DE2607187B2

DE2607187B2 - Verfahren zur Messung des zeitlichen Impulsabstandes von zwei elektrischen Impulsen

Info

Publication number: DE2607187B2
Application number: DE2607187A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Walter 5159 Brüggen Mohr
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1976-02-23
Filing date: 1976-02-23
Publication date: 1981-04-23
Also published as: US4079315A; DE2607187A1; FR2341869A1; IT1071722B; FR2341869B1; GB1524506A; DE2607187C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des zeitlichen Impulsabstandes von zwei symmetrischen oder formähnlichen Impulsen.

In der Ultraschall-Werkstoffprüfung werden Schallimpulse in elektrische Impulse umgesetzt und zur 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 Folgeimpulses (Punkte gleichen Phasenwinkels) bestimmt. J. u. H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1975, 3. Auflage, S. 280-281.

Diese Messung ist aber nur dann genau, wenn als korrespondierende Punkte die Fußpunkte der Anstiegsflanken auf der absoluten Nullinie 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 zeitlichen Abstände von künstlich erzeugten Fußpunkten auf dem Schwellenwert-Niveau 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.

Die Zeitmessung, unter Verwendung je eines Fußpunktes von Impulsen, wird im übrigen von der Anmelderung in einigen Geräten angewendet
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Zeitmessung mittels dieser Fußpunkte den Einfluß der Impulsform zu beseitigen oder zu vermindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Zählfrequenz kann so gewählt werden, daß

entweder die Laufzeit direkt (z. B. in Nanosekunden) 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.
Es zeigt

F i g. 1 ein Impuls-Zeit-Diagramm symmetrischer Impulse,

Fig.2 ein Impuls-Zeit-Diagramm unsymmetrischer Impulse,

F i g. 3 eine elektrische Schaltung in Blockdarstellung zur Ausführung eines ersten (I) Meßverfahrens,

F i g. 4 ein Impuls-Zeit-Diagramm zur Ausführung nach Meßverfahren I,

F i g. 5 eine elektrische Schaltung in Blockdarstellung zur Ausführung nach einem zweiten (II) Meßverfahren,

F i g. 6 eine Blockschaltung zur Ausführung nach einem dritten (III) Meßverfahren.

Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß ein auslösender Impuls

EE einen Schwellenwert S1 überschreiten muß und der

bo Folgeimpuls, dessen Abstand zum auslösenden Impuls gemessen werden soll, eine Schwelle 52 überschreiten muß. Es ist der Abstand der Punkte A und B voneinander zu bestimmen, also die Zeit t_x. Nun wird die Zeit t_x dadurch gemessen, daß zunächst die Basis Ai-A 2, d.h. das Zeitintervall ii, dann der Abstand A 2—Bi, das ist das Zeitintervall t₂ und die Basis Bi- B 2, also das Zeitintervall f3, gemessen werden.

Die Bezeichnung »Basis« wird hier und nachfolgend

für die Impulsbreite in Schwellenwerthöhe verwendet wie in Fig. 2 gezeig:. Ei ergibt sich dann aus der

Aus F i g. 1 ist entnehmbar, daß die gesuchte Zeit f, Messung eine Größe: sich errechnet aus:

oder (umgeformt)

= Ί ⁺ '3 2

(h + h)

(Gleichung 1)

(Gleichung2)

(Gleichung3)

AlAIi _{+ t}-₊A±

— + /, + — + 2 ² 2

^f₃-Af₁

Aus dem Vergleich des Meßwertes mit dem SoIlwert ergibt sich dann ein Fehler von

At'j- A t\

Aus diesen drei Gleichungen ergeben sich drei Ausführungsformen des Meßverfahrens:

I. Die Zeitintervalle ii und i₃ werden mit der Frequenzy ausgezählt; die Zeit ft mit der Frequenz fo. Die Addition der drei Zeitintervalle ergibt dawn die Zeit t_x.

II. Die drei Zeitintervalle werden mit der gleichen Frequenz fo ausgezählt, wobei die Zeitintervalle fi und h in einem Zähler und das Zeitintervall ft in einem anderen Zähler gemessen werden. Ausgewertet wird dann vom Zähler 1 die Größe

i\

und vom Zähler 2 die Größe i

III. Die Zeitintervalle fi und ft werden mit der Frequenz fo im Zähler 1, die Zeitintervalle ft und h mit der gleichen Frequenz fo im Zähler 2 ausgezählt, und ausgewertet 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 aufeinderfolgende Rückwandechos (Mehrfachechos); hier gestrichelt dargestellt das n'^e Rückwandecho R WE statt des Eintrittsechos EE und der n+\'^e Impuls RWE, statt des Impulses LRWE

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die ermittelte Impulslaufzeit vorteilhaft unabhängig von 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 unterdrücke, ι.

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,

Um diesen in der Praxis oft vernachlässigbar kleinen Wert wurde die Impuls-Laufzeit falsch gemessen.

Anhand eines Ausführungsbeispiels, F i g. 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 Frequenztei ler 2 wird diese Frequenz halbiert auf foil (15MHz). Damit stehen an den Und-Gattern 8 und 9 diese beiden Zählfrequenzen zur Verfügung.

jo Aus der Ultraschall-Prüfeinrichtung, bestehend aus einem Impulssender 2, einem Ultraschall-Empfänger 4. einem Prüfkopf 14. einem Prüfstück 16 und einer Wasservorlaufstrecke 15, ergeben sich Echoimpulse gem. Kurve 1 der F i g. 4; hier gelten folgende

j5 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. R WE das zweite Rückwandecho und

3. RWE das 3. Rückwandecho.

Die folgenden Rückwandechos sowie die Mehrfachechos von der Prüfstückoberfläche sind nicht gezeichnet.

