DE3100479C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Ultraschallsignalen, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist. Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der DE-OS 26 23 522 bekannt. Bei ihr ist im Eingangsverstärker zum Verstärken der Echosignale ein Analog-Digital-Wandler vorgesehen. Die digitalen Echosignale werden bewertet, und nach der Auswertung werden aus Speichern Korrekturwerte bezüglich der Schallfeldverteilung, der Materialkoeffizienten des Werkstücks und der Temperaturkoeffizienten ausgewählt. Die aus den Speichern ausgelesenen digitalen Korrekturwerte werden in einem digitalen Addierwerk addiert und dann mit einem Digital-Analogumsetzer wieder in eine Analog-Korrekturspannung verwandelt. Diese Analog-Korrekturspannung wird dem Hauptverstärker zugeführt und damit der Verstärkungsgrad gesteuert. Da das Ausgangssignal in jedem Falle eine Analogspannung ist und die Digitalisierung des Eingangssignals nur erfolgt, um die Korrekturwerte in den Speichern richtig adressieren zu können, kann die Genauigkeit kaum besser sein als etwa 5%, da dies allgemein die Grenze der Genauigkeit von Analogschaltungen ist. Die bekannte Vorrichtung hat insbesondere den Nachteil, daß dann, wenn die Korrekturwerte aufgrund des geänderten Adressensignals verändert werden, Störsignale in den Speichern auftreten, die dann dem Addierwerk zugeführt werden und damit auf das Steuersignal Einfluß nehmen, mit dem der Verstärkungsfaktor des Hauptverstärkers geändert und das Eingangssignal korrigiert wird.

Aus der DE-OS 22 26 172 ist eine Vorrichtung zur Auswertung von Ultraschall-Impulsen bekannt, bei der die Abhängigkeit der Fehler- und Rückwandechos vom Fehlerabstand durch eine Korrektur bei der Echohöhe eliminiert wird. Das Echohöhenverhältnis von Fehlerecho und Rückwandecho wird anhand von gespeicherten Korrekturwerten korrigiert. Weiter erfolgt ein Tiefenkennlinienausgleich, der einer Kompensation der seit Abgabe des Ultraschallimpulses verstrichenen Zeit entspricht. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß dann, wenn die Korrekturwerte aufgrund des geänderten Adressensignals verändert werden, Störsignale in den Speichern auftreten, die dann dem Addierwerk zugeführt werden und damit das Steuersignal, mit dem das Eingangssignal korrigiert wird, beeinflussen.

Eine ähnliche Vorrichtung zur Durchführung des Tiefenausgleichs bei einem Ultraschall-Prüfgerät ist aus der DE-OS 26 23 893 bekannt. Bei dieser Vorrichtung treten jedoch ebenfalls Instabilitäten des Analog-Digital-Wandlers auf, die zu einem Störsignalanteil führen, der unkompensiert bleibt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend die bekannte Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszugestalten, daß ein derartiger Störsignalanteil vermieden wird und damit eine Korrektur bezüglich des Laufweges des Echosignals mit hoher Genauigkeit erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, die erfindungsgemäß die im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.

Gemäß der Erfindung werden die bei der A/D-Wandlung auftretenden Instabilitäten durch zeitverzögertes Einlesen der digitalisierten Daten in den Zwischenspeicher unterdrückt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine grafische Darstellung zur Erläuterung, wie die Amplitude eines Echosignals von einer Fehlstelle mit zunehmender Ausbreitungsentfernung schwächer wird;

Fig. 2 fehlerabhängige Echosignale, die in der Weise erhalten werden, daß die fehlerabhängigen Echosignale in Fig. 1 in Intervallen von Δ t einer Analog-Digital- Umwandlung unterworfen werden;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Ausbreitungsentfernung eines fehlerabhängigen Echosignals und der Amplitude eines korrigierten fehlerabhängigen Echosignals bei einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei unter Bezugnahme auf Kompensationsdaten, die in Abhängigkeit von verstrichenen Zeiträumen nach der Aussendung eines Ultraschallsignals gespeichert worden sind, das digital umgewandelte, fehlerabhängige Echosignal einer Verarbeitung mit Bit-Verschiebung und Addition unterworfen wird, um damit die Abschwächung oder Dämpfung der Amplitude des fehlerabhängigen Echosignals zu kompensieren;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Kompensationsdaten von fehlerabhängigen Echosignalamplituden, die verstrichenen Zeiträumen nach der Aussendung eines Ultraschallsignals entsprechen und die in einem Speicher gespeichert sind, um die Dämpfung der Amplitude eines fehlerabhängigen Echosignals aufgrund der Ausbreitungsentfernung bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zu kompensieren;

