DE2646541A1 - Verfahren zur sendeimpulsausloesung bei der laufzeitmessung von elektronisch erzeugten impulsen, insbesondere zur dickenmessung von pruefstuecken mit ultraschallimpulsen - Google Patents

Verfahren zur sendeimpulsausloesung bei der laufzeitmessung von elektronisch erzeugten impulsen, insbesondere zur dickenmessung von pruefstuecken mit ultraschallimpulsen

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DE2646541A1 DE19762646541 DE2646541A DE2646541A1 DE 2646541 A1 DE2646541 A1 DE 2646541A1 DE 19762646541 DE19762646541 DE 19762646541 DE 2646541 A DE2646541 A DE 2646541A DE 2646541 A1 DE2646541 A1 DE 2646541A1
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Description

- . K 087 29. September 1976
IG/bö
Krautkrämer GmbH
Luxemburger Str.
5000 K ö 1 η 41
Verfahren zur Sendeimpulsauslösung bei der Laufzeitmessung von elektronisch erzeugten Impulsen, insbesondere zur Dikkenmessung von Prüfstücken mit Ultraschallimpulsen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Totzeit innerhalb der MeßZykluszeit, wobei ein neuer Sendeimpuls immer dann ausgelöst wird, wenn keine Störungen mehr durch Echos vorangegangener Impulsfolgen (Phantomechos) im Empfängerteil vorhanden sind. Unter Phantomechos sind die Echos zu verstehen, die aus einer vorangegangenen Echofolge herrühren und im neuen Einzelmeßvorgang noch nicht abgeklungen sind bzw. die vorgegebenen Schwellenwerte noch überschreiten. Eine Zeitverringerung ist in der zerstörungsfreien Dikkenmessung von Prüfstücken mit Ultraschallimpulsen insofern sehr erwünscht, als bei der Mittelwertbildung durch sehr viele Impulsschüsse lange Meßzeiten entstehen können, wodurch die Prüfgeschwindigkeit stark herabgesetzt wird.
Dieses Problem der Zeitverringerung tritt nicht nur bei der Dickenmessung von Prüfstücken auf, sondern auch bei der Fehlersuche, d.h. der Suche nach Ungänzen in einem Prüf-
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stück mit Ultraschall-Impulsen, sowohl im manuellen als auch im automatischen Betrieb und bei der Entfernungsmessung mit Schallimpulsen oder Impulsen elektromagnetischer Wellen, wenn durch Reflexionen störende Echofolgen auftreten können. So stören in der manuellen und automatischen Ultraschallprüfung auf Materialfehler (Ungänzen bzw. Inhomogenitäten) die bei einem neuen MeßschuB noch vorhandenen Phantomechos, wodurch von vornherein eine sehr kleine Impulsfolgefrequenz notwendig ist.
Es ist bekannt, die Dicke von Prüfstücken bzw. die Lage von Materialungänzen durch den zeitlichen Impulsabstand des ersten reflektierten Echos (Rückwandecho oder Echo von der Ungänze) vom Sendeimpuls zu messen, d.h. also durch die Laufzeit eines Impulses, wobei von dem Sendeimpuls die ITull-Marke für die Zeitmessung abgeleitet wird. Die Dicke des Prüfstükkes bzw. die Tiefenlage der Ungänze ergibt sich dann aus der zweifachen Impulslaufzeit, multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses. Die Laufzeit und damit Dicke bzw. Länge eines Prüfstückes oder die Tiefenlage der Ungänze unter der Materialoberfläche kann über einer Skala auf dem Leuchtschirm einer Braun1sehen Röhre oder mit einer Analogtechnik bzw. Digitaltechnik zur Anzeige gebracht werden. Die Feststellung der Lage einer Ungänze ist vollkommen gleichbedeutend mit der Messung einer Materialdicke und wird im folgenden nicht mehr separat beschrieben.
