DE2625162C3

DE2625162C3 - Ultraschall-Impulsechoverfahren zur Bestimmung der Abmessungen, insbesondere der Wanddicke, von Prüfstücken und Schaltvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2625162C3
Application number: DE2625162A
Authority: DE
Inventors: Christopher C. Dipl.-Ing. Brewster N.Y. Dileo; Richard J. Dipl.-Ing. Stamford Conn. Pittaro
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1975-06-09
Filing date: 1976-06-04
Publication date: 1979-05-31
Also published as: GB1550917A; DE2625162A1; CA1056047A; JPS5824729B2; FR2314475A1; US3985022A; FR2314475B1; DE2625162B2; JPS51151160A; IT1062365B

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Impulsechoprüfverfahren zur Bestimmung der Abmessungen, insbesondere de.· Wanddicke, von Prüfstücken aus der Impulslaufzeit.

Es ist an sich bekannt, die Wandstärke von Prüfstücken unter Einsatz der Folgefrequenz der Impulse zu messen, die sich selbst steue-n, wobei das Echo eines Impulses den nächsten Impuls auslöst und aus der reziproken Laufzeit des Impulses im Prüfstück und durch Vergleich mit einsm Normalfrequenzgenerator die Laufzeit sich ergibt Zwar kann die Frequenzmessung mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden, die Schwierigkeit liegt aber in einem unvermeidlichen Nullpunktsfehler des Sendeimpulses, so daß die Folgefrequenz regelmäßig zu niedrig bestimmt wird und die Dämpfung des Prüfkopfquarzes das Meßergebnis nachteilig beeinflußt, vgl. z. B. Krautkrämer: »Werkstoffprüfung mit Ultraschall«, Springer-Verlag, Berlin etc. 1966, Seite 224 ff.

Es ist zwar bereits ein Verfahren bekannt, die Dicke eines Prüfstückes mit Hilfe von Ultraschall zu bestimmen. Auch hier wird ein Ultraschallimpuls an der Oberfläche in das Prüfstück eingeschallt und die hier gebildeten Echoimpulse werden empfangen. Hierbei kann auch ein bestimmter, z. B. der zweite Echoimpuls zur Messung herangezogen werden, wobei eine Spitzenampliti'de mit einem vorbestimmten Wert verglichen werden kann. Man kann auch Mehrfachechos bei der Messung berücksichtigen und auswerten. Allerdings liegt dem bekannten Verfahren eine abweichende Aufgabe zugrunde, bei einem sonst schwierig ausmeßbaren Prüfstück das Dickenmeßverfahren auszuführen, nämlich bei einem bewegten mehrschichtigen Bauteil. Von den zwei, den Suchimpulsen zugeordneten Eigenschaften ist eine Eigenschaft eine Pegelgröße bzw. die Minimalamplitude, ferner soll durch schaltungstechnische Mittel möglich werden. Ein- und Ausgangssignale besser voneinander zu unterscheiden. Es kommt auch darauf an, das Eintrittsechosignal, das ja das bekannte, unerwünschte Sendersignal ist, von einem echten Meßsignal, besonders vom ersten Echoimpulssignal feiner zu trennen. Das bekannte Verfahren dient im einzelnen zum Ausmessen von Polyäthylenkabeln, dessen innerer Mantel Oberflächenunregelmäßigkeit aufweist. Wenn auch beim bekannten Verfahren elektrische Bauteile und Kreise verwendet werden, wie Zähler, Logikkreise, Tore oder Flip-Flop-Kreise, so sind diese doch für ein anderartiges Meßverfahren zusammengeschaltet. Ein Digitalbauteil wird z. B. lediglich als Digitalanalogwandler verwendet, im Ausgang der Baustufe ist also ein analoger Wert gewünscht. Die Empfängerlogikschaltung ist auf bei vorliegender Erfindung nicht interessierende Parameter eingestellt, z. B. auf die sogenannte Fensterbreite, auf eine Mindestzeitdauer eines zweiten Echoimpulses bzw. zwischen dem ersten und zweiten Echo ist ein

Mindestzeitintervall von 2OG ns vorgesehen, so daß die Empfängerschaltung untypisch für die Messung an sich beliebiger Dicken mit Ultraschall ist Das bekannte Prüfstück bedarf besonderer Mittel, um die akustische Impendanz anzupassen, da der Polyäthylenmantel mal hei3 ist, mal in einem Kühltrog gekühlt werden muß. Hierzu ist ein besonderer Aufwand für eine Triggerschaltung mit mindestens vier Röhren oder Transistoren erforderlich. Die bekannten Zähler arbeiten lediglich in Abhängigkeit dieser Fensterbreite, die auf die Regelwerte des bekannten Prüfstückes, nämlich Ummantelungen in der Größenordnung von nur 0,5 mm, ausgelegt sind. Das bekannte Verfahren (DE-AS 23 34 167) betrifft somit nicht ein Ultraschalldickenmeßverfahren zur Ausmessung an sich beliebig dicker Prüfstücke, bei der ganz überwiegend digital arbeitende Meßwertanzeiger benutzt werden. Ferner ist der meßtechnische Aufwand der Schaltung nach wie vor groß. Ferner gilt auch hier, daß, wenn Analogkreise zur Bestimmung der Wanddicke herangezogen werden, *in Konstantspannungsgenerator und ein Video- bzw. Sägezahngenerator jedenfalls dann verwendet werden muß, wenn Prüfstücke beliebiger Dicke ausgemessen werden sollen. Aber gerade hier ist es schwierig, die lineare Form der Sägezahnamplitude im Laufe des Betriebes wegen der sich ändernden Temperatur und wegen des Alterns der elektronischen Bauteile konstant zu halten.

