DE2607187A1 - Verfahren zur laufzeitmessung von impulsen - Google Patents

Verfahren zur laufzeitmessung von impulsen

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DE2607187A1 DE19762607187 DE2607187A DE2607187A1 DE 2607187 A1 DE2607187 A1 DE 2607187A1 DE 19762607187 DE19762607187 DE 19762607187 DE 2607187 A DE2607187 A DE 2607187A DE 2607187 A1 DE2607187 A1 DE 2607187A1
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Description

K 081
3 6.2.1976
IG/si.
KIiAUi1IiEMEH GmbH, 5000 Köln 41, Pl·1 420 2^0; Luxemburger Str. 449
Verfahren zur Laufzeitmessung von Impulsen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des zeitlichen Impulsabstandes von zwei aufeinanderfol-P"enden Impulsen, insbesondere zur Bestimmung von Schalllaufzeiten u. dgl.
In der Ultraschall-Werkstoffprüfung werden Schallinpulse in elektrische Impulse umgesetzt und ziir Bestimmung von Schallaufzeiten, Schallgeschwindigkeiten oder der Materiallänge bzw. Materialdicke verwendet.
Es ist bereits bekannt, den zeitlichen Abstand von Impulsen dadurch zu messen, daß man das Zeitintervall zwischen einem Punkt auf der Anstiegsflanke des auslösenden Impulses bis zu einem korrespondierenden Punkt auf der Anstiegsflanke des Polgeimpulses (Punkte gleichen Phasenwinkels) bestimmt. Diese Messung ist aber nur dann genau, wenn als korrespondierende Punkte die Fixßpunkte der Anstiegsflanken auf der absoluten Nulllinie verwendet werden können. Da diese Punkte aber physikalisch nicht bestimmbar sind, da sie im Störpegel liegen und/oder durch Überschwingen und ähnliche Effekte nicht fixierbar sind, werden Fußpunkte dadurch erzeugt, daß man Schwellenwerte vorgibt und die entsprechenden
70983/, /0^7?
-1 -
zeitlichen Abstände von künstlich erzeugten Fußpunkten auf dem Schwellenwert-lTiveau mißt. Bei diesem Verfahren geht aber die Impulsform stark in die Messung ein, d. h. der gemessene zeitliche Abstand von Impulsen wird durch die Flankensteilheiten beeinflußt. Diese Nachteile könnten zwar durch eine Konstanthaltung der Amplituden bis auf einen konstanten Fehler ausgeglichen werden, welcher dann elektronisch bei der Auswertung berücksichtigt werden kann. Die Amplitudenkonstanz ist aber nur durch eine Regeleinrichtung erreichbar, wobei aber jede Regelung mit einer Zeitkonstanten behaftet ist und daher grundsätzlich nicht plötzlich auftretende Änderungen erfassen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Fehler in der Zeitmessung zu beseitigen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß die Impulsbasiszeiten des den Meßvorgang auslösenden Impulses und des den Meßvorgang "beendenden Impulses, welche zu einzeln einstellbaren Schwellenwerten gehören, mit einer anderen Zählfrequenz gemessen werden als die Zeit zwischen Ende der Basis des auslösenden Impulses und dem Anfang der Basis des den Meßvorgang beendenden Impulses. Diese beiden Zählfrequenzen werden vorzugsweise im Verhältnis 1 : 2 gewählt. Durch eine Addition in einem Zähler wird dann der zeitliche Abstand beider Impulse als digitaler Wert exakt angegeben.
Die Zählfrequenz kann so gewählt werden, daß entweder die Laufzeit direkt (z.B. in Nanasekunden) oder der Laufweg (Prüfstückdicke) als Vielfaches einer zweckmäßigen Grundeinheit (z. B. 0,1 mm) digital angegeben wird.
Eine derartige Laufzeitmessung ist notwendig bei der Wanddickenmessung oder Längenmessung mit Ultraschallimpulsen an Materialien, welche die elastischen Wellen genügend gut leiten.