Der Generator 3 wird von der Sleueriogik-Stufe i0 getriggert. Damit setzt die Steuerlogik-Stufe 10 die

so Funktionsblende für die IComparatoren 5 und 6, die nur während der Blendendauer arbeiten können (Kurve 2 des Impulsschemas nach F i g. 4). Diese Blende kann so gesetzt werden, daß das Eintrittsecho und die Rückwandechos zur Auswertung gelangen. Sie kann

ϊ5 aber auch erst nach dem Eintrittsecho gesetzt werden, so daß das erste Rückwandecho und die folgenden Rückwandechos zur Auswertung gelangen.

Geschlossen wird diese Blende spätestens vor der Auslösung des nächsten Impulses im Generator 3.

bo 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 Komoaratoren 5 oder 6 verarbeitet, zum Beispiel im Komparator 5 (Kurve 3). Diese beiden Komparatoren werden nacheinander freigegeben und sperren sich selbst gegen die Aufnahme weiterer Impulse rnd 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.

Die Ansprechschwellen — Schwellenwerte — der Komparatoren werden mit Stellgliedern 5a und 6a vorgegeben. Die Ausgangssignale beider Komparatoren sind im Gatter 7 oder-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 12 (Kurve 7) wird in 9 mit 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 fi (gezählt mit fo/2), dem Zeitintervall f₂ (gezählt mit fo) und dem Zeitintervall t₃ (gezählt mit fo/2). Damit gibt der Zähler 13 die gesuchte Zeit t_x 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 jo vorgeschlagen, die Funktionsblende für Kurve 2 entsprechend zu setzen. Dies ist aber nur zweckmäßig, wenn das zweite Rückwandecho genügend stark über dem Störpegel 27 vorhanden ist. Man kann auch einen dritten Komparator einsetzen und den Zähler so schalten, daß er entweder den Abstand des Impulses EE zum ersten Impuls RWE zählt oder den Abstand 1. RWE 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 Il ist nur eine Zählfrequenz notwendig, die an den Und-Gattern 8 und 9 anliegt (F i g. 5). An den Zähler 17 gelangt die Zählfrequenz während der Basiszeiten der beiden Impulse des Meßvorganges, getaktet von den Komparatoren 5 und 6, die über die Oder-Gatter 7 das entsprechende Signal an 8 geben. Es wird damit der Wert t\ + t_} gebildet, und im folgenden Teiler 19 wird dieser Wert zu der Größe halbiert. Im Zähler 18 wird mit der Zählfrequenz wie nach Variante I die Zeit zwischen den Impulsbasen fa) gezählt. Im Summierwerk 20 wird dann die Größe

gebildet.

Das Verfahren nach der Variante III ist anhand F i g. 6 verständlich.

Auch hier wird mit nur einer Zählfrequenz gezählt, die an den Und-Gattern 8 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 fi und f2 (Fig. 1) den Impuls mit Zählfrequenz. Der Speicher 22 wird mit dem Fußpunkt der Rückflanke des auslösenden Impulses gesetzt und mit dem Fußpunkt der Rückflanke des folgenden Impulses zurückgesetzt. Damit erhält der Zähler 18 über das Und-Gatter 9 während der Zeitintervalle ft und ft die Zählfrequenz. Die Werte aus beiden Zählern werden im Summierwerk 20 addiert und im Teiler 19 halbiert, so daß

, _ /, +It₂ + r_y

gebildet wird.

Das angegebene Verfahren ist jedoch nicht auf die Anwendung im Ultraschallbereich beschränkt, sondern ein allgemeines digitales Meßverfahren zur Laufzeitbestimmung impulsförmiger elektrischer Signale ohne Rücksicht auf ihre Polarität, soweit die Formen aufeinanderfolgender Impulse symmetrisch oder angenähert symmetrisch sind.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung des zeitlichen Impulsabstandes von zwei symmetrischen oder formähnlichen elektrischen Impulsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszeit (t\\ gebildet aus der Zeitdauer des den Meßvorgang auslösenden Impulses (EE;η«*RWE)Oi Höhe eines einstellbaren ersten Schwellenwertes (S₁), und die Basiszeit ft), gebildet aus der Zeitdauer des den Meßvorgang beendenden Impulses (1. RWE; (n+1)·« RWE) in Höhe eines einstellbaren zweiten Schwellenwertes (S2) mit anderen Zählfrequenzen ausgemessen werden als die Zeit fy) zwischen dem Ende (A2) der Basiszeit (t\) des auslösenden Impulses (EE; n'^a RWE) und dem Anfang (B\) der Basiszeit f3) des den Meßvorgang beendenden Impulses (RWE;(n-Y1)'« RWE) .

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszeit des auslösenden Impulses mit der halben Zählfrequenz (— ), die Zeit

zwischen dem Ende (A₂) der Basiszeit (t\) des auslösenden Impulses bis zum Anfang (B\) der Basiszeit (ti) des den Meßvorgang beendenden Impulses mit der Zählfrequenz (fo) und die Basiszeit (h) des den Meßvorgang beendenden Impulses wieder mit der halben Zählfrequenz (■— J ausgemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszeiten (tu h) der beiden aufeinanderfolgenden Impulse in einem gemeinsamen Zähler gemessen und addiert werden, dieser Wert in einem Teiler halbiert, die Zeit (A 2—B1; f₂) zwischen den Basiszeiten der Impulse 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 Basiszeit des auslösenden Impulses und die Zeit (A 2—Bi; fa) zwischen den Basiszeiten der beiden Impulse zusammen und andererseits die Zeit (A 2— Bi; t-ΐ) zwischen den Basiszeiten der beiden Impulse und die Basiszeit des folgenden Impulses zusammen gemessen und in einer Auswerteeinrichtung addiert und halbiert werden.