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Bei der Dickenmessung von Prüfstücken mit Ultraschallimpulsen kann man die Fehlergrenze nicht beliebig klein machen. So entstehen bei der Digitalisierung der einmaligen Laufzeitmessung (one shot-Technik) Zeitfehler in der Größenordnung der reziproken Zählfrequenz (bit-Fehler). Um diesen Fehler zu verkleinern ist zwar bekannt, viele Hessungen durchzuführen und den Mittelwert zu bilden (DT - Pat. Anmeldung P 2j520 835-5)· Der Fehler verkleinert sich dann mit dem Faktor 1/Vn7 . Hierbei bedeutet η die Anzahl der Einzelmeßvorgänge. Es müssen η Einzelmeßvorgänge durchgeführt werden, um zu einem brauchbaren Anzeigewert zu kommen. Damit vergrößert sich aber auch die Meßzykluszeit in nachteiliger Weise um den Faktor n. Unter Meßzykluszeit wird hier die Zeit verstanden, welche die Summe der Zeiten aller Einzelmessungen zwecks Mittelwertbildung und der zwischen den Einzelmessungen vorhandenen Totzeiten ist. Letztere sind Wartezeiten ,die notwendig sind, um Mehrfachechos der Einzelmessungen abklingen zu lassen, da diese Mehrfachechos sonst die nachfolgende Einze!messung als Phantomechos stören und unweigerlich zu falschen Ergebnissen führen. Die Dauer der einzelnen Totzeiten ist im wesentlichen abhängig von der Empfindlichkeit des Prüfkopfes, der Intensität der Anregung, der materialabhängigen Dämpfung der Impulsamplitude und von der zu messenden Dicke. Es darf ein neuer Sendeimpuls immer erst dann ausgelöst werden, wenn mit Sicherheit keine störenden Echos aus dem vorangegangenen Einzelmeßvorgang vor-
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handen sind. D.h. die Totzeit ist eine vorgegebene feste Größe, die nach dem ungünstigsten Betriebsfall festgelegt sein muß und sich mit der Anzahl der Einzelmessungen in einem Meßzyklus multJpLi ziert.
Das nachfolgende Beispiel erläutert die bei einer solchen Messung entstehenden Zykluszeiten zwecks Überleitung zur Aufgabe der Erfindung.
Es soll die Dicke d einer Aluminiumplatte gemessen werden in einem Dickenbereich bis d =100 mm. In dem Beispiel bedeuten VV . die niedrigste Schallgeschwindigkeit, die materialabhängig auftreten kann und VV die höchste Schallgeschwindigkeit, die inaterialabhängig auftreten kann, Vt . λ die Schallgeschvrindigke.it der Longitudinalwellen in Aluminium, η die Anzahl der einzelnen Heßvorgänge, die zur Mittelwertbildung notwendig sind (Schallgeschwindigkeit und systemabhängige Konstante), tar? d.en erforderlichen zeitlichen Abstand zweier aufeinander folgender Sendeimpulse, gleichzeitig auch das Zeitintervall zwischen den aufeinander
folgenden Einzelmessungen tg-g ^1 * ■ τ . Z
^ ^"e Meßzykluszeit, wobei ta» - η . ^στ?
Z die angenommene maximale Anzahl der bei guter Ankopplung und minimaler Schall Schwächung " ' ':. bei optimalen PrüfkopfVerhältnissen möglichen Rückwandechos.
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Es sind gegeben :
VT min bis V1- max = 1000 m/s bis 10 000 m/s
JLj Χι
Im Beispiel ist VL A£ = 6 300 m/s
η = 630, das sind 10 % des Zahlenwertes der Schaligeschwindigkeit, für die als Beispiel angeführte Verfahrensauslegung«
Z = 20.
max
Es ist ein S^ndeimpulsabstand für das Verfahren von
1900 r/a
also t™ ^- 4ms
notwendig.
Daraus folgt in unserem Beispiel für die Meßzykluszeit für Aluminium : tn, = η . tol? > 630 - 4 * 10~^s
Damit liegt die Meßzyklusfrequenz fg^ = ^
J ZA
fest, die sich in diesem Beispiel bei Aluminium mit einem Anzeigenwechsel pro 2,5 s ergibt und wegen der sehr großen Meßzykluszeit von 2,5 s einen unbefriedigenden Wert darstellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zug3*unde, bei der Benutzung ebenfalls der Mittelwertbildung die Meßzykluszeiten zu verringern, wobei gleichzeitig der störende Einfluß von Phantomechos jedoch verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die längste für den Heßvorgang sinn-volle Folgezeit der Sendeimpulse, festgelegt durch die größte zu messende Wanddicke bzw. Länge und die minimale Schallgeschwindigkeit, durch frequenzbestimmende Schaltungselemente in einer monostabilen Kippstufe vorgegeben wird und diese inonostabile Kippstufe durch störende Signale aus der vorhergegangenen Impulsaussendung, die eine Bewertungsschwelle überschreiten, immer wieder zurückgesetzt wird (Retriggerung), wobei die vorgegebene Impulsfolgezeit immer wieder neu anfängt abzulaufen,
dem. so daß immer erst um diese Zeit nach'letzten Störecho der
neue Sendeimpuls erzeugt werden kann.
Dieses Verfahren paßt sich damit ständig den Meßgegebenheiten an und verringert die Totzeiten innerhalb der Meßzykluszeit in einem wesentlichen Maße.
Eine . Aus^jführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1, ein Blockschaltbild eines Wanddicken-Meßsysfcems mit Rückführung des Empfängerausganges auf den Oszillator, Fig. 2 ein Impuls-Zeitdiagramm zu dem Wanddicken-Meßsystem nach Fig. 1,
Fig. 3- eine Schaltung für den Oszillator nach Fig. 1.