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
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Es zeigen: * "'
Eig. 1 ein Impuls-Zeit-Diagramm symmetrischer Impulse
Fig. 2 ein Impuls-Zeit-Diagramm unsymmetrischer Impulse
!"ig. 5 eine elektrische Schaltung in Blockdarstellung zur Ausführung eines ersten (I) Me s sverfahrens
Fig. 4- ein Impuls-Zeit-Diagramm zur Ausführung nach Meßverfahren I
S1Xg. 5 eine elektrische Schaltung in Blockdarstellung zur Ausführung nach einem zweiten (II) Meßverfahren
Fig. 6 eine Blockschaltung zur Ausführung nach einem dritten (III) Meßverfahren.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß ein auslösender Impuls EE einen Schwellenwert S1 überschreiten muß undder Folgeimpuls, dessen Abstand zum auslösenden Impuls gemessen werden soll, eine Schwelle S2 überschreiten muß. Es ist der Abstand der Punkte A und B voneinander zu bestimmen, also die Zeit t . Nun wird die Zeit t dadurch gemessen, daß zunächst die Basis A1 - A2, d. h. das Zeitintervall t^, dann der Abstand A2 - B1, das ist das Zeitintervall tp und die Basis Bt - B2, also das Zeitintervall t^, gemessen werden.
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Die Bezeichnung "Basis" wird hier und nachfolgend für die Impulsbreite in Schwellenwerthöhe verwendet.
Aus I1Xg. 1 ist entnehmbar, daß die gesuchte Zeit t
sich errechnet aus:
t = — + to + (Gleichung 1)
X2 2 2
oder (umgeformt)
t β + to (Gleichung 2)
χ 2 *-
Ct1 + t2)+(t2
(Gleichung 3)
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Aus diesen drei Gleichungen ergeben sich drei Ausführungsformen des Meßverfahrens:
I. Die Zeitintervalle t,, und t., werden mit der Frequenz fo ausgezählt; die Zeit to mit der Frequenz fo.
2~ d
Die Addition der drei Zeitintervalle ergibt dann die Zeit t .
II. Die drei Zeitintervalle werden mit der gleichen Frequenz fo ausgezählt, wobei die Zeitintervalle t^ und t-, in einem Zähler und das Zeitintervall t~ in einem anderen Zähler gemessen werden. Ausgewertet wird dann vom Zähler 1 die Größe t„ + t^. und vom Zähler 2 die Größe t2. 2
III. Die Zeitintervalle t,, und t2 werden mit der Frequenz fο im Zähler Λ, die Zeitintervalle t und tx mit der
2 ^
gleichen Frequenz fο im Zähler 2 ausgezählt, und ausge wertet wird dann die Summe aus den Zählern 1 und 2, und diese Summe wird durch 2 dividiert.
Mit diesen Erfindungsgedanken lassen sich auch Laufzeiten von Impulsen gleicher Polarität messen, z. B.
zwei aufeinanderfolgende Rückwandechos (Mehrfachechos);
Ruckwrnde cho
hier gestrichelt dargestellt das η /EWE statt des Eintritts-
te
echos EE und.der n+1 Impuls EWE, statt des Impulses
1. RWE.
Bei diesem der Erfindung zugrundeliegenden Verfahren ist die ermittelte Impulslaufzeit vorteilhaft unabhängig von
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der Impulsbreite. Demzufolge können auch die Schwellenwerte für den auslösenden und den folgenden Impuls mit verschiedenem Niveau gesetzt werden. In jedem Fall, in dem die Impulsamplituden größer sind als der Störpegel ist es möglich, den Störpegel zu unterdrücken.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine aufwendige und dennoch mit Zeitkonstanten behaftete Regeleinrichtung entfällt.
Unter Voraussetzungen, die in der Praxis sehr oft gegeben sind, kann diese Laufzeitmessung auch bei unsymmetrischen Impulsen angewendet werden, wenn es auf einen kleinen Restfehler nicht ankommt. Es ist lediglich erforderlich, daß die Form des auslösenden Impulses und des Folgeimpulses einander ähnlich sind, wie in Fig. 2 gezeigt. Es ergibt sich dann aus der Messung eine Größe:
ζ 2
4- I J- I
t-' ■■ 1 t1
3
2;
Aus dem Vergleich des Meßwertes mit dem Sollwert ergibt sich dann ein Fehler von ^f7, - /^t1,.
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' 40'
Um diesen in der Praxis oft vernachlässigbar kleinen Wert wurde die Impuls-Laufzeit falsch gemessen.
Anhand eines Ausführungsbeispieles, Fig. 3» wird die Variante gemäß Meßverfahren I beschrieben:
Gegeben ist durch einen Generator 1 ein Zählsignal mit der Frequenz fo, hier z. B. 30 MHz. Im Frequenzteiler wird diese Frequenz halbiert auf fo/2 (15 MHz). Damit stehen an den Und-Gattern 8 und 9 diese beiden Zählfrequenzen zur Verfügung.
