DE3126138A1

DE3126138A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der dicke eines werkstuecks mit ultraschallimpulsen

Info

Publication number: DE3126138A1
Application number: DE19813126138
Authority: DE
Inventors: Morio Sagamihara Kanagawa Nakano; Isao Machida Tokyo Narushima
Original assignee: Teitsu Denshi Kenkyusho Co Ltd
Current assignee: Teitsu Denshi Kenkyusho Co Ltd
Priority date: 1980-12-08
Filing date: 1981-07-02
Publication date: 1982-08-26
Also published as: FR2496874A1; GB2089039B; JPS5892811A; JPS6249921B2; US4388830A; FR2496874B1; GB2089039A; DE3126138C2

Description

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PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL.-ING. W. EITLE · D R. R E R. NAT. K. H O FFMAN N < DIPL.-ING. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 . D-8000 MO NCHEN 81 . TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATHE)

35152

Teitsu Denshi Kenkyusho Co., Ltd., Kawasaki-Shi, Kanagawa-Ken / Japan

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Dicke eines Werkstücks mit Ultraschallimpulsen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Dicke eines Werkstücks mit Ultraschallimpulsen, wobei die Ultraschallimpulse periodisch in das Werkstück von einer Oberfläche eingeleitet werden, sodaß vor dem Boden des Werkstücks reflektierte Ultraschallechoimpulse empfangen werden, und wobei die verstrichene Zeit zwischen der Einleitung jedes Ultraschallimpulses und der Empfangszeit des zugehörigen Echoimpulses zur Bestimmung der Dicke des Werkstücks gemessen wird.

Bei der Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens wird .die Messung der verstrichenen Zeit im allgemeinen mittels Zählen der verstrichenen Zeit mittels Taktimpulsen durchgeführt, sodaß daher die Auflösung oder Genauigkeit des am Ende erhaltenen Dickenwerts von der Frequenz oder von der Dauer der Taktimpulse abhängt.

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Die Anforderungen hinsichtlich einer verbesserten Auflösung bei Ultraschallmeßgeräten . der Verbraucher wurden in der letzten Zeit immer höher, d. h., es wird eine Auflösung von 0,1 mm oder weniger unter der Bedingung gefordert, daß die Schallgeschwindigkeit innerhalb eines Werkstücks ungefähr 10000 m/sec oder mehr ist. In dem Fall, in dem die Schallgeschwindigkeit bei etwa 10000 m/sec eingestellt wird und die Auflösung von 0,1 mm gefordert wird, ist es notwendig, Taktimpulse zu

—8 verwenden, die eine Dauer von 2 χ 10 sec (20 nano-Sekunden) haben, d. h., die Taktimpulse.haben eine Frequenz von etwa 50 MHz.

Gegenwärtige Halbleiter IC Oszillatoren, die eine derartig hohe Frequenzgrenze von 50 MHz aufweisen, sind jedoch sehr teuer und haben einen hohen elektrischen Energiebedarf. Somit sind die bekannten Ultraschalldickenmeßverfahren und -geräte insofern von Nachteil, daß sie nicht nur sehr teuer sind, sondern ebenfalls einen hohen elektrischen Energiebedarf aufweisen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. Anspruch 4 derart weiterzubilden, welche weder mit hohen Kosten noch mit einem hohen elektrischen Energiebedarf behaftet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch und Anspruch 4 gekennzeichnete Erfindung gelöst, d.'. h. dadurch, daß man in bezug auf N aufeinanderfolgende Echoimpulse (N ist eine ganze Zahl, nicht kleiner als 2) die Messung der verstrichenen Zeit von der Einleitung jedes Ultraschallimpulses bis zum Empfang jedes zugehörigen

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Impulses mißt, wobei man die Phase jedes zum Zählen der gemessenen Werte der verstrichenen Zeit verwendeten Taktimpulses um 2 7^/N Radiane in eine vorbestimmte Richtung verschiebt, jedesmal wenn die Messung der verstrichenen Zeit beendet ist.

