DE3119343A1 - "system zum messen der wanddicke eines messobjektes" - Google Patents
"system zum messen der wanddicke eines messobjektes"Info
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum Messen der Wanddicke eines
MessGbjektes, mehr insbesondere eines plattenförmigen oder rohrförmigen
Organs, unter Anwendung von Ultraschallenergie, umfassend einen Messwandler
zum Senden "bzw. Empfangen von Ultraschallenergie, eine Senäe/Empfangvorrichtung, die mit diesem Messwandler gekuppelt ist und
dient zum Erregen dieses Messwandlers bzw. zum Empfangen und zum Verarbeiten von Ultraschallenergie, insbesondere Echosignalen,
wie von dem Messwandler empfangen, derart, dass aus einem Zeitintervall zwischen empfangenen Echosignalen ein für die Wanddicke des Messobjektes Kennzeichnendes
Signal gebildet wird.
Ein solches System ist aus der Patentschrift *i.008.603 bekannt.
Gemäss dieser bekannten Technik wird die Wanddicke eines rohrförmigen
Organs gemessen auf Basis einer Messung des Zeitintervalls zwischen einem ersten Echoimpuls, entstanden durch Reflektion gegen die
"Aussenwand", und einem zweiten Echoimpuls, entstanden durch Reflektion
gegen die "Innenwand" des Messobjektes. Eire solche Messtechnik hat den Nachteil, dass Laufzeiteffekte,die dadurch verursacht werden, dass
eingesendete und reflektierte Ultraschallwelle!sich durch und/oder
zwischen eine oder mehrere Deckschichten fortpflanzen, die in der
Regel auf dem Messobjekt angebracht sind, und ein Wasserpfad, wenn die Messung als eine "Immersionsmessung" durchgeführt wird, einen
Fehler in das Messresultat einführen, so dass keine zuverlässige Messung, die ein absolutes Mass für die Wanddicke des Messobjektes
ist, möglich ist.
Aussenden! können dadurch Messfehler entstehen, dass der Messwandler
wenigstens die wirksame Oberfläche desselbens nicht genau paraLel
zu der Aussenoberflache des Messobjektes aufgestellt ist. Eine solche
Ungenauigkeit der Positionierung des Messwandlers verursacht Laufzeitunterschiede
in dem Wellenbündel (sowohl in einem ausgesendeten alsauch
in einem empfangenen Bündel), wodurch ein zwischen empfangenen
Echosignalen gemessenes Zeitinterval nicht länger ein genaues Mass für
die tatsächliche Wanddicke des Messobjektes ist.
Mit der Erfindung wird jetzt in erster Instanz bezweckt, diese Nachteile zu beseitigen durch Verschaffung eines Messsystems, mit dem
es möglich ist, Wanddicken über ein relevantes Gebiet von Werten mit
einer gewünschten Genauigkeit, einer bestimmten Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit zu messen, und zwar derart, dass das Messresultat
in einer Form (entweder digital, oder analog), die ein absolutes Mass für die Wanddicke des Messobjektes ist, gegeben wird.
Dies alles sowohl für "Immersionsmessungen" als auch für "Kontaktmessungen", und unter Ausschluss der obenerwähnten Laufzeiteffekte.
Die Erfindung stützt sich einerseits auf den Gedanken, dass der Einfluss von einer oder mehreren auf dem Messobjekt vorhandenen Deckschichten,
und einem Wasserpfad, wenn es Immersionsmessungen betrifft,
auf das Messresultat eliminiert wird, wenn die Messung ausschliesslich
basiert wird auf Echosignalen, wie entstanden durch Reflektionen gegen die hintere Begrenzung der zu messenden Wand (gerechnet in der
Richtung, in der die ausgesendeten Ultrschallwellen sich zu dem Messobjekt hin fortpflanzen), und andererseits, dass für eine richtige
Messung, die Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden solcher Echosignale einander gleich sein müssen.
Das System ist dazu gemäss der Erfindung gekennzeichnet durch eine
Diskriminatorkette, die dazu eingerichtet ist, aus einer Gruppe von
empfangenen Signalen, wie entstanden nach dem Senden eines Signalstosses von Ultraschallenergie, drei aufeinanderfolgende Echosignale,
entstanden durch Reflektionen gegen die, gerechnet in der Richtung, in der eingesendetes Signal sich nach dem Messobjekt
fortpflanzt, hintere Begrenzung der betreffenden Wand des Messobjektes, zu selektieren; eine Umwandlungskette, die dazu eingerichtet ist, die
Zeitintervalle zwischen einer solchen Dreizahl aufeinanderfolgender " Echosignale in eine erste Impulsreihe umzuwandlen, kennzeichnend für das
Zeitintervall zvischen dem ersten und zweiten Echosignal und eine zweite
Impulsreihe, kennzeichnend - ^Jj2. ^as Zeitintervall zwischen
dem zweiten und dritten Echosignal; einen Komparator zum Vergleichen
einer solchen ersten Impulsreihe und einer solchen zweiten Impulsreihe miteinander; und eine verarbeitende Kette, die bei einer
übereinstimmenden Vergleichung des Komparators aus einer der genannten Impulsreihen ein für die Dicke der betreffenden Wand repräsentatives
Signal bildet. . . . . .
