DE2816985C2

DE2816985C2 - Ultraschallprüfvorrichtung

Info

Publication number: DE2816985C2
Application number: DE2816985A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr.rer.nat. 5023 Löwenich Niklas
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1977-04-25
Filing date: 1978-04-19
Publication date: 1983-04-14
Also published as: JPS592341B2; DE2816985A1; JPS53133481A; US4099416A; GB1603235A; FR2389178A1; FR2389178B1

Description

b, = 2 d/_k mit v= k-i

verbunden sind.

2. Ultraschallprüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Empfangsverstärker (51) und dem ersten Schieberegister (62a) in dem Rechner (53) ein Analog/Digital-Wandler (61) und zwischen der jeweils letzten zweiten Addierstufe (66c) und dem Bildschirm (57) ein Digital/Analog-Wandler (67) angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallprüfvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung bekannt, um die echoabhängigen elektrischen Signale so zu kompensieren, daß ein weitgehend ideales Ultraschallsuchsignal simuliert wird. Man erhält dann eine fokussierte Bilddarstellung von einer Ungänze im Prüfling in einer Entfernung von der Oberfläche.

Bei Verwendung des Ultraichallimpuls-Echoverfahrens ist jedoch die Genauigkeit, mit welcher die Ausdehnung einer Ungänze od. dgl. innerhalb des Prüfstücks angegeben werden kann, begrenzt Die Ungenauigkeit geht auf die unbestimmte Breite des Ultraschallsuchstrahls zurück, welche von der Tiefenposition des Fehlers od. dgl. abhängt, und die Divergenz dieses Strahls macht die Angabe der Fehlerausdehung ungenau. Zwar haben handelsübliche Ultraschallprüfgeräte ein hinreichendes Tiefenauflösungsvermögen, de die Dauer des Ultraschallsuchimpulses durch Einsat2 stark gedämpfter Prüfköpfe und durch Verstärker geeigneter Bandbreite hinreichend kurz gebalten werden kann. Jedoch begrenzen die physikalischen Charakteristika die Schärfe des Ultraschallsuchstrahls in der seit'ichen Richtung schlechthin. Zwar erzeugen Prüfköpfe kleinen Durchmessers einen scharfen Strahl unmittelbar an der Prüfkopf-Stirnseite, jedoch wird der Strahl in größerer Entfernung stark divergent.

Wenn andererseits Prüfköpfe mit großem Durchmesser verwendet werden, wird in großer Entfernung die Divergenz zwar stark verringert, aber die Bündelbreite unmittelbar vor der Stirnfläche des Prüfkopfes wird sehr breit. Man kann diesen Nachteil dadurch verringern, daß man einen fokussierten Schallstrahl verwendet. Innerhalb einer vorbestimmten Fokusdistanz ist der Schallstrahl zwar scharf, so daß eine genaue Aussage über die seitliche Position des Fehlers gegeben ist. Jedoch ist nachteilig, daß vor und hinter der Fokusebene die Schallbündelbreite größer als bei einem nichtfokussierten Schallstrahlbündel ist. w Diese Nachteile sind dann besonders schwerwiegend, wenn Ungänzen bildlich, z. B. nach der B-Bildmethode (siehe J. u. H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer-Verlag, Kapitel 2.353) darzustellen sind. Die Bilddarstellung, wenn fokussierte Prüfköpfe verwendet werden, ist in seitlicher Richtung stark verschwommen und ist lediglich längs des horizontalen Streifens, der in der Brennebene liegt, scharf.

Zwar ist eine Ultraschallprüfvorrichtung bekannt, bei

welcher auf einem Bildschirm eine akustische Ungänze dargestellt ist, mit einem Prüfkopf in Form mindestens eines akustischen Wandlers auf der Oberfläche des Prüfstücks, wobei die aus dem Prüfstück empfangenen Echosignale über den Prüfkopf einem Empfänger zugeführt sind und hier Echoamplitudensignale /i bilden, die einen Prozeßrechner aufweist, in dem eine Folge von Werten d_y aus den Schallbündelprofilwerten p, durch Lösung des Gleichungssystems

dv-, Pv= <5,d

gewonnen werden, wobei der Prüfkopf in an sich bekannter Weise mit dem Empfänger gekoppelt ist, so b5 daß letzterer die Amplitudensignale /* empfängt und daß zugehörige Werte </, diesen Amplitudensignalen /j zugeordnet werden, derart, daß eine Folge von Ausgangssignalen 6, gewonnen wird, gemäß der Gleichung

Hierbei wird zwar das gemessene Signal mit einer Funktion gefaltet und dadurch ein ausgewertetes Signal gewonnen.

Allerdings wird hier nicht das Signal in Abhängigkeit vom Schallprofilquerschnitt gefaltet (US-PS 38 05 596).