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen der Ausbreitungsentfernung eines fehlerabhängigen Echosignals und der Amplitude eines korrigierten fehlerabhängigen Echosignals bei einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei die Kompensationsdaten, die in Abhängigkeit von den verstrichenen Zeiträumen nach der Aussendung des Ultraschallsignals gemäß Fig. 4 gespeichert worden sind, zu dem digital umgewandelten, fehlerabhängigen Echosignal hinzuaddiert werden;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 bis 9 Zeitablaufdiagramme von Signalen in den verschiedenen Teilen der Vorrichtung gemäß Fig. 6;

Fig. 10 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Die Abszissenachse in Fig. 1 gibt die Zeit an, die nach der Erzeugung eines Ultraschallsignals verstrichen ist, während die Ordinatenachse die Amplitude eines fehlerabhängigen Echosignals angibt, die von einem Ultraschallwandler empfangen wird. Fig. 1 zeigt ein Beispiel, bei dem die Ausbreitungsentfernung eines zweiten fehlerabhängigen Echosignals 12 doppelt so groß wie die eines ersten fehlerabhängigen Echosignals 11 ist. Eine mit einer gestrichelten Linie 13 eingetragene Kurve beschreibt die Orte von Spitzenwerten der fehlerabhängigen Echosignale im Falle der Abtastung eines identischen Fehlers oder Defektes unter Verwendung desselben Ultraschallgebers, wobei die Spitzen den Änderungen der Ausbreitungsentfernung von dem Fehler zum Wandler entsprechen. Diese Kurve 13 wird nachstehend als Ausbreitungs-Amplituden-Korrekturkuve bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beruht darauf, daß hinsichtlich desselben Fehlers fehlerabhängige Echosignale mit auf einem festen Spitzenwert korrigiert werden, trotz der Änderungen der Ausbreitungsentfernungen der fehlerabhängigen Echosignale.

Ein erstes Verfahren gemäß der Erfindung, bei dem die Amplitude des fehlerabhängigen Echosignals in Abhängigkeit von seiner Ausbreitungsentfernung verbessert oder korrigiert wird, wobei dieses Verfahren nachstehend einfach als Entfernungs-Amplituden-Korrekturverfahren bezeichnet wird, entspricht einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6, die nachstehend näher erläutert ist. Beim ersten Entfernungs- Amplituden-Korrekturverfahren gemäß der Erfindung werden in Intervallen nach der Erzeugung des Ultraschallsignals zunächst einmal die fehlerabhängigen Echosignale 11 und 12 gemäß Fig. 1 von Analogwerten in Digitalwerte umgewandelt. Die digitalen Echowerte, die den Signalen 11 bzw. 12 in Fig. 1 entsprechen, sind mit 11′ und 12′ in Fig. 2 bezeichnet. In Fig. 2 gibt die Abszissenachse die verstrichene Zeit nach der Erzeugung des Ultraschallsignals an, wobei Δ t das jeweilige Zeitintervall für die Umwandlung der Analogwerte in Digitalwerte (Diskretisierungszeit) darstellt. In dieser Fig. 2 gibt die Ordinatenachse die Digitalwerte der Amplitude des fehlerabhängigen Echosignals an. Korrekturwerte zur Korrektur des digitalen Echosignals 12′ in Fig. 2 sind in einem Speicher gespeichert. Die in dem Speicher gespeicherten Korrekturwerte sind z. B. Werte, die den Kehrwerten der Amplitudenwerte in der Entfernungs-Amplituden-Korrekturkuve 13 in Fig. 1 entsprechen. Hierbei wird bei einer Adresse i des Speichers der Amplitudenkorrekturwert des digitalen Echosignals, der der verstrichenen Zeit nach der Erzeugung des Ultraschallsignals t = Δ t · i entspricht, gespeichert. Nach der Erzeugung des Ultraschallsignals werden die Amplitudenkorrekturwerte des fehlerabhängigen Echosignals, die den verstrichenen Zeiträumen nach der Erzeugung des Ultraschallsignals entsprechen (diese Amplitudenkorrekturwerte werden nachstehend auch kurz als Kompensationsdaten bezeichnet) nacheinander zu Zeitintervallen Δ t aus den entsprechenden Adressen des Speichers gelesen. Wie nachstehend näher erläutert, erfolgt eine Bitverschiebung der digitalen Echowerte in Abhängigkeit von den Kompensationsdaten, und die bitmäßig verschobenen Echowerte werden addiert, so daß die korrigierten digitalen Echosignale 11′′ und 12′′ gemäß Fig. 3 erhalten werden.

