DE2607187C3 - Verfahren zur Messung des zeitlichen Impulsabstandes von zwei elektrischen Impulsen - Google Patents

Verfahren zur Messung des zeitlichen Impulsabstandes von zwei elektrischen Impulsen

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DE2607187C3 DE2607187A DE2607187A DE2607187C3 DE 2607187 C3 DE2607187 C3 DE 2607187C3 DE 2607187 A DE2607187 A DE 2607187A DE 2607187 A DE2607187 A DE 2607187A DE 2607187 C3 DE2607187 C3 DE 2607187C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallverfahren zur Messungdes zeitlichen Impulsabstandes von zwei einzelnen symmetrischen oder formähnlichen, von Ultraschallsignalen herrührenden, auf der Zeitachse einen unbestimmtgroßen Abstand zueinanderaufweisenden elektrischen Impulsen, bei dem mit unterschiedlichen Zählfrequenzen auf der Zeitachse impulsabhängige Zeitabschnitte ausgemessen werden.
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 Oberschwingen 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 AnmeiderinineinigenGeräten angewendet.
Zwar ist eine Anordnung zur Messung der Mittelwertzeit eines elektrischen Signales, insbesondere für einen photographischen Verschluß bekannt. Hier werden vorbestimmte Zeitabschnitte des elektrischen Impulses, nämlich diejenigen für die Anstiegs- und Abfallflanke des Signales mit einer unterschiedlichen^ählfrequenz ausge-
AO messen als der übrige, nämlich mittlere Teil des Impulssignales. Die Frequenzänderung kann durch Umsteuern erfolgen. Allerdings handelt es sich hier um eine Ausmessung an einem einzigen Impulssignal, nicht um mehrere Impulssignale, deren Abstand auf der Zeitachse unbestimmt groß sein kann. Das bekannte Verfahren berücksichtigt keine Fußpunkte auf der Zeitachse. Fernergeht es bei den bekannten Verfahren letztlich nur um die genauere Bestimmung der Amplitudenhöhe, bzw. des Impulsintegrales, wobei zur genaueren Messung die Amplituden
M im Bereich der Flanken der Amplitude in der Mitte des Impulsesangenähertwerden(DE-OS23 19 897).
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 Ullraschallimpulsen 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,
Fig,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,
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 und der 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 tx. Nu;; wird die Zeit i, dadurch gemessen, daß zunächst dir. Basis Ai-A2, d.h. das Zeitintervall f|, dann der Abstand A 2— B1, das ist das Zeitintervall t2 und die Basis Bi-B 2, also das Zeitintervall i3, gemessen werden.
Die Bezeichnung »Basis« wird hier und nachfolgend für die Impulsbreite in Schwellenwerthöhe verwendet.
Aus F i g. 1 ist entnehmbar, daß die gesuchte Zeit tx sich errechnet aus:
Mit diesen Erfindungsgedanken lassen sich auch Laufzeiten von Impulsen gleicher Polarität messen, z. B. zwei aufeinderfolgende Rückwandechos (Mehrfachechos); hier gestrichelt dargestellt das n" Rückwand- echo RWEstatt des Eintrittsechos ££und der n+\« Impuls RWE, statt des impulses I. R WE
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die ermittelte Impulslaufzeit vorteilhaft unabhängig von der Impulsbreite. Demzufolge können auch die Schwellen werte für den auslösenden und den folgenden Impuls mit verschiedenem Niveau gesetzt werden. In jedem FaI!, in dem die Impulsamplituden größer sind als der Störpegel ist es möglich, den Störpegel zu unterdrücken.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine
is 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 inkommt 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:
A + #5 + A
h 2
(Gleichungl)
odcr(umgeformt)
+ Ί
(Gleichung 2)
(Gleichung3)
Aus diesen drei Gleichungen ergeben sich drei Ausführungsformen des Meßverfahrens:
I. Die Zeitintervalle t\ und t3 werden mit der Frequenz γ ausgezählt; die Zeit I2 mit der Frequenz fo. Die Addition der drei Zeitintervalle ergibt dann die Zeit tx.
II. Die drei Zeitintervalle werden mit der gleichen Frequenz fo ausgezählt, wobei die Zeitintervalle U und f3 in einem Zähler und das Zeitintervall t2 in einem anderen Zähler gemessen werden. Ausgewertet wird dann vom Zähler 1 die Größe
und vom Zähler 2 die Größe I2.
III. Die Zeitintervalle U und r2 werden mit der Frequenz fo im Zähler 1, die Zeitintervalle I2 und /3 mit der gleichen Frequenz fo im Zähler 2 ausgezählt, und ausgewertet wird dann die Summe, aus den Zählern 1 &,\d 2, und diese Summe wird durch 2 dividiert.
