DE2620835B2

DE2620835B2 - Elektronisches Zeitintervall-Meßverfahren

Info

Publication number: DE2620835B2
Application number: DE19762620835
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.Phil. Grabendoerfer; Heiner Ing.(Grad.) Hildebrandt
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1976-05-11
Filing date: 1976-05-11
Publication date: 1980-10-30
Also published as: FR2351387A1; DE2620835A1; DE2620835C3; GB1538760A; JPS52137370A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Zeitintervall-Meßverfahren, bei dem ein oder mehrere Meßtore gebildet und die Meßtorlängen durch vorbestimmte Impulse ausgezählt werden, wobei ein oder mehrere Zählimpulsgeneratoren benutzt werden und die Zählimpulsfolgen der einzelnen /r-Zähler über derart dimensionierte Verzögerungsleitungen zugeführt werden, daß die Impulse jeweils am /η-ten Zähler mit der Verzögerung m/n des Impulsabstandes eintreffen und durch diese vorbestimmt phasenverschobenen Zählimpulsfolgen das oder die Meßtore ausgezählt werden.

Es ist bereits bekannt, zur Wanddickenmessung in das Prüfstück stark gedämpfte Ultraschallimpulse über ein Ankoppelmedium, z. B, eine Wasserstrecke, einzuleiten, wobei die Impulse sowohl an der Grenzfläche Wasser/Prüfstück (Eintrittsecho) als auch an der parallel zur Eintrittsfläche verlaufenden Rückwand des Prüfstückes (Rückwandecho) reflektiert werden. Durch Hin- und Herreflektionen zwischen Eintrittsfläche und Rückwand des Prüfstücks entstehen neben dem Eintritts-Echo und dem ersten Rückwandecho weitere Echos, sogenannte Mehrfachechos (zweites (2.) bis n-tes Rückwandecho). Der zeitliche Abstand der Mehrfachechos voneinander ist der Schallaufzeit zwischen den Begrenzungsflächen des Prüfstücks proportional und wird zur Messung der Wanddicke ausgenutzt Die Wanddicke kann aus dem zeitlichen Abstand des ersten Rückwandechos vom Eintrittsecho oder zweier aufeinanderfolgender Mehrfachechos bestimmt werden. Dazu wird mit Hilfe bekannter elektronischer Schaltkreise ein Meßtor gebildet Dies geschieht, indem der jeweils erste

ίο Impuls das Meßtor öffnet und der Folgeimpuls das Meßtor schließt Die zeitliche Länge des Meßtores ist ein Maß für den Impulsabstand und damit für die Wanddicke. Die Flankensteilheit des Meßtores muß innerhalb der Meßgenauigkeit gegenüber der Meßtorlänge klein sein.

Ferner ist es bekannt, die zeitliche Länge des Meßtores entweder in einer analogen oder digitalen Weise auszumessen. Bei der Analogtechnik erhält man allgemein eine der Meßtorlänge proportionale elektrisehe Spannung. Bei der digitalen Technik wird die Anzahl der Zählimpulse eines Impulsgenerators mit bekannter und hochkonstanter Zählfrequenz, die in das Meßtor fallen, ausgezählt Wird der so erhaltene Zeitwert mit dem halben Wert der Schallgeschwindigkeit im Prüfstück multipliziert, dann erhält man die Wanddicke. In die Rechnung geht nur der halbe Wert der Schallgeschwindigkeit deshalb ein, weil der Schallimpals im Prüfstück die Wanddicke zweimal zurücklegen muß (Hin- und Rückweg). Die Schallgeschwindigkeit für das Material des Prüfstückes muß bekannt sein.

Die erreichbare Meßgenauigkeit hängt beim analogen Meßverfahren in der Hauptsache davon ab, wie exakt die Spannungsversorgung konstant gehalten

« werden kann. Bei der digitalen Meßmethode kann um einen Impulsschritt (reziproke Zählfrequenz) des Impulsgenerators falsch gezählt werden, wodurch der Meßwert in der letzten Stelle um eine Einheit ungenau angegeben wird (bit-Fehler).