Ein wichtiger technischer Vorteil eines Systems gemäss der Erfindung besteht daraus, dass Messfehler, die entstehen werden,wenn
der Messwandler nicht mit einem bestimmten Genauigkeitsgrad in bezug auf das Messobjekt aufgestellt ist, tatsächlich eliminiert werden.
Immunität für solche Messfehler gilt gleichfalls in einer Situation, in der aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt werden, wobei des- Messwandler
an dem Messobjekt entlang verschoben wird.
Bei einem so ausgeführten System gemäss der Erfindung wird immer eine
richtige Präsentation, z.B. in digitaler Form, des Messresultates erhalten, ohne dass Fehlerquellen (Störsignale), als auch Lsxnina-cionen,
mit denen in diesem Zusammenhang Schutz- und/oder Oxydschichten gemeint sind, die Messung beeinflussen. Manche Defekte in dem Messobjekt
werden jedoch detektiert und z.B. als Wanddickeverminderung angegeben.
Wenn über das relevante Gebiet von Dickenwertendie Messung mit einer
gewünschten Genauigkeit durchgeführt werden muss , beispielsweise mit einer Genauigkeit von +_ 0,01 mm, bedeutet dies,dass pro Millimeter
Wanddicke Hunderte von Taktgeberimpulsen notwendig sind.
Unter Berücksichtigung einer gegebenen Fortpflanzungsgeschwindigkeit
von Ultraschalwellen in dem Material des Messobjektes, in der Hegel Stahl, als auch der Maximaldicke, die mit der gewünschten Genauigkeit
gemessen werden können muss, würde dies eine Taktgeberimpulsfrequenz
in einer Grossenordnung von 300 MHz forderen.
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Wegen entwurf-technischer Gründe ist es nicht zweckmässic, das System
für eine solche hohe Taligeberfrequenz einzurichten. Um es zu. ermöglichen,
mit einer η-mal niedrigeren Taktgeberfrequenz, z.B.
η ist ein Faktor 10, mit der gewünschten Genauigkeit von z.B. +_ 0,01 mm, für Stahl messen zu können, ist das System gemäss
der Erfindung weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Sende/Empfangvorrichtung versehen ist mit einem an sich bekannten Impulsgenerator
zum Erzeugen von Impulsen mit einer vorher gewählten Wiederholungsfrequenz , wobei der Messwandler ansprechend auf diese Antriebsimpulse
eine diesen entsprechende Reihe von Signalstössen von Ultraschallenenergie aussendet; und die genannte verarbeitende Kette
weiter dazu eingerichtet ist, eine vorher gewählte Anzahl, z.B. hundert, der genannten Impulsreihen, die je infolge eines ausgesendeten
Signalstosses entstanden sind, sowie auch je ein Mass für die Wandddicke des Messobjektes sind, statistisch zu mitteln.
Mit einem derart ausgeführten System wird durch eine Herabsetzung der Taktgeberfrequenz, z.B. um einen Paktor 10, die Messgenauigkeit
gleichfalls um einen Faktor 10 herabgesetzt. Dadurch, dass/in diesem
Fall hundert Messwerte statistisch gemitteld werden, wird die Messgenauigkeit jedoch um einen Faktor J 100 = 10 in bezug
auf die einer einzigen Messung erhöht.
Um, unter Berücksichtigung des Umstandes,dass die Phasen der
selektierten Echosignale in bezug auf die Phase der angewendeten Taktgeberimpulse
"willkürlich" (random) sind, bei dem Ausmittlungsverfahren die gewünschte Messgenauigkeit zu erhalten, ist das System gemäss
der Erfindung weiter dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Umwandlungskette eine erste und eine zweite Synchronisationstorkette umfasst,
wobei jede dieser Synchronisationstorketten dazu eingerichtet ist, unter Steuerung einer auf einen einen Eingang davon angeschlossenen
Steuerkette, synchron mit angebotenen Taktgeberimpulsen, jeweils eine dem Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden ausgewählten
Echoimpulsen entsprechende Anzahl, durchzulassen.
—Ο—
Eine konstruktiv einfache Ausführungsform der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Messwertzähler, der ansprechend auf
jedes Ausgangssignal, das durch den Komparator "bei einer übereinstimmenden
Vergleichung erzeugt wird, einen Zählstand annimmt, der für die
ist, Wanddicke des Messobjektes kennzeichnend /welcher Messwertzähler durch
diesem zugeführte Hilfstaktgeberimpulse derart ausgelesen werden kann,
dass jeder Zählstand eine diesem entsprechende Reihe von Messwertimpulsen liefert; und wobei die genannte Wiedergabekette dazu eingerichtet
ist, solche Reihen von Messwertiinpulsen zu summieren und
das Summenresultat durch einen Faktor zu teilen, der einer vorher gewählten Anzahl der genannten Reihan entspricht.
