner an den Rückstellanschluß R eines Flip-Flop

jektdicken wird gewährleistet, daß unter allen Meß- 14 angeschlossen, dessen Einstellanschluß S mit ci-

umstanden (d.h. unabhängig von der jeweiligen nem an den Oszillator 10 angeschlossenen NuIl-Em-

Dicke des Prufobjektes) stets ein und derselbe Impuls, stellkreis 15 verbunden ist.

nämlich der erste Impuls des zur Messung herangezo- 5 Das Flip-Flop 16 bildet eine Zeitmeßeinrichtung,

genen ersten Echoimpulszuges, ausgewertet wird. die an ihrem Ausgang 16 ein der gemessenen Prüfob-

Schaltungstechnisch ist dabei von Vorteil, daß ledig- jektdicke entsprechendes Zeitsignal liefert.

Hch eine statische automatische Verstärkungsregelung Die Anordnung gemäß Fig. 3 enthält noch zwei

benotigt wird. ^ Schaltkreise 17 und 18 zur automatischen Verstär-

Zwei Ausfunrungsbeispieie der fcrfindung sind in io kungsregelung des Verstärkers 11. Der Schaltkreis 17

der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigt ist an den Maximum-Klemmkreis 13 angeschlossen

y ig. 1 ein Diagramm, das die Hohe H eines Echo- und der Schaltkreis 18 an einen weiteren Maximumimpulses in Abhängigkeit von der Prüfobjektdicke T Klemmkreis 21, der über eine aus Kondensatoren, ei-^/e'^gt" η t» rv ^nem Widerstand und einer Diode 20 bestehende

Fig. 2Aund2B Diagramme von Echoimpulszügen >5 Schaltung 19 mit dem Ausgang 16 des Flip-Flop 14

bei großer und kleiner Prüfobjektdicke, verbunden ist.

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines ersten Ausfüh- Die Funktion des Dickenmeßgerätes gemäß Fig. 3

rungsbeispieles des erfindungsgemäßcn Dickenmeß- ist folgendermaßen:

gerätes, P3_{er zur} automatischen Verstärkungsregelung

Fig. 4 A, 4 B und S Diagramme zur Erläuterung der ao (AVR) dienende Schaltungskreis 17 erhält vom Ma-

Funktion des Dickenmeßgerates gemäß Fig. 3, ximum-Klemmkreis 13 eine Spannung K₁, die bei ei-

Hg. 6 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausfüh- nem Prüfobjekt großer Dicke (Fig. 2A) vom ersten

rungsbeispieles des erfindungsgemäßen Dickenmeß- Echoimpulszug gewonnen wird, dagegen bei einem

gerätes. Prüfobjekt kleiner Dicke (Fig. 2B) beispielsweise

Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit der Höhe (Ampli- as erst vom zweiten Echoimpulszug S\.
tude) H eines Echoimpulses in Abhängigkeit von der Die vom Ausgang des Flip-Flop 14 gelieferte Span-Dicke 7 (m mm) eines Prufobjektes. Das Echo P₁ nung wird durch die Integrationsschaltung 19 intebesitzt ein Maximum P einer Dicke /„. _gri_ert. j_{e nach der Breite der vom} Flip-Flop 14 gelie-

Die Fig. 2 A und 2B veranschaulichen nun in sehe- ferten Impulse q_x, q„ </, (vgl. Fig. 4 A) ergeben sich

matischer Form die unterschiedliche Art der Echoim- 30 damit (J_11n-J_{1 die} Integrationsschaltung 19 unter-

pulszüge bei verhältnismäßig großen Prüfobjektdik- schicdliche Spannungen E_x, E₂, E₃ (vgl. Fig. 4B).

ken (Fig. 2Λ) und bei sehr kleinen Prüfobjektdicken Diese Spannung wird dem M.iximum-Klemmkrcis 21

(Fig. 2B). Dabei ist der ausgesandte Ultraschall-lm- zugeführt, der eine Spannung V₁ abgibt, wie sie Fig. 5

puls mit M und das Reflexionsecho mit ^bezeichnet. zeigt. Ist die Dicke des Prüfobjektes kleiner als t„ (bei-

Bei einer sehr kleinen Prüfobjektdicke (vgl: Fig. 2 B) 35 spielsweise Dicken /, und f₂), so ist K₁ kleiner als der

stellt man nun fest, daß - bedingt durch die Porm der maximale Wert, der bei Dicken größe'r als r„ vorliegt