Ein zweites Entfernungs-Amplituden-Korrekturverfahren gemäß der Erfindung entspricht einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 10, die nachstehend näher erläutert ist. Bei dem zweiten Entfernungs-Amplituden-Korrekturverfahren gemäß der Erfindung haben die in einem Speicher zu speichernden Inhalte oder Werte ein Muster, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. In Fig. 4 bezeichnet die Abszissenachse die Adressen i des Speichers mit denen die verstrichenen Zeiträume der proportionalen Beziehung t = i · Δ t genügen. In Fig. 4 gibt die Ordinatenachse die Werte der Kompensationsdaten an. Das Muster oder die Kurve 14 in Fig. 4 ist identisch mit einer Kurve, die durch Spiegeln der Entfernungs- Amplituden-Korrekturkurve 13 in Fig. 1 erhalten wird. In gleicher Weise wie bei dem ersten Entfernungs-Amplituden- Korrekturverfahren gemäß der Erfindung wird auch bei dem zweiten Entfernungs-Amplituden-Korrekturverfahren der Speicherinhalt sukzessive bei Zeitintervallen Δ t gelesen, sowie die Kompensationsdaten und der digitale Echowert addiert. Jedoch wird jedes Mal dann, wenn der digitale Echowert kleiner ist als ein fixierter oder vorgegebener Wert, das addierte Resultat zu Null gemacht. Mit einem derartigen Verfahren werden digitale Echowerte erhalten, wie sie in Fig. 5 dargestellt sind.

Anhand von Fig. 6 wird nachstehend eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verarbeitung von Ultraschallsignalen näher erläutert. Die Vorrichtung enthält einen nicht dargestellten Ultraschallschwinger, um einen Ultraschallimpulsstrahl zu einem Werkstück auszusenden und um ein von einem Fehler oder Defekt in dem Werkstück reflektiertes Echosignal zu empfangen; einen Analog/Digital-Wandler oder A/D-Wandler 21 zur Umwandlung eines vom Ultraschallgeber empfangenen Amplitudenwertes des Echosignals in einen Digitalwert; eine Speichereinheit 23, die darin die Amplitudenkorrekturwerte des digitalen Echosignals N speichert, das in Abhängigkeit von der verstrichenen Zeit zu korrigieren ist, nachdem der Ultraschall-Impulsstrahl vom Geber ausgesendet worden ist, wobei diese Zeiträume nachstehend einfach als verstrichene Zeiträume bezeichnet werden; eine Leseeinrichtung für die Amplituden-Korrekturwerte zum Auslesen der Amplituden-Korrekturwerte aus einer Speichereinheit 23, wobei der Speichereinheit ein Signal geliefert wird, das dem verstrichenen Zeitraum entspricht; und eine Ausgabeeinrichtung für korrigierte Amplituden, um die Amplitude des vom A/D-Wandler 21 gelieferten digitalen Echosignals N unter Verwendung des aus der Speichereinheit 23 ausgelesenen Amplituden-Korrekturwertes zu korrigieren und die korrigierte Amplitude als Ausgangssignal zu liefern.

Hierbei enthält die Leseeinrichtung für die Amplituden- Korrekturwerte einen Zähler 22 zum Zählen von Synchronimpulsen von einem nicht dargestellten Impulsgenerator, der Ultraschallimpulse aus dem nicht dargestellten Ultraschallgeber zum nicht dargestellten Werkstück aussendet, und einen Taktimpulsgenerator 20 zum Betätigen des Zählers 22. Der Zähler 22 zählt die Synchronimpulse und sorgt dafür, daß die Speichereinheit 23 die in ihren Adressen i gespeicherten Kompensationsdaten den Wählern 241, 242 und 243 bei entsprechenden Bits der Daten liefert. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 bestehen die Speicherinhalte bei jeder Adresse der Speichereinheit 23 aus den drei Bits A, B und C. Sei 2 ⁿ der Wert der Kompensationsdaten, d. h. die inverse Zahl der Korrekturkurve 13 in Fig. 1, die der Adresse i entspricht, so werden die Werte für A, B und C so gewählt, daß die Relation 2 ⁿ = 2 ^A + 2 ^B + 2 ^C erfüllt ist.

