DE2933070C2

DE2933070C2 - Verfahren zur Umwandlung analoger elektrischer Signalwerte in digitale elektrische Signalwerte

Info

Publication number: DE2933070C2
Application number: DE2933070A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 5160 Düren Renzel; Werner 5013 Elsdorf Vermöhlen
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1978-09-12
Filing date: 1979-08-16
Publication date: 1982-06-03
Also published as: DK378779A; IT7950217A0; FR2436393A1; DE2933070A1; US4210904A; GB2032209A; JPS5555250A; CA1129067A; GB2032209B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung analoger elektrischer Signalwerte in digitale elektrische Signalwertp. bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschallimpulsen, mit wiederholt erzeugter die Ultraschallinformation enthaltender, analoger elektrischer Spannungs-Zeit-Funktion.

In der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschallimpulsen wird der Ultraschallimpuls durch elektroakustische Wandler, vorzugsweise piezoelektrische Wandler, erzeugt, wobei diese Wandler durch impulsförmige elektrische Signale zum Schwingen angeregt werden. Ebenso wird der Ultraschall aus dem Werkstück mit elektroakustischen Wandlern, wieder vorzugsweise elektroakustische Wandler, empfangen und in elektrische Signale umgewandelt Zum Aussenden und Empfangen der Ultraschallimpulse kann derselbe Wandler verwendet werden.

Aus dem Amplitudenvergleich zweier oder mehrerer aufeinanderfolgender elektrischer Signale, die durch den Empfang der Ultraschallsignale entstehen, aus dem zeitlichen Verlauf dieser Signale und aus der zeitlichen Differenz mehrerer aufeinanderfolgender Signale werden Werte zur Befundbildung gewonnen. Allgemein werden die elektrischen Signale als Spannungs-Zeit-Funktion auf dem Leuchtschirm eines Kathodenstrahloszilloskops bildlich dargestellt (Α-Bild). Zum Vergleich mit Weiten, die an anderen Prüforten des Prüfstückes oder zu anderer Zeit am gleichen Prüfort oder an besonderen Vergleichsstücken anstatt des Prüfstückes gewonnen werden oder wurden, müssen die Anzeigen des Kathodenstraliloszilloskops bzw. die Spannungs-Zeit-Funktionen gespeichert werden, um sie ggf. miteinander vergleichen zu können.

Es ist bekannt, bei der Automation der Prüfverfahren Rechner einzusetzen, die dann aufgrund von Vergleichen der Spannungs-Zeit-Funktionen vorprogrammierte Entscheidungen fällen können. Zu diesem Zweck ist es notwendig, die elektrischen Analoginformationen, also die Spannungs-Zeit-Funktion, in digitale Signale zur Verwendung im Rechner bzw. zur Abspeicherung umzuwandeln. Hierbei kann dann sogar auf die bildliche Darstellung der Spannungs-Zeit-Funktion auf dem Leuchtschirm des Kathodenstrahloszilloskops verzichtet werden.

Ein bekanntes Verfahren, das zur Aufbereitung der analogen A-Bild-lnformation für den Rechner, also zur A/D-Umwandlung (Analog-Digital-Umwandlung) benutzt werden kann, arbeitet nach dem Abtast- und Halteprinzip. Dieses Verfahren ist z. B. beschrieben in »Electronik« 1975, Heft 2, S. 85-86, und Heft 3, S. 105 — 106, erschienen im Franzis-Verlag, München, sowie in der US-PS 38 57 052. Bei dem Abtast- und H alte verfahren werden die Zeitachse (Abszisse) und die V-Achse (Ordinate) rasterförmig unterteilt. Ein Rasterabschnia ist gleich einem bit für einen Speicher bzw. Rechner. Die Zeitachse entspricht beim Impuls-Echo-Prüfverfahren dem Schallaufweg entsprechend der Gleichung

S = Sy+Cp · tp

Hierin bedeutet:

s = gesamter Schallaufweg für Hin-und Rücklauf des Schallimpulses,

Sv = Summe der Vorlaufstrecken, die nicht zum Prüfstück gehören,

Cp = Schallgeschwindigkeit im Prüfstück,
tp = Laufzeit des Impulses im Prüfstück.

Wegen der in der Praxis geforderten Auflösung der

bo Laufweg- bzw. der Laufzeitachse (2'eitachse), wird diese allgemein in 256 bit eingeteilt. Für die Auflösung der Funktionswerte, also für die Ordinatenachse, genügt in der Praxis oft eine Ordinateneinteilung in 64 bit.