Der Einsatz von Prozeßrechnern ist zwar an sich bekannt, vgL TID-Report Nr. i 8 304 von R. Gold.

Die bekannten Vorrichtungen legen aber Rechner nahe, mit welchen die gestellte Aufgabe nur relativ langsam gelöst werden kann. Hier ist die Zeit, verglichen mit dem Herzrhythmus bei dem medizinischen Einsatz der Vorrichtung, noch zu lang. Ferner ist nachteilig, daß seitlich verlagerte störende Schwingamplituden (sg. s^;4e lobes) nicht genügend unterdrückt sowie zufällig auftretende Meßwertschwankungen nicht hinreichend berücksichtigt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zi.grunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei der ein zeitgetreues scharfes fokussiertes Bild mit größerer seitlicher Auflösung sowie in kürzerer Zeit darstellbar ist und die ausklingende Schwingung wirksamer unterdrückt wird.

Dies wir-i erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 erreicht

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt im Einsatz im medizinisch-diagnostischen Bereich, wo eine zeitgetreue B-Bilddarstellung vorliegen muß, um ihre Veränderung synchron mit der Herzfrequenz verfolgen zu können. Dieses Erfordernis verlangt, daß der Rechner besonders schnell arbeiten muß. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist im Unteranspruch dargestellt

Man geht von einem außerhalb der Brennebene erzeugten Bild aus. Ferner soll die Schallbündelbreite, die an sich bekannt ist oder bestimmt werden kann, durch einen Verfahrensschritt verkleinert (komprimiert) werden, wobei mathematische Hilfsmittel bzw. zugehörige elektrische Schaltbauteile benutzt werden, so daß ein weitgehend ideales scharfes Schallstrahlbündel erreicht wird, daß ein ideales scharfes Bild für Objekte innerhalb des Werkstücks für alle Ab'stände vom Prüfkopf gewährleistet

Um die Lösung des Problems Tlu^rläutern, wird die Arbeitsweise der Vorrichtung nur für eine einzige Zeile des B-Bildes beschrieben. Werfn die ganze Darstellung des B-Bildes verbessert werden soll, werden die zugehörigen Schritte bzw. die Arbeitsweise der Vorrichtung Zeile um Zeile wiederholt Der Rechner führt die zugehörigen mathematischen Schritte zeitgetreu aus.

Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung Fig.4 —7 dargestellt und werden im folgenden näher erläutert, während Fig. 1—3 die Ausgangsbasis der gestellten Aufgabe darstellen. Es zeigt

Fig. IA einen schematischen Aufriß einer Prüfanordnung mit drei punktförmigen Reflektoren im Prüfstück,

Fig. IB bzw. IC eine graphische Darstellung von Signalen, erhalten von der Anordnung gemäß F i g. 1A,

Fig.2A bzw. 2C eine graphische Darstellung von Schallstrahlprofilen bzw. -werten,

F i g. 3A einen Aufriß einer Prüfanordnung mit einem ausgedehnten Reflektor im Prüfstück,

F i g. 3B bzw. 3C eine graphische Darstellung von Signalprofilen, erhalten durch den Prüfkopf gemäß F i e. 3A.

Fig.4A bzw. 4C je eine graphische Darstellung von Schallstrahlprofilen,

Fi g. 5 eine elektrische Schaltung in Blockdarstellung, F i g. 5A eine elektrische Schaltung in Blockdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Teils der Schaltung nach F i g. 5,

Fig.6 eine bevorzugte Ausführungsform eines digitalen Rechners,

F i g. 7 eine bevorzugte Ausführungsform eines ic analog arbeitenden Rechners.

In F i g. IA ist ein Prüfstück mit drei punktförmigen, in einer konstanten Entfernung vom Prüfkopf angeordneten Reflektoren dargestellt, deren Echoamplitude in F i g. 1B als in seitlicher Richtung verlaufendes Schall-Strahlprofil gezeigt ist Aufgrund der endlichen Strahl-. breite der Suchsignale ist diese Kurve nicht eindeutig definiert verglichen mit der idealen graphischen Darstellung gemäß F i g. 1C. Es ist möglich, sie zu messen, indem ein einzelner punktförmiger Reflektor registriert wird.