Zwar kann die Meßgenauigkeit durch Mittelwertbildung erhöht werden. Bei stationärer Messung (z. B. Messung von Hand) kann die Mittelwertbildung dadurch erreicht werden, daß der Meßkopf so lange an der gleichen Stelle belassen wird, bis z. B. in der Digitaltechnik das einmal gebildete, also gleichlangbleibende Meßtor von einer großen Anzahl aufeinanderfolgender »Meßschüsse« ausgemessen und der Mittelwert aus η-Messungen gebildet worden ist. Der Meßfehler wird dadurch um den Faktor Utfn verringert; ist z. B.

so n=100, werden also 100 Meßschüsse ausgemessen, dann wird der Meßfehler auf ein Zehntel verkleinert. Dieses Verfahren kann bei Ultraschall-Wanddickenmessung für punktförmige Messungen von Hand benutzt werden. Dieses Verfahren versagt jedoch bei kontinuierlichen Messungen, bei denen ein Prüfstück über einen größeren Bereich abgetastet werden muß.

Da bei einer solchen Meßanordnung sich die Wanddicke während der Abtastbewegung von Schuß zu Schuß ändern kann, erhält man durch Mittelwertbildung

so keine Erhöhung der Meßgenauigkeit für einen bestimmten Meßpunkt, sondern allenfalls eine Aussage über die mittlere Wanddicke des geprüften Bereiches. Jeder einzelne Meßpunkt bleibt mit der Meßungenauigkeit eines einzelnen »Meßschusses« behaftet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauigkeit eines jeden einzelnen Meßschusses; und somit die Meßgenauigkeit der kontinuierlichen digitalen Messung als solcher zu erhöhen.

Dies wird durch das Verfahren nach dem Patentanspruch 1 erreicht

Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung wird das Meßtor ebenfalls von π Zählern ausgemessen, wobei jedoch nur ein Zähllrequenzgenerator benutzt wird, und dem m-ten Zähler dabei jedoch der Impulszug jeweils um m/n-Impulsabstände verzögert zugeführt wird; m ist eine Zahl zwischen 1 und n. Aus den jeweils n-Meßresultaten wird dann der Mittelwert gebildet

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine elektrische Schaltung in Blockdarstellung eines digital arbeitenden Ultraschall-Wanddickenmessers mit einer Endstufe für Mittelwertbildung,

F i g. 2 eine der F i g. 1 ähnliche Schaltungsanordnung, jedoch mit n-Impulsgeneratoren und Λ-Zählern,

F i g. 3 eine grafische Darstellung eines Meßtcres, das erfindungsgemäß von z. B. fünf Zählimpulsgeneratoren, die nicht untereinander synchronisiert sind, ausgezählt wird,

F i g. 4 eine elektrische Schaltung in Blockdarstellung des Dickenmessers, wenn ein Impulsgenerator und n-Zähler eingesetzt sind.