Ferner ist bekannt bei einem Dickenmeßverfahren mit Ultraschall die Dicke aus der Laufzeit zwischen Eintrittsecho und z. B. dem Rückwandecho auszumessen, wobei zum Schaltkreis ein Flip-Flop, ein Tor, ein Sägezahngenerator und ein monostabil!., Multivibrator gehören. Das bekannte Verfahren bezweckt jedoch, den Sollwert übersteigende Fehlablesungen zu unterdrükken, ebenfalls die auf Mehrfachechos zurückgehenden Störsignale. Dementsprechend werden die Steuersignale, die auf Ultraschalleimrittssignal und Rückwandecho zurückgehen, für eine Amplitudenanzeige (Spannungspegel eines Kondensators) ausgenutzt und dienen nicht dazu, mehrere Digitalkreise zu beeinflussen (US-PS 35 54 013).

Ein bekanntes Verfahren, die Sägezahnform herzustellen, besteht darin, eine Kapazität mit Gleichspannung während desjenigen Intervalls aufzuladen, welches der Breite des Zeitsignals entspricht Die Kapazität integriert den Gleichstrom in Abhängigkeit der Zeit und bildet hierbei die Sägezahnspannung. Der Spitzenwert der Sägezahnspannung ist charakteristisch für die Breite des Zeitsignals. Die Stromkonstanz und die Kapazität verändern sich jedoch oberhalb der normalen Betriebstemperatur und können dadurch in nachteiliger Weise die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Dickenmessung beeinflussen (US-PS 34 85 087).

In einer anderen bekannten Vorrichtung wird zwar ein elektrischer Digitalkreis verwendet, wodurch Drift und Stabilität im Vergleich zu Analogkreisen verbessert wird; allerdings ist hier ein Taktgeber hoher Stabilität unerläßlich. Der Taktgeber hoher Frequenz neigt ferner dazu, den Rauschpegel der elektrischen Kreise zu erhöhen und übermäßig Leistung zu verzehren. Um eine Dickenauflösung von 0,001 Zoll (= 0,03 mm) zu erhalten, wenn ein Aluminiumprüfstück untersucht wird, ist ein Taktgeber mit einer Frequenz von 125 MHz erforderlich. Wenn es femer um die Messung von Wanddicken von Prüfstücken geht, die unterschiedliche Schallgeschwindigkeit aufweisen, so muß die Frequenz des Taktgebers entsprechend geändert werden und man

benötigt hierfür besondere elektronische Abstimmkreise, die so aufgebaut sein müssen, daß sie konstante Charakteristika in einem vorbestimmten Temperaturbereich haben. Im anderen Falle ist eine Mehrzahl von Taktgebern hoher Frequenz erforderlich, wobei jeder bei einer unterschiedlichen Frequenz schwingt, um die War.ddicke von Prüfstücken zu bestimmen, die wegen unterschiedlichen Werkstoffes unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten haben.

Andere Verfahren arbeiten mit feineinstellbaren Zählwerten und verwerten zwei stabile hochgenaue und deshalb kostspielige elektrische Taktkreise (vgl. die Veröffentlichung im Buch »Pulse, Digital and Switching Waveforms«, M ill man and Taub, McGraw-Hill, New York, 1965, Seiten 683 ff.).

Man verwendet in einer bekannten Vorrichtung die Mittelwertbildung am Zeitintervall, um die Stabilität und das Auflösungsvermögen der Dickenmessung zu erhöhen. Hierbei wird ein Zeitsignal mit einer Impulsbreite gebildet, welche von der Wanddicke abhängt. Man mißt die Impulsbreite hierbei durch die Anzahl der Pulse P von einem Taktgeber hoher Frequenz während des Zeitsignalintervalls, wobei die Anzahl der Pulse durch eine Konstante π geteilt wird, um den Mittelwert der Impulse je Messung zu erhaltend _n VDie Anzahl der üblicherweise durchgeführten Messungen n' wird gleich η gesetzt, um eine mittlere Anzahl (Mittelwert) von Taktimpulsen zu erhalten, die während des Zeittorintervalls P gezählt wurden; diese beträgt:

P
η

(Gleichung

Das Verfahren mit dem gemittelten Zeitintervall erhöht das Auflösungsvermögen, wenn verglichen mit dem digitalen Meßverfahren und gewährleistet ebenfalls eine größere Konstanz, um den stets vorhandenen Geräuschpegel auf Null zu mitteln. Dieses insofern verbesserte Verfahren, bei dem das Zeitintervall gemittelt wird, kann aber nicht geeicht werden, da die Anzahl der Messungen n'in dem Nenner der Gleichung 1 festliegt Um also die gleiche Auflösung beizubehalten, wenn es darum geht, Prüfstücke mit unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit zu messen, muß man einen separaten Taktgeber oder einen einstellbaren Taktgeber verwenden, und zwar für jede unterschiedliche Schallgeschwindigkeit. Insofern benötigt auch dieses Verfahren eine teuerere und umständliche Apparatur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ultraschallmessung an beliebigen Prüfstücken durchzuführen, d. h. an solchen, in welchen die Ultraschallgeschwindigkeit unterschiedlich sein kann, hierbei die Meßgenauigkeit dadurch zu erhöhen, daß der Schwund bzw. Drift mehr unterdrückt wird und das Justieren der Schaltung einfacher, als auch der Bauaufwand verringert wird.