Die Vorrichtung soll nun die Schallprofilwerte nach

Fig. IB in solche gemäß Fig. IC transformieren. (Die Schallstrahlstruktur des Prüfkopfes ist bekannt oder vorher bestimmt worden.) Für den Einsatz des Rechners ist nun nachfolgendes zu berücksichtigen:

Die Darsteilung gemäß F i g. 1B steht nicht als kontinuierliche Kurve, sondern als eine Folge von diskreten Echoamplitudenwerten h wie in Fig.2A dargestellt zur Verfügung. Die zu erwartende ideale Registrierung aus F i g. 2B ist ebenfalls eine Folge von Amplitudenwerten bk. Wenn die Schallbündelstruktur des Prüfkopfes 1 durch einen Vorversuch ausgemessen ist entsprechen diese Werte einer Folge Pik von Amplituden, wobei der Index / die Position eines einzigen punktförmigen Testreflektors und Ar die Position des Prüfkopfes während des Vorversuches bezeichnen. Fig.2C zeigt solche /VFolge, wobei die Reflektorposition für /=10 angenommen wird. Würde bei dieser Prüfung der Reflektor eine andere Position haben, z. B. bei /=8, wäre die Folge identisch, mit der Ausnahme, daß für den Index k eine Verschiebung um den Wert zwei stattfindet. Das heißt

Pu>.k= Pi.k+2-

Die /VFolge besteht aus Elementen einer Matrix von der Form:

j ej . .

Po Px P₂ ■■■
Pi P₀ Λ P₁
/L₂ P-, P₀ Pi

so daß diese Matrix nur durch eine einfache Folge von Pv-Werten beschrieben werden kann. Das Verhältnis von pik zu ρ, ist gegeben durch:

ρ/*

v mit v=k-i

Gleichung 1

Wenn Normalprüfköpfe füi die Prüfung benutzt werden, ist die Schallstrahlstruktur (Profil) symmetrisch, also gilt p.. ν=ρ+ ν. Werden Winkelprüfköpfe benutzt, so gilt dies üblicherweise nicht. In der nachfolgenden Gleichung wird diese nicht symmetrische Art der Schallstrahlstruktur behandelt.

Erfindungsgemäß wird die Aussage ausgenutzt daß die Darstellung von F i g. 1B (2A) eine Faltung der

idealen graphischen Darstellung IC (2B) des Schallstrahlprofils ist:

Gleichung 2

Etiese Aussage ist in der Praxis dann wahr, wenn das Prüfstück nach Fig. IA nur isolierte punktförmige Reflektoren enthält. Es ist bekannt, daß wenn ein ausgedehnter Reflektor nach Art des in Fig.3A dargestellten vorhanden ist, daß dann der Reflektor lediglich durch die von den Rändern ausgehende akustische Reflexion bewertet werden kann. Diese Tatsache stimmt mit der Gleichung 2 nicht überein. Nun, die graphische Darstellung eines ausgedehnten Reflektors gemäß F i g. 3A entspricht derjenigen gemäß Fig.3B. Bei Einsatz der Entfaltungsmethode, wobei unter »Faltung« die inverse Faltung zu verstehen ist, die nachfolgend angegeben wird, ergibt sich eine ideale Kurve und dieses Ergebnis ist als Kurve in Fig.3C dargestellt. Der Anfang und das Ende des Reflektors sind in dieser Kurve betont hervorgehoben, aber solche Hervorhebung kann dann vorteilhaft sein, wenn die Reflektorgröße bestimmt werden soll.

Wenn die Werte f(x) (gemessen) in Gleichung 2, p(x) (Struktur/Profil) und b(x) (ideale Aufzeichnung) als eine Folge von Amplitudenwerten gegeben sind, so wird das Faltungsintegral in der Gleichung 2 zu einem System von linearen Gleichungen umgewandelt:

oder für Gleichung 1:

fi = Σ Pk-vbk-

Gleichung 3

Gleichung 3 a

Für die Gleichungen 3 und 3 a wird angenommen, daß p_lk oder p„ durch den Vorversuch bekannt und die Werte b_k unbekannt sind. Um letztere Werte zu finden, muß das umgekehrte Gleichungssystem

*/ = Σ ^dikfk = Σ

Gleichung 4

gelöst werden. In der Gleichung 4 sind die Elemente der ίο Matrix du, die Elemente der umgekehrten Matrix pil Wenn die p/*-Matrix umgekehrt wird, ist zu beachten, daß die Anzahl der p^-Elemente unbestimmt ist.

Programme für Elektronenrechner zur Invertierung von Matrizen sind an sich bekannt, vgl. 1). Die Ausrechnung erfolgt dadurch, daß die unbestimmte Mi-Matrix durch eine bestimmte Matrix als Näherungsgröße dargestellt wird. Damit die Rechnung genau wird, muß sie mit Matrizen vieler Elemente ausgeführt werden. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wird in vorteilhafter Weise nachfolgendes Rechenverfahren benutzt: Die Gleichung 4 kann ebenfalls benutzt werden, um während der Vormessungen das Schallstrahlprofil auszurechnen. In diesem Fall ergibt die Gleichung 4:

25

A/ = _ für . , _ ft = Py Gleichung 5

Die P/jt-Matrix hat die spezielle, in Gleichung 1 dargestellte Form; es ist ebenfalls bekannt, daß die zugehörige inverse Matrix die gleiche Form hat.