Die Ausgabeeinrichtung für korrigierte Amplitudenwerte enthält die Wähler 241, 242 und 243 zur Bitverschiebung des digitalen Echosignals N aus dem A/D-Wandler 21 in Abhängigkeit von den Speicherinhalten A, B und C, die von der Speichereinheit 23 an entsprechende Datenanschlüsse angelegt werden, um die Multiplikationen von dem digitalen Echosignal N und 2 ^A , 2 ^B und 2 ^C vorzunehmen; Addierer 251 und 252 zum Addieren der bitmäßig verschobenen Daten von den Wählern 241, 242 und 243; sowie eine Verzögerungseinrichtung 261 und einen Zwischenspeicher 271, um ein Ausgangssignal des Addierers 252 in der Endstufe als korrigiertes digitales Echosignal n _i nach einer vorgegebenen Zeitspanne zu liefern. Hierbei sind die Addierer 251 und 252 nicht erforderlich in dem Falle, wo 2 ^A + 2 ^B + 2 ^C = 2 ⁿ gilt, sie sind jedoch für den Fall erforderlich, wo 2 ^A + 2 ^B + 2 ^C = 2 ⁿ .

Nachstehend werden die Signale der verschiedenen Teile der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 8 unter Bezugnahme auf die Zeitablaufdiagramme in Fig. 7, 8 und 9 näher erläutert. In diesen Figuren der Zeichnung gibt die Abszissenachse die Zeit und die Ordinatenachse V die Spannung an, während die Ordinatenachse N den Digitalwert angibt.

In Fig. 7 ist bei dem bei (A) dargestellten Signal die Übertragungsperiode des Impulssignals synchron mit der Übertragung des Ultraschallimpulses. Ein bei (B) dargestelltes Signal enthält Taktimpulse, die vom Taktimpulsgenerator 20 geliefert werden. Ein Signal (B)′ zeigt das Signal (B) bei einer gespreizten Zeitachse. Ein bei (D)′ gezeigtes Signal wird erhalten, indem man das Signal (B)′ um die Zeitspanne Δ t mit der Verzögerungseinrichtung 261 verzögert. Ein bei (C) dargestelltes Signal gibt die Zählwerte der Taktimpulse (B) vom Zähler 22 an, mit anderen Worten, die Werte, die den Adressen der Speichereinheit 23 entsprechen, und die Zählwerte werden durch den Anstieg des Synchronimpulses bei (A) zurückgesetzt. Die Analog/Digital- Wandlung des A/D-Wandlers 21 wird durch den Anstieg des bei (B) und (B)′ dargestellten Taktsignals gestartet. Der Anstieg des bei (D)′ dargestellten verzögerten Impulses wird zur Speicherungssteuerung des Zwischenspeichers 271.

In Fig. 8 entspricht ein bei (B) dargestelltes Signal den Taktimpulsen in Fig. 7 (B) und hat eine gespreizte Zeitachse. (E) zeigt zwei Echosignale, die von demselben Defekt oder Fehler reflektiert werden, jedoch ungleiche Ausbreitungsentfernungen haben. (F) zeigt Digitalsignale, die durch Umwandlung des Signals (E) mittels des A/D-Wandlers 21 erhalten werden. (G) zeigt ein Beispiel von Daten A der Speichereinheit 23, in der die Datenwerte 0 (Null) bis hinauf zu einer Adresse (N _A - 1) und 1 (Eins) bei und oberhalb von einer Adresse N _A sind. (H) zeigt Digitalwerte, die in der Weise erhalten werden, daß die bei (F) dargestellten digitalen Echosignale einer Bitverschiebung mit dem Wähler 241 unterworfen werden, und zwar in Abhängigkeit von den bei (G) dargestellten Daten A. Genauer gesagt wird in diesem Beispiel, wenn die Daten A den Wert 0 (Null) haben, das bei (F) dargestellte Signal geliefert wie es ist, und wenn die Daten A den Wert 1 (Eins) haben, wird das bei (F) dargestellte Signal um ein Bit verschoben (verdoppelt) und das resultierende Signal geliefert.