Hierfür wird vorgeschlagen, daß erfindungsgemäß bei einem Ultraschallimpulsechoverfahren nach dem Oberbegriff eine vorbestimmte Anzahl von periodisch in das Prüfstück eingeschallten Suchimpulsen verwendet wird, die gleich oder verhältnisgleich der Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Prüfstück gewählt ist

Hierdurch wird die Anzahl der auszuzählenden Impulse der Schallgeschwindigkeit im Prüfstück ganzzahlig proportional gemacht, und auf diesem Weg verringert sich der apparative Aufwand, indem z. B. nur zwei Digitalkreise und nur ein Taktgeber festet Frequenz verwendet wird, bei dem die Frequenz ferner vorteilhaft niedriger als bei bekannten Taktgebern ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung dient noci: ^r> folgendes:

Es wird ein Zeitintervallkreis, welcher der Mittelwertbildung dient, in abgeänderter Form verwendet, wobei ein programmierbarer (zweiter) Zählerkreis zum Einsatz kommt, der z. B. eine Teilerstufe enthält, welche

κι durch η teilt, und ein solcher Kreis dient zur Eichung der Apparatur, welche die Wanddicke von Werkstücken unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit bestimmen soll Vorzugsweise ist der programmierbare (zweite) Zähler· kreis durch geeignete Bauteile, z. B. Speichen- bzw

i> Rändelradschalter programmiert, auf einen Wert weicher verhäitriisgieidi der akustischen Geschwindigkeit im Prüfstück ist. Die Anzahl der Messungen Q isi gleich dem Wert, welcher in den programmierbarer Zählerkreis einprogrammiert ist. Die Anzahl dei

j(i innerhalb eines Zeittorintervalls auftretenden Impulse beträgt:

P =

(Gleichung 2)

Die Breite des Zeitsignalimpulses ist gleich derjenigen Zeit, die erforderlich ist, damit das Ultraschallsignal welches mit der Geschwindigkeit V im Prüfstück wandert, zweimal die Wandstärke des Prüfstückes in durchschreitet, also

2 χ Wandstärke

J-) Die Anzahl der Taktimpulse pro Zeiteinheit ist gleich der Taktgeberfrequenz f. Der festgelegte Wert n, um die mittlere Anzahl von Impulsen pro Messung zu erhalten verbleibt unverändert, und damit geht die Gleichung 't über in:

P =

2 χ Dicke χ J' χ Q

(Gleichung 3)

Wenn die Anzahl der durchgeführten Messungen Q₁ 4) gegeben durch den programmierbaren (zweiten) Zählerkreis, gleich dem Zahlenwert der Schallgeschwindigkeit Vim Prüfstück ist, vereinfacht sich die Gleichung 3 zu:

P =

2 χ Dicke χ J

(Gleichung 4)

Wenn die Frequenz /"und der Frequenzteiler η auf eir

Verhältnis 5 χ W-'> gewählt werden, dann hängt dei Exponent (n — 1) von der Größe der Frequenz fund voir Frequenzteiler π ab und die Gleichung 4 vereinfacht sich

P = Dicke χ 10"

(Gleichung 5)

Hieraus ergibt sich, daß nach Teilung durch die richtige Dekade die Anzahl der ausgewählten Impulse gleich der Wanddicke des Prüfstückes ist. Ist da; Verhältnis anders als 5 χ 1(K"-¹', müssen zusätzliche Teilerkreise verwendet werden, die einzeln an sich bekannt sind, um die ausgezählte Anzahl der Impulse 1 umzuwandeln in auslesbare Werte der Wanddicke.

Diese Dickenmeßvorrichtung kann in geeignetei

Weise justiert werden, um die Wancldicke eines jeden Prüfstückes messen zu können. Ist die Schallgeschwindigkeit im Prüfstück unbekannt, wird ein Muster des Prüfstückes, welches eine bekannte Wanddicke hat, gemessen. Dann wird der programmierbare (zweite) Zählerkreis so lange nachgeschaltet, bis der Wert der gemessenen Wanddicke gleich ist der bekannten Wanddicke.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, durch einen programmierbaren Schaltkreis den über das Zeitintervall mittelnden Kreis zu beeinflussen und die Dickenmeßvorrichtung in einfacher Weise dann justieren zu können, wenn Prüfstücke mit unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit vorliegen, hierbei digitale Elektronikbauteile zweckmäßig zu verwenden, die Justage für jede Schallgeschwindigkeit brauchbar ist, aber auch ein besseres Betriebsverhalten und ein größeres Auflösungsvermögen gestattet.

