DE3108545C2

DE3108545C2 - Schaltungsvorrichtung zur Digitalisierung und Speicherung der Maximalwerte elektrischer Ultraschall-Impulse

Info

Publication number: DE3108545C2
Application number: DE19813108545
Authority: DE
Inventors: Horst-Günter Ing.(grad.) 5000 Köln Thum
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1981-03-06
Filing date: 1981-03-06
Publication date: 1987-03-26
Also published as: DE3108545A1

Description

ist, eine reproduzierbare Information über die Volumen eines Werkstückes enthaltenen Einschlüsse zu erlangen. Hierzu werden die empfangenen Ultraschallechos mehreren parallel zueinander angeordneten Impulszählerri zugeführt, die mit Hilfe von Schwellwertschaltungen auf unterschiedliche Amplituden ansprechen. Ein Analog/Digital-Wandler wird in dieser Druckschrift nicht beschrieben.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsvorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit der es zum einen möglich ist die Maximalwerte aller Impulse während eines Fehlererwartungsbereiches zu ermitteln. Zum anderen sollen sich beim Auftreten der jeweiligen Maximalwerte Signale ergeben, die als Bezugssignale für die Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen herangezogen werden können, ohne daß für diese Maßnahme ein aufwendiger Schaltungsaufwand erforderlich wäre.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die vorstehend erwähnte Aufgabe wird also im wesentlichen dadurch gelöst, daß zur Verwendung der Schaltungsvorrichtung als Maximalwertspeicher die Ausgänge der D-Flip-Flops über binäre Verknüpfungsglieder, vorzugsweise ODER-Glieder mit den Steuer- eingängen dieser Flip-Flops verknüpft sind, während zur Erhaltung von Zeitbezugswerten die Ausgänge dieser Flip-Flops vorzugsweise mit UND-Gliedern verbunden sind. Am Ausgang dieser UND-Glieder ergeben sich immer dann Signale, wenn die an den jo Komparatoren des Analog/Digital-Wandlers liegende analoge Spannung ihren Maximalwert überschritten hat.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden anhand von Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen. Es zeigt

Fig. 1 eine an sich bekannte Ultraschallmeßeinrichtung, in der die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung Verwendung finden kann;

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung;

F i g. 3 eine Darstellung zur Erklärung der yVirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung nach F i g. 2.

Fig. 1 zeigt eine Ultraschallmeßeinrichtung, die aus einem Sender 1, einem Ultraschallprüfkopf 2, einem Empfänger und einer Schaltungsvorrichtung 5 besteht. Die Schaltungsvorrichtung 5 enthält im wesentlichen einen Analog/Digital-Wandler 51 und einen Hauptspeicher 52 und ist mit einer Amplitudenauswertevorrichtung 6 und einer Blendenschaltung 7 sowie einer Laufzeitmeßeinrichtung verbunden. Die LaufzeitmeB-einrichtung einthält ein Flip-Flop 8, ein UND-Glied 9, einen digitalen Zähler 10 und einen Zählimpulsgenerator 11. Der Zählimpulsgeneraotr 11 ist außerdem mit einer Trigger-Einheit 12 verbunden, die ihrerseits den Sender 1, die Blendenschaltung 7 und das Flip-Flop 8 ansteuert.

Die Wirkungsweise dieser an sich bekannten Schaltungsvorrichtung ist folgende: die vom Trigger 12 t>o an den Sender 1 gelangenden Impulse lösen dort entsprechende Sendeimpulse aus. Diese erregen den Prüfkopf 2. Der Prüfkopf erzeugt Ultraschallimpulse, die in das Prüfstück 13 gelangen, und dort von Fehlern reflektiert werden. Die Echoimpulse werden wiederum t-> mit Hilfe des Prüfkopfes 2 in ensprechende elektrische Signale umgewandelt, in dem Verstärker 3 verstärkt und schließlich in dem Analog/Digital-Wandler 51 digitalisiert. Der Analog/Digital-Wandler 51 liefert nur dann digitale Signalwerte an den Speicher 52, wenn das entsprechende Echosignal in dem durch die Blendenschaltung 7 vorgegebenen Fehlererwartungsbereich liegt Der gespeicherte Amplitudenwert kann von der Amplitudenauswerte- und -anzeigevorrichtung 6 weitei verarbeitet werden, wobei ein entsprechendes Freigabesignal über die Leitung 14 an die Auswertevorrichtung 6 gelangt Der gespeicherte Maximalwert wird dann über die Leitung 15 übertragen.