Bei einer später in Verbindung mit den Zeichnungen beschriebenen Ausführungsform wird N gleich vier gewählt, sodaß die Messung der verstrichenen Zeit in bezug auf vier aufeinanderfolgende Echoimpulse durchgeführt wird, während denen die Phase der Taktimpulse um 2^/4 '. Radiane nach Beendigung jeder Messung der verstrichenen Zeit nach vorne verschoben werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines gewöhnlichen

ültraschalldickenmeßgerätes;

Fig. 2(a) - (e) Zeitdiagramme zur Darstellung der an

verschiedenen Punkten in Fig. 1 auftretenden Wellenformen;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Ültraschall

dickenmeßgerätes gemäß der Erfindung;

Fig. 4(a) - (e) Zeitdiagramme der an verschiedenen

Punkten in Fig. 3 auftretenden Wellenformen; und

Fig. 5(a) - (k) Zeitdiagramme zur Darstellung des Prinzips der Arbeitsweise der Vorrichtung von Fig. 3 und der damit erzielten Wirkung.

Bevor nun im einzelnen das erfindungsgemäße Verfahren urcLdie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben werden soll, soll zuerst auf ein Beispiel eines bakannten Ultraschalldickenmeßgerätes Bezug genommen werden, wie es in den Fig. 1 und 2 (a)-(e) dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt ein gewöhnliches Ultraschalldickenmeßgerät, das einen Synchronisationssignalgenerator 1, einen mittels des Generators 1 zur Erzeugung mittels elektrischer Impulse in.einer vorbestimmten Zeitdauer T₁ gesteuerten Impulstransmitter 2, einen Meßkopf 3 zur Umwandlung jedes der von dem Transmitter 2 zugeführten elektrischen Impulse in einen Ultraschallimpuls, der in ein Werkstück 10 der Dicke W eingeleitet werden soll, und zur Aufnahme jedes von dem Boden des Werkstücks 10 reflektierten Echoimpulses und zur Umwandlung dieses Echoimpulses in einen Spannungsimpuls, einen Verstärker 4 zur Verstärkung der Spannungsimpulse, einen auf die Impulse des Synchronisationssignalgenerators 1 und die verstärkten Spannungsimpulse des Verstärkers 4 ansprechenden Multivibrator 5 zur Erzeugung eines elektrischen Impulses mit einer Dauer, die der Zeitdauer T- gleich ist, die von der Zeit der übertragung eines Ultraschallimpulses bis zur Zeit des Empfangs: des zugehörigen Echoimpulses dauert, einen Taktimpulsgenerator 6 zur Erzeugung von Taktimpulsen mit einer Zeitdauer von T₃, ein " UND-Gatter 7, das mittels der elektrischen Impulse des Multivibrators 5 geschaltet wird, um die Taktimpulse des Generators 6 nur während der geschalteten Zeitdauer durchzulassen, einen Zähl- und Rechnerschaltkreis 8 zum Zählen der Anzahl der durch das UND-Gatter 7 durchgelassenen Taktimpulse -und zur Berechnung aufgrund des gezählten Wertes mittels der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallimpulse des Werkstücks

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(der Schaltkreis ist mit einer Geschwindigkeitseinstellvorrichtung versehen, obwohl dies nicht in Fig. 1 gezeigt ist),um ein Signal abzuleiten, das der Dicke des Werkstücks TO entspricht, eine Anzeige 9 zur Anzeige des Signals des Schaltkreises 8, und eine Energiequelle S zur Versorgung der entsprechenden Bauteile mit der notwendigen elektrischen Energie aufweist. Die Anzeige 9 kann als Digitalanzeige ausgebildet sein.