Hierfür wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein Ultraschallsuchimpuls periodisch an der Oberfläche in das Prüfstück eingeschallt und die zugehörigen Ultraschall-Echoimpulse, welche an einer akustischen Impedanzänderung reflektiert werden, empfangen werden, daß Zählwerte verwendet werden, die verhältnisgleich mit der Laufzeit des jeweiligen Suchimpulses sind, welcher die Dicke od. dgl. des Prüfstückes von dieser Oberfläche bis zur Stelle der Impedanzänderung und zurück durchwandert, dies wird durch das Zeitintervall zwischen einem ersten Signal und einem zweiten Signal bestimmt, wobei das erste Signal auf den eingeschallten Suchimpuls und das zweite Signal auf das Impulsecho zurückgeht, welches vom jeweiligen Suchimpuls erzeugt ist, wobei de. Zeitpunkt des zweiten Signals hier der Empfangszeitpunkt ist, daß diese Zählwerte, die durch solche, aufeinanderfolgende Zeitintervalle gebildet werden, akkumuliert bzw. angesammelt werden und ferner ein Ausgangssignal gebildet wird, welches auf diesen angesammelten Zählwerten basiert, nachdem eine vorbestimmte programmierbare Anzahl (Menge) von Suchimpulsen übermittelt worden war, wobei diese Suchimpulsanzahl verhältnisgleich mit der Schallgeschwindigkeit im Prüfstück wird bzw. ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung werden die bekannten Nachteile vermieden bzw. verringert Da digitale Kreise verwendet werden, werden die Nachteile der analog arbeitenden Gleichstromgeneratoren und der Sägezahngeneratoren vermieden. In vorteilhafter Weise wird durch den programmierbaren Zählerkreis die Anzahl der Messungen verändert, bevor der Dickenmeßwert angezeigt wird, so daß man nur einen Taktgeber mit fester Frequenz zu verwenden braucht, wobei die Frequenz des Taktgebers niedriger liegt als bei der bekannten digitalen Apparatur. Die Dickenmeßvorrichtung gemäß Erfindung kann dazu verwendet werden, ohne weiteres die Wanddicke von Prüfstücken zu ermitteln, die unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten aufweisen, wobei in vorteilhafter Weise entfällt, die Taktgeberfrequenz zu verändern. Die Drift wird beseitigt, die Stabilität des Schaltkreises erhöht.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert Die Zeichnung zeigt die Schaltungsvorrichtung gemäß Erfindung in Blockdarstellung.

Hier ist der Folgefrequenz-Taktgeber 10 dargestellt, welcher periodisch Zeitimpulse erzeugt, regelmäßig hn Frequenzbereich von 500 Hz bis 20 kHz, welche dem Impulsgeber 12 zugeführt werden, um periodisch einen Sender-Empfänger-Prüfkopf 14 zu erregen. Dieser Prüfkopf 14, welcher in Abhängigkeit der vom Impulsgeber 12 zugeführten elektrischen Signale arbeitet, sendet periodisch einen Ultraschall-Suchimpuls

■j in ein Prüfstück IV, dessen Dicke zu messen ist, und empfängt aus ihm die entsprechenden Echoimpulse. Die Echoimpulse werden im Prüfkopf in elektrische Signale umgewandelt und einem Empfängerkreis 16 zugeführt, welcher von Echos abhängige Triggersignale erzeugt,

κι und dem Zeit-Flip-FIop-Kreis 18 zuführt, um ein für die Dicke charakteristisches Zeitsignal zu erzeugen, welches der Laufzeit des jeweiligen Suchimpulses durch das Prüfstück entspricht. Es wird ein Zeitsignal für jeden Suchimpuls, welchen der Prüfkopf 14 erzeugt, gebildet.

ι s Andererseits wird durch einen anderen Taktgeber 20 ein Zug von Impulsen mit vorbestimmter Frequenz einem Torkreis 22 zugeführt. Das Zeitsignal vom Flip-Flop-Kreis 18 bewirkt, daß der Torkreis 22 während eines Zeitintervalls offen ist, welches verhält-

2» nisgleich der Breite des Zeitsignals ist. welches der Dicke des Prüfstückes ^entspricht. Ein erster Zählkreis 24, vorzugsweise eine Teilerstufe bzw. ein Teilerkreis mit fester Teilung durch n, ist mit dem Ausgang des Torkreises 22 gekoppelt, um die Menge der vom Taktgeber 20 über das offene Tor 22 während des jeweiligen Zeitsignalintervalls empfangenen Impulse zu akkumulieren, aber auch mit dem Zweck, ein Ausgangs-Zählsignal zu bilden, welches charakteristisch für die akkumulierte Menge der durch π dividierten Impulse ist.

Ein Zähler 26, der an den Zählkreis 24 angekoppelt ist, akkumuliert, d. h. sammelt, und speichert die Ausgangs-Zählsignale dieser durch η teilenden Zählstufe 24. Die Menge der Impulse, die im Zähler 26 angesammelt werden, wird einem Ablese- bzw. Auslesegerät 28

r, zugeführt, durch das ein Programmänderungssignal bzw. ein den neuen Stand anzeigendes Signal von der Programmänderungsstufe 30 zu dem Ablesegerät 28 übertragen wird. Während einerseits die bevorzugte Ausführungsform des ersten Zählkreises 24 eine Zählerstufe in Form eines festen, durch η teilenden Teilers ist, kann, je nach Einzelfall, ein geeigneter Zählkreis bzw. Logikkreis verwendet werden, in welchem bzw. in welchen die Ausgangszählwerte nach Erhalt vergrößert werden, welche vom Taktgeber 20 über den offenen Torkreis 22 und die Zählstufe 24 übermittelt wurden.

Ein zweiter, als Programmierer ausgebildeter Zählkreis 32, vorzugsweise eine programmierbare Teilerstufe, die durch π teilt, ist vorhanden und durch einen

M Adressenteil 34 voreingestellt. Der Adressenteil kann ein Sprossenschalter aufweisendes Bauteil oder eine andere Baueinheit sein. Durch den Adressenteil 34 wird der zweite Zählkreis 32 auf die Schallgeschwindigkeit im Prüfstück abgestimmt, dessen Dicke zu messen ist.

