DE3009574A1

DE3009574A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der schallgeschwindigkeit in einem material vorgegebener dicke

Info

Publication number: DE3009574A1
Application number: DE19803009574
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 5300 Bonn Kroesen; Peter Dipl.-Ing. 5160 Düren Renzel
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co; Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1980-03-13
Filing date: 1980-03-13
Publication date: 1981-09-17
Also published as: DE3009574C2; US4364114A

Description

Krautkrämer öuibH 1o. März 198o

Luxemburger SLr. 449 P/bdl

5ooo Köln 41 κ—141

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG DER SCHALLGESCHWINDIGKEIT IN EINEM MATERIAL VORGEGEBENER DICKE.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einem Material vorgegebener Dicke durch Messung der Laufzeiten des ersten und zweiten Rückwandechos mit Hilfe eines Impuls/Echo-Ultraschall (US-) Handprüfgerätes, das außer einer Blendenschaltung zur Festlegung eines Meßerwartungsintervalles eine Schwellwertschaltung zur Bewertung der Amplitudenhöhe der gemessenen Echos besitzt.

Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit mit Hilfe von Impuls/ Echo-US-Handprüfgeräten sind bekannt. Entweder sind diese Verfahren aber - wie im Falle der DE-OS 19 53 567 und der DE-OS 23 29 826 - nur im Tauchtechnikverfahren verwendbar oder es sind relativ aufwendige Justiervorgänge erforderlich. Außerdem werden nur zum Teil Änderungen der Vorlauflänge des verwendeten Prüfkopfes berücksichtigt, wodurch die gemessenen Schallgeschwindigkeiten bei Verwendung älterer Prüfköpfe relativ ungenau sind. Sofern Änderungen der Vorlauflänge des jeweiligen Prüfkopfes durch entsprechende Justiervorgänge berücksichtigt werden können, erhält aber der Prüfer über die Änderung der Vorlauflänge selbst keine Angaben.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem es möglich ist, ohne aufwendige Justiervorgänge einerseits die Schallgeschwindigkeit in einem Prüfstück vorgegebener Dicke zu messen und andererseits gleichzeitig Angaben über die Vorlauflänge des verwendeten Prüfkopfes zu erhalten.

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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Der Vorteil des neuen Verfahrens besteht vor allem darin, daß die einzelnen Verfahrensschritte auf einfache Weise automatisch etwa mit Hilfe eines Mikroprozessors durchgeführt werden können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden mit Hilfe von Zeichnungen und anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigen:

Fig.1 schematisch den zeitlichen Verlauf der Echos in einem fehlerfreien Prüfstück;

Fig.2a bis 2d die Echobilddarstellung nach Fig.1 mit eingezeichneter Blende, wie sie den einzelnen Verfahrensschritten entspricht;

Fig.3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsvorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig.4 die Schaltung einer Laufzeitmeßeiarichtung, wie sie in'der Vorrichtung gemäß Fig.3 benutzt wird,

Fig.5 die Schaltung eines programmierbaren Verstärkers, der vorzugsweise in der Schaltungsvorrichtung nach Fig.3 verwendet werden kann, und

Fig.6 die Schaltung einer programmierbaren Blende, die ebenfalls in der Vorrichtung nach Fig.3 verwendet wird.

In dem in Fig.1 dargestellten Echodiagramm ist der Senderauslöseimpuls mit SAP, das Überkoppelecho mit ÜE und die Rückwandechos mit RE bezeichnet. Der Sendeimpuls, der zwischen dem SAP und dem ÜE liegt, wurde nicht dargestellt, da ihm im Rahmen dieser Erfindung keine besondere Bedeutung zukommt. Als Zeitbezugspunkt wird vielmehr die Vorderflanke des SAP verwendet.

Die Laufzeiten, bzw. genauer die doppelten Laufzeiten der Schallimpulse in der Prüfkopfvorlaufstrecke und in dem Prüfstück wurden mit T_TT und T

V M

bezeichnet. Wie aus Fig.1 zu entnehmen ist, gelten folgende Beziehungen:

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T = M	^T2	" ^Τ1	2Τ	- ^Τ2	(D
T = V	^Τ1	- T M		(2)

Für die Schallgeschwindigkeit C im Prüfstück ergibt sich mit Gleichung (1)

¹ ^bMAT ^{Z b}MAT
M T T-T (3)

JXl i_M I₂ I₁ KOJ

und für die Prüfkopfvorlaufstrecke S mit Gleichung (2)

^Tv · ^cv ^(2T1-V^cv _m

S⁽⁴⁾

wobei S , die Dicke des Prüfstückes und C , die Prüfkopfvorlaufschal !geschwindigkeit, als bekannt vorausgesetzt werden.