Aus der Ultraschall-Prüfeinrichtung, bestehend aus einem Impulssender 2, einem Ultraschall-Empfänger 4, einem Prüfkopf 14, einem Prüfstück 16 und einer Wasservorlaufstrecke 15j ergeben sich Echoimpulse gem. Kurve 1 der Fig. 4; hier gelten folgende Bezeichnungen:
SE ist der Sendeimpuls aus dem Generator 3; EE das Eintrittsecho in das Prüfstück 16, das als Oberflächenecho des Prüfstücks vom Prüfkopf 14 empfangen und im Verstärker 4 verarbeitet wird; 1. RWE das erste Rückwandecho aus dem Prüfstück; 2. RWE
das zweite Rückwandecho und
3. RWE das 3· Rückwandecho.
Die folgenden Rückwandechos sowie die Mehrfachechos von der Prüfstückoberfläche sind nicht gezeichnet.
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• /i/i.
Der Generator 3 wird von der Steuerlogik-Stufe 10 getriggert. Damit setzt die Steuerlogik-Stufe 10 die Funktionsblende für die Komparatoren 5 und 6, die nur während der Blendendauer arbeiten können (Kurve 2 des ImpulsSchemas nach Fig. 4). Diese Blende kann so gesetzt werden, daß das Eintrittsecho und die Rückwandechos zur Auswertung gelangen. Sie kann aber auch erst nach dem Eintrittsecho gesetzt werden, so daß das erste Rückwandecho und die folgenden Rückwändecnοs zur Auswertung gelangen.
Geschlossen wird diese Blende spätestens vor der Auslösung des nächsten Impulses im Generator 3· Zweckmäßig ist natürlich, die Blendenöffnungszeit dem Erwartungsbereich der zu messenden Impulse anzupassen. Der auslösende Impuls, das ist der Impuls, der die Zeitmessung auslösen soll, wird in einem der beiden Komparatoren oder 6 verarbeitet, zum Beispiel im Komparator 5 (Kurve3)< Diese beiden Komparatoren werden nacheinander freigegeben und sperren sich selbst gegen die Aufnahme weiterer Impulse und werden erst wieder freigegeben mit dem erneuten Öffnen der Funktionsblende durch die Triggerung der Steuerlogik-Stufe 10. Der Folgeimpuls wird von dem anderen Komparator, hier Komparator 6 (Kurve 4-) verarbeitet.
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Die Ansprechschwellen - Schwellenwerte - der Komparatoren
werden mit Stellgliedern 5a und 6a vorgegeben. Die AusGatter gangssignale beider Komparatoren sind im/7 °der-verknüpft (Kurve 5)· Diese beiden Impulse werden im Und-Gatter 8 mit der Zählfrequenz fo/2 (Kurve 6) verknüpft. Dieses Signal (Kurve 6) steht an dem Oder-Gatter 11 an. Die beiden Komparatorensignale (Kurve 3 und Kurve 4-) stehen aber auch am Speicher 12 an. Dieser Speicher wird mit der Rückflanke von 5 gesetzt und mit der "Vorderflanke von 6 gelöscht. Der Impulsverlauf (Kurve 7) zeigt den Zustand des Speichers 12. Dieses Signal vom Speicher (Kurve 7) wird in 9 niit dem Signal aus 1 (Kurve 8), also der Zählfrequenz fo, und-verknüpft. Damit steht an 11 neben dem Signal (Kurve 6) auch das Signal (Kurve 9) an. In Gatter 11 werden beide Signale oder-verknüpft. Damit steht am Zähler 13 das Signal (Kurve 10) an. Dieses Signal ist also gebildet aus dem Zeitintervall t,, (gezählt mit fo/2), dem Zeitintervall t2 (gezählt mit fo) und dem Zeitintervall t, (gezählt mit fo/2). Damit gibt der Zähler 13 die gesuchte Zeit t an.
Wegen der besser auswertbaren Impulsformen des ersten und zweiten Rückwandechos ist es oft zweckmäßig, den Impulsabstand zwischen diesen beiden Echos zu messen und nicht zwischen dem Eintrittsecho und dem ersten Rückwandecho. Um das zu erreichen, wird vorgeschlagen,
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Auch hier värd mit nur einer Zählfrequenz gezählt, die an den Und-Gattern S und 9 anliegt. Vom Komparator 5 wird ein Speicher 21 mit dem Fußpunkt der Vorderflanke des auslösenden Impulses gesetzt und mit dem Fußpunkt der Vorderflanke des folgenden Impulses vom Komparator 6 zurückgesetzt. Damit erhält der Zähler 17 während der Zeitintervalle t^ und t2 (Fig. 1 ) den Impuls mit Zählfrequenz. Der Speicher 22 wird mit dem Fußpunkt der Eückflanke des auslösenden Impulses gesetzt und mit dem Fußpunkt der Eückflanke des folgenden Impulses zurückgesetzt. Damit erhält der Zähler 18 über das Und-Gatter während der Zeitintervalle t~ und t-, die Zählfrequenz. Die Werte aus beiden Zählern werden im Summierwerk 20 addiert und im Teller 19 halbiert, so daß t a ti+2t2+t5
χ 2
gebildet wird.