Bei einer solchen Ausführungsform kann das Summieren der Messwertimpulse
und das Teilen des Summenresultats durch einen der Anzahl angebotener Hilfstaktgeberimpulse entsprechenden Faktor in einfacher Weise
mit einem einzigen Zähler verwirklicht werden, wobei die letzten zwei Dezimalen des Summenresultats nicht wiedergegeben werden.
Weiter ist das System gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass
die genannte Diskriminatorkette eine steuerbare Schaltkette umfasst, die unter der Steuerung einer Steuerkette ein dieser angebotenes Eingangssignal
für die Dauer eines Steuersignals durchlassen kann; und eine Detektorkette zum Erzeugen des genannten Eingangssignals im Form
von im wesentlichen einander gleichen unipolaren Signalimpulsen, welche Steuerkette dazu eingerichtet ist, ansprechend auf ein Referenzsignal,
das ein Mass ist für ein nach einem ausgesendeten Signalstoss als erstes empfangenes Echosignal, einen Steuerimpuls als Referenz für das genannte
Steuersignal zu erzeugen.
Damit das Selektieren der gewünschten Echosignale vereinfacht wird,
ist ein System gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die
genannte Steuerkette Vorkehrungen umfasst, wordurch die Zeitposition
und die Zeitlänge des genannten Steuersignals nach Wahl einstelbar sind.
Zu näherer Erläuterung der Erfindung wird im Nachstehenden ein Ausführungsbeispiel
derselben unter Hinweis auf die Zeichnung behandelt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Messsystems gemäss
der Erfindung in Blockschaltbild wiedergegeben. Bei einem solchen Messsystem wird ein piezo-elektrischer Messwandler TR zum Senden eines
oder mehrerer Impulse Ultraschallenergie und zum Empfangen der infolge einer solchen Aussendung verursachten Ultraschaltwellen, angewendet.
Dazu dienende elektrische Impulse, wie erzeugt durch einen Pulsgenerator PG einer an sich bekannten Ausführung, werden durch den Messwandler
in entsprechende longitudinale mechanische Schwingungen umgewandelt, die
sich in das zu prüfende Material, in der Regel Metallwände, die mit einem oder mehreren schützenden Deckschichten bedeckt sind, fortpflanzen.
Diese mechanischen Schwingungen können entweder über ein Kuppelmedium zwischen dem Messwandler und dem Messobjekt (Kontaktmessung) oder über
ein geeignetes Ubertragungsmedium, in der Regel Wasser (Immersionsmessung)
auf und in das Messobjekt, z.B. die Viand eines Rohres, oder einen plattenförmigen
Teil, übertragen werden. Die durch Reflektionen verursachten Echosignale werden durch diesen Messwandler wieder in entsprechende
elektrische Schwingungen umgewandelt. Bei einem Messsystem gemäss der Erfindung wird das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Echosignalen, die entstanden durch Reflektionen gegen die hintere Begrenzung (gerechnet in der Richtung, in der eine von dem Messwandler
ausgesendete Ultraschallwelle sich zu dem Messobjekt hin fortpflanzt)
der zu messenden Wand, m.a.W. Rückwandechos, als ein direktes Mass für die zu messende Wanddicke gebraucht. Dabei werden zur Kontrolle des Messresultates
immer drei dieser aufeinanderfolgenden Rückwandechos angewendet , und zwar in dem Sinne, dass das Zeitintervall zwischen dem ersten und
dem zweiten Rückwandecho mit dem Zeitintervall zwischen dem zweiten und dem dritten Rückwandecho verglichen wird. Kur wenn diese zwei
Zeitintervalle einander gleich sind, wird ein solches gemessenes Zeitintervall für weitere Verarbeitung akzeptiert.
Durch eine solche Organisation des Messverfahrens werden Einflüsse von
Laufzeiteffekten, wie verursacht durch die auf dem Messobjekt vorhandenen Deckschichten, und den Wasserpfad (wenn es Immer sionsme s sungen betrifft)
eliminiert, während ausschliesslich gute Messresultate, m.a.W. Messresultate, die nicht durch Störeffekte verformt sind,
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verarbeitet und wiedergegeben werden.
Weil es erwünscht ist, die Wanddickemessung mit grösster Genauigkeit
durchzuführen, soll der im Messystem anzuwendende Messwandler
verhältnismässig stark gedämpft sein, sowie auch eine relativ hohe
eigene Frequenz, z.B. zwischen 5 und 15 MHz besitzen. Wegen der
stärken Dämpfung soll der Messwandler durch eine verhältnismässig hohe Spannung angetrieben werden, nominal 250 V, während die Steigungszeit eines solchen Antriebsimpulses nicht grosser als 20 nanosec sein
soll. Der dazu dienende Impulsgenerator PG is von einer an sich bekannten Ausführung, wobei Impulse mit einer Wiederholungsfrequenz von maximal
15 KHz erzeugt werden können.
Das Messsystem ist in seiner Allgemeinheit zusammengesetzt aus einem
analogen, als Diskriminator wirksamen Teil, der dazu eingerichtet ist, die für die Wanddickemessung gewünschten Rückwandechosignale zu selektieren,
und einem digitalen Teil, der dazu eingerichtet ist, die von dem Diskriminatorteil selektierten Echosignale zu digitalisieren
und weiter zu einer für digitale Präsentation der Messresultate geeigneten Form weiter-zu -verarbeiten.