Deshalb kann die J„t-Matrix auf eine Folge d_v komprimiert werden:

35 dik=d_vn\h v=k — 1
Hieraus folgt aus Gleichung 4:

Gleichung 5a

by = Σ 4·-/ ^v = Q für '. _φ Q-, ι ^; = -N,.. .,-1,0,1 + N.

Wird der Wert von ν hinreichend groß, geht p_v nach Null, wegen der bestimmten Breite des Schallstrahls. Durch Versuche ist bekannt, daß d_v der gleichen Gesetzmäßigkeit folgt. Deshalb kann das unbestimmte System der Gleichung 6 durch ein bestimmtes System nach Gleichung 7 ersetzt werden.

b_r = Σ ^rfv-,/>v =

i = 0 /*0'

Gleichung 7

niedrig gewählt wird, so werden die Kurven von b_v verzerrt, wie in Fig.4B dargestellt. Wenn eine solche Kurvenverzerrung geschieht, muß der Wert N höher genommen werden.

Um die Rechenzeit zu verkürzen, sollte Nso niedrig 55 Liegt ein symmetrisches Schallstrahlprofil p_, =/?+·. wie möglich gewählt werden, aber wenn N übermäßig vor, so geht Gleichung 7 über in:

Dies ist ein System von 2Λ/+1 Gleichungen mit 2N+ 1 unbekannten Elementen. In dieser Gleichung

t/v-i=0für|v-l|>/V

= Σ

i)Pr =

J ~_φ ο

Gleichung7a

Dieses System enthält nur N+l Gleichungen.

Das Ergebnis eines Versuchs im Durchlauf des Rechners ist in Fig. 4A dargestellt, welche ein Schallstrahlprofil zeigt, von dem angenommen wurde, daß es der Gausschen Kurve gemäß /"*=exp Jt²/4 folgt, zusammen mit dem Ausdrucken der /t-Folge. Mit f_v=p_v wurde die </v-Folge (tabellenförmig an der rechten Seite der Kurve 4 B dargestellt) aus der Gleichung 7a durch Einsetzen von N= 6 ausgerechnet. Die Gleichung 7 wurde unter Benutzung eines Wang-700-Rechners bei Benutzung des Programms 1003/MA3 ausgerechnet Die c/.-Folge gemäß F i g. 4B zusammen mit der /Ä-Folge gemäß Fig.4B gibt eine ώ,-Folge nach der inversen Faltung mit Hilfe der Gleichung 4. Die £>,-Folge ist an

der linken Seite der F i g. 4B graphisch ausgezogen.

F i g. 4 B kann entnommen werden, daß die Ausrechnung für /-O₁ 1 6 richtig ist, jedoch ist dort ein

Maximum bei /= ±8, und für Werte, die kleiner als 6 sind, liegen Schwingungen vor. Diese ausklingende Schwingung verschwindet, wenn für N, in der Gleichung 7a, ein Wert 12 oder mehr (nicht dargestellt) genommen wird.

Eine andere Möglichkeit, die ausklingende Schwingung nach F i g. 4B zu verringern, ohne daß übermäßig Zeit für den Rechner in Anspruch genommen wird, ist in F i g. 4C dargestellt. Bei diesem Rechnerdurchlauf, für die Gleichung 7a, wurde /= 1 unterdrückt und stattdessen wurde der Wert /=7 hinzugefügt. Diese Gleichungen werden mit der gleichen Arbeitszeit des Rechners wie in dem vorhergehenden Beispiel gelöst. Die uirFolgc für diesen Fa!! ist auf der rechten Seite der F i g. 4C dargestellt und auf der linken Seite die gefaltete Folge. Durch dieses Verfahren, (ohne die Notwendigkeit, weitere Gleichungen auszurechnen) verschwinden ausklingende Schwingungen. Die seitliche Auflösung ist nicht die optimale, aber sie ist wesentlich besser als ohne Benutzung des angegebenen Verfahrens (vergleiche F i g. 4A).