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Die Grundlage des Verfahrens ist ein Oszillator 4, vgl. Fig. 1, der nicht wie üblich mit einer starren Frequenz, also mit einem konstanten Zeitabstand der Sendeimpulse arbeitet, sondern der in seiner Frequenz direkt von der Echoimpulsfolge aus dem Empfänger J digital geregelt wird. Jedes am Ausgang des Empfängers 3 auftretende Echosignal, das vom Empfängerteil 2 b des Prüfkopfes 2 aus dem Prüfstück 1 empfangen wird oder vom Sender 5 direkt in den Empfängereingang 3 eingestreut wird, sperrt den Oszillator 4· für ein festgelegtes Zeitintervall t^. Erst nach Ablauf dieses Zeitintervalls kann der Oszillator einen neuen Impuls auslösen. Gelangt aber während dieses Zeitintervalls t^ an den Eingang 7 des Oszillators 4- ein neues Echmsignal, so wird der Oszillator 4- zurückgesetzt und das Zeitintervall t^ fängt von neuem an abzi laufen. Der Sender 5 kann also immer erst dann einen neuen Sendeimpuls erzeugen, wenn das Zeitinter-
Eingang. vail ty, nach dem letzten am /yanliegenden Signal abgelaufen ist. Mit anderen Worten, ein neuer Sendeimpuls wird erst erzeugt, wenn nach dem letzten störfähigen Impuls die Zeit ty, abgelaufen ist. Es muß demzufolge nicht mehr eine lange Sicherheitszeitspanne zwischen den Sendeimpulsen abgewartet werden, sondern um das Zeitintervall t^, nach dem letzten störfähigen Echo wird der nächste Sendeimpuls ausgelöst. Das Zeitintervall ty, muß geringfügig größer sein als die Addition der Schallaufzeit im Prüfkopf CVorlaufzeit) und der Impulsfolgezeit für die Mehrfachechos.
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Der Block 6 in Fig. 1 soll nur die Weiterverarbeitung und die Anzeige des ermittelten Dickenwertes symbolisieren.
Die Arbeitsweise des Oszillators 4 wird anhand Fig. 3 und dem zugehörigen Impulszeitdiagramm der Fig. 2 beschrieben, wobei handelsübliche Teile IC 1, z.B. Motorola IiC 14528 CP, und IC 2, z.B. Motorola MC 14011 CP, verwendet werden. Ist am Eingang 7 einer monostabilen Kippstufe 8 eine positive Spannung vorhanden (linker Kurventeil des Diagramms 5 in Pig. 2), triggert sich diese Stufe von <L über R-, nach A^ ständig in Abhängigkeit von den frequenzbestimmenden Schaltungselementen R^, und C^, selbst (Diagramm 1, Fig. 2), Mit dem gleichen Zeitabstand t,, entsteht an Q^ eine gleichmäßige Folge von nadeiförmigen Impulsen (Diagramm 2), die an B2 die monostabile Kippstufe 9 mit der konstanten Kippzeit t~ abhängig von den frequenzbestimmenden Schaltungselementen Ro und C2, aber mit der Bedingung t2 <^ t* triggert. An ^2 steht ein Signal zur Verfügung (Diagramm 3)j das mit seiner abfallenden Flanke den Sendeimpuls mit der Impulsdauer t im Sender 5 auslöst (Diagramm 4). Die steile abfallende Flanke des Sendeimpulses t kann mit den hochfrequenten Anteilen in den Empfängereingang von 3 einstreuen und erzeugt dann am Empfängerausgang von 3 den Impuls a im Diagramm 5 der Fig. 2. Das Signal a und die Seitlich folgenden Echos b und c, die die Bewertungsschwelle d überschreiten, setzen die monostabile Kippstufe immer wieder
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zurück, d.h. die vorgegebene Zeit ty, fängt jedesmal an neu abzulaufen (retriggerbare Stufe 8). Der nächste Impuls an Qo entsteht also erst z.Z« ty, nach dem letzten bewerteten Echoimpuls b oder c.b stellen die Mehrfachechos von der Prüfstückrückwand und c mögliche Signale durch umwandlung in andere Wellenmoden (z.B. Transversalwellen) dar.