γ, Um z. B. ein aus Aluminium bestehendes Prüfstück zu testen, in dem die Schallgeschwindigkeit 6,35 χ ΙΟ⁵ cm/sek beträgt, müssen die Sprossen- oder Rändelschalter auf die Indexauslesung »2500« gesetzt werden, um die Dicke des Prüfstückes in amerikanischen Einheiten

bo zu messen, bzw. diese Rändelradschalter od. dgl. werden auf die Indexauslesung »6350« gesetzt, um die Dicke des aus Aluminium bestehenden Werkstückes in metrischem Maßstab bzw. Einheiten zu messen.

Der zweite Zählkreis 32 zählt die Menge der Zeitimpulse, weiche vom ersten Taktgeber 10 dem Impulsgeber 12 zugeführt werden und dementsprechend die Anzahl der Zeitsignalintervalle,

Wenn die Anzahl der Zeitimpulse vom Taktgeber 10, ausgezählt vom zweiten Zählkreis 32, gleich der vorgesetzten Anzahl in dem Adressenteil 34 ist, wird vom ersten Zählkreis 32 ein Signal der Programmänderungsstufe 30 zugeführt, ebenfalls zum Verzögerungskreis 38. Die Auslesung wird jetzt auf den neusten Stand durch Erhalt des Zählwertes vom Zähler 26 gebracht. Nach einer Verzögerung, die ausreichend ist, um sicherzustellen, daß das Programmänderungssignal bzw. das Signal des neuesten Standes im Ablesegerät 28 eingegangen ist, wird vom Verzögerungskreis 38 ein Rückstellsignal zum ersten Zählkreis 24, also auch zum Zähler 26 übermittelt, um diese beiden elektrischen Kreise auf Null zu setzen. Der zweite Zählkreis 32 stellt sich selbst zurück bzw. auf Null zwecks periodischer Arbeitsweise, nachdem er eine vorbestimmte Menge von Zeitimpulsen abgezählt hatte.

Die Schaltvorrichtung arbeitet folgendermaßen: Um die Dicke des Prüfstückes auszumessen, wird der Sender-Empfänger-Prüfkopf 14, um Ultraschallenergie übertragen zu können, an die Oberfläche des Prüfstiikkes W mit Hilfe eines geeigneten Koppelmittels angekoppelt, z. B. mittels öl oder Wasser. Die Schallgeschwindigkeit im Prüfstück wird einprogrammiert in den programmierbaren zweiten Zählkreis 32, der ein Teiler durch π ist, was durch den Adressenteil 34 erfolgt.

Der periodisch gebildete Zeitimpuls, welcher von dem ι olgefrequenz-Taktgeber 10 dem Impulsgeber 12 zugeführt wird, bewirkt, daß letzterer periodisch den Prüfkopf 14 erregt In Abhängigkeit von jedem eingehenden Impulssignal schallt Prüfkopf 14 einen Ultraschall-Prüfimpuls in das Prüfstück und empfängt ebenfalls zugehörige Echoimpulse von der Eintrittsfläche und der Rückwand des Prüfstückes. Die empfangenen Echoimpulse werden durch den Prüfkopf 14 in elektrische Signale umgewandelt und dem Empfängerkreis 16 zugeführt. Der Empfänger 16 erzeugt Triggersignale, welche über seinen Ausgang einem Zeit-Flip-Flop-Kreis 18 zugeführt werden. Ebenfalls wird aber auch ein Zeitimpuls über den ersten Taktgeber 10 zu dem Flip-Flop 18 zugeführt, um diese Einheit 18 zu Beginn jeder Periode (Zyklus) rückzustellen. Der Video-Ausgang-Triggerimpuls, erhalten vom Empfängerkreis 16 und welcher ein Echoimpuls des Oberflächeneintrittssignals ist, startet den Flip-Flop-Kreis 18, während der Video-Ausgang-Triggtrimpuls, welcher dem Rückwandechosignal entspricht, die Erregung des Flip-Flop-Kreises 18 beendet Die Impulsbreite des sich ergebenden bzw. resultierenden Zeitsignals im Ausgang ist maßgebend für den Abstand, den das Ultraschallimpulssignal im Werkstück während des Zeitintervall" zwischen den Triggersignalen durchwandert, d. h. ist gleich der Dicke des Prüfstückes.

Das zugehörige Zeitsignal vom Flip-Flop-Kreis 18, dessen Impulsbreite verhältnismäßig der Dicke des Prüfstückes ist, wird einem Eingang des Tores 22 zugeleitet, um das Tor 22 während des Intervalls zu öffnen, in welchem das Zeitsignal vorliegt Der zweite Taktgeber 20 erzeugt diskrete Taktimpulse für den zweiten Eingang des Torkreises 22.