In Fig. 9 ist das bei (F) dargestellte Signal das gleiche wie bei (F) in Fig. 8. (J) zeigt ein Beispiel des Wertes der Daten B oder der Daten C der Speichereinheit 23. Hier ist beispielsweise ein Fall dargestellt, wo beide Werte für die Daten B und die Daten C 0 (Null) sind. Dementsprechend erhalten die überlagerten Ausgangssignale von den Wählern 242 und 243 für die Bitverschiebung der bei (F) dargestellten digitalen Echosignale gemäß den Daten B und den Daten C ein Aussehen, wie es bei (K) dargestellt ist. Die Ausgangswellenform bei (K) wird die gleiche wie bei (F). (L) zeigt Signale, die in der Weise erhalten werden, daß die bei (H) und (K) in Fig. 8 dargestellten Signale mittels der Addierer 251 und 252 addiert werden. In diesem Falle werden die Werte der Signale bei (K) verdoppelt und die Werte der Signale bei (H) addiert. (D) zeigt das Ausgangssignal der Verzögerungseinrichtung 261 und entspricht dem Signal (D)′ in Fig. 7. Der Zwischenspeicher 271 wird durch den Anstieg des bei (D)′ dargestellten, verzögerten, Taktimpulses betätigt, so daß das bei (L) dargestellte Ausgangssignal des Addierers 252 gespeichert wird, um dadurch ein bei (M) dargestelltes, korrigiertes digitales Echosignal n _i zu erhalten. Da das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 21 während der Analog/Digital- Umwandlung unstabil ist, ist die Zwischenspeicherungsverarbeitung mit der Verzögerungseinrichtung 261 erforderlich, um einen genauen Wert nach Beendigung der Umwandlung zu erhalten. Dementsprechend ist die Verzögerungszeit Δ t der Verzögerungseinrichtung 261 in Fig. 6 auf einen Wert eingestellt, der größer ist als die Summe der maximalen Umwandlungszeit des A/D-Wandlers 21 und der maximalen Verarbeitungszeiten der Wähler 241, 242 und 243 sowie der Addierer 251 und 252 und der kleiner ist als die Periode der Taktimpulse, die bei (D)′ in Fig. 7 dargestellt sind.

Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Unterschied im Aufbau zwischen den Ausführungsformen nach Fig. 10 und Fig. 6 besteht darin, daß erstere einen digitalen Komparator 28 verwendet, ohne die Wähler 241, 242 und 243 einzusetzen, die bei letzterer vorhanden sind. In Fig. 10 addiert ein Addierer 25 direkt das digitale Echosignal N vom A/D-Wandler 21 und die Kompensationsdaten von der Speichereinheit 23 und lädt das Ergebnis in den Zwischenspeicher 271. Die Zeitsteuerung für das Setzen des Zwischenspeichers 271 ist die gleiche wie bei der Anordnung nach Fig. 6. In dem Falle jedoch, wo das digitale Echosignal N kleiner ist als ein vorgegebener Wert in dem digitalen Komparator 28, liefert dieser digitale Komparator 28 ein Rücksetzsignal für den Zwischenspeicher 271, um seinen Inhalt zu löschen. Die Operationen der anderen Teile sind die gleichen wie bei der Anordnung nach Fig. 6.

Der Zeitablauf der Signale bei der Anordnung nach Fig. 10 ist in der Darstellung weggelassen, da die gleichen Einrichtungen im wesentlichen den gleichen zeitlichen Ablauf der Signalverarbeitung wie beim Zeitablauf der Signale in der Anordnung gemäß Fig. 6 haben.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Verarbeitung von Ultraschallsignalen von einem Ultraschallgeber zum Aussenden eines Ultraschallimpulses zu einem Werkstück und zum Empfangen der von einem Fehler in dem Werkstück reflektierten Echosignale, mit einem Analog-Digital-Wandler (21) zum Umwandeln der Amplitudenwerte der empfangenen Echosignale in Digitalsignale (N), mit einer Speichereinheit (23), in der Steuerdaten (A, B, C) für die Amplitudenkorrektur der Echosignale gespeichert sind, mit einer Leseeinrichtung (20, 22), die das Lesen der Steuerdaten (A, B, C) aus der Speichereinheit (23) entsprechend der Zeit ausführt, die nach dem Aussenden des Ultraschallimpulses vergangen ist, und mit einer Einrichtung (241, 242, 243, 251, 252) zum Bilden und Addieren von digitalen Amplitudenwerten der Digitalsignale (N) nach Maßgabe der aus der Speichereinheit (23) ausgelesenen Steuerdaten (A, B, C), um korrigierte Echosignale zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenspeicher (271) zum Zwischenspeichern der korrigierten Echosignale (N · 2 ^A , N · 2 ^B , N · 2 ^C ) und ein Verzögerungsglied (261) vorgesehen sind, und daß der Zwischenspeicher (271) mit einem Taktimpuls gesetzt wird, der durch das Verzögerungsglied (261) gegenüber dem Takt des Analog-Digital- Wandlers (21) um ein Zeitintervall Δ t verzögert ist, das größer ist als die maximale Umwandlungszeit des Analog- Digital-Wandlers (21) für einen Digitalisierungstakt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsdaten der Speichereinheit (23) und das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers (21) einem Addierer (25) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal dem Zwischenspeicher (271) zugeführt wird, und daß das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers (21) einem digitalen Komparator (28) zugeführt wird, dessen Ausgang mit dem Rücksetzeingang des Zwischenspeichers (271) verbunden ist.