Die Ermittlung der Laufzeit der Ultraschallimpulse erfolgt dadurch, daß mit Hilfe des Flip-Flops 8 ein Torsignal erzeugt wird. Der Anfang dieses Torsignales wird durch das den Sendeimpuls jeweils auslösende Triggersignal definiert Hierzu gelangt das entsprechende Triggersignal über die Leitung 17 an den 5-Eingang (Set) des Flip-Flops 8. Im Falle der obenerwähnten Patentschrift 22 26 172 wird das Ende des Torsignales durch den jeweils letzten Nadelimpuls, der im Fehlererwartungsbereich auftritt, definiert Dieser Nadelimpuls gelangt von der Schaltungsvorrichtung 5 über die Leitung 16 an den R-Eingang (Reset) des Flip-Flops 8. Das von dem Flip-Flops 8 derart gebildete Torsignal wird dann einem Eingang des UN D-Gliedes 9 zugeführt, während an dem zweiten Eingang dieses UND-Gliedes das Taktsignal des Taktgenerators 11 anliegt. Die Anzahl der Takte, die in das Torsignal fallen, wird dann von einem Zähler 10 angezeigt.

F i g. 2 zeigt eine Schaltungsvorrichtung, die mit 500 bezeichnet wurde, und die die vorstehend beschriebene Vorrichtung 5 erfindungsgemäß ersetzen soll. Die Schaltungsvorrichtung enthält ebenfalls einen Analog/ Digital-Wandler, der nach dem Parallelverfahren arbeitet. Die Komparatoren 510 dienen zum Vergleich des Momentanwertes eines analogen Eingangssignals auf der Leitung 18 mit Referenzsignalen. Die Referenzsignale werden von einem Präzisionswiderstandsspannungsteiler 520 gewonnen und weisen eine logarithmische Abstufung von jeweils beispielsweise ein dB auf.

Die Komparatoren 510 liefern digitale Ausgangssignale, welche angeben, ob die Spannung des analogen Eingangssignales auf der Leitung 18 größer oder kleiner ist als die entsprechende Referenzspannung. Die an den Ausgängen der Komparatoren 510 sich ergebenden Signale werden über die als Zwischenspeicher wirkenden D-Flip-Flops 530 einer Codierschaltung 540 zugeführt. Die Codierung erfolgt mit Hilfe von Prioritätscodierern in ein Binär-Format (z. B. BCD-Format). Dieses Ergebnis wird dann über die Leitung 19 einem Hauptspeicher 550 zugeführt. Die Übernahme des in den Flip-Flops zwischengespeicherten Maximalwertes in den Hauptspeicher 550 erfolgt immer dann, wenn über die Leitung 30 ein entsprechendes Freigabesignal an den Hauptspeicher gelangt.

Gegenüber bekannten Analog/Digital-Wandlern, die ebenfalls nach dem Parallelverfahren arbeiten, unterscheidet sich die in F i g. 2 wiedergegebene Schaltungsvorrichtung zu einen dadurch, daß zur Maxjmalwertspeicherung die Ausgänge der Flip-Flops (Q, Q- Ausgänge) 530 über ODER-Glieder 560 mit ihren Steuereingängen (C-Eingang) verbunden sind. Dabei wird jedem Flip-Flop 530 jeweils ein ODER-Glied 560 zugeordnet. Die Eingänge der ODER-Glieder sind sowohl mit dem Q-Ausgang des jeweiligen Flip-Fiops als auch mit dem Q-^.usgang desjenigen Flip-Flops mit der nächsthöheren Priorität verbunden. Die Priorität eines Flip-Flops wird im Rahmen dieser Patentanmeldung als um so höher bezeichnet, je greller die Referenzspannung an

dem ihm vorgeschalteten Komparator ist. An einem dritten Eingang der ODER-Glieder liegt eine mit 21 bezeichnete Leitung, die über ein UND-Glied 580 mit der Blendenschaltung 7 (F i g. 1) verbunden ist.