Vorzugsweise können die Taktimpulse eine Frequenzhöhe von 12£ MHz haben, welche wesentlich höher als die Frequenz des Folgefrequenz-Taktgebers 10 ist, weiche regelmäßig bei 10 kHz liegt Während dieses Zeitsignalintervalls, bei offenem Tor 22, werden die Taktimpulse vom zweiten Taktgeber 20 über den offenen Torkreis 22 dem ersten Zählkreis 24 zugeführt, welcher eine feststehende, durch η teilende Teilerstufe ist. Der erste Zählerkreis 24 erzeugt ein Zählsignal im Ausgang, nach Eingang eines jeden w-Impulses vom Taktgeber 20. Der Wert η in diesem Ausführungsbei-■i spiel wird unter Berücksichtigung dessen gewählt, damit die Größe der Frequenz des Taktgebers 20 in ^Mll/

= 0,05 wird.
Im vorliegenden Beispiel, wenn die Taktfrequenz 12,8

κι MHz beträgt, wird die Ziffer η mit 256 festgelegt.

Es ist ersichtlich, daß das Zeitsignal von dem Zeit-Flip-Flop asynchron mit den Taktimpulsen vom Taktgeber 20 ist. Das öffnen und Schließen de« Zeittorkreises, mit anderen Worten ausgedrückt, fällt

r, nicht zusammen mit den Taktimpulsen vom zweiten Taktgeber 20. Die Menge der Zählungen, gezählt vom ersten Zählkreis 24, ist deshalb unterschiedlich für jedes Zeitsignal und hängt von demjenigen Zeitpunkt ab, zu welchem das Zeitsignal entgegengesetzt zu den Taktimpulsen vom Taktgeber 20 gebildet wird. Der erste Zählkreis 24 erzeugt ein einziges Zählsignal im Ausgang von jedem n-lmpuls während eines jeweiligen Zeitsignalintervalls und leitet die Ausgangszählsignale zum Zähler 26, welcher die vom Zählkreis 24

2^r> eingehenden Zählwerte ansammelt.

Nachdem eine vorbestimmte Anzahl v>n Messungen gemacht ist, d. h. eir.c vorbestimmte Menge von Zeitsignalen vom Fl.ρ Flop-Kreis 18 erhalten worden sind, wobei der ^rl'p-Flop durch den zweiten Zählkreis

to 32 mit Hilfe des Adressenteils 34 programmiert war, wird ein vom zweiten Zählkreis 32 herrührendes Signal der Programmänderungsstufe 30 zugeführt. Diese, in Abhängigkeit eines Signals des Zählerkreises 32 erregbare Stufe 30 leitet ein Programmänderungssignal

j^r> zum Ablesegerät 28, auf dem die Dicke des Werkstückes dargestellt wird, wobei das Anzeigeverhältnis gleich der Anzahl der angesammelten und im Zähler 26 gespeicherten Zählwerte ist Das Ablesegerät 28 speichert die Anzeige so lange, bis in ihm das nächste Programmänderungssignal eintrifft Das Ausgangssignal vom zweiten Zählkreis 32 wird durch den Verzögerungskreis 38 für eine Zeitperiode verzögert, welche ausreichend ist, damit Ablesegerät 28 auf den letzten Stand und den neuen Wert im Zähler 26 gebracht werden kann. Nach Ablauf dieser Verzögerungszeit wird ein Signal vom Verzögerungskreis 38 zum voreingestellten Teiler — Zählkreis 24 — sowie dem Zähler 26 zugeführt um beide Stufen rückzustellen.

Ein wichtiger Gegenstand der Erfindung besteht im

to Verfahren zum Justieren der Dickenmeßeinrichtung. Gemäß vorstehendem Beispiel war die Schallgeschwindigkeit im Prüfstück bekannt und war unmittelbar in den programmierbaren zweiten Zählkreis 32 über Adressenteil 34 einprogrammiert Jedoch ist in anderen Fällen die Ultraschallgeschwindigkeit im Prüfstück nicht bekannt In diesem Falle wird ein Testprüfstück bekannter Dicke an den Prüfkopf 14 angekoppelt, so daß Ultraschall in dieses eintreten kann. Dann wird der dem zweiten Zählkreis angeschlossene Adressenteil 34 eingestellt derart, daß das Ablesegerät 28 den Wert der bekannten Dicke anzeigt Die Ablesung kann in amerikanischen Einheiten (Zöllen) oder in metrischen Einheiten (cm) erfolgen, aber nachdem die Einstellung einmal erfolgt ist, braucht der Adressenteil 34 nicht

b5 rückgestellt oder nachjustiert zu werden, wenn das auszumessende Prüfstück (unbekannter Dicke) die gleiche Schallgeschwindigkeit aufweist In bekannten Ultraschalldickenmeßgeräten, welche über die Zeit

mitteln, wurde die Anzahl der Messungen — die Programmänderungsperiode — konstant gehalten. In diesen Vorrichtungen wurde die Folgefrequenz oder die Taktgeberfrequenz verändert, was jedoch den Einsatz von teuren Taktgeber-Abstimmkreisen erforderlich machte, um die Frequenz ändern zu können. Gemäß Erfindung ist aber die Menge der durchgeführten Messungen programmierbar um ein verbessertes Verfahren zum Justieren der Schaltvorrichtung zu gewinnen. Die Verwendung eines digitalen Schaltkreises, kombiniert mit Schaltbauteilen, um die Vorrichtung zu justieren, ermöglicht ein Ultraschaildickcrur.cögt;räi, dessen Betriebsbeständigkeit, Genauigkeit und das Auflösungsvermögen erhöht ist, im Vergleich zur bekannten Vorrichtung.