In F i g. 1 wird ein Sender 1 im Takt der Impulse eines Impulsfolge-Frequenzgenerators 2 erregt, wodurch ein stark gedämpfter Prüfkopf 3 (Krautkrämer, W erkstoffprüfung mit Ultraschall, 3. Auflage, Springer-Verlag, 1975, z. B. S. 141, Abs. 2) im gleichen Taktrhythmus Ultraschallimpulse über eine Wasservorlaufstrecke 4 in das Prüfstück 5 einstrahlt Die zurückkommenden Impulse werden vom Prüfkopf 3, der in der Zeit zwischen den erregenden Impulsen aus dem Sender 1 als Empfangsprüfkopf arbeitet aufgenommen, zum Verstärker 6 geleitet und dort verstärkt In einer Stufe 7 wird das Meßtor gebildet. Durch den Echoselektor 8 wird die Auswahl bestimmt, aus weichen beiden Echos das Meßtor gebildet wird; also entweder Eingangsecho mit 1. Rückwandecho oder 2 aufeinanderfolgende Mehrfachechos. Die in Stufe 8 eingebauten Sicherheitsschaltunger. sorgen dafür, daß sich das Meßtor nicht aufgrund von Störechos bilden kann. Zum Beispiel kann ein falscher Meßtorbeginn durch Echos aus der Wasservorlaufstrecke und ein falsches Meßtorende durch Echoaufspaltungen im Prüfstück verursacht werden. Ein Zählfrequenzgenerator 10 liefert die Zählimpulse mft vorbestimmten äquidistanten Zeitabständen. Während der Dauer des in Stufe 7 gebildeten Meßtores werden die Impulse der Zählfrequenz aus Stufe 10 im Zähler 11 gezählt, und zwar kumulierend in η aufeinanderfolgenden Meßschüssen. Der Untersetzer 9 teil die Impulsfolgefrequenz aus der Stufe 2 durch η und liefert einen entsprechenden Stop-lmpuls. Der Zählerinhalt wird in einem Speicher 12 festgehalten und über eine Anzeigeeinheit digital dargestellt. Um eine Division des kumulierten Meßwertes durch η zu ersparen, wählt man zweckmäßigerweise /J= 10« (q ist eine natürliche Zahl) und erhält damit den richtigen Wanddickenwert durch eine entsprechende Kommaverschiebung bei der digitalen Anzeige.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach F i g. 2 ist die Funktion der Schallimpulserzeugung, Verstärkung, der Echopaarselektion, der Sicherheitsschaltung und der Meßtorbildung durch die Bausteine bzw. Stufen 1,6,2,7,8 und 3 die gleiche wie in F i g. 1. Das gebildete Meßtor wird über den η verschiedenen, völlig unabhängig voneinander arbeitenden Kombinationen, bestehend aus Zählimpulsgeneratoren 1Oa bis 10t/ usw. und den Zähler 11a bis lld usw., zugeleitet Der in den einzelnen nicht kumulierenden Zähler pro Schuß erreichte Wert wird in n-zugehörige Speicher 13a bis 13d usw. übernommen. Ein Verzögerungsglied 14 verzögert die Impulse des Impulsfolgefrequenzgenerators; in jedem Schuß leitet dieser verzögerte Impuls den Abruf der Werte aus den Speichern 13a bis 13t/usw. und die Errechnung der Summe aller Endspeicherwerte sowie die Division durch η ein. Am Ausgang des Bausteines für »Mittelwertbildung« 15 steht dann pro Meßschuß ein gemittelter Wanddickenwert mit einem kleineren Fehler als dem ursprünglichen bit-Fehler zur Anzeige und weiteren Verarbeitung an.

In Fig.3 ist schematisch die Ausmessung eines Meätores durch fünf unabhängig arbeitende Zählimpulsraster gezeigt Es ergibt sich z. B. a mal der Wert k - Zählimpulsbreiten und b mal der nächst höhere Wert jt+1; dann ist der eine Dezimalstelle mehr enthaltende Wanddickenwert

a+b " " a + b'

"^D wobei die Ungenauigkeit um den Faktor

kleiner geworden ist.

Bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Meßtorbildung, wie für Fig.3 angegeben. Jedoch wird hier nur ein Zählimpulsgenerator 10 benutzt. Die Zählimpulsfolgen werden über entsprechend dimensionierte Verzögerungsglieder 12, 13, 14 usw. den Zählern zugeführt Die Verzögerungszeiten betragen m/n Impulsabstandes, wobei m die Werte 2 bis π annimmt. Durch diese systematische Verschiebung des Impulsrasters in bezug auf die Lage des auszumessenden Meßtores sinkt der mittlere Fehler des daraus resultierenden Mittelwertes auf den (n—2)-ten Teils des ursprünglichen bit-Fehlers jeder Messung, da der bit-Fehler bei jeder Messung nur dann auftreten kann, wenn Meßtoranfang oder Meßtorende gerade mit dem Unsicherheitsbereich eines Zählimpulses koinzidiert.