Die Diskriminatorkette umfasst einen als Bandpassfilter wirksamen Verstärker BV , dessen Durchlassbereich durch die eigene Frequenz
des Messwandlers gegeben ist. Durch den Bandpasscharakter dieses Verstärkers werden in den empfangenen Signalen als unerwünscht vorkommende
Signale in erster Instanz ausgesiebt. Das so ausgefilterte und verstärkte Signal wird einem spannungsgesteuerten Verstärker SV
zugeführt. Die dadurch introduzierte Verstärkung kann nach Wahl eingestellt werden, was in der Figur durch den Regler RG schematisch angegeben
ist. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers SV wird einem "umhüllenden" Detektor DT mit einem nach Wahl einstellbaren Detektionsniveau
zugeführt, was in der Figur schematisch durch den Regler RD angegeben
ist. Signale kleiner als das Detektionsniveau, wie beispielsweise Geräusch, können dadurch eliminiert werden.
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Infolge des Umstandes, dass aufeinanderfolgende Rückwandechosignale
gegeben sind als gedämpfte, in wensenlichen gleicliförmige
Signale, die sich was Amplituden betrifft, voneinander unterscheiden, können bei einem fest eingestellten Detektionsniveau
Phasenfehler entstehen, wodurch in die Zeitintervalle, die ein Mass für die zu messende Wanddicke sein müssen, Fehler introduziert werden
können. Damit solche Phasenfehler und dadurch verursachte Messfehler
eliminiert oder "wenigstens in starkem Mass vermindert werden, sind der spannungsgesteuerte Verstärker SV und der Detektor DT
in eine Regelschleife aufgenommen, und zwar dadurch dass der Ausgang des Detektors über ein integrierendes Netzwerk IK mit dem
Steuereingang des Verstärkers SV verbunden ist. Die Zeitkonstante dieses integrierenden Netzwerkes iä; für die Geschwindigkeit
der automatischen Regelung bestimmend, wodurch die von dem Verstärker SV unverzögert introduzierte Verstärkung in Abhängigkeit von dem
Ausgangssignal des Detektors geregelt wird, in dem Sinne dass diese Verstärkung erhöht bzw. verkleinert wird, je nachdem das zu
detektierende Rückwandeehosignal grosser bzw. kleiner ist.Selbstverständlich
soll diese Zeitkonstante des integrierenden Netzwerkes dem Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Rückwandechos angepasst
sein. Weil ein solches Zeitintervall nicht πΊτπτεγ bekannt ist, soll eine
mittlere Zeitkonstante gewählt werden, und zwar derart, dass die Rückwandechos innerhalb bestimmter Amplitudengrenzen bleiben, um in dieser
Weise die Phasenfehler und dadurch introduzierte Messfehler so viel wie möglich zu verminderen.
Bei einer alternativen Ausführungsform zum Vermindern obiger Phasenfehler
kann eine Regelkette benutzt werden, die dazu eingerichtet ist, das Detektionsniveau zu variieren in Abhängigkeit von dem Verlauf der
(stärkeren) Dämpfung, die aufeinanderfolgende Rückwandechosignale empfinden. Die Regelung ist mit anderen Worten dam derart, dass der amplitudeabhängige
Verlauf des Detektionsniveaus und der Verlauf der "Umhüllenden" der Spitzen der Maximalamplituden aufeinanderfolgender Echosignale
gleichförmig sind. Dies alles kann dadurch verwirklicht werden, dass an den Ausgang der Schaltkette BS ein Komparator mit einem variabelen
Referenzsignal angeschlossen wird. DiesesReferenzsignal wird dannin
der obenbeschriebenen Weise geregelt.
Damit in einem Messsystem gemäss der vorliegenden Erfindung nach
jedem ausgesendeten Signalstoss drei Rückwandechos selektiert werden
können, wird eine steuerbare Schaltkette BS "benutzt. Ein dieser von
dem Ausgang des Detektors ab angebotenes Signal wird periodisch durch diese Schaltkette durchgelassen, und zwar unter der Steuerung eines
periodisch erscheinenden Steuersignals, das als ein Fenster wirksam ist. Der Anfang dieses Fensters steht im Verhältnis mit dem ersten
nach einem ausgesendeten Signalstoss empfangenen Echosignal, das durch Reflektion der eingesendeten Welle gegen, die "äussere"
Begrenzung der zu messenden Wand entstanden ist. Die Position als auch die Grosse dieses Steuersignals sind bestimmt und können mit
Hilfe zweier in Kaskade miteinander verbundener monostabiler Kippketten
MK1 und MK2 variiert werden. Die Position dieses Steuersignals in bezug
auf das obengenannte erste Echo kann mit dem Regler RP und die Breite dieses Steuersignals kann nach Wahl mit dem Regler RE eingestellt
werden. Ein Komparator CM1 ist angeordnet um den Anfang dieses Steuersignals im Verhältnis zu bringen mit einem Referenzniveau, das
nach Wahl mit dem Regler RN einstellbar ist und das entsprechend der Amplitude des obengenannten ersten Echos eingestellt wird.