Beim Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Gerätes berührt der Meßkopf 3 die Oberfläche des Werkstücks 10 und die elektrischen Impulse mit einer Zeitdauer von T| werden von dem Transmitter 2 dem Meßkopf 3 zugeführt. In Abhängigkeit von den elektrischen Impulsen erzeugt der Meßkopf 3 derartige Ultraschallimpulse, wie sie in Fig. 2 (a) dargestellt sind und überträgt diese Impulse in das Werkstück 10. Jeder der in das Werkstück 10 übertragenen Ultraschallimpulse wird vom Boden des Werkstücks reflektiert und erreicht den Meßkopf 3 mit einer Verzögerungszeit T₂, gemessen von der Zeit der übertragung in das Werkstück 10. Somit weisen die Ultraschallimpulse eine in Fig. 2 (b) gezeigte Wellenform auf und werden von dem Meßkopf 3 empfangen, der sie wiederum in entsprechende Spannungsimpulse umwandelt. Die Spannungsimpulse werden mittels des Verstärkers 4 verstärkt. Die Verzögerungszeit T₂ kann ausgedrückt werden als T₂ = 2W/C, wobei W die Dicke des Werkstücks und C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallimpulse in dem Werkstück darstellt. Der Multivibrator 5 wird in Abhängigkeit eines jeden Synschronisationssignals von dem Generator 1 angeschaltet und in Abhängigkeit eines jeden empfangenen Echoiinpulot»a abgeschaltet, wodurch er einen der Dicke entsprechenden Spannungsimpuls 12 entpsrechend der Dauer der Verzögerungszeit T„ des Echoimpulses erzeugt, wie dies in Fig. 2(c)

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dargestellt ist. Der der Dicke entsprechende Spannungsimpuls 12 wird dem UND-Gatter 7 zugeführt. Andererseits weisen die Taktimpulse 13 eine Zeitdauer T₃ auf, !wie dies in Fig. 2(d) dargestellt ist, wobei sie mittels eines Kristalloszillators innerhalb des Taktimpulsgenerators 6 erzeugt werden und dem UND-Gatter 7 zugeführt werden. Das UND-Gatter 7 wird mittels der der Dicke entsprechenden Spannungsimpulse 12 geschaltet, wodurch eine Reihe von Taktimpulsen 14 (siehe Fig. 2(e)) durch das UND-Gatter 7 gelangen und den Zähl- und Rechner schaltkreis 8 zugeführt werden. Der Zähl- und Rechner schaltkreis 8 zählt die Anzahl der Taktimpulse in der Impulsreihe oder dem' Impülszug 14, der von dem UND-Gatter 7 zugeleitet wird.

Wenn die Anzahl der in dem Taktzug 14 befindlichen Taktimpulse η ist, dann ist aufgrund der Beziehung T_ =; 2W/C = T, χ η , die Dicke W wie folgt:

W = C χ T₃ χ n/2.

Der somit abgeleitete Dickenwert wird auf der Anzeige 9 angezeigt.

Bei einem tatsächlichen Gerät ist es üblich, daß der sogenannte Nullpunkt Einstellschaltkreis zwischen dem Synschronisationssignalgenerator und dem Multivibrator angeordnet ist. Bei der obigen Beschreibung des gewöhnlichen Gerätes ist jedoch ein derartiger Schaltkreis weggelassen, da die Kenntnis eines derartigen Schaltkreises weder für das Arbeitsprinzip des gewöhnlichen Gerätes _r\ noch für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist.

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O « β β* d ·»« »»00 9*4 β * *

Aus der Formel zur Ableitung der Dicke W sieht man, daß die Auflösung oder Genauigkeit des erhaltenen Dickenwerts von der Zeitdauer T₃ der Taktimpulse und daher von der Frequenz der Taktimpulse abhängt.

Wie bereits jedoch vorher erwähnt, weisen das Verfahren und die Vorrichtung dieser Art nach dem Stand der Technik den Nachteil auf/ daß sie nicht nur hohe Kosten , sondern ebenfalls einen hohen Energiebedarf erfordern.

Im folgenden soll daher die Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4 (a) - (e) und 5(a) - (k) beschrieben werden.

