DE2925522C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur digitalen Messung analoger Meßgrößen - Google Patents

Verfahren und Schaltungsanordnung zur digitalen Messung analoger Meßgrößen

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Description

= A1 +
wobei A,der am Ende /-ten Zeitintervalls angezeigte Meßwert und N; +i die um einen Mittelwert schwankende Anzahl der Impulse des /+1-ten Zeitintervalles und ceine Konstante > I1 für die gilt:
c>
Genauigkeit des in einem
Zeitintervall gemessenen Meßwertes
gewünschte Genauigkeit des zu
bestimmenden Meßwertes
lange, bis eine Meßwertanzeige erfolgt. Schnelle, dynamische Veränderungen der Meßgröße können daher nicht erfaßt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Meßverfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem es möglich ist, auch bei nur sehr kurz anstehenden Meßwerten eine Anzeige mit ausreichender Genauigkeit zu erhalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Durchführung des Verfahrens durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die vorliegende Erfindung beruht also darauf, daß nicht erst, wie bei den bekannten Verfahren, nach Ermittlung der Impulsraten einer vorgegebenen Anzah' von Zeitintervallen eine Meßwert-Anzeige erfolgt, sondern am Ende jedes Zeitintervalles wird bereits ein Wert angezeigt, der sich aus der Beziehung
25
bedeuten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen die Konstante c derart gewählt wird, daß ihr Zahlenwert proportional zur Schallgeschwindigkeit des Prüfstückes (6) ist
3. Verwe; dung des Verfahrens nach Anspruch 2 bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach der Impuls-Echomethode, insbesondere zur Bestimmung geometrischer Abmessungen der Prüfstücke
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Vorwärts-Rückwärtszähler (2), eine mit diesem Zähler verbundene Anzeigevorrichtung (1), einem Zwischenspeicher (3) zur Speicherung des Anzeigeergebnisses und einem Divisionsglied (4), das den Speichereinhalt aufnimmt und dess?.n Ausgang mit dem Vorwärts-Rückwärtszähler (2) verbunden ist.
50
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur digitalen Messung analoger Meßgrößen, bei dem die digitalisierte Meßgröße dadurch bestimmt wird, daß aufeinanderfolgende Zeitintervalle gebildet werden und die Anzahl der Impulse eines Taktgenerators hoher Frequenz, die jeweils in ein Zeitintervall fallen, gemessen werden. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Verwendung des Verfahrens zur Wanddickenmessung mit Hilfe des Ultraschall-Impuls-Echoverfahrens. .
Verfahren und Schaltungsanordnungen der erwähnten Art sind beispielsweise aus der DE-OS 26 25 162 bekannt Dabei werden von der gleichen Meßgröße die Impulsraten mehrerer Zeitintervalle benötigt* Ütti einen Mittelwert der Meßgröße zu bestimmen. Da die Zahl der zur Mittelwertbildung herangezogenen Zeitintervalle i.d. R. >400 ist, muß einerseits der Meßwert relativ länge anstehen, Andererseits dauert es relativ An-1 =
ergibt, wobei N1 +! die um einen Mittelwert schwenkende Anzahl der Impulse des /+ 1-ten Zeitintervalles und c eine Konstante >1, für die gilt:
c>
Csnauigkeit des in einem
Zeitintervall gemessenen Meßwertes
gewünschte Genauigkeit des zu
bestimmenden Meßwertes
bedeuten.
Besonders vorteilhaft läßt sich dieses Verfahren verwenden, wenn die Zeitintervalle in Bezug auf die Taktfrequenz relativ schmal gewählt werden. Zwar sind die ersten angezeigten Meßwerte At. A2, ... relativ ungenaue Näherungen der Meßgröße, aber der Beobachter hat sofort einpp. Oberblick über die Größenordnung der Meßgröße. Je !anger die Meßgröße ansteht, desto genauer wird der angezeigte Wert, weil bei der jeweils neuen Meßwerteimittlung die vorhergehenden Meßwerte berücksichtigt werden. Der Messende kann daher weitgehend selbst bestimmen, wie genau er die Meßgröße bestimmen will. Nach c Messungen erhält er dann einen Meßwert, der demjenigen herkömmlichen Mittelwertmeßverfahren entspricht (vgl. auch die eingangs zitierte DE-OS 26 25 162).
Die Konstante chat die Bedeutung einer Dämpfungskonstanten, wie nach Umschreiben der GI. (1) ersichtlich ist:
-i A1 = Λ,.,., - /), = ZV,*,
woraus näherungsweise folgt:
d/ c
mit der Lösung:
Ai
—
-e e J
A = c- ti \i
Der angezeigte Meßwert A. nähert sich also ähnlich wie bei einem Galvanometer exponentiell dem richtigen
Ergebnis (Elektronisches Galvanometer). Die Dämpfung wird durch die Wahl von c vorgegeben.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
F i g. 2 ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Wanddikkenmeßgeräts, in dem die Schaltung nach F i g. 1 verwendet wird und
Fig.3 den zeitlichen Verlauf der angezeigten Wanddickenwerte A-,des Geräts nach F i g. 2.
Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung, die beispielsweise zur Messung von Frequenzen verwendet werden kann, besteht aus einer Anzeigeeinrichtung 1, einem Vorwärts-Rückwärtszähler 2, einem Zwischenspeicher 3 und einem Divisionsglied 4. Die Verarbeitung der eintreffenden Impulsraten erfolgt taktweise mit Hilfe einer nicht dargestellten Taktsteuerung. Während eines 1. Taktes wird die neu eintreffende Impulsrate N,■■ + \ in den Vorwärts-Rückwärtszähler 2 eingeschrieben, so daß dieser Zähler den digitalen Wert Aj+N- + \ besitzt Während eines Z Taktes erfolgt dann die ilorrektur dieses Wertes, indem aus dem Speicher des Divisionsgliedes 4 der Wert Ai/c ausgelesen wird und ein Rückwärtszählen des Zählers 2 bewirkt. Während eines 3. Taktes schließlich wird der Wert Ai + I=A,+N1+I-AiZc aus dem Zähler 2 ausgelesen und sowohl der Anzeigevorrichtung 1 als auch über den Zwischenspeicher 3 dem Divisionsglied 4 zugeführt. Anschließend kann der nächste Wert N, +2 in den Zähler 2 eingelesen werden.
Die Konstante c, durch die der jeweilige in das Divisionsglied 4 gelangende Wert geteilt wird, hat, wie bereits erwähnt, die Bedeutung einer Dämpfungskonstanten. Je größer ihr Wert ist, desto langsamer
konvergieren die jeweils angezeigten Werte Ah A, +
in Richtung auf die tatsächlich anliegende Meßgröße. In der Regel wählt man daher c derart, daß der statistische Fehler den nach GI. (1) gemittelten Meßwertes kleiner als die vorgejebene Genauigkeit ist und die Zeitdauer, bis dieser Meßwert angezeigt wird, möglichst klein gehalten wird.
Da es mit üblichen Divisionsgliedern mit vertretbarem Aufwand nicht möglich ist, den Ausdruck Ai/c mit beliebiger Genauigkeit zu realisieren, geht man in der Schaltungs-Praxis häufig auch von dei/i Ausdruck
iIntl0"f
aus. Dabei bedeutet
Komma des Ausdrucks /W/t im statistischen Mittel mit berücksichtigt wird.
Besonders vorteilhaft hat sich das neue Verfahren bei dem US-Wanddickenmeßgerät gem. Fig.2 bewährt, ä Diejenigen Baugruppen, die auch in Fig. 1 dargestellt sind, sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden. Die Konstante c hat in diesem Fall allerdings nicht nur die Bedeutung einer Dämpfungskonstanten, sondern wird auch so gewählt, daß sie proportional zur
Schallgeschwindigkeit ν des Prüfstückes 6 ist Dadurch wird erreicht, daß die Anzeige, im Gleichgewichtsfall (A1=Aj + 1) unabhängig von der Schallgeschwindigkeit wird. Denn nach Gl. (1) gilt in diesem Fall: Ai- vNj und für Ν gilt allgemein: N1-2 df/v, wobei c/die Dicke des Prüfstücks und /"die Taktfrequenz des in Fig.2 mit 12 bezeichneten Taktgenerators bedeuten, so daß At~2 df und damit unabhängig von ν ist Wechselt man das zu prüfende Material (z. B. AI statt Fe), so braucht lediglich beispielsweise mit Hilfe eines Sprossenschalters 5 ein dem Prüfstück entsprechender c-Wert eingestellt zu werden. Der in der DE-OS 26 25 162 zusätzlich vorhandene Kreis, um die Zahl -'er Zeitintervalle festzulegen, entfällt daher.
Der aus dem Impulsgeber 7, dem Prüfkopf 8, dem Empfänger 9 sowie dem Impulsfolgefrequenzgeber 10, dem Flip-Flop-Kreis 11, dem Taktgenerator 12 und dem UND-Glied 13 bestehenden Teil des Dickenmeßgerätes ist hingegen auch in dem US-Wanddickenmeßgerät nach der DE-OS 26 25 162 vorhanden und braucht daher hier nicht näher beschrieben zu werden.
F i g. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der angezeigten Dicken eines Wanddickenmeßgerätes, wie es in Fig.2 dargestellt ist (Kurve a). Die Frequenz des Taktgenerators 12 betrug 5 MHz, während die Frequenz, mit der die Zeitintervalle wiederholt werden, 2,5 KHz betrug. Bei dem Prüfstück 6 handelte es sich um eine 6 mm dicke Stahlplatts
v = 5920 JIL
V see
Da die Genauigkeit des in einem Zeitintervall besi:mmten Meßwertes etwa ±03 mm beträgt und die gewünschte Genauigkeit mindestens ±0,1 mm betragen sollte, muß c> 9 sein. Wegen der Forderung c~ ν sei beispielsweise
Int 10" —
den Ganzzahlanteil des Quotienten
10"
592
10
60.
η wird so gewählt, daß die Anzahl der Stellen hinter dem Der Mittelungsprozeß verläuft dann über ungefähr 60 Zeitintervalle und ergibt eine Wanddickengenauigkeit von <O1 mm. Für den Gleichgewichtsfall gilt dann die Beziehung A1= 100 · d.
Während bei einem vergleichbaren Meßgerät nach der obenerwähnten Offenlegungsschrift erst nach 0,25 bis 03 see eine Anzeige (Kurve b) erfolgt (dieses ist abhängig von der zeitlichen Lage des Aufsetzpunktes des Prüfkopfes zum Beginn des ersten voll erfaßten Mittelungsintervalls), erhält der Betrachter bei Verwendung der vorliegei Jen Erfindung bereits nach 0,05 see einen Wert, der bereits relativ gut mit der Meßgröße übereinstimmt.
Hierzu i Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur digitalen Messung analoger Meßgrößen, bei dem die digitalisierte Meßgröße dadurch bestimmt wird, daß aufeinanderfolgende Zeitintervalle gebildet werden und die Anzahl der Impulse eines Taktgenerators hoher Frequenz, die jeweils in ein Zeitintervall fallen, gemessen werden, dadurch gekennzeichnet,daß am Ende des /+1-ten Zeitintervalles ein Wert angezeigt wird, der durch die folgende Beziehung bestimmt ist:
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