Zur Analog-Digital-Umwandlung nach dem genannten Abtast- und Halteverfahren muß nun die Spannungs-Zeit-Funktion 256mal abgebildet tew. erzeugt werden. Das Ultraschallgerät gibt zu diesem Zweck auf den elektroakustischen Wandler mit einer vorgegebe-

nen Taktfrequenz so viele Impulse, wie für die Umwandlung (hier 256) notwendig sind. Ein so erzeugter Ultraschall-Impuls wird im Prüfstück an einem Reflektor, das kann auch die Rückwand des Prüfstückes sein, reflektiert und empfangen und in ein elektrisches Signal umgesetzt und als Spannungs-Zeit-Funktion y(t) auf dem Kathodenstrahloszilloskop abgebildet Bei den üblichen Ultraschall-Geräten erfolgt beispielsweise jede 1/200 Sekunde eine Impulsaussendung. Dieser Vorgang, also die Aussendung von iu Ultraschallimpulsen, muß sich nun 256mal zur Abtastung der Zeitachse wiederholen. In dieser Zeit darf sich die Spannungs-Zeit-Funktion y(t) nicht verändern. Das ergibt, wie ein Zahlenbeispiel zeigt, eine nachteilig lange Zeit Mit dem ersten Impuls wird auf der Zeitachse ein erstes Intervall Δί\ = fi — <b gesetzt und y(At\) abgefragt und gespeichert Mit der zweiten Impulsauslösung wird das Intervall Ati=h—t\ gesetzt und y(At$ abgefragt and gespeichert Mit 256 Impulsfolgen ist dann die Zeit-Funktion y(t) abgefragt Der Um'vandlungsvorgang dauert demzufolge mit den beispielsweise genannten Werten

256--^-s= 1,28 s,

200

d. h. für diese Zeit muß das A-BiId, dargestellt durch die Spannungs-Zeit-Funktion y(t) reproduzierbar sein, also entweder in seinen gesamten elektrischen Analogwerten oder eben als Darstellung auf dem Leuchtschirm des Kathodenstrahloszilloskops konstant bleiben. Das bedeutet bei der Prüfung mit den gegebenen Werten eine Mindesttaktzeit von 1,28s, d.h. erst nach dieser Zeit kann der nächste Ultraschallimpuls einem anderen Ort des Prüfstückes erfolgen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das wesentlich schneller arbeitet ohne an Auflösungsvermögen sowohl für die Zeitachse als auch für die Ordinate zu verlieren und ohne die Impulsfolgefrequenz zu vergrößern.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.

Das Verfahren wird im folgenden beispielsweise anhand der Fig. la und Ib näher erklärt Anhand der Fig.2 wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.

In Fig. la ist die Spannungs-Zeit-Funktion mit stufenweise heraufgesetzten Spannungswerten an einem Komparator, und in Fig. Ib das zur Fig. la zeitrichfig zugeordnete Impulsschema dargestellt.

F i g. 2 zeigt das Blockschaltbild der Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.

In der beispielsweisen Beschreibung des Verfahrens wird der ungünstigste Fall angenommen, daß die in Digitalwerte umzuwandelnde Spannungs-Zeit-Funktion jftjt das ist die Kurve 1 in der Fig. la, im folgenden Signalspannung genannt, die gesamte Tiefe der in 64 bit eingeteilten Ordinate beansprucht. Im ersten Zyklus liegt am Eingang 40 des Komparators 38 eine niedrigste Spannung der Höhe A 1 an. Beim Durchtakten der Zeitachse mit 256 bit überschreitet zum Zeitrasterabschnitt f3o der Funktionswert y(tyn) der Kurve 1 am Eingang 36 des Komparators die Schwelle A 1 und erzeugt am Ausgang 42 des Komparators einen Η-Zustand. Beim Unterschreiten der Schwelle A 1 zum Zeitrasterabschnitt fr» geht das Digitalsignal in den L-Zustand über; damit ist für diesen Abfragezyklus das Digitalsignal !01 in 256 gleichen Zeitrasterabschnitten im Schieberegister 28 abgespeichert Nun wird am Komparatoreingang 40 die Vergleichsspannung um den Spannungswert von 1 bit auf den Wert A 2 heraufgesetzt, und es erfolgt eine digitale Signalbildung wie im ersten Zyklus, wodurch im Schieberegister 28, das zwischenzeitlich seine Information aus dem ersten Zyklus an den Speicher 29 des Mikroprozessors weitergegeben hat, das wieder in 256 Zeitrasterabschnitten unterteilte zweite Digitalsignal 102 abgespeichert ist Mit der Erhöhung der Vergleichsspannung am Komparator um jeweils 1 bit entstehen dann die weiteren Rasterzeilen mit den Digitalsignalen 103,104, 105 usw. Liegt am Komparator im 64. bit die Vergleichsspannung A 64 an, wird im Zeitrasterabschnitt fi5o das Signal 164 gebildet, das nur während des Zeitrasterabschnittes fiso einen Η-Zustand aufweist Die Signale 101 bis 164 werden jeweils zwischen den Meßzyklen über die Leitung 48 in den Speicher des Mikroprozessors geschoben und im Rechenteil des Mikroprozessors den Zeitrasterabschnitten ii bis tu*, zugeordnet aufaddiert so daß nach Ablauf der 64 stufenweisen Erhöhungen der Eingangsspannung am Komparator die Signalkurve 1 gerastert in beiden Koordinaten, also in der Zeitachse und in der Ordinate (Amplitude) durch Digitalwerte abgespeichert ist