Der in Fig. 3 dargestellte Schaltkreis hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie der in Fig. 1 gezeigte Schaltkreis, mit der Ausnahme, daß er einen Phasenkontrollschaltkreis 20 zusätzlich zu den Bauteilen des Schaltkreises von Fig. 1 aufweist, und daß eine Schallgeschwindigkeitseinstelleinrichtung in Verbindung mit dem Zähl- und Rechneeschaltkreis 8 dargestellt ist, der die Bezugsziffer 21 aufweist. Entsprechend weisen die gleichen Bauteile von Fig. 1 in Fig. 3 die entpsrechenden Bezugsziffern auf.

Fig. 4 (a) zeigt Ultraschallimpulse P-, P₂,.., die aufeinanderfolgend in ein Werkstück 10 mit einer Zeitdauer T₁ eingeleitet werden, während Fig. "4 (b) die entsprechenden Ultraschallechoimpulse R₁, R„ _f ..., aufzeigt, die von der Bodenfläche des Werkstücks reflektiert wurden. Fig. 4 (c) zeigt die Impulse 12 dar Dauer, dies glolcli dor Verzögerungszeit T~ sind, die am Ausgang des Multivibrators 5 erzeugt wird, die die Bezugsziffern 12-1, 12-2...,

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-Al "

in der folgenden Beschreibung aufweist.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung von Fig. 3 zur Ableitung der Impulse 12-1, 12-2,..., ist der Arbeitsweise der Vorrichtung von Fig. 1 zur Ableitung der der Dicke entsprechenden Spannungsimpulse 12 gleich. Das Gerät von Fig. 3 arbeitet jedoch in der Weise von dem Gerät gemäß Fig. 1 im bezug auf das Zählen der der Dicke entsprecherden Impulse mittels der Taktimpulse unterschiedlich, wie dies im folgenden beschrieben wird.

Der Taktimpulsgenerator 6 umfaßt einen Kristalloszillator, der Taktimpulse mit einer Zeitdauer T. unter der Steuerung des Synchronisationssignalgenerators 1 erzeugt, wobei jedoch die Phase der Taktimpulse um 2 ff"/N Radiane (N ist eine ganze Zahl, nicht kleiner als 2) in eine vorbestimmte Richtung verschoben wird, und zwar jedesmal , wenn die Messung der Verzögerungszeit T₂ beendet ist. Es soll angenommen werden, daß die Ultraschallimpulse Pw P₂ ,..., in das Werkstück 10 zu den Zeitpunken T₁, T„, ..., eingeleitet werden. Die Phase der Taktimpulse·schreitet dann vor (oder wird verzögert) um 2^/N Radiane bei jedem der Zeitpunkte t', t', ..., wie dies in Fig. 4 (e) gezeigt ist, und zwar unter der Steuerung des Signals des Phasenkontrollschaltkreises 20, in dem der Zeitpunkt t ' so ausgewählt wird, daß er an dem genauen Zeitpunkt zwischen (t₁ + T₂) und t₂ liegt, und der Zeitpunkt t₂' so ausgewählt wird, daß er ein genauer Punkt zwischen (t-₂ + T„) und t₃ ist.

Somit erzeugt der Generator 6 an seinem Ausgang Taktimpulse 22-1 mit einer Phase ( ^- + 2 *ft7N) während der Dauer von t₁' bis t₂' , Taktimpulse 22-3 mit einer Phase (^n ⁺ ( 2 7T/N)x 2) während der Dauer von t₂' bis

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m 9 · · · » * · „β. OO β

t₃' u. s. w., wie dies in Fig. 4 (d) dargestellt ist, die dem UND-Gatter 7 zugeführt werden. Dem UND-Gatter 7 werden ebenfalls Spannungsimpulse 12 von dem Dickenmultivibrator 5 zugeführt. Das UND-Gatter 7 erzeugt Taktimpulszüge 23-1, 23-2,.., die zueinander um 27Γ/Ν Radiane Phasen verschoben sind, wie dies in Fig. 4{e)