Die Meßgenauigkeit wird hierbei um den Faktor (n—2) besser.

Ist bei einer kontinuierlichen Messung die Abtastgeschwindigkeit gering, und kann sich aufgrund des vorliegenden Meßproblems die Wanddicke während 10 odei sogar 100 Meßschüssen nicht über den Rahmen der Meßgenauigkeit hinaus ändern, dann kann die erfindungsgemäße Mittelwertbildung mit der an sich bekannten zeitlich aufeinanderfolgenden Mittelwertbildung kombiniert werden, wodurch eine noch größere Meßgenauigkeit erreicht wird.

In der Praxis treten oft unsymmetrische Impulsformen auf (F i g. 5), die zudem nocli bei aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen variieren können. Meßfehler durch solche Unsymmetrien werden folgendermaßen kompensiert:

Lj werden Meßtore verschieden hoher Schwellwerte gesetzt, z. B. P Schwellen unterschiedlicher Höhe in

b5 Fig.5:/>=3 Schwellen: Si, 52 und 53, deren zeitliche Länge (Öffnungszeit), bedingt durch Unsymmetrien der Echoimpulse des gleichen Impulses, verschieden groß sind. Man zählt in den η Zählern (7a bis n) mit

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entsprechend ρ unterschiedlichen Meßtoren gemäß der Zusätzlich ist es möglich, durch diese mehrfach

angegebenen Schaltung die Gesamtlaufzeit aus und gebildeten Meßtoreden Unsymmetriefaktor dadurch zu

dividiert diese durch n. verringern, daß eine wie beim heutigen Stand der

Hierdurch verringert man den Gesamtfehler, der Technik beschriebene zeitliche Mittelwertbildung nach-

sonst auf die Unsymmetrie zurückginge. ^r> geschaltet wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronisches Zeitintervall-Meßverfahren, bei dem ein oder mehrere Meßtore gebildet und die Meßtorlängen durch vorbestimmte Impulse ausgezählt werden, wobei ein oder mehrere Zählimpulsgeneratoren benutzt werden und die Zählimpulsfolgen der einzelnen u-Zähler über derart dimensionierte Verzögerungsleitungen zugeführt werden, daß die Impulse jeweils am m-ten Zähler mit der Verzögerung m/n des Impulsabstandes eintreffen und durch diese vorbestimmt phasenverschobenen Zählimpulsfolgen das oder die Meßtore ausgezählt weiden, dadurchgekennzeichnet,

daß es für ein Ultraschall-Wanddickenmeßverfahren verwendet wird, bei dem ein Prüfstück ütwr einen relativ größeren Bereich abgetastet wird,

bei dem gedämpfte Ultraschall-Prüfköpfe sowie die Impuls-Laufzeitmethode verwendet werden

und zwei, die Wanddicke repräsentierende Echos, gleicher oder unterschiedlicher Impulsform einer Echofolge ausgewählt

und diese Impulsechos zur Bildung eines oder mehrerer Meßtore eingesetzt

und dann die Meßtorlänge bzw. -längen durch die vorbestimmt phasenverschobenen Zählimpulsfolgen von äquidistantem Zeitabstand ausgezählt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenbeziehungen der einzelnen Zählimpulsfolgen aus jeweiligen Impulsgeneratoren untereinander statistisch verteilt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, zur Erreichung einer höheren Genauigkeit, bei unsymmetrischen Impulsformen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßtore mit verschieden hohen Bezugsschwellen gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte einer späteren, zeitlich aufeinanderfolgenden Mittelwertbildung unterworfen werden.