In an sich bekannter Weise werden B-Bilder, vgl. F i g. IA, durch Bewegung eines Prüfkopfes entlang der Oberfläche eines Prüfstückes (bzw. Patienten) gewonnen. Eine Vorrichtung, um den Prüfgegenstand in geeigneter Weise auf dem Bildschirm einer Braunschen Röhre darzustellen, ist in F i g. 5 gezeigt Das Faltungsverfahren gemäß Fig.4 kann auf solche Varianten ebenfalls übertragen werden und für alle Ausführungsvarianten benutzt werden. Ein Trigger 54 sendet Zeitimpulse zu einem Sendegenerator 52 als auch zu einem Kippgenerator 55, der mit dem Trigger 54 synchron gekoppelt ist. Die Folgefrequenz liegt im Bereich 500 Hz und 20 kHz und beträgt insbesondere 1 kHz. Durch den Kippgenerator 55 wird ein Signal auf dem Bildschirm eines Braunschen Rohres 57 senkrecht zur Laufzeitachse erzeugt. Eine die Position bestimmende Vorrichtung 58, im einfachsten Falle ein Potentiometer, ist mechanisch mit einem Prüfkopf 59 gekoppelt. Auf diese Weise wird die seitliche in der x-Koordinate liegende Bewegung des Prüfkopfes über die Oberfläche des Prüfstückes hinweg, dem Braunschen Rohr 57 übertragen, je nach der einzelnen Stellung des Prüfkopfes auf dieser Oberfläche. Die vom Prüfkopf 59 empfangenen, auf Echos zurückgehenden Signale werden durch einen Verstärker 51 verstärkt und über einen Videoverstärker 56 zur Steuerelektrode des Braunschen Rohres 57 weitergeleitet Ein Rechner 53 ist zum Videokreis in Reihe geschaltet, so daß die Folge von Echcsi^nalen /i von dem Verstärker der Faltung unterworfen wird.

Bei der Anordnung nach F i g. 5A ist ein Prüfkopf 59 durch eine Zeile von Prüfelementen 59a, 59b, 59c usw. ersetzt, die nacheinander durch einen elektronischen Schalter 586 synchron mit dem Trigger 54 erregt werden. Die Vorrichtung 58 zur Bestimmung der Position wird durch einen Stufengenerator 58a ersetzt, der synchron mit der Schaltfolge der Prüfelemente ein treppenförmiges Spannungsausgangssignal erzeugt welches zur Steuerung in der *-Achse des Braunschen Rohres 57 benutzt wird. Die anderen Funktionen entsprechen denjenigen gemäß F i g. 5.

Um die Erläuterung zu vereinfachen, soll ein Zeilenprüfkopf gemäß F i g. 5A 64 Elemente aufweisen, die voneinander um 1,56 mm getrennt sind, um eine 100 mm lange Zeile zu bilden. Der Schirm des Braunschen Rohres 57 erzeugt ein B-BiId, welches die Abmessungen 100 mm χ 100 mm hat, wobei die Darstellung in 64 Bildelementen pro Kolonne entlang der y-Achse als Zeitachse eingeteilt ist. Nun ist das vertikale Auflösungsvermögen y beschränkt auf 100/64 = 1,56 mm. Ist ein besseres Auflösungsvermögen erwünscht, muß man eine feinere Teilung vorsehen.

Beispiel

In einem Prüfstück aus Stahl, mit akustischer Geschwindigkeit c=5900 m/sec wird dem Eingang des Rechners 53 ein neuer Amplitudenwert /* für alle 2. Ay/c— 0,53 μβεΰ zugeführt (die Laufzeit für das Signal, um zweimal die Tiefe zu durchqueren). Handelsübliche Rechner sind nicht in der Lage, den Wert b, der Gleichung 4 innerhalb dieses kurzen Zeitintervalls zu berechnen. Deshalb konnte das Faltungsproblem bisher nicht in Echtzeit (real time) gelöst werden.
Wenn es jedoch, im Einzelfall, nicht auf Echtzeitdarstellung ankommt, so kann das Problem durch einen Minirechner gelöst werden, indem Signale vom Verstärker 51 in einer Folge über einen Analog-Digitalwandler dem Arbeitsspeicher des Rechners zugeführt 2s werden. Dieser Schritt kann innerhalb 0,53 see je /i-Wert durchgeführt werden. Die während des Versuches erhaltenden c/^Werte werden in einem anderen Teil des Arbeitsspeichers gespeichert. Im nachfolgenden werden die Ergebniswerte b-, berechnet, indem die Werte /* und d_v nach der Gleichung 4 verwendet werden und gespeichert werden.