Zum anderen unterscheidet sich die neue Schaltungs- ■"> vorrichtung von bekannten Vorrichtungen durch die Verwendung der UND-Glieder 570, die"sowohl zur Erzeugung von Freigabesignalen als auch von Zeitsignalen für die Laufzeitmessung dienen. Mit Ausnahme des Flip-Flops der höchsten Priorität ist jedem Flip-Flop ein κι UND-Glied 570 zugeordnet. Der eine Eingang dieses UND-Gliedes ist mit dem (^-Ausgang des entsprechenden Flip-Flops verbunden, während der zweite Eingang des UND-Gliedes mit dem (^-Ausgang des jeweiligen Flip-Flops der nächsthöheren Priorität verbunden ist. η Die Ausgänge der UND-Glieder 570 sind über die Leitung 22 mit den Leitungen i6, 20 und 14 verbunden. Mit 590 und 591 sind Verzögerungsglieder bezeichnet. Im folgenden soll näher auf die Schaltungsvorrichtung 500 als Maximalwertspeicher eingegangen werden. Dazu sei angenommen, daß die Schaltungsvorrichtung über die Leitung 18 beispielsweise ein analoges Signal erhält wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Ein Spannungsanstieg bewirkt zunächst, daß beim Überschreiten der jeweiligen an den Komparatoren 510 liegenden Referenzspannungen am Ausgang dieser Komparatoren ein Zustandswechsel auftritt (z. B. von 0 nach 1). Die Flip-Flops 530 mögen vor dem Eintreffen einer analogen Spannung die Zustände: D = 0, C = I₁Q=O, (? = 1 oder (D, C; Q, Q)= (0.1; 0,1) besitzen. Beim so Zustandswechsel des Komparators mit der niedrigsten Priorität ändert sich auch der Zustand des zugehörigen Flip-Flops in (1,0; 1,0). Steigt die analoge Spannung weiter an, so ändert sich mit dem Zustand des Komparators mit der nächsthöheren Priorität auch das entsprechende Flip-Flop. Der Zustand dieses Flip-Flops ist dann ebenfalls (1,0; 1,0). Hingegen hat sich der Zustand des Flip-Flops mit der niedrigeren Priorität geändert in (1,1; 1,0). Ein weiteres Ansteigen der analogen Spannung führt wiederum zur Änderung des Zustandes des Komparators mit der nächsthöheren Priotilät und zur Änderung des Zustandes des entsprechenden Flip-Flops in (1,0; 1,0), während die beiden bereits erwähnten Flip-Flops die Zustände besitzen (1,1; 1,0). Nimmt nun die analoge Spannung nach Überschreiten ihres Maximalwertes LW (F i g. 3) wieder ab, so bleibt dasjenige Flip-Flop 530 gesetzt, das dem Komparator zugeordnet ist, dessen Referenzspannung gerade noch überschritten wurde (Maximalwertspeicher). Denn an dem Steuereingang dieses Flip-F!ops so liegt eine 0, was bedeutet, daß der jeweilige Ausgangswert gespeichert bleibt Eine Änderung an dem D-hingang des entsprechenden Flip-Flops führt aiso zu keiner Änderung des Wertes an dem (^-Ausgang. Eine Änderung der Zustände der prioritätsniedrigeren Flip-Flops beim Absinken der analogen Eingangsspannung hat aufgrund der Verwendung eines Prioritätscodierers keine Wirkung auf die am Ausgang liegende Binär-Zahl dieses Codierers, die sich alleine nach dem Zustand desjenigen Flip-Flops richtet, der die höchste w Priorität besitzt. Das dem Maximalwert entsprechende Binär-Signal liegt daher so lange an dem Hauptspeicher 550 bis über die Leitung 22, das Verzögerungsglied 590 und die Leitung 20 an den Speicher 550 ein Freigabesignal gelangt. Das Freigabesignal öffnet den Speicher, so daß der entsprechende Binär-Wert abgespeichert werden kann.

Das Verzögerungsglied 590 ist erforderlich, weil aufgrund der relativ langen Signalwege in dem Priorotätscodierer 540 Signaländerungen an den Eingängen dieses Codierers nur zeitverzögert zu entsprechenden Änderungen der Binärwerte an den Ausgängen des Codierers führen. Das sehr schnell erzeugte Freigabesignal muß daher verzögert werden, weil sonst unter Umständen Binärwerte an den Speicher 550 übertragen werden, die nicht dem Maximalwert entsprechen.

Die Erzeugung der Freigabesignaie erfoigt mit Hilfe der UND-Glieder 570. Durch die in F i g. 2 dargestellte Verbindung und UND-Glieder 570 mit den Ausgängen der D-Flip-Flops 530 wird nämlich erreicht, daß am Ausgang jeweils eines der UND-Glieder nur dann ein Signal entsteht, wenn die Eingangsspannung nach Erreichen ihres Maximalwertes um mindestens 1 dB abgesunken ist (1-dB-Stufung der Referenzspannung vorausgesetzt). Nur in diesem Fall liegen an den beiden Eingängen eines der UND-Glieder gleichzeitig Signalwerte. Dabei gelangt der jeweils eine Signalwert von dem (^-Ausgang des Maximalwertspeichers an das UND-Glied. Den zweiten Signalwert erhält das UND-Glied von dem ihm zugeordneten Flip-Flop. Unterschreitet nämlich die Eingangsspannung die Referenzspannung an dem entsprechenden Komparator, so besitzt dieses Flip-Flop den Zustand (0,1; 0,1); der Q-Ausgang führt also eine 1.