Fig.2a bis 2d zeigen nun, wie die zur Lösung der Gleichungen 3 und 4 wichtigen Zeiten T. und T₉ erfindungsgemäß ermittelt werden, damit eine automatische Meßwerterfassung möglich ist. Wie in Fig.2a dargestellt, wird zunächst die Schwellwerthöhe S auf einen festen Bezugswert z.B. auf 8o% der Bildschirmhöhe (sofern ein Gerät mit Bildschirm verwendet wird) eingestellt. Die Verstärkung des Gerätes wird auf ihren minimalen Wert eingestellt (OdB). Anschließend wird die Blende so gesetzt, daß als erstes Echo das 1. Rückwandecho in der Blende liegt. Dieses erfolgt vorzugsweise dadurch, daß der Blendenanfang, t , so gewählt wird, daß gilt: t = (2/C ) S . Dabei ist C eine willkürlich gewählte konstante Schallgeschwindigkeit, die allerdings größer sein muß als die zu messende Schallgeschwindigkeit C . Denn für C ^> C liegt der Blendenanfang sicher vor dem 1. Rückwandecho. Die Blendenbreite, t , wählt man

DD

so, daß folgende Beziehung erfüllt ist:

~ . C Z- C / C . t_BB ο - M ο

Wählt man daher t_Dn = 1o L., so liegt das 1. Rückwandecho sicher in der

DD JiA

Blende.

Nach der Blendensetzung wird die Verstärkung so lange erhöht, bis das Maximum des 1. Rückwandechos die Schwelle erreicht (Koinzidenz). Vorzugsweise wird dann zur sicheren Koinzidenzbildung die Verstärkung um weitere 2 dB erhöht und dann der Laufzeitwert T mittels einer Laufzeitmeßeinrichtung gemessen und dieser Wert gespeichert.

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Der neue Blendenanfangswert t^f für das 2. Rückwandecho wird auf den Wert

t' = T + t

festgesetzt. Dadurch ist gewährleistet, daß die Blende hinter dem 1. Rückwandecho und sicher vor dem 2. Rückwandecho liegt (Fig.2cl. Die Blendenbreite t-,,, ist wiederum:

JJJ3

Sb ^{= 1o} Sa.

Nach Festlegung der Blende um das 2. Rückwandecho wird dann, wie oben für das 1. Rückwandecho beschrieben, die Schwellwerthöhe mit dem 2. Rückwandecho zur Koinzidenz gebracht und anschließend die Laufzeit T gemessen und gespeichert.

Aus den Werten T , T , S und C ermittelt dann der Rechner mit Hilfe der Gleichungen (3) und (4) die gesuchte Schallgeschwindigkeit C und die Prüfkopfvorlauflänge.

In Fig.3 ist eine bevorzugte Schaltungsvorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens wiedergegeben. Ein Mikroprozessor 1 steht über ein jeweils 8 Leitungen aufweisendes Steuer— und Datenbus-System 2 mit einem programmierbaren Verstärker 3, einem Schwellwertgeber 4, einer Blendeneinheit 5, einer Laufzeiteinrichtung 6 sowie einer Eingabe-und einer Ausgabeeinheit 7 und 8 in Verbindung. Ein Taktgenerator 9 erzeugt die erforderlichen Taktimpulse. Der Sendeauslöseimpuls SAP, der u.a. sowohl den Sender 1o als auch die Blendeneinheit 5 triggert, wird durch den Mikroprozessor 1 selbst erzeugt.

Ein durch den SAP ausgelöster Sendeimpuls gelangt an den Prüfkopf 11, der seinerseits einen Schallimpuls in dem Prüfstück 12 erzeugt. Dieser Schallimpuls wird an der Rückwand des Prüfstückes 12 reflektiert und gelangt als Echo in den Prüfkopf 11. Das entsprechende elektrische Echosignal wird dann über den programmierbaren Verstärker 3 einem Komparator 13 zugeführt und mit dem vorgegebenen Schwellwert verglichen.