Yi Aus dem Vergleich des Meßwertes mit dem Sollwert ergibt sich dann ein Fehler von
Δ I3- Δ ι\ 2
L-Ji 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:
V) Gegeben ist durch einen Generator i ein Zählsignal mit der Frequenz fo, hier z. B. 30 MHz. Im Frequenzteiler 2 wird diese Frequenz halbiert auf fo/2 (15 MHz). Damit stehen an den Und-Gattem 8 und 9 diese beiden Zählfrequenzen zur Verfügung.
to Aus der Ultraschall-Prüfeinrichtung, bestehend aus einem Impulssender 3, einem Ultraschall-Empfänger 4, einem Priifkopf 14, einem Prüfstück 16 und einer Wasser vorlauf st recke 15, ergeben sich Echoimpulse gem. Kurve 1 der Fig.4; hier gelten folgende
Bezeichnungen: SE ist der Sendeimpuls aus dem Generator 3;
££ das Eintrittsecho in das Prüfstück 16, das als
Oberfläclu-necho des Prüfstücks vom Priifkopf bo 14 empfangen und im Verstärker 4 verarbeitet
wird; \.RWE das erste Rückwandecho aus dem Prüfstück;
2. R WE das zweite Rückwandecho und
3. R WE das 3. Rückwandecho.
Die folgenden Rückwandechos sowie die Mehrfachechos von der Prüfstückoberfläche sind nicht gezeichnet.
Der Generator 3 wird von der Steueriogik-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 F i g. 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 Rückwandechos 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 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 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
Die Ansprechschwellen — Schwellenwerte — der Komparatoren werden mit Stellgliedern Sa 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 Signa! 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 r> (gezählt mit fo/2), dem Zeitintervall f2 (gezählt mit fo) und dem Zeitintervall r3 (gezählt mit fo/2). Damit gibt der Zähler 13 die gesuchte Zeit ι, 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 vorgesehlagen, 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. RWEzum 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 {F ä 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, tis wird damit der Wert r, + h gebildet, und im folgenden
Ί + h
Teiler 19 wird dieser Wert zu der Größe
biert. Im Zähler 18 wird mit der Zählfrequenz wie nach Variante I die Zeit zwischen den Impulsbasen (h) gezählt. Im Summierwerk 20 wird dann die Größe
+ h
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 f-uüpunkt der Vorderflanke des folgenden Impulses vom Komparator 6 zurückgesetzt. Damit erhält der Zähler 17 während der Zeitintervalle /ι und I2 (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 I2 und h die Zählfrequenz. Die Werte aus beiden Zählern werden im Summierwerk 20 addiert und im Teiler 19 halbiert, so daß
= I1
gebildet wird.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Ultraschallverfahren zur Messung des zeitlichen Impulsabstandes von zwei einzelnen symmetrischen oder fonnähnlichen, von Ultraschallsignaien herrührenden, auf der Zeitachse einen unbestimmt großen Abstand zueinander aufweisenden elektrischen Impulsen, bei dem mit unterschiedlichen Zählfrequenzen auf der Zeitachse impulsabhängige Zeitabschnitte ausgemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszeit (t\), gebildet aus der Zeitdauer des den Meßvorgang auslösenden Impulses (EE;ntes RWE'/va. Höhe eines einstellbaren ersten Schwellenwertes (S\), und eine andere Basiszeit (tj), gebildet aus der Zeitdauer des den Meßvorgang beendenden Impulses (l.RWE;(n+ 1)'«Ä WEJin Höhe eines einstellbaren zweiten Schwellenwertes (S^) mit anderen Zählfrequenzen ausgemessen werden als die Zeit fa) zwischen dem Ende (A-z) der Basiszeit ft) des auslösenden Impulses (EE; n'a RWE) und dem Anfang (Bi) der anderen Basiszeit fa) des den Meßvorgang beendenden Impulses (RWE; (n+l)'a RWE).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszeit des auslösenden Impulses
mit der halben Zählfrequenz I -γJ1 die Zeit zwischen dem Ende (Ai) der Basisz'eit (i\) des auslösenden Impulses bis zum Anfang (B\ )der anderen Basiszeit (ti) des den MeSvorgang beendenden Impulses mit der Zählfrequenz (fo)und die andere Basiszeit (ti) des den Meßvorgang beendenden. Impulses wieder mit der
halben Zählfrequenz I-y Jausge wessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszeiten (t\, ti) der beiden aufeinanderfolgenden Impulse in einem gemeinsamen Zähler gemessen und addiert werden,dieser Wertin einem Teiler halbiert, die Zeit (A 2— 51; t2) zwischen den Basiszeiten der Impulse in einem anderen Zähler gemessen und die Werte aus diesem Zähler und aus demTeilersummiertwerden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Basiszeit des auslösenden Impulses und die Zeit (A2—BI; ti) zwischen den Basiszeiten der beiden Impulse zusammen und andererseits die Zeit (A 2— B1; ti) zwischen den Basiszeiten der beiden Impulse unddie Basiszeitdes folgenden Impulses zusammen gemessen und in einer Auswerteeinrichtungaddiertundhalbiert werden.
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