Bei 'lern vorhergehcmirn Ausführungsbeispicl wird der Start des Zeittores vom Flip-Flop 18 aus durch ein Signal getriggert, welches dem Echoimpuls entspricht, das beim Eintritt in die Oberfläche (Sendersignal) abgegeben v.ird. Li ist ersichtlich, daß man das Starttriggersignal ebenfalls elektronisch durch einen monostabilen Multivibrator 17 erzeugen kann, der von dem Folgefreqiier>7taktgeber 10 an der. Zeit-Flip-Flop-Kreis 18 angekoppelt ist. Die Impulsbreite des Multivibrators wird justiert, um ein Triggersignal für den Flip-Flop 18 zu bilden, der durch das Intervall zwischen Bildung des Zeitsignals vom Taktgeber 10 und dem Ultraschall-Suchimpuls des Prüfkopfes, der in das Prüfstück eintrifft, verzögert ist. Durch die Verwendung eines künstlichen Starttriggersignals ist es nicht mehr erforderlich, den Prüfkopf 14 während der angenommenen Empfangszeit des Sendersignals (d. h. des Echosignals während des Schalleintritts durch die Oberfläche des Prüflings) zu dämpfen. Diese Schwierigkeit ist besonders dann beachtlich, wenn der Prüfkopf in unmittelbarer Berührung mit der Oberfläche des Prüfstückes ist und die Zeit von diesem Zeitimpuls bis zum Beginn des Zeitsignals vom Flip-Flop 18 derjenigen Zeit entspricht, die das Uitraschallsignal benötigt, um durch eine relativ dünne Werkstückplatte zu wandern, die an der Vorderseite des Prüfkopfes 14 angebracht ist.

Bei einem anderen Au^führungsbeispiel werden die Zählkreise oder die Zeitgeberteile für eine vorbestimmte Zeitperiode nach Übertragung des Ultraschall-Such impulses in das Werkstück gesperrt, und zwar durch

■"> einen Sperrtorkreis 19, der an den Empfängerkreis 16 angekoppelt ist, wie es einzeln an sich bekannt ist. Hierdurch wird bewirkt, daß der Zeit-F'ip-Fhp-Kreis 18 lediglich durch ein Paar von Echosignalen erregt wird, die von Rückwandreflektionen und vom Echosignal

κι herrühren, das zum Oberflächeneintrilt gehört. Es ist natürlich möglich, das Zeitintervall /wischen zwei, einander nicht folgenden Rückwandechoimpulsen zu messen, wie an sich bekannt. Es ist ersichtlich, daß in jedem Falle die Zählung im 7.'ab\rr 26 einer Teilung in geeigneter Teilerstufe unterworfen werden muß.

Zwar wird bevorzugt, einen Adressenteil vorzusehen, der auf die bekannte Schallgeschwindigkeit im Prüfstück einjustiert ist, jedoch ist es ersichtlich, daß der Adressenteil 34 für jede andere Einheit bzw. V'ert

.'ο einprogrammiert werden kann, indem das Verhäl nis der Frequenz des Taktgebers 20 und der Wert η in dem ersten Zählkreis 24 auf einen Wert abweichend von 5 χ 10'"-') festgelegt wird, oder indem man einen zusätzlichen Taktgeber und/oder Zählkreise verwendet.

.'·> Bei vorstehendem Ausführungsbeispiel wurde das vom Zähler 26 abgehende Signal dem Ablesegerät 28 zugeführt. Man kann jedoch, im Einzelfall, das Ausgangssignal vom Zähler 26 einem anderen Ablesegerät zuführen oder den, dieses Signal verarbeitenden

in Schaltbauteilen. Man kann z. B., um Prüfstücke auszusortieren, das Ausgangssignal einem digitalen Vergleichsgerät ankoppeln, um ein ja-nein-Signal zu bilden, wenn die Dicke des Werkstückes zwischen vorbestimmten Werten liegt. Im anderen Fall kann

r> vorgesehen werden, das Ausgangssignal einem Digital-Analog-Wandler zuzuführen, dessen Ausgang mit einem Lochkartengerät od. dgl. verbunden ist. In anderen Einzelfällen kann das Ausgangssignal, ohne überhaupt dargestellt zu werden, einem Computer bzw. Rechner

in zugeführt werden, um das erhaltene Signal weiter zu verarbeiten und zu analysieren.

Hier/u 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Impulsechoverfahren zur Bestimmung der Abmessungen, insbesondere der Wanddik- -■> ke von Prüfstücken aus der Laufzeit von Schallimpulsen, wobei Ultraschall-Suchimpulse periodisch an der Oberfläche des Prüfstückes in das letztere eingeschallt, die Echos der Suchimpulse empfangen und die Zeitdifferenzen zwischen den Suchimpulsen ι ο und ihren zugehörigen Echoimpulsen durch Auszählen mit Taktgeberimpulsen bestimmt und die ausgezählten Zeitdifferenzen zur Mittelwertbildung angesammelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorbestimmte Anzahl von ι > periodisch in das Prüfstück eingeschallten Suchimpulsen verwendet wird, die gleich oder verhältnisgieich der Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Prüfstück gewählt ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- > <i zeichnet, daß die vorbestimmte Anzahl von Suchimpulsen durch Einstellung (Justage) einprogrammiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßzeitpunkt für das erste Signal ι > die Reflexion des Suchimpulses an der Rückwand des Prüfstückes, für das zweite Signal die nachfolgende Reflexion der Ultraschallenergie des Suchimpulses an der Rückwand genommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- m zeichnet, daß als erstes Signal dasjenige elektrische Signal verwendet wird, welches um eine vorbestimmte Zeit nach EinschaUung des SuchimpuUses gebildet wird, während als Meßzeitpunkt für das zweite Signal ein Echosignal, z. B. der nachfolgenden r> Reflexionen, von der Rückwand des Prüfstückes verwendet wird.

5. Schaltvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Impulsgeber zur Einschaltung der Ultraschall-Such- ad impulse und einem Empfängerkreis, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Empfängerkreis ein weiterer elektrischer Kreis (18, 24, 26) angeschlossen ist, in dem mit der Laufzeit des Suchimpulses gleiche bzw. verhältnisgleiche Zählwerte gebildet 4-> werden, mit einem ersten angekoppelten Zählkreis (24), der diese einander folgenden Zählwerte empfängt und ansammelt, und daß ein zweiter Zählkreis (32) vorhanden ist, angekoppelt über einen elektrischen Kreis (38, 30) an den ersten Zählkreis w (24), derart, daß der erste Zählkreis (24) ein Ausgangssignal abgibt, welches gleich bzw. verhältnisgleich mit den angesammelten Zählwerten ist.

6. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Zählers (26) τ> mit dem Eingang des Ablesegerätes (28) verbunden ist.

7. Schaltvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablesegerät einen digitalen Anzeigeteil aufweist. mi

8. Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zählkreis (32) durch Einstellung (Justage) programmierbar ausgebildet ist.

9. Schaltvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch bi gekennzeichnet, daß diese derart ausgebildet ist, daß sie als Zählwerte nur Taktsignale vorbestimmiter fester Freauenz verarbeitet.

10. Schaltvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die angesammelten Zählungen, welche innerhalb dieser vorbestimmten Zählwertmenge der Suchimpulse vorliegen, die mittlere Anzahl dieser Taktimpulse bestimmen, welche zwischen dem ersten und zweiten Signal gebildet sind.

11. Schaltvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ablesegerät od. dgl. (28) an den ersten Zählkreis (24) als auch den zweiten Zählkreis (32) angekoppelt ist, derart, daß das Gerät die angesammelten Zählungen darstellt, die auf ein Programmänderungssignal zurückgehen, welches durch den zweiten Zählkreis (32) gebildet wird, in Abhängigkeit von dieser vorbestimmten Menge von Suchimpulsen.

12. Schaltvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Vereinigung eines oder mehrerer folgender Untermerkmale:

a) einen ersten Taktgeber (10), um Zeitimpulse zu bilden,

b) einen Impulsgeber (12), gekoppelt an den Taktgeber (10), der in Abhängigkeit von diesen Zeitimpulsen im Ausgang Signale abgibt, durch die periodische Einschaltung von Suchimpulsen in das Werkstück (W)eingeleitet wird,

c) einen Empfängerkreis (16), gekoppelt mit dem Piüfkopf (14), zur Aufnahme von Echoimpulsen als Folge eingeschallter Suchimpulse,

d) ein Zeitkreis, z. B. ein Flip-Flop (18), dessen Eingang mit dem Ausgang des Empfängerkreises (16) gekoppelt ist, derart, daß ein erstes Signal empfangen wird, welches auf der Übertragung des Suchimpulses basiert, sowie zur Aufnahme des nachfolgenden zweiten Signals, welches auf einem zugehörigen Echoimpuls basiert, welches aus dem Suchimpuls entsteht, und daß in diesem Zeitkreis (18) ein Zeitsignal gebildet ist, welches gleich bzw. verhältnisgleich dem Abstand ist, der vom Suchimpuls im Werkstück während des Zeitintervalls zwischen dem ersten und dem zweiten Signal durchlaufen ist,

e) einen zweiten Taktgeber (20) zur Bildung von periodischen Taktgeberimpulsen,

f) einen ersten Zählkreis (24), welcher an den zweiten Taktgeber (20) angekoppelt ist und diese periodischen Taktimpulse und dieses Zeitsignal empfängt und zu einem dritten Signal umwandelt, das die Form eines Zählimpulses hat, welches gleich oder verhältnisgleich mit der Anzahl der periodischen Taktgeberimpulse ist, welche während dieses Zeitsignals vorliegen,

g) daß ein Zähler (26) an den ersten Zählkreis angekoppelt ist, derart, daß das dritte Signal in seinem Eingang empfangen und nachfolgend die dritten Signale als Zählimpulse oder Zählwerte angesammelt werden, welche gleich bzw. verhältnisgleich mit der zugehörigen Menge der periodischen Taktimpulse sind, welche während der nachfolgenden Zeitsignale vorliegen bzw. gebildet sind;

h) daß ein programmierbarer zweiter Zählkreis (32) mit seinem Eingang an den Ausgang des ersten Taktgebers (10) angekoppelt ist, derart, daß er diese Zeitimpulse empfängt und ein viertes Signal bildet, wenn die Anzahl dieser Zeitimpulse gleich der einprogrammierten Anzahl ist, welche gleich oder verhältnisgleich mit der Schallgeschwindigkeit im

Prüfstück ist und

i) das Ablesegerät (28) an den Zähler (26) und den programmierbaren zweiten Zählkreis (32) angekoppelt ist, derart daß in Abhängigkeit zu diesem vierten Signal ein Ablesewert angezeigt wird, welcher gleich bzw. verhältnisgleich mit den angesammelten Zählungen bzw. der Anzahl der ausgezählten Zählwerte ist