Der Ausgang des Komparators 13 ist mit einem der beiden Eingänge eines UND-Gatters 14 verbunden. An dem jeweils anderen Eingang dieses Gatters liegt das durch die Einheit 5 erzeugte Blendensignal. Am Ausgang des UND-Gatters

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erhält man daher nur solche Ultraschall-Echosignale, die sowohl größer als die vorgegebene Schwelle sind als auch zeitlich in der vorgegebenen Blende liegen.

Dem UND-Gatter 14 ist ein Flip-Flop 15 nachgeschaltet; und zwar wird das Flip-Flop von dein SAP-Impuls über den Set-Eingang gesetzt und von dem koinzidierenden Echosignal zurückgesetzt. Am Q-Ausgang des Flip-Flop 15 erhält man daher einen Impuls, dessen Breite der Zeit zwischen Senderauslüsung (SAP) und Eintritt der Koinzidenz des Rückwandechos mit der Blende entspricht. Dieser Impuls wird dann in der Laufzeitmeßeinrichtung 6 ausgezählt.

WiU Fn;.4 zeigt, wird der hinter dem Flip-Flop 15 (Fig.3) erzeugte Impuls mit der Taktfrequenz des Taktgenerators 9 mit Hilfe eines UND-Gatters ho ausgezählt und mit dem entsprechenden Zählwert ein Zähler 61 gesetzt. iJbur die Parallelausgänge des Zählers 61 wird der digitale L.iutze Ltwert auf einen Zwischenspeicher 62 übertragen. Dieser Speicherwprt kann dann mit HiITe eines Decoders 63 von dem Mikroprozessor 1 fi'is.3) abgerufen werden, da der Mikroprozessor mit dem Decoder 63 über Λι-n Steuerbus und mit dem Zwischenspeicher über den Datenbus in Ver-.Tinfiiin.: stoht. Die digitalen Laufzeitwerte werden dann von dem Mikropr-j;:..'ssor in entsprechende Geschwindigkeits- bzw. Prüfkopfvorlauf-■!tro.-konwerti.· >;emäß Gleichung (3) und (4) umgerechnet und zur Anzeige ;-,t*!>r.ic.ht:.

ί-η vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen 16 Bit Zähler 61, *···'' -...wl 16 Leitungen mit dem Zwischenspeicher verbunden sind. Da der Daten-"*^!' ^:1lir 3 Leitungen besitzt, muß die gespeicherte Information jeweils -..!c.:·· ι minder J_{n ZW}ei 8-Bit Datenworten in den Mikroprozessor übertragen

^1l{l'^r '» ^! 'iorgt dafür, daß der Zähler 61 und ein mit dem Überlauf-' Ί'^:ί! Zählers verbundenes Flip-Flop 64 vor jedem Meßvorgang

"■■·'.τ wi-rden. Das Flip-Flop 64 erzeugt beim Überlaufen des

'■"ΐ'-ιι Überlauf-Impuls, der dann dem Mikroprozessor meldet, '■'' Ίι· I I,. Meßergebnis ungültig ist (keine Koinzidenz).

BAD ORIGfNAL " ⁸

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In Fig.5 ist ein programmierbarer Verstärker dargestellt, der sich besonders bewährt hat. Er besteht im wesentlichen aus zwei Verstärkern 33 und 34 mit festen Verstärkungsfaktoren (2OdB), einem umschaltbaren Vorverstärker 35, dessen Verstärkungsfaktor 0 oder 4o dB beträgt, sowie zwischengeschalteten programmierbaren Abschwächern 36 mit 3 Stufen zu je -1o dB und 37 mit 9 Stufen zu je -1 dB. Die Abschwächerstufen in 36 und 37 und der Vorverstärker 35 können einzeln oder parallel mit Hilfe nicht dargestellter Schalter geschaltet werden. Jeder elektronische Schalter ist über eine Leitung ansteuerbar, die mit einem Zwischenspeicher verbunden ist. In dem Zwischenspeicher 31 werden die Schalterstellungen in Form von Bit-Werten gespeichert, die durch den Mikroprozessor 1 (Fig.3) vorgegeben werden (da im vorliegendem Ausführungsbeispiel ein aus 8-Leitungen gestehender Datenbus verwendet wird, müssen zwei aufeinanderfolgende 8-Bit Datenwörter eingelesen und decodiert werden)* Das Einlesen und Löschen dieser Speicherwerte erfolgt mit Hilfe eines Decoders