Danach wird der fr-Speicher in einer Folge abgefragt und über einen Digitalanalogwandler an den Videoverstärker 56 gekoppelt. Die Ausgangssignale vom Videoverstärker 56 werden der Schreibelektrode des Braunschen Rohres zugeführt

Hinsichtlich der Folge der Werte d_v ist zu beachten, daß für jedes Tiefenintervall, d.h. für jeden 1,56mm betragenen Teil der B-Bilddarstellung man einen neuen Wert für d_v erhalten muß. Die praktische Ausführung zeigt jedoch, daß man den Aufwand verringern kann, indem zum Beispiel eine neue cA^Folge nur für je vier Tiefenbereiche, zum Beispiel alle 4 χ 1,56 mm = 6,25 mm erzeugt. Deshalb kann an Messungen während des Vorversuches als auch an Speicherkapazität im Rechner gespart werden. Diese Tatsache kann erfindungsgemäß vorteilhaft für die Echtzeitdarstellung wie nachfolgend angegeben, benutzt werden. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß in vielen handelsüblichen, das B-Bild darstellenden Geräten ein Verstärker 51 mit einer logarithmischen Kennlinie verwendet wird. Dies ist insoweit vorteilhaft weil ein logarithmischer Verstärker einen größeren dynamischen Bereich ak ein linearer Verstärker hat Das Ausgangssignal von dem logarithmischen Verstärker ist nicht die Amplitude der Folge /*, sondern vielmehr log /*.

Der Rechner muß diesen Wert zurück zum Wert

/*= 10^loe^ft umwandeln, was durch geeignete Programme möglich ist die für fast alle Prozeßrechner erhältlich sind. Um ferner Rechenzeit einzusperren, ist es im vorstehenden Fall vorteilhaft, anstelle der Folge

d_v die Folge log d, zu speichern, und anstelle des

Produkts Ax /*, die Summe log d,+ log /* zu bilden und dann diese Summe umzuwandeln. Hierdurch wird die erforderliche Rechenzeit verringert Ferner machen die speziellen Prozeßrechner für den Echtzeitbetrieb, die nachfolgend angezogen sind, teilweise davon Gebrauch.

Der Grund für die langen Rechenzeiten in den

handelsüblichen Prozeßrechnern besteht darin, daß diese Rechner für Serienoperationen bestimmt sind, d. h. für die Lösung der Gleichung 4 muß jede Multiplikation und Addition zeitlich eines hinter der anderen ausgeführt werden. Bei der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung benutzt man einen Digitalrechner gemäß F i g. 6 oder einen Analogrechner gemäß F i g. 7, wobei jeder die für die Gleichung 4 erforderliche Rechenoperation parallel zueinander, d. h. gleichzeitig ausführen. Deshalb ist die erforderliche Rechenzeit kleiner als 0,3 μβ und deshalb kann die Gleichung 4 in Echtzeit ausgerechnet werden. Beide Rechner bestehen aus handelsüblichen Einzelteilen, der Analogrechner gemäß F i g. 7 ist weniger teuer, aber der Digitalrechner gemäß F i g. 6 hat den Vorteil, daß er eine höhere Langzeitkonstanz aufweist.

Die Amplitudenwerte von log 4, vgl. F i g. 6, die vom logarithmischem Verstärker 51 herrühren, werden durch den Analog-Digitalwandler 61 zu einem z. B. 8-Bit-Binärwort umgeformt. Wenn das Verfahren in der oberen linken Ecke des B-Bildes beginnt, werden die log /o-Werte für die erste Senkrechte des B-Bildes dem Wandler 61 einer nach dem anderen zugeführt. Diese Werte werden einem 64-Positionen aufweisenden Schieberegister 62a zugeführt. Der Taktgeber 63 verschiebt das Schieberegister um alle v=0,53 μβεΰ um eine Stufe, so daß nach 64 Stunden der Wert log /o für die erste Zeile der Darstellung als letzte Position eines Schieberegisters 62a und zu Beginn des Schieberegisters 62a der Wert log /₀ für das letzte Segment der Zeile erscheint. Die Taktimpulse vom Taktgeber 63 werden gleichzeitig in einem 6-Bitbinärzähler 64 gezählt. Nach der 64sten Stufe erzeugt der Zähler ein Oberlaufsignal, durch den der Taktgeber 63 gestoppt und verhindert wird, daß weitere /-Signale in den Schieberegister 62a eingeführt werden. Dieser Wartezustand wird beibehalten, bis von dem Trigger 54 des B-Bildgeräts ein neues Startsignal zu dem Sendegenerator 52 abgegeben wird. Das Startsignal bezeichnet den Beginn einer neuen Zeile zum Aufbau des B-Bildes. Das Startsignal wird ebenfalls dazu benutzt, den Zähler 64 auf Null zurückzustellen und hierdurch den Überlaufzustand zu beenden. Nun erzeugt der Taktgeber 63 eine neue Folge von Wechselzeichen für die Schieberegister 62a, 626, 62c usw. Die programmierte Pause hält eine korrekte Synchronisation des Rechners mit dem Sendeimpuls der B-Bilddarstellung aufrecht.