Damit ergibt sich für das genannte Beispiel eine Dauer des Umwandlungsvorganges von

64

1
200

s = 0,32 s.

Das ist gegenüber dem Sample and Hold-Verfahren eine Zeitverkürzung von

1,28 s __Λ
0,32 s

Signale mit geringerer Amplitude (Ordinatenwerte) werden in noch kürzerer Zeit umgewandelt, da, wie noch beschrieben wird, der Umwandlungsvorgang beendet ist, wenn die Signalspannung 1 letztmalig einen Schwellenwert zwischen A 1 und A 64 überschritten hat. Hat die Signalspannung einen Höchstwert von N bit (1 <N<N_max, wobei N_max die max bitzahl für die Ordinate ist, hier Λ/™,,=64), so dauert der Umwandlungsvorgang vorteilhafterweise nur

Tn=N-

200

■0,32 s

für das angeführte Zahlenbeispiel.

Allgemein ist die Umwandlungszeit durch folgende Beziehungen gegeben:

Jf

Hierin bedeuten

Ty = Umwandlungszeit

Tf = Folgezeit der Impulsaussendungen

f_F = Impulsfolgefrequenz für die einzelnen Meßzyklen; im Beispiel die Frequenz des Zeitgebers 11.

Weiter ist es vorteilhaft, mit der Analog-Digital-Umwandlung erst zu beginnen, wenn die Signalspannung empfangen wird bzw. erwartet wird, um die Einteilung der Zeitachse, hier in 256 bit, auch für die Umwandlung

voll auszunutzen und nicht die Laufzeit des Ultraschallimpulses im Werkstück mit in die Umwandlungszeit einzubeziehen. Hierfür wird mit der Erzeugung der 256-bit-Rasterung der Zeitachse erst begonnen, wenn das Signal erwartet werden kann. Der verzögerte Einsatz des Impulsgebers für ein Schieberegister 28 gegenüber dem Zeitgeberimpuls für die Schallaussendung und Haupttriggerung erfolgt mit einem an sich bekannten Zeitverzögerungsglied 14.

Im Blockschaltbild der F i g. 2 wird eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens beschrieben. Der Mikroprozessor 10 gibt einen Setzimpuls über die Leitung 22 an den Digital-Analogwandler 20, dessen Ausgangsspannung A1 damit am Punkt 40 des !Comparators 38 auf den Niedrigpegel eingestellt wird. Dieser Digital-Anaiogwandler kann vorteilhafterweise langsam arbeiten. Ebenfalls gibt der Mikroprozessor 10 einen Startimpuls, der als Haupttriggerimpuls über die Leitung 12 der Impulsverzögerungsstufe 14 und gleichzeitig über die Leitung 16 dem Ultraschallsender 18 zugeführt wird, der den Prüfkopf 24 zum Schwingen anregt. Kurz vor dem Haupttriggerimpuls, gleichzeitig mit diesem oder kurz nach diesem, wird über die Leitung 30 der Zähler 26 auf Null gestellt. Der Empfänger 34 erhält vom Prüfkopf 24, um die Laufzeit des Ultraschallimpulses im Werkstück verzögert, ein elektrisches Signal, das z. B. die Zeit-Funktion des Schalldruckes darstellt und in seinem Zeitverlauf als Kurve 1 dargestellt ist Die empfangene und im Empfänger 34 verstärkte Signalspannung 1 wird dem Eingang 36 des Komparators 38 zugeführt. Dieser Komparator vergleicht dieses Signal mit der vom Digital-Analogwandler 20 gelieferten niedrigsten Ausgangsspannung Λ 1, die am Eingang 40 anliegt Zu der Zeit zu der die Signalhöhe des anliegenden Signals 1 die Vcrgleichsspannung am Punkt 40 des Komparators, also die Spannung A 1, überschreitet, geht der Komparator vom Niedrigpegel L auf den Hochpegel H über und erzeugt ein Digitalsignal 101 auf der Leitung 42. Dieses Digitalsignal geht in den L-Zustand zurück, sobald das Signal 1 am Eingang 36 die Spannungsschwelle A 1 unterschreitet