Kurve P, in Fig. 1 - der erste Echoimpulszug .S₁ noch (vgl. Fig. 5).

eine wesentlich kleinere Amplitude (P₁, P₁, P,) seiner Die beiden AVR-Schaltungskreise 17, 18 sind nun

Impulse besitzt als der zweite Echoimpulszug S₁ (mit so ausgebildet bzw. zusammengeschaltet, daß jeweils

maximaler Impuls-Amplitude P_n) bzw. tier dritte 40 derjenige dieser beiden Kreise den Verstärkungsgrad

Echoimpulszug S_v des Verstärkers 11 regelt, der mit der kleineren Ein-

Bei Messung eines Prüfobjektes kleiner Dicke ist gangsspannung gespeist wird. Ist also V_x kleiner als

infolgedessen-unter Zugrundelegung einer Kurve P₁ K, (was einer Prüfobjektdicke größer als f₀ ent-

der Fig. 1 - nicht gewährleistet, daß die Zeitmeßein- spricht), so wird der Schaltungskreis 17 wirksam. Ist

richtung durch den ersten Impuls P₁ des ersten Echo- 45 dagegen K, kleiner als K₁ (was einer Prüfobjektdicke

impulszuges S₁ betätigt und damit die Zeitspanne r kleiner als ;₀ entspricht), so wird der Schaltungskreis

zuverlässig ermittelt wird. 18 wirksam.

Fig. 3 zeigt nun ein erfindungsgemäßes Ultra- Wird ein Prüfobjekt mit großer Dicke (T>i₀) ge-

schall-Dickenmeßgerät, bei dem durch eine unter- messen, so erhält man ein Reflexionsccho gemäß

schiedliche Steuerung des Verstärkungsgrades des 50 Fig. 2 A. Das Maximum K₁ diesei Spannung wird im

Verstärkers im Bereich kleiner und großer Prüfob- Maximum-Klemmkreis 13 festgeklemmt und dem

jektdicken erreicht wird, daß im gesamten Meßbe- AVR-Schaltungskreis 17 zugeführt. Das Flip-Flop 14

reich die Abhängigkeit der Echoimpulsamplitude von liefert das Signal q_} (vgl. Fig. 4 A), so daß dem Maxi-

der Prüfobjektdicke durch eine flache Kurve P₁. (vgl. mum-Klemmkreis 21 die Spannung £₃ zugeführt wird

Fig. 1) gebildet wird. 55 und an seinem Ausgang die Spannung V₂ auftritt. Ist

Das Dickenmeßgerät Tm (gemäß Fig. 3) dient bei- nun die Schaltung so ausgelegt, daß V_x kleiner als V₂ spielsweise zur Bestimmung der Dicke eines Stahlble- ist, so wird bei 7">/„ der AVR-Schaltungskreis 17 ches 1. Es enthält eine Sonde 2 mit einem Ultraschall- wirksam. Er ändert den Verstärkungsgrad des Versender 7 und einem Ultraschallempfänger 8. Hierzu stärkers 11 so, daß sich oberhalb des Wertes S₀ eine gehören Ultraschallwandler 5a, 5b, Verzögerungs- 60 flache Kurve (P₁) der Echoimpulsamplitude ergibt,
glieder 6a, 6b und Kammern 4a, Ab, die durch eine Ist dagegen die Dicke T des Prüfobjektes kleiner Abschirmung 3 voneinander isoliert sind. als t_u, so ergibt sich ein Reflexionsecho gemäß

An den Ultraschallsender 7 ist ein Impuls-Oszilla- Fig. 2B. Hierbei wird erst das Maximum P_m des zweiten^ angeschlossen, der von einem synchronen Oszil- ten Echoimpulszuges S₂ vom Klemmkreis 13 festgelator 10 gespeist wird. Der Ultraschallempfänger 8 ist 65 klemmt. Das Flip-Flop 14 wird von dem Echoimpulsmiteinem Verstärker 11 verbunden, dessen Ausgang zug S_x zurückgestellt; das hierbei erzeugte Signal q₂ über eine Diode 12 mit einem Maximum-Klemmkreis ergibt am Ausgang der Integrationsschaltung 19 die 13 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 11 Spannung E₂, was zur Folge hat, daß der Klemmkreis

21 eine gegenüber dem oben beschriebenen Fall verringerte Ausgangsspannung V₁ abgibt. Es wird nun infolgedessen der AVR-Schaltungskreis 18 betätigt, der den Verstärkungsgrad des Verstärkers 11 so regelt, daß die Echoimpulsamplitude (Kurve P₁.), auch im Bereich T<t_u abgeflacht wird. Es wird also die Amplitude des ersten Echoimpulszuges 5, so weit vergrößert, daß das Flip-Flop 14 tatsächlich vom ersten Impuls P, des ersten Echoimpulszuges S₁ zurückgestellt wird.