Nach Erhalt des ersten Taktsignals von der neuen 64-Serie ist der Wert von log f\ für die nächste Zeile im Eingang des Schieberegisters 62a vorhanden, der Wert von log /o für die erste Zeile am Eingang des Schieberegisters 626. Nach einer neuen Folge von 64 Stufen befinden sich die Werte log /;, log /· und log 's im Eingang der jeweiligen Schieberegister 62a, 626 und 62c. Um die Gleichung 4 zu lösen, müssen 2/V (siehe Gleichung 7) 64-Stellungs-Schieberegister vorhanden sein, welche beim Start von 2Λ/+1 Taktimpulssignalen der 64er Serie vom Taktgeber 63 alle die Werte von log 4, erforderlich für die Gleichung 4, zur Verfügung stellen, eine hinter der anderen, derart, daß 4 nicht Null wird. Die nachfolgenden Taktimpulse erzeugen die zugehörigen Werte für die zweite, dritte bis vierundsechzigste Zeile der B-Bi!ddarstellung. Nach der nächsten vierundsechzigsten Serie erscheint die Folge log /2JV₊1 bis log /i sequentiell für alle Zeilen, und so fort.

Die Werte von log /k, die im jeweiligen Ausgang der Schieberegister vorhanden sind, werden den acht Λ-Eingängen (A·,, A₂ bis A_s) einer 8-bit parallelen Additionsstufe zugeführt. Die B-Eingänge dieser Additionsstufen erhalten Signale von den Festwertspeichern 68a, 686, 68c usw. Diese Speicher werden durch die vier wichtigsten bits des 6-bitzählers 64 adressiert, so daß immer nach vier Taktimpulsen eine neue Adresse vorliegt. Die Speicher 68a, 686, 68c usw. sind so programmiert, daß sie für jeden Adressenwert (log d-s,

log d-N+\ log/v) einen zugehörigen log c^Wert

bilden, der in Form eines 8-bit-Binärwortes am Ausgang vorhanden ist.

Deshalb ist die Summe

log d-N+ log 4, log d-N+1 + log 4₊1

usw. Im Ausgang der ersten Addierstufen 65a, 656, 65c, usw. vorhanden, und zwar in Form eines 8-bit-Binärwortes.

r*\ioco U/orte /Ίιοηαη ilc Δ HrACCA für ΠαΙ/λιτο ritkmiAr.

stufen 69a, 696, 69c usw. Diese sind in solcher Weise programmiert, daß sie für positive Werte von d_v im Ausgang den Wert \0A( = d-i<jx 4) als ein 8-bit-Binärwort bilden. Für die Delogarithmierstufen, verbunden mit einem negativen d_v (d. h. d-3, d-\, d\, <i, c/s ·..) wird das 2te Komplement von \0^A so programmiert, daß der negative Vorimpuls bzw. Vorzeichen des Produktes d_v χ 4 berücksichtigt wird.

Nachdem die Produkte Λ χ 4 gebildet sind, werden die Ausgangswerte von 2Λ/+1 Delogarithmierstufen 69a, 69£>, 69c, den 8-bit parallelen zweiten Addierstufen 66a, 666, 66c usw., stufenweise zugeführt, so daß in der letzten zweiten Addierstufe 66c, Fig.6. der b,-Wert synchron mit den Eingangswerten von log 4 erscheint, insbesondere die 64 Werte von b, erscheinen konsekutiv für die jeweilige erste, zweite, dritte... Kolonne.

Dann werden die Ausgangswerte 6, über einen Digitalanalogwandler 67 zu Analogsignalen umgewandelt und in den Videoverstärker 56 eingespeist.

Ein analoger Rechnerkreis gernäß F i g. 7 arbeitet nach dem gleichen Rechenprinzip wie der digitale Rechnerkreis gemäß F i g. 6. Der Verstärker 51 ist ein logarithmischer Verstärker, um den nachfolgenden Rechenvorgang zu vereinfachen. Ein Analogdigitalwandler ist nicht erforderlich. Es sind Schieberegister 70a, 70£>, 70c usw. mit gleicher Funktion wie in F i g. 6 vorgesehen, vorhanden, jedoch werden analoge Schieberegister nach dem Kontaktkettenprinzip (zum Beispiel SAM) benutzt. Die Funktionen eines Taktgebers 73 und eines Zählerblocks 76 sind identisch denjenigen in Γ i g. 6.
4 χ 8-bit-Speicher 77a, 77b, 77cusw. sind für die Werte 16 log d-N\ log d-N+\ bis log du für die jeweilige erste, zweite, dritte usw. Gruppe von vier Inkrementeinheiten programmiert.

Erste Addierstufen 7Ia. 7\h₇ 7icusw, die Widerstände enthalten zusammen mit Festwertspeichern 80a, 806.