In dieser Weise kann erreicht werden, dass nach jedem zu dem Messobjekt gesendeten Signalstoss die drei gewünschten Rückwandechos
selektiert werden können, und zwar dadurch, dass das genannte Steuersignal für die steuerbare Schaltkette nur vorhanden ist während eines
Intervalls, indem diese drei gewünschten Hinterwandechos vorkommen. Durch Handbetätigung der Regler RP und RB kann eine Bedienungsperson
mit einem Oszilloskop die gewünschten drei Rückwandechos, die für eine
Messung notwendig sind, selektieren. Mit einem Modusschalter MS, die an einen Oszilloskop angeschlossen werden kann, kann entweder das
empfangene Videosignal, oder das durch die Schaltvorrichtung durchgelassene Signal sichtbar gemacht werden.
Die Ausgangssignale der steuerbarei Schaltvorrichtung können mit einem
Komparator (nicht wiedergegeben) mit einem fest eingestellten Detektionsniveau
gebildet werden in Impulsen, die für weitere Verarbeitung geeignet sind. In die Leitung zwischen dem Ausgang des Verstärkers BV und
-lodern oberen Kontakt des Modusschalters MS, kann noch eine Pufferstufe
aufgenommen sein um Rückwärtswirkung zu vermeiden.
Jede Dreizahl Mpulse, die aus dem Ausgangssignal der steuerbaren
Schaltkette BS so gebildet sind und die repräsentativ für drei aufeinderfolgende Rückwandeehos sind, wie entstanden nach Aussendung
eines Signalstosses, -wird in eine Sweizahl räumlich, getrennter
Zeitsignale TI und T2 umgewandelt, wobei das Signal T1 bzw. T2 das
Zeitintervall zwischen den Vorderflanken des ersten und zweiten Rückwandeehos bzw. den Vorderflanken des zweiten und dritten Rückwandeehos
darstellt. Die zum Bilden der Signalimpulse Tl und T2 dienende Kette umfasst eine Konfiguration von vier hintereinander angeschlossenen
Flipflops, die je der Art sind, wobei der Signalzustand an dem Q-Ausgang, ansprechend auf die Vorderflanke eines zugeführten Taktgeberimpulses,
dem dann geltenden Signalzustand des D-Eingangs gleich wird, und welche Konfiguration schematisch durch RC angegeben ist, und zwei
UND-Tore OPl und 0P2, wobei die Eingänge der Tore 0P1 verbunden sind
mit dem D-Eingang bzw. dem Q-Ausgang des vorletzten Flipflops, während
die Eingänge des Tores 0P2 mit dem D-Eingang bzw. dem Q-Ausgang des letzten Flipflops verbunden sind.
Die Breiten der Zeitsignalimpulse TI und T2, wie erzeugt durch die
Kombination der Flipflop-Konfiguration RC und der Tore 0P1 und 0P2
ist ein Mass für die Wanddicke des Messobjektes. Um diese Zeitintervalle
in eine für digitale Präsentation geeignete Form umzuwandeln, wird die
Grosse eines solchen ZeitIntervalls durch das Zählen.einer Anzahl Taktgeberimpulse,
die innerhalb eines solchen Zeitintervalls vorkommt, gemessen. In einem digitalen System der vorliegenden Art ist es von
grosser Bedeutung, dass die Richtigkeit der Messungen kontro]3iert wird.
Durch zahlreiche Ursachen , wie Netζstörungen, Detektionsfehler, falsche
Echos, Laminierungen und andere Unregelmässigkeiten in dem Material
des Messobjektes, können Messfehler introduziert werden. Eine Messung wird nur dann als korrekt betrachtet, wenn es sich gezeigt hat, dass ■
zwei aufeinanderfolgende Zeitsignalimpulse, wie T1 und T2 in einem bestimmten Genauigkeitgrad (abhängig von der ausgeführten Vergleichung)
einander gleich sind.