Die Impulsverzögerungsstufe 14 erzeugt auf der Leitung 44 einen Auslöseimpuls für den Impulsgenerator 46, der zeitlich derart verzögert ist, daß der Impulsgenerator 46 erst dann beginnt Schiebeimpulse für das Schieberegister 28 zu erzeugen, wenn die Signalspannung 1 erwartet wird. Die Verzögerungszeit ist wählbar oder einstellbar. Das erlaubt, das Schieberegister, das die Zuordnung der Digitalsignale zum Zeitraster, gegeben durch die Tiefe des Schieberegisters (hier 256 bit), vornimmt, für die Zeitspanne voll auszunutzen, in der eine Signalspannung auch vorhanden sein kann. Die Impulsverschiebung kann so gelegt werden, daß die Zeitachsenrasterung erst unmittelbar vor AnÜegen eines Signals erfolgt In unserem Beispiel ist die Verzögerang so gewählt daß das Signal beim 30. bit der Zeitachse vorhanden ist Mit der Rasterung der Zeitachse muß zu der Zeit begonnen werden, zu der ein frühestes auszuwertendes Signal erwartet wird Durch den verzögerten Impuls wird über die Leitung 44 der hochfrequente Impulsgenerator 46 gestartet der die hochfrequenten Impulse der Frequenz /» die dem Schieberegister 28 und dem Zähler 26 zugeführt werden, erzeugt Das Schieberegister 28 startet folglich mit der gleichen Verzögerung gegenüber dem Startimpuls und schiebt mit den hochfrequenten Schiebeimpulsen der Frequenz /j- bis zur vorgegebenen bit-Zahl (ST, hier 256 bit) durch. Der Zähler 26 zählt hierbei die Schiebeimpulse und sperrt bei Erreichen des maximalen Zählerstandes (ST), also bei Erreichen der 256. Stelle, den hochfrequenten Generator 46, da nicht mehr Impulse, als es bei der Schieberegistertiefe entspricht, gegeben werden dürfen.

Die Frequenz f, des Impulsgenerators 46 bestimmt den Zeitbereich, in dem das auszuwertende Signal 1 erwartet und A/D-gewandelt wird. Der Zusammenhang

to zwischen Signalerwartungsbereich Tb, also der Zeitbereich von fo bis f255 und der Generatorfrequenz //und der Tiefe des Schieberegisters (ST) (hier 256 bit), ist festgelegt durch

Im ausgeführten Beispiel beträgt daher, wenn / = 10 MHz gewählt wurde

256

10 · 10"⁶s

-6--1

25,6 ms.

Im Schieberegister ist nun eine Teilabbildung der Signalspannung 1 für die Schwellenwerthöhe A 1 als Digitalsignal 101 vorhanden. Mit einer dem Mikroprozessor eigenen verhältnismäßig tiefen Frequenz, z. B. 13,3 kHz, schiebt dieser den Inhalt des Schieberegisters 28 über die Leitung 48 bit für bit in den vom Mikroprozessor kontrollierten Speicherbereich 29 ein. Jedes bit ob Η-Zustand oder L-Zustand, wird entsprechend seiner Zeitposition im Schieberegister zum Inhalt des dazugehörigen Speicherbyte addiert Im nächsten Zyklus wird der Pegel am Komparator 38 um den Spannungswert von 1 bit auf den Wert A 2 erhöht. Das erfolgt durch den D/A-Wandler 20, der mit jedem Impuls auf der Leitung 22 seine Ausgangsspannung um den Spannungswert eines bits erhöht Es läuft wie eben geschildert ein weiterer Zerlegungsvorgang ab. Hierbei

wird das Digitalsignal 102 erzeugt Dieses Signal wird dann im Speicher des Mikroprozessors zeitrichtig zu den Zeitwerten der ersten Zeile, also dem Signal 101, addiert Dieser Vorgang, d.h. die Erhöhung des Schwellenwertes am Komparator um jeweils den Spannungswert von 1 bit und die Bildung der Digitalsignale 101 bis 164, entsprechend der analogen Kurve 1, die in jedem dieser Zyklen wiederholt erzeugt wird, wiederholt sich maximal 64maL Im Speicher steht dann nach Ablauf dieser maximal 64 Zyklen zu jeder Zeit die Addition der in die bit-Schritte zerlegten Kurvenhöhe zum Abfragen zur Verfugung.