Indem durch die erfindungsgemäßc Abflachung der Abhängigkeit der Echoimpulsamplitude von der Prüfobjektdicke (Änderung der Kurve P₁ zur Kurve P₁. durch die unterschiedliche Verstärkungsregelung bei Dicken oberhalb und unterhalb r₀) ist eine sehr genaue Messung innerhalb des großen Meßbereiches möglich. Bei Prüfobjekten aus Stahl wurden beispielsweise mit dem erfindungsgemäßen Meßgerät Dickenmessungen zwischen 1,2 mm und 100 mm durchgeführt.

Bei dem in Fig. 6 veranschaulichten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind einander entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 3 bezeichnet.

An den Ausgang des Flip-Flop 14 ist ein Wandler 25 angeschlossen, der einen Vergleichskreis 26 speist, dem außerdem über den Anschluß 26a ein Bezugssignal zugeführt wird. Der Ausgang des Vcrgieichskreises 26 speist über eine Torschaltung 27 einen AVR-Schaltungskreis 28, der den Verstärkungsgrad des Verstärkers 11 regelt. Die Torschaltung 27 wird vom Maximum-Klemmkreis 13 gesteuert.

Das vom Wandler 25 gelieferte, der Dicke des Prüfobjektes entsprechende Signal wird im Vergleichskreis 26 mit einem Bezugssignal verglichen. Je nach dem Ergebnis dieses Vergleiches wird der AVR-Schaltungskrcis 28 ausgesteuert, so daß wie bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem großen Meßbereich die flache Kurve P₁. erzieh wurde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 23

1. Verfahren zur Ultraschall-Dickenmessung, bei dem von einem Ultraschall-Sender ausgesandte Ultraschall-Impulse in Form von Echoimpulszügen von einem Ultraschall-Empfänger aufgenommen und durch einen Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung verstärkt werden, wobei zur Bestimmung der Dicke des »o Prüfobjektes die vom ausgesandten Impulszug bis zum ersten Echoimpulszug verstreichende Zeitspanne durch eine Zeitmeßeinrichtung ermittell: wird, dadurch gekennzeichnet, daß zweck«; Betätigung der Zeitmeßeinrichtung durch den ersten Impuls (P₁) des ersten Echoimputezuges (S₁) ein von dem Ausgangssignal der Zeitmeßeinrichtung abgeleitetes Steuersignal den Verstärkungsgrad des Verstärkers im Bereich kleiner Prüfobjektdicke und im Bereich großer Prüfobjektdicke *o derart unterschiedlich steuert, daß im gesamten Meßbereich die Abhängigkeit der Echoimpulsamplitude von der Prüfobjektdicke durch eine flache Kurve (P₁.) gebildet wird.

2. Dickenmeßgerät zur Durchführung des Ver- »5 fahrens nach Anspruch 1, mit einem Ultraschall-Sender, einem Ultraschall-Empfänger, einem Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung sowie einem Flip-Flop als Zeitmeßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schaltkreise (17, 18) zur automatischen Verstärkungsregelung vorgesehen sind, von denen der eine Schaltkreis (17) mit einem an den Ausgang des Verstärkers (11) über eine Diode (12) angeschlossenen Maximum-Klemmkreis (13) und der andere Schaltkreis (18) mit einem an den Ausgang des Flip-Flop (14) über eine Diode (20) angeschlossenen Maximum-Klemmkreis (21) verbunden ist, wobei jeweils der mit der geringeren Spannung versorgte Kreis dieser beiden Schaltkreise (17,18) zur Regelung des Verstärkungsgrades des Verstärkers (11) wirksam ist.

3. Dickenmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Ultraschall-Sender, einem Ultraschall-Empfänger, einem Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung sowie einem Flip-Flop als Zeitmeßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vergleichskreis (26) vorgesehen ist, der ein vom Flip-Flop (14) über einen Wandler (25) geliefertes Signal mit einem Bezugssignal vergleicht und dessen Ausgang mit einem Schaltkreis (28) zur automatischen Verstärkungsregelung über eine Torschaltung (27) verbunden ist, die von einem an den Verstärker (11) angeschlossenen Maximum-Klemmkreis (13) gesteuert ist.