Während der Schwellwertgeber 4 im wesentlichen nur aus einem D/A-Wandler besteht, der die von dem Lr^ Ankommenden digitalen Schwellwertsignale in analoge Spannungen wandelt und daher nicht extra dargestellt wurde, zeigt Fig.6 die Blendeneinheit 5 (diese ist Gegenstand der separaten Anmeldung P 29 45 2o1.5). Der von dem Mikroprozessor 1 (Fig.3) -kommende digitale Blendenanfangswert wird über einen Zwischenspeicher 5o in einen Zähler übertragen. Anschließend wird in dem Zwischenspeicher 5o der Blendenbreitenwert gespeichert und steht übernahmebereit an dem Binärzähler 51. Gelangt nun ein neuer SAP-Impuls an das Flip-Flop 52, so wird dieses gesetzt und über ein UND-Gatter 53 gelangen Taktimpulse an den Serieneingang des Zählers 51. Der Inhalt des Zählers 51 wird mit der Taktfrequenz des Taktgenerators 9 (Fig.3) ausgezählt. Nach dem Abzählen des Blendenanfangswertes entsteht am Zählerausgang ein erster Impuls I , der ein Jk-Flip-Flop 54 setzt. Der Impuls I₁ wird gleichzeitig an die Load-Eingänge des Zählers 51 geführt und macht diesen aufnahmebereit, so daß der Blendenbreitenwert in den Zähler übernommen und sofort abgezählt wird. Nach dem Abzählen des Blendenbreitenwertes entsteht am Zählerausgang ein Impuls I„, der das Jk-Flip-Flop in die Ausgangslage zurückkippt.

Der eigentliche Meßvorgang läuft dann wie folgt ab: Zunächst bestimmt der /^ P aus dem eingegebenen Prüfstückdickenwert S

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Werte für den Blendenanfang und die Blendenbreite, indem der Blendenanfang t-o,, wie bereits oben beschrieben, gleich 2/C . S und die Blendenbreite 1o t . gesetzt wird. Der vorgegebene Wert C kann beispielsweise für

dA O

praktisch alle vorkommenden Meßfälle gleich 9999 m/s gesetzt werden. Anschließend wird der Verstärker 3 auf minimale Verstärkung gesetzt, der SAP ausgelöst und das Ultraschallecho auf Koinzidenz untersucht (d.h. mit dem fest vorgegebenen Schwellwert verglichen). Überschreitet das US-Echo den Schwellwert nicht (keine Koinzidenz) so wird der Verstärker um 1 dB inkrementiert und wiederum der SAP ausgelöst. Dieser Vorgang wiederholt sich solange bis Koinzidenz vorliegt. Anschließend wird die Verstärkung noch einmal um 2 dB erhöht und T gemessen und gespeichert.

Der Mikroprozessor ermittelt dann die neuen Blendenwerte für das 2. Rückwandecho, setzt den Verstärker auf OdB, erhöht dann wiederum die Verstärkung schrittweise bis Koinzidenz vorliegt, ermittelt die Laufzeit" T„ und berechnet die gesuchte Schallgeschwindigkeit (L, und die Prüfkopfvorlauflänge S . Da die Berechnung der Vorlauflänge S sich auf eine Laufzeitmessung T. bezieht, die 2 dB unter der Spitze des 1. Rückwandechos vorgenommen wurde, ist der ermittelte Wert S etwas zu hoch (Flankenfehler). Man kann diesen Wert dadurch vorteilhafterweise korrigieren, daß man eine zusätzliche Laufzeitmessung T ' ausführt, wobei der Koinzidenzpunkt auf der Vorderflanke des 1. Rückwandechos etwa bei 2o bis 4o% der Leuchtschirmhöhe.bei Verwendung eines US-Meßgerätes mit Bildschirm .liegt (der 2 dB Schwellenwert entspricht einer Leuchtschirmbildhöhe von etwa 8o%). Der dann berechnete Wert S ergibt sich aus Gleichung (4), wenn T durch T ' ersetzt wird.