Wennn die Wanddicke eines Messobjektes in der obenumschriebenen Weise
gemessen wird durch das Zählen von Taktgeberimpulsen, die innerhalb eines Zeitintervalls, das ein Mass für die Wanddicke ist, erscheinen,
ist noch folgendes wichtig. Wennn angenommen wird, dass eine Wanddicke von z.B. kO mm gemessen werden muss und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Schallenergie in dem Material,aus dem die Wand des Messobjektes besteht 5900 m/sek. beträgt, wird ein Zeitsignalimpuls
T1 (wobei der Hin- und Rückweg bei der Fortpflanzung der Schallwelle
berücksichtigt wird) 13,6 mikrosek. betragen, wenn die gemeinte
Wanddicke mit einer Genauigkeit von +_ 0,01 mm wiedergegeben werden
muss. Mit anderen Worten, innerhalb eines Zeitintervalls von 13,6
mikrosek. sollen i*000 Taktgeberimpulse erschienen sein, was auf ein
Taktgeberimpulsfrequenz von ^000/13,6 = 2°U MHz hinaus^-kommt.
Wegen entwurf-technischer Gründe ist es nicht erwünscht , in diesem
Zusammenhang solche hohen Taktgeberimpulsfrequenzen anzuwenden. Damit dieser Wachteil beseitigt wird und eine Taktgeberimpulsfrequenz
angewendet werden kann, die um einen Faktor n, beispielsweise 10, niedriger ist , während trotzdem die endgültige Messgenauigkeit
den gewünschten Wert hat, z.B. 0,01 mm, werden bei einem Mess-
system gemass der Erfindung η , oder aber bei dem behandelten Ausführungsbeispiel
100 der Messwerte, wie abgeleitet aus einem Zeitsignalimpuls, wie T1. statistisch gemittelt, wodurch ein endgültige Genauigkeit
erhalten wird, die */ 100 höher ist als die einer einzigen Messung,
deren Genauigkeit, dadurch dass die Taktgeberimpulsfrequenz um einen
Faktor η niederiger gewählt ist, auch um einen Faktor η niedriger ist,
in diesem Fall + 0,1 mm.
Dabei ist weiter den Umstand zu berücksichtigen, dass die Phasen der
Zeitsignalimpulse T1 und T2 willkürlich verlaufen in bezug auf die der Taktgeberimpulse, so dass eine Form der Synchronisation notwendig
ist. Eine solche Synchronisation wird bei dem System gemäss der Erfindung erhalten mit Hilfe von zwei Flipflops FFl und FF2, die je
der Art sind, wobei ansprechend auf eine Vorderflanke eines an dem Taktgebereingang angelegten, von der Taktgeberimpulsquelle KB1
herrührenden Taktgebersignals, der Signalzustand an dem Q-Ausgang
dem gleich wird, der in diesem Augenblick an dem D-Eingang besteht,
und einem zu jedem dieser Flipflops gehörenden UND-Tor, wie die Tore EP1 und EP2.
Mit einer solchen Vorrichtung wird erreicht, dass wenn z.B. über
eine Anzahl von 100 Zeitsignalimpulsen T1 gemittelt wird, trotz
der willkürlichen Phasen dieser Zeitsignalimpulse in bezug auf die der Taktgebersignalimpulse, wie herrührend von der Quelle KB1, ein
endgültiger Messwert erhalten wird, der mit der erforderlichen Genauigkeit für die Wanddicke des Messobjektes kennzeichnend ist.
Mehr insbesondere wird jeder der angebotenen Zeitsignalimpulse T1 bzw. T2 in eine Impulsreihe PT1 bzw. PT2 an dem Ausgang des Tores EPI
bzw. EP2, umgewandelt, wobei die Anzahl Taktgeberimpulse, die in einer solchen Impulsenreihe vorkommt, ein Mass für die Breite des
angebotenen Zeitsignalimpulses T1 bzw. T2 ist. Jede solcher Impulsreihen ist daher für eine einzige Messung repräsentativ. Für jede
Messung werden die dabei gebildeten Impulsreihen PTI und PT2 einem
zugehörigen Zähler TRI bzw. TR2 zugeführt, wobei die in diesen beiden
Zählern gebildeten Zählwerte, die je für die Anzahl in der betreffenden angebotenen Reihe vorkommender Taktgeberimpulse repräsentativ
sind, durch einen Komparator CM2 miteinander verglichen werden. Wenn sich herausstellt, dass diese beiden Zählwerte mit einer
akzeptablen Genauigkeit einander gleich sind, wird durch den Komparator ein Akzeptsignal erzeugt. Dieses Akzeptsignal bewirkt, dass
der Zählstand eines Zählers RT3 mit dem Zählwert vermehrt wird, wie zur Zeit des Akzeptsignals in dem Zähler TRI vorhanden ist.