Treten also aP.vy EÖhoimpulse auf, deren Amplituden ausrei-
StuXe.
chend groß sind, wirdvSan B^ nachgetriggert. An Q,. erscheint also erst nach Ablauf der gesamten bewerteten Empfangsechofolge und der konstanten Kxppzeit ty, der nächste Eadeliinpuls bzw. hierdurch ausgelöst, der nächste Sendeimpuls. Aus Fig. 2 ist abzulesen, daß sich der Sendeimpulsabstand tgv folgendermaßen zusammensetzt :
tSE = ts + 1V + Z * H + h
Hierin bedeuten, sofern nicht bereits definiert : to Dauer des Sendeimpulses,
ty gesamte Schallaufzeit in der Vorlaufstrecke, gegeben durch den Schallaufweg von der aktiven Fläche des Schallerzeugers bis zur Eintrittsfläche des Prüfstückes und von der Schallaustrittsfläche bis zur passiven Fläche des Schallempfängers .
Sollte aus irgendeinem Grund die Hachtriggerung vonYST nicht erfolgen, z.B. beim Einschalten, so tritt der Hilfsoszilla-
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zillator 11 (gebildet aus C,, E^, E1- und zweinal ICp) über Dy, in Punktion. Sobald der Hauptoszillator, also die Schaltung aus den Blöcken 8 und 9j zu schwingen einsetzt bzw. wieder einsetzt (erkennbar an Potentialwechsel an Qp)» wird der Hilfsosziliator über Dp, CL und EL- ausgeschaltet.
An den gleichen Zahlenbeispiel, das den Stand der Technik veranschaulichte, soll der Vorteil dieser Erfindung herausgestellt werden.
Meßbereich bis d„„v = 100 nn für Materialien nit Schallgeschwindigkeiten der Longitudinalwelle von 1000n/s bis 10 000 n/s. Also VL n±n = 1000 n/s.
Größtnögliche Schallaufzeit in den Vorlaufstrecken für die bemspielshäfte Verfahrensauslegung ty nax - 1Ov^s Maxinale verfahrensauslegungsbedingte Sondeinpulsdauer *fe nax - 10 s·
t^i nuß nindestens so lang sein, wie es sich aus der doppelten Inpulslaufzeit bei größter Materialdicke (Meßlänge) und kleinster auftretender Schallgeschwindigkeit ergibt, vernehrt un die Schallaufzeit in den Vorlaufstrecken*
ι ; mmu/omi
' -M
Angenommen, es sind max. 20 Rückwandechοs oberhalb der Bewertungsschwelle zu empfangen und die Echofolge aus der Wellenmodumwandlung ist eher abgeklungen, dann wird mit *8Ε = *s + K + Z * *E + *1 und *ΕΔΕ = V 32/XS 17SEAJk = 10^G + lOyuo + 20 · 32yus + 211 ^s = 871 yus
Die gesamte Meßzykluszeit tSAJg = n^ . ΐβΕΔ£ = 630 · 8?1 yus beträgt dann weniger als 0,55 s gegenüber 2,5 s nach den gegenxirärtigen Möglichkeiten, wobei ζ = 20 nur die Annahme eines ungünstigen Falles ist; denn bilden sich in einigen oder allen Einzelmessungen weniger bewertete Bückwandechos, wird der Faktor ζ kleiner, außerdem verkleinert sich die Meßzykluszeit mit kleineren Wanddilcken gegenüber der maximalen Wanddicke der Yerfahrensauslegung, denn der Wert t-g wird kleiner und wirkt sich verklei-
die
nert auf die Totzeit aus. Dieser Faktor ζ . t-g ist variable und sich an den Meßvorgang anpassende Größe.
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Claims (2)

  1. Krautkrämer GmbH 29. September 1976
    IG/bö K 087
    PATENTANSPRÜCHE
    [ 1)jVerfahren zur Send ej&uslö sung bei der Lauf Zeitmessung von elektronisch erzeugten Impulsen, insbesondere zur Dikkenmessung von Prüfstücken mit Ultrascliallitspulsen, wobei mit mehreren Impulsfolgen zur Ermittlung des Meßwertes, z.B. zur Mittelwertbildung, gearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß über frequenzbestimmende Schaltungselemente in einer Kippstufe (4-) eine voi'bestimmte längste Impulsfolgezeit (t^) der Sendeimpulse jeweils vorgegeben wird, daß dieser Stufe eine Bewertungsschwelle übersteigende, aus dem vorherigen Meßschuß herrührende Störechosignale über den Empfänger zugeführt, durch diese Signale die Kippstufe in den Anfangszustand zurückgesetzt wird, dann wieder startet und, falls kein neues Störsignal zugeführt, der neue Sendeimpuls nach Ablauf dieser Impulsfolgezeit (t^,) gebildet wird.
  2. 2) Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippstufe eine zurücksetzbare bzw. retriggerbare monostabile Kippstufe eines Oszillators ist.
    809818/0213
DE2646541A 1976-10-15 1976-10-15 Verfahren zur Auslösung von Sendeimpulsen bei der Dickenmessung von Prüfstücken mittels Ultraschallsignalen Expired DE2646541C2 (de)

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