Bei US-Meßgeräten mit einem Bildschirm hat es sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, zur Kontrolle, ob zwischen den richtigen Echos gemessen wurde, den Blendenbalken entsprechend dem vorgegebenen Wert S vorzusetzen. Unter Berücksichtigung der vorher bestimmten Werte für T. bzw. T ' und T„ muß dann auf dem Bildschirm ein Mon: zwischen dem 1. und 2. Rückwandecho liegt.

und T„ muß dann auf dem Bildschirm ein Monitorbalken erscheinen, der

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ee

Claims

Krautkrämer GmbH 1o. März 198o Luxemburger Str. 449 P/bdl 5ooo Köln 41 K-I41 Patentansprüche

1.;Verfahren zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einem Material vorgegebener Dicke durch Messung der Laufzeiten des ersten und zweiten Rückwandechos mit Hilfe eines Impuls/Echo-Ultraschall-Handprüfgeräts, das außer einer Blendenschaltung zur Festlegung eines Meßerwartungsintervalls eine Schwellwertschaltung zur Bewertung der Amplitudenhöhe der gemessenen Echos besitzt, gekennzeichnet durc't die Merkmale:

- die Blendenschaltung wird so eingestellt, daß als erstes Echo das 1. Rückwandecho in der Blende liegt;

- das US-Signal wird dann ausgehend von einem Bezugswert (OdB) so lange verstärkt, bis das 1. Rückwandecho einen vorgegebenen Schwellwert der Blende überschreitet;

- anschließend wird die Zeit T zwischen dem Auslösen des Sendeimpulses und dem Zeitpunkt, an dem das Echo den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, gemessen:

- nach Speicherung des Laufzeitwertes T wird die Verstärkung auf den o.e. Bezugswert (OdB) verringert, die Blendenschaltung so eingestellt, daß als erstes Echo das 2. Rückwandecho in der Blende liegt und dann der entsprechende Laufzeitwert T„ für das 2. Rückwandecho bestimmt und gespeichert;

- anschließend wird mit Hilfe eines Mikroprozessors (1) und den Laufzeiten T und T- die gesuchte Schallgeschwindigkeit berechnet.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, .daß zur Laufzeitmessung des ersten Rückwandechos die zeitliche Lage des Blendenanfangs t _A = 5_m^/C_Q gewählt wird, wobei C_q eine willkürlich gewählte Schallgeschwindigkeit, die aber größer als die zu bestimmende Schallgeschwindigkeit ist, bedeutet, und daß zur Laufzeitmessung des zweiten Rückwandechos der Blendenanfang t' . = t + T.

Οχι ο Ά. Ι

gewählt wird.

3. Verfahren nach Anpruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Blendenbreite etwa 1o t gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeit C gleich der maximal mit dem US-Prüfgerät noch meßbaren Schallgeschwindigkeit ist.

5. Schaltungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Schwellwert- und die Bltmdenschaltung (4 und 5) als auch der Eingangsverstärker (3) und die Laufzeitmeßeinrichtung (6) des Ultraschall-Prüfgerätes (Fig.3) von einem Mikroprozessor (1) gesteuert werden.

6. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Eingangsverstärker (3) im wesentlichen aus einem Verstärker (3o)mit festem Verstärkungsfaktor und einem Spannungsteiler (R ; R. bis R„) mit umschaltbaren Widerständen

(R. bis R₀) besteht und daß jeder Schalter (S bis S_Q) durch eine Io Io

Leitung mit einem Zwischenspeicher (31) verbunden ist, der sowohl über einen Datenbus als auch über einen Decoderbaustein (32) und einen Steuerbus mit dem Mikroprozessor (1) in Verbindung steht.

7. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Laufzeitmeßeinrichtung (5) im wesentlichen aus einem UND-Gatter (6o) und einem diesem Gatter nachgeschalteten Zähler (61) besteht; daß der Überlaufausgang des Zählers (61) mit einem Flip-Flop (64) und die Parallel-Ausgänge des Zählers mit einem Zwischenspeicher (62) verbunden sind, der sowohl über einen Datenbus als auch über einen Decoderbaustein (63) und einem Steuerbus mit dem Mikroprozessor (1) in Verbindung steht.

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