Der so aufgenommene Zählerstand dieses Zählers TR3 wird durch die Wirkung der von einer Taktgeberimpulsquelle KB2 herrührender Taktgeberimpulse
in dem Rhythmus dieser Taktgeberimpulse wieder bis auf HuI 1 abgezählt, wobei an dem Ausgang dieses Zählers dann eine Anzahl Impulse
entsteht, die dem aufgenommenen Zählerstand davon gleich ist.In dieser
Weise wird der Inhalt des Zählers TR_ durch die Wirkung der Taktgeberimpulsquelle
KB2 nach einem Messwert zähler TR^ übertragen, der als
Sommator-Teiler der diesem angebotenen Impulse -wirksam ist, so dass
tatsächlich durch diesen Zähler TRU das Ausmitteln der "betreffenden
Anzahl Messungen, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 100, durchgeführt wird. Dies kann in einfacher Weise dadurch verwirklicht werden,
dass die letzten zwei Ziffern des Summenresultats, wie in den Zähler
TRU eingeführt, ausser Betracht gelassen werden, so dass wenn der Summenwert, der durch den Zähler TRk gezahlt wird, z.B. sechs
Zifferstellen enthält, nur eine Wiedergabe der vier signifikantesten Zifferstellen gegeben wird. Dies ist schematisch wiedergegeben durch
die vier Verbindungslinien zwischen diese Zähler TRU und eine
Wiedergabeeinheit WE1 zum Wiedergeben der gemessenen Wanddicke in digitaler Form und mit der gewünschten Genauigkeit (in diesem Fall
+_ 0,01 mm). Selbstverständlich sollen Vorkehrungen getroffen sein
( die jedoch aus dem Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen) zum Bewirken, dass die Zähler TR1 und TR2, jeweils nach^dem die betreffenden
Impulsreihen PT1 und PT2 darin eingeführt sind und mitteinander verglichen sind, wieder auf KuH zurückgeführt werden und der
Zähler TRU, jeweils nach der gewünschten Anzahl Messungen, z.B. hundert,
wieder auf WuI zurückgeführt wird. Das Akzeptsignal, wie abgegeben
durch den Komparator CMp ,ist auch wirksam zum Vermehren des Inhaltes
eines Zählers TR5, so dass in diesen Zähler ein Zählwert entsteht, der
kennzeichnend ist für eine Anzahl akzeptierter, d.h. "richtiger", Messungen. Dieser Zähler TR5 wird derart gesteuert, dass darin die
Anzahl richtiger Messungen aufgenommen wird über ein Zeitintervall, das einer Anzahl von 100 Messungen entspricht
(ungeachtet ob es sich um akzeptierte, oder aber abgelehnte Messungen handelt), welche Steuerung abgeleitet werden kann von Synchronisationsimpulsen sn, wie durch den Impulsgenerator PG erzeugt. So bildet
der Inhalt dieses Zählers TR5 eine Indikation, ausgedrückt in Prozentsätzen der Anzahl richtiger Messungen, welche Anzahl durch eine
Wiedergabeeinheit WE2 wiedergegeben werden kann. Das Aufsetzen bzw.
.-,urüeksetzen auf Null des Zählers TR5 wird durch die Steuerkette TS5
gesteuert, welche Kette wieder in Abhängigkeit von einem durch die
Synchronisationsimpulse sn geschalteten 100 Zähler TR6 wirksam ist.
Die eher genannte Steuerung für den Zähler TRU wird erhalten
mittels der zugehörigen Steuerkette TSl+. Diese Steuerkette TSU kann
wieder in Abhängigkeit von dem Zählerstand eines gesonderten Zählers TRT arbeiten, der die Anzahl richtiger Messungen zählt, wie notwendig
ist, um das Ausmittelverfahren, wie von dem Zähler TRk ausgeführt,
zu steuern.
Erwünschtenfalls kann mit Hilfe von (nicht wiedergegebenen) Daumenradschaltern
und Komparatoren ein eingestellter Limitwert, kennzeichnend für eine noch zulässige Wanddicke, mit den Messresultaten verglichen
werden, wobei, wenn die gemessene Wanddicke kleiner als der Limitwert ist, ein Alarmsignal gegeben wird.
Auch ist es möglich, das in digitaler Form erzeugte Messsignal über einen Digital-Analog-Umwandler in ein entsprechendes Analoges
Signal umzuwandeln,
Claims (1)
14. Mai 1981 34 039 B
B.V. Neratoom, Laan van Nieuw Oost-Indie 129-135>
BM 's-Gravenhage, Niederlande
System zum Messen der Wanddicke eines Messobjektes
MSPRUECHE
1./ System zum Messen der Wanddicke eines Messobjektes, mehr insbesondere
eines plattenförmigen oder rohrförmigen Organs, unter Anwendung von
Ultraschall energie umfassend einen Messwandler zum Senden bzw. Empfangen von Ultraschallenergie, eine Sende/Empfangvorrichtung,
die mit diesem Messwandler gekuppelt ist und dient zum Erregen dieses Messwandlers bzw. zum Empfangen und zum Verarbeiten von
Ultraschallenergie, insbesondere Echosignalen, wie von dem Messwandler empfangen, derart, dass aus einem Zeitintervall zwischen empfangenen
Echosignalen ein für die Wanddicke des Messobjektes kennzeichnendes Signal gebildet wird, gekennzeichnet durch eine Diskriminatorkette,
die dazu eingerichtet ist, aus einer Gruppe von empfangenen Signalen, wie entstanden nach dem Senden eines Signalstosses von Ultraschallenergie,
drei aufeinanderfolgende Echosignale, entstanden durch Reflektionen gegen die, gerechnet in der Richtung, in der ein gesendetes Signal sich