Das angegebene Verfahren ist jedoch nicht auf die Anwendung im Ultraschallberexch beschränkt, sondern ein allgemeines digitales Heßverfahren zur LaufZeitbestimmung impulsförmiger elektrischer Signale ohne Rücksicht auf ihre Polarität, soweit die Formen aufeinanderfolgender Impulse symmetrisch oder angenähert symmetrisch sind.
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FuiiktiorLsbleiide für Kurve 2 entsprechend zu setzen. Dies ist aber nur zweckmäßig, wenn das zweite Eückwandecho genügend stark über dem Störpegel 27 vorhanden""ist. Dian kann auch einen dritten Komparator einsetzen und den Zähler so schalten, daß er entweder den Abstand des Impulses EE zum ersten Impuls EWE zählt oder den Abstand 1.EWE zum 2. RWE. Und damit ist die Anordnung den technischen Gegebenheiten in der Praxis anpaßbar. Will man aus Sicherheitsgründen beide Abstände auswerten, ist ein zweiter Zähler erforderlich.
Bei der Ausführung nach der Variante gemäß Meßverfahren II ist nur eine Zählfrequenz notwendig, die an den Und-Gattern 8 und 9 anliegt (Fig. 5)· An den Zähler 17 gelangt die Zählfrequenz während der Basiszeiten der beiden Impulse des Meßvorganges, getaktet von den Komparator en 5. und 6j die über.dieOder-Gatter 7. <ias. entsprechende Signal an 8 geben. Es wird damit der Wert ^,,+t^ gebildet, und im folgenden Teiler 19 wird dieser Wert zu der Größe t„ + t., halbiert. Im Zähler 18 wird mit der
Zahlfrequenz wie nach Variante I die Zeit zwischen den Impulsbasen (tg) gezählt. Im Summierwerk 20 wird dann die Größe t - 1H * t5 . to gebildet.
Das Verfahren nach der Variante III ist anhand Fig. 6 verständlich.
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Claims (4)

K 081 ο.2.1976 IG/si. PAI1ElT1IAIiSPRiJCIIE
1. j Verfahren zur Messung des zeitlichen Impulsabstandes von zwei etwa symmetrischen elektrischen Impulsen gleicher oder entgegengesetzter Polarität, insbesondere der Laufseiten von Ultraschallwellen bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbasiszeiten t^, t-,) auf einzeln einstellbaren Schwellenwerten (S^, Sp) des den Meßvorgang auslösenden Impulses (EE; η esRWE) und des den Meßvorgang beendenden Impulses (1. RWE (n + i)°eG RWE) unterschiedlich ausgewertet, insbesondere mit einer anderen Zählfrequenz gemessen werden, als die Zeit (tp) zwischen dem Ende (Ap) der Basis in Schwellenwerthöhe des auslösenden Impulses (EE) und dem Anfang der Basis (B^) in Schwellenwerthöhe (Sp) des den Meßvorgang beendenden Impulses (RWE).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbasiszeit des Auslöseimpulses mit der halben Zählfrequenz (,fp), die
2"
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Zeit zwischen dem Ende der Basis des auslösenden Impulses bis zum Anfang der Basis des Folgeimpulses mit der Zählfrequenz (fo) selbst und die Basiszeit des den Meßvorgang beendenden Impulses wieder mit der halben Zählfrequenz ausgemessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszeiten der beiden aufeinander folgenden Impulse in einem gemeinsamen Zähler gemessen und addiert werden, dieser Wert in einem Teiler halbiert, die Zeit zwischen den Impulsbasen in einem anderen Zähler gemessen und die Werte aus diesem Zähler und aus dem Teiler summiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Basisbreite des auslösenden Impulses und der Basisabstand zwischen beiden Impulsen zusammen und andererseits der Basisabstand beider Impulse und die Basisbreite des folgenden Impulses zusammen gemessen sowie in einer Auswerteeinrichtung addiert und halbiert werden.
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