80cusw. dienen dazu, die Summe log 4 + log c/_t zu bilden, wobei die jeweiligen, mit Festwertspeichern 80a. 80i>. 80c usw. in Verbindung stehenden ersten Addierstufen jeweils im Verhältnis von 1 : 2 :4 :8 usw. vorgesehen sind, so daß sie gleichzeitig als Digitalanalogwandler für die log c/^Werte dienen. Verstärker aufweisende Delogarithmierstufen 72a, 72b, 72c usw. haben eine exponentiell Spannungsleistungscharakteristik, so daß sie befähigt sind, log 4+log d_v in das Produkt 4 x d_v zu transformieren, was für den nachfolgenden Einsatz des Rechnerkreises erforderlich ist Die ersten Addierstufen 71a, 716, 71csind so eingestellt, daß die Delogarithmierstufen 72a, 726, 72c in ihrem steilen exponentielien Teil der Kurve arbeiten. Zum Beispiel liegt für einen

376-Verstärker der Optical Electronics, Inc. dieser Bereich zwischen 400 bis 700 mV. Demgemäß werden alle Produkte, die ein d_r mit positivem Index enthalten, zusammen einer zweiten Addierstufe 78a hinzusaddiert. Die Produktwerte, die mit d_v verbunden sind, aber einen negativen Tiefindex (ungerade d_v) haben, werden einer anderen Addierstufe 786 hinzuaddiert. Beide Summen werden einem Differenzverstärker 79 zugeführt, dessen Differenzsignal im Ausgang eines Verstärkers 79 den

Wert 6, in Übereinstimmung mit Gleichung 4, abgibt.

Beide vorstehenden, speziell konzipierten Rechner können verschiedenen Abänderungen und Kombinationen unterliegen. Zum Beispiel kann das Schieberegister 62 in F i g. 6 durch ein Analogregister, z. B. ein Bauteil 70, ersetzt werden. Dann muß der Analogdigitalwandler 61 im Schaltkreis hinter dem analogen Schieberegister angeordnet werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschallprüf vorrichtung mit einem Bildschirm zur B-Bilddarstellung akustischer Ungänzen,

einem mindestens aus einem akustischen Wandler bestehenden Prüfkopf, bei dem die Wandler in einer Reihe angeordnet sind,

mit einem dem Prüfkopf nachgeschalteten Empfangsverstärker zur Bildung von logarithmischen Echoamplitudensignalen log /*, wobei k eine ganze Zahl, verhältnisgleich zu einem Abtastintervall längs des Prüfstücks bzw. die Elementennummer längs der Prüfkopfreihe, ist

und mit einem dem Empfangsverstärker nachgeschalteten Rechner, der mit dem Eingang eines Videoverstärkers verbunden ist, dem ein Anzeigegerät mit Bildschirm zur Darstellung des B-Bildes angekoppelt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (53) zum sequentiellen Empfang der Echoamplitudensignale, k hintereinander geschaltete Schieberegister (62a, 626, 62c, 62c/; 70a, 706, 70c, 70c# aufweist, die über einen Taktgeber (63; 73) auf einen den Sendegenerator (52) auslösenden Trigger (54) geschaltet sind,

daß der Eingang des ersten Schieberegisters (62a; 70a) mit dem Empfangsverstärker (51) verbunden ist und daß sowohl dieser Eingang als auch die Eingänge der weiteren Schieberegister (626, 62c, 62t/; 706, 70c, 7Od) mit dem einen Eingang je einer dem jeweiligen Schieberegister zugeordneten ersten Addierstufe (65a, 656, 65c, 65c/; 71a, 716, 71c, 7\d) verbunden sind,

daß der zweite Eingang der jeweiligen ersten Addierstufe (65a, 656,65c, 65c/; 71a, 716,71c, 71c/; mit jeweils einem Festwertspeicher (68a, 686, 68c, 68c/; 77a, 776, 77c, 77d) verbunden ist, in dem die Schallstrahlstruktur des verwendeten Prüfkopfes in Form von logarithmischen Matrixwerter·» (log d_v, mit V=Ar-A) gespeichert sind und bei dem die Adressierung des jeweiligen Speichers (68a, 686,68c, 68c/; 77a, 776, 77c, 77d) durch einen Zähler (64; 76) erfolgt, der seinerseits mit dem Trigger (54) und mit dem Taktgeber (63; 73) in Verbindung steht, daß die Ausgänge der ersten Addierstufen (65a, 656, 65c, 65c/; 71a, 716, 71c, 7Ia^ jeweils über Delogarithmierstufen (69a, 696,69c, 69c/; 72a, 726, 72c, 7Id) mit je einer zweiten Addierstufe (66a, 666, 66c, 66c/; 78a, 786, 78c, 7Sd) zur Ermittlung des auf dem nachgeschalteten Bildschirm (57) anzuzeigenden Wertes