nach dem Messobjekt fortpflanzt, hintere Begrenzung der betreffenden Wand des Messobjektes,zu selektieren; eine Umwandlungskette,die dazu einge-
richtet ist, die Zeitintervalle zwischen einer solchen Dreizahl
aufeinanderfolgender Echosignale in eine erste Impulsreihe umzuwandlen,
kennzeichnend für das Zeitintervall zwischen dem ersten und zweiten Echosignal und eine zweite Impulsreihe,kennzeichnend
für das Zeitintervall zwischen dem zweiten und dritten Echosignal; einen Komparator zum Vergleichen einer solchen ersten
Impulsreihe und einer solchen zweiten Impulsreihe miteinander; und eine verarbeitende Kette, die "bei einer übereinstimmenden
Vergleichung des !Comparators aus einer der genannten Impulsreihen
ein für die Dicke der betreffenden Wand repräsentatives Signal bildet.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende/Empfangvorrichtung
versehen ist mit einem an sich bekannten Impulsgenerator zum Erzeugen vcn Impulsen mit einer vorher" gewählten
Wiederholungsfrequenz, wobei der Messwandler, ansprechend auf
diese Antriebsimpulse,eine diesen entsprechende Reihe von Signalstössen
von Ultraschallenergie aussendet; und die genannte verarbeitende Kette weiter dazu eingerichtet ist, eine vorher gewählte
Anzahl, z.B. hundert., der genannten Impulsreihen, die je infolge eines ausgesendeten Signaistosses entstanden sind,
sowie auch je ein Mass für die Wanddicke des Messobjektes sind, statistisch zu mitteln.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte
Umwandlungskette eine erste und eine zweite Synchronisationstorkette umfasst, wobei jede dieser Synchronisationstorketten
dazu eingerichtet ist, unter Steuerung einer auf einen einen Eingang davon angeschlossenen Steuerkette, synchron mit angebotenen
Taktgeberimpulsen, jeweils eine dem Zeitintervall zwischen
zwei aufeinanderfolgenden ausgewählten Echoimpulsen entsprechende Anzahl, durchzulassen.
k . System nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen
Messwertzähler, der ansprechend auf jedes Ausgangssignal,
das durch den Komparator bei einer übereinstimmenden Vergleichung erzeugt wird, einen Zählstand annimmt, der für die Wanddicke
des Messobjektes kennzeichnend ist, welcher Messwertzähler durch diesem zugeführte Hilfstaktgeberimpulse derart ausgelesen
werden kann, dass jeder Zählstand eine diesem entsprechende Reihe von Messwertimpulsen liefert; und wobei die genannte Wiedergabekette
dazu eingerichtet ist, solche Reihen von Messwertimpulsen zu summieren und das Summenresultat durch einen Faktor
zu teilen, der einer vorher gewählten Anzahl der genannten Reihen entspricht.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 "bis U,
gekennzeichnet durch einen Messaualitatswertzahler zum Zählen der Anzahl Ausgangssignale, die von dem genannten Komparator bei einer
übereinstimmenden Vergleichung abgegeben wird; und eine mit diesem Messaualitatswertzahler verbundene Steuerkette, die dazu
eingerichtet ist, den Messqualitätswertzähler die genannten Ausgangssignale zählen zu lassen über ein Zeitintervall, das
einer vorher gewählten Anzahl, z.B. hunderd, der genannten ausgesendeten Signalstösse entspricht.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die genannte Diskriminatorkette eine steuerbare
Schaltkette umfasst, die unter der Steuerung einer Steuerkette ein dieser angebotenes Eingangssignal für die Dauer eines
Steuersignals durchlassen kann; und eine Detektorkette zum
Erzeugen des genannten Eingangssignals im Form von im wesentlichen
einander gleichen unipolaren Signalimpulsen , welche Steuerkette dazu eingerichtet ist, ansprechend auf ein Referenzsignal, das ein
Mass ist für ein nach einem ausgesendeten Signalstoss als erstes empfangenes Echosignal, einen Steuerimpuls als Refererenz für
das genannte Steuersignal zu erzeugen.
T. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte
Steuerkette Vorkehrungen umfasst, durch welche die Zeitposition
und die Zeitlänge des genannten Steuersignals nach Wahl einstellbar sind.
Φ * β ·
• Q · ■ e * e
-Ii--
8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eineNiveauregelkette, die dazu eingerichtet ist, das Niveau
aufeinanderfolgender Echosignale im wesentlichen konstant zu halten; und einen Komparator, der dazu dient, die so geregelten Echosignale
mit einem im wesentlichen konstanten Referenzsignal zu vergleichen.
9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 75
gekennzeichnet durch einen Komparator, der dazu dient, aufeinanderfolgende
Echosignale zu vergleichen mit einem variabelen Referenzsignal, wie erzeugt durch eine Regelkette, die dieses Referenzsignal
regelt in Abhängigkeit von dem Amplitudenverlauf der
aufeinanderfolgenden Echosignale.
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