Um nicht sofern die Kurvenhöhe nicht die 64 bit der Ordinate in Anspruch nimmt unnütz 64 Zyklen durchzufahren, wird am Punkt 40 des Komparators die Vergleichsspannung nur solange erhöht, wie auch Digitalsignale auf der Leitung 48 in den Speicher geschoben werden. Fehlt in einem Zyklus dieses Digitalsignal, so wird die Flip-Flop-Stufe 50 in diesem Zyklus nicht mehr gesetzt und der Speichervorgang

beendet Hat die Flip-Flop-Stufe SO den Speichervorgang beendet oder wurde der letzte Zyklus mit der höchsten Vergleichsspannung A 64 am Punkt 40 des Komparators 38 abgeschlossen, wird der Digitalanalogwandler 20 über dje Leitung 23 zurückgesetzt, und es kann mit dem folgenden Haupttriggerimpuls eine neue Spannungs-Zeit-Funktion 1 erzeugt und zerlegt werden. ' Dieses Verfahren und die Vorrichtung erlauben eine schnelle Zerlegung eines elektrischen Analogsignals in

Digitalsignale zur Eingabe in einen Rechner und/oder zur Eingabe in einen Langzeitspeicher und/oder in ein Ausgabegerät (Drucker) und/oder zur Steuerung nachfolgender Prüf- und Fertigungseinrichtungen und/ oder zur Befundbildung.

Hicr/u 2 Blai! Ze

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Umwandlung analoger elektrischer Signalwerte in digitale elektrische Signalwerte bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschallimpulsen mit wiederholt erzeugter, die Ultraschallinformation enthaltender, analoger elektrischer Spannungs-Zeit-Funktion,

dadurch gekennzeichnet,
daß zur Digitalisierung einer elektrischen Spannungs-Zeit-Funktion (1) die Ordinate der elektrischen Signalwerte in Rasterzeilen zerlegt wird, indem eine kleinste Vorgabespannung (A 1) angelegt wird und daß digitale H-Signal-Werte (101) dann entstehen, wenn die in einem ersten Meßzyklus durch einen ersten Ultraschallimpuls erzeugte analoge elektrische Signalspannung (1) diese Vorgabespannung (Ai) überschreitet und daß digitale L-Signal-Werte entstehen, wenn die analoge elektrische Signalspannung (1) die Vorgabespannung unterschreitet,

daß in einem zweiten und weiteren Meßzyklus die Signalspannung (1) durch einen zweiten und weiteren Ultraschallimpuls wiederholt erzeugt wird und eine zweite und weitere Rasterzeile entsteht, indem die Vorgabespannung (A 2 - A 64) jeweils um 1 bit auf jeweils einen nächsthöheren Wert heraufgesetzt wird und in dieser jeweiligen Rasterzeile digitale H-Signal-Werte (102—164) dann entstehen, wenn die erzeugte analoge elektrische Signalspannung (1) die heraufgesetzte jeweilige Vorgabespannung (A 2- A 64) überschreitet und digitale L-Signal-Werte entstehen, wenn die analoge elektrische Signalspannung die heraufgesetzte jeweilige Vorgabespannung unterschreitet,

daß Beginn und Ende der digitalen Signalwerte in der zweiten und weiteren Rasterzeile zu den bereits vorhandenen digitalen Sign&lwerten zeitrasterrichtig addiert werden,

daß Beginn und Ende des digitalen Signalwertes zeitrasterabhängig abgespeichert werden,
daß ein gerasteter Zeitmeßstab auf der Abszisse durch ein Schieberegister (28) festgelegt wird und daß das Verfahren abgebrochen wird, wenn eine maximale, vorgegebene Anzahl von Rasterzeilen erzeugt oder in der Rasterzeile eines bestimmten Meßzyklus ein H-Signal-Wert nicht auftritt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schieberegister einen gerasterten Zeitmaßstab erst eine vorbestimmte Zeit nach Auslösung eines Ultraschallimpulses startet