Sobald ein Freigabesignal auf der Leitung 20 erscheint, wird nicht nur der Binär-Wert, der an dem Speicher 550 ansteht, gespeichert, sondern über die Leitung 23 und das Verzögerungsglied 591 wird ein Freigabesignai über das UND-Glied 580 und die Leitung 21 an die Steuereingänge der ZJ-FHp- Flops gegeben. Dieses hat zur Folge, daß alle Flip-Flops ihren Grundzustand wieder einnehmen; also die Zustände aufweisen (0,1; 0,1), sofern an dem zweiten Eingang des UND-Gliedes 580 ein Blendensignal liegt. Durch das Verzögerungsglied 591 wird sichergestellt, daß eine Löschung der in den Flip-Flops gespeicherten Werte erst dann erfoigt, wenn der entsprechende Binärwert in den Speicher 550 übernommen wurde.

Wie bereits mehrfach betont, wird das Freigabesigna! gleichzeitig als Zeitbezugswert für die Laufzeitmeßeinrichtung benutzt und gelangt hierzu über die Leitung 16 an das Flip-Flop 8 (Fig. 1). Der Umstand, daß die Zeitbezugssignaie gegenüber dem Auftreten des Maximalwertes zeitlich um einen Wert At verzögert auftreten, kann durch eine nicht dargestellte Verzögerungsschaltung oder einen Rechner eliminiert werden. Durch die logarithmische Abstufung des Spannungsteilers wird erreicht daß At nicht von der Amplitude des Echosignales, sondern nur von deren Frequenz abhängt (gleiche Kurvenform der Echosignale vorausgesetzt).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsvorrichtung zur Digitalisierung und Speicherung der Maximalwerte analoger elektrischer Ultraschall-Impulse für Ultraschallmeßein- s richtungen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, bei der die Digitalisierung der Impulse nach dem Parallelverfahren mit Hilfe einer vorgegebenen Anzahl von Komparatoren (510) erfolgt, an deren erstem Eingang der jeweils zu digitalisierende Impuls und an deren zweitem Eingang jeweils eine mit Hilfe einer Spannungsteilerschaltung (520) logarithmischer Abstufung gewonnene Referenzspannung liegt und bei der die Ausgänge der Komparaioren über digitale Zwischenspeicher (530) mit einem digitalen Hauptspeicher (550) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,

— daß als Zwischenspeicher D-FIip-Flop (530) vorgesehen sind, deren erste Ausgänge ((?-Ausgänge) mit den Eingängen eines Prioritätscodierers (540) verbunden sind, der seinerseits auf den Haupt-Speicher (55) geschaltet ist,

— daß jedem D-Flip-Flop (530) ein ODER-Glied (560) zugeordnet ist, dessen Ausgang mit dem Speichereingang des D-Flip-Flops (530) verbunden ist,

— daß der zweite Eingang des ODER-Gliedes (560) mit dem ersten Ausgang des Flip-Flops (530) der nächsthöheren Priorität verbunden ist, jo wobei die Priorität eines Flip-Flops (530) als um so höher bezeichnet wird, je größer die Referenzspannung an dem ihm zugeordneten Komparator (510) ist,

— daß zur Übernahme des am ersten Ausgang des n gesetzten D- Flip-Flops (530) mit der höchsten Priorität anliegenden zwischengespeicherten Maximalwertes in den Hauptspeicher (550) ein Steuersignal dient, das immer dann erzeugt wird, wenn der Aiigenblickswert des analogen Impulses diejenige Referenzspannung unterschreitet, die an dem Komparator (510) liegt, dessen zugeordnete Flip-Flops (530) die gegenüber dem Maximalwertspeicher nächstniedrigere Priorität aufweist.

2. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Steuersignals zur Übernahme des Maximalwertes in den Hauptspeicher UND-Glieder (570) vorgesehen sind, daß mit Ausnahme des prioritätshöchsten D-Flip-Flops jedem Flip-Flop (530) ein UND-Glied (570) zugeordnet ist und daß die beiden Eingänge dieser UND-Glieder (570) parallel zu den beiden Eingängen der ODER-Glieder (560) geschaltet sind und die Ausgänge der UND-Glieder (570) miteinander und mit dem Hauptspeicher (550) verbunden sind.

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung zur Digitalisierung und Speicherung der Maximalwerte analoger elektrischer Ultraschall-Impulse für Ultra- ^b5 Schallmeßeinrichtungen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, bei der die Digitalisierung der Impulse nach dem Parallelverfahren mit Hilfe einer vorgegebenen Anzahl von Komparatoren erfolgt, an deren erstem Eingang der jeweils zu digitalisierende Impuls und an deren zweitem Eingang jeweils eine mit Hilfe einer Spannungsteilerschaltung logarithmischer Abstufung gewonnene Referenzspannung liegt und bei der die Ausgänge der Komparatoren über digitale Zwischenspeicher mit einem digitalen Hauptspeicher verbunden sind

Eine Schaltungsvorrichtung der besagten Art wird beispielsweise in der DE-PS 22 26 172 in den Spalten 10—12 beschrieben. Bei dieser bekannten Schaltung wird der jeweils in den Zwischenspeichern gespeicherte Maximalwert des Impulses zu festen Zeitabschnitten in den Hauptspeicher übernommen. Diese Zeitabschnitte werden durch Festlegung der jeweiligen Fehlererwartungsbereiche vorgegeben. Die entsprechenden Signale werden mit Hilfe von Blendenschaltungen erzeugt. Um zusätzlich zum Maximalwert der Impulse auch deren Laufzeit bestimmen zu können, sind die Zwischenspeicher derart ausgeführt, daß beim Umkippen eines jeden Speichergliedes ein Nadelimpuls erzeugt wird. Solange ein Uitraschallecho im Ansteigen begriffen ist, und damit Speicherglieder gesetzt werden, treten zeitlich nacheinander Nadelimpulse auf. Mit dem letzten auftretenden Nadelimpuls im Fehlererwartungsbereich wird dann ein Zähler gestoppt, der am Anfang des Fehlererwartungsbereiches gestartet wurde. Durch welche Schaltungsmaßnahmen die obenerwähnten Nacblimpulse erzeugt werden, wird in der Patentschrift allerdings nicht offenbart.

Die vorstehend erwähnte bekannte Schaltungsvorrichtung weist zum einen den Nachteil auf, daß nur der Maximalwert eines einzigen Impulses im Fehlererwartungsbereich zwischengespeichert werden kann. Fallen mehrere Impulse in den Fehlererwartungsbereich, so wird nur der Impuls mit dem höchsten Maximalwert gespeichert. Außerdem ist ein relativ hoher Schaltungsaufwand erforderlich, um zusätzlich Zeitsignale für die Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen zu gewinnen.

In dem Buch von Tietze und Schenk »Halbleiter Schaltungstechnik«, 4. Auflage, Berlin, Heidelberg, New York, 1978, wird auf den Seiten 635-638 ebenfalls ein Analof/Digital-Wandler beschrieben, der nach dem Parallelverfahren arbeitet und als Zwischenspeicher den Komparatoren nachgeschaltete D-Flip-Flop verwendet. Einen Hinweis auf die Maximalwertspeicherung von elektrischen Impulsen und auf die Erzeugung von Zeitsignalen zur Ermittlung der Laufzeit von Ultraschallimpulsen läßt sich dieser Literaturstelle hingegen nicht entnehmen.

Aus der DE-OS 29 33 070 ist ferner ein Analog/Digital-Wandler beschrieben, bei dem das gleich zu digitalisierende Signal an dem einen Eingang eines einzigen Komparators und mit einer Referenzspannung verglichen wird. Das zu digitalisierende Signal muß mehrmals nacheinander an dem Eingang des Komparators anliegen und wird dann jeweils mit einer anderen Referenzspannung verglichen. Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist vor allem der relativ lange Zeitraum, der zur Digitalisierung eines Signals benötigt wird.

Aus der DE-AS 26 32 674 ist eine freiprogrammierbare Uttraschallanlage bekannt, bei der zur Digitalisierung der Meßwerte ebenfalls Analog/Digital-Wandler verwendet werden. Über den Aufbau dieser Wandler wird in dieser Auslegeschrift nichts näheres offenbart.

Aus der DE-AS 24 24 658 ist schließlich eine Ultraschall-Prüfvorrichtung bekannt, mit der es möglich