dargestellt ist. Die'Taktzüge 23-1, 23-2, , werden

dem Zähl- und Rechner schaltkreis 8 zugeführt, wo die Anzahl der in jedem, der N aufeinanderfolgenden Taktzüge 23-1 bis 23-N enthaltenen Taktimpulse gezählt werden. Somit wird die Messung der Verzögerungszeit in bezug auf N aufeinanderfolgende Echoimpulse durchgeführt. Andererseits wird ein Faktor bezüglich der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallimpulse in dem Werkstück 10 von der Einstelleinrichtung 21 dem Zähl- und Rechnerschaltkreis 8 zugeführt, sodaß der Schaltkreis 8 die gezählten Werte mittels des Faktors verarbeitet, um ein der Dicke des Werkstücks ensprechendes Signal abzuleiten. Der so erhaltene Werkstückdickenwert wird auf der Anzeige 9 angezeigt, die vorzugsweise eine Digitalanzeige ist. Der Taktimpulszug 23-1 mit einer Phase γ ~ (siehe Fig. 4(e)) entspricht hier dem Taktimpulszug 14 (siehe Fig. 2(e)).

Die Funktion des in Fig. 3 gezeigten Gerätes und die dadurch erzeugte Wirkung soll nun unter Bezugnahme auf die Fig. 5 (a) bis (k) beschrieben werden.

In den Fig. 5 (a) bis (k) ist angenommen, daß N.vier und ψ ₀ Null ist; die Taktimpulse haben eine Zeitdauer von T.,und die der Dicke entsprechenden Spannungsimpulse 12 haben eine Dauer T₂ = T., was dem Fall entspricht, in dem die Taktimpulszüge 23-1, 23-2, 23-3 und 23-4 zueinander um 2^/4 Radiane (90°) phasenverschoben sind,

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-pr-

Pig. 5 (a) zeigt aus Einfachheitsgründen nur einen, der der Dicke ents prechenden Spannungsimpulse 12 statt der der Dicke.entsprechenden Spannungsimpulse 12-1 bis 12-4. Fig. 5 (b) bis (e) zeigen die Taktimpulszüge 23-1 bis 23-4, während die Fig. 5 (f) bis (i) die Art des Zählens der der Dicke entsprechenden Spannungsimpulse 12-1 bis 12-4 mittels der phasenverschobenen Taktimpulse darstellen, unter der Annahme, daß das Zählen an der vorderen Kante jedes Taktimpulses durchgeführt wird, wie dies mittels der dicken ausgezogenen Linien dargestellt ist.

Der Zustand der in Fig. 5 (f) dargestellten Taktimpulse entspricht dem üblichen Fall. In Fig. 5 (f) beträgt die Ziffer der Zählung zwei (2) ,wobei, es jedoch aus der Zeichnung offensichtlich ist, daß die im Fall von Fig. 5

(f) erhaltene Auflösung T. entsprechend der Zeitdauer A eines Zykluses der Taktimpulse ist, da das Zählen mittels eines Zykluses der Taktimpulse bewirkt wird.

In jeder der Fig. 5 (g) bis (i) ist die Anzahl der Zählungen zwei (2) wie im Fall von Fig. 5 (f), wobei jedoch darauf hingewiesen werden soll, daß im Falle der Fig. 5

(g) bis (i) das Zählen an Stellen durchgeführt wird, die um 90° zueinander in der Größenordnung von Fig. 5 (g), Fig. 5 (h) und Fig. 5 (i) phasenverschoben sind, und die zwischen den führenden Kanten der benachbarten Taktimpulse von Fig. 5(f) liegen. Somit wird das Zählen vier mal so durchgeführt, daß alle der in den Fig. 5(f) bis (i) dargestellten Zähloperationen durchgeführt werden, deren gesamte Anzahl acht (8) ist. Es ist offensichtlich, daß die in diesem Fall erhaltene Auflösung T./4 ist, die der Zeitlänge B entspricht, die von dem Zeitpunkt, an dem der Wert "zwei (2)" in Fig. 5{i) gezählt wurde, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der nächst-

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• * go * it * β φ β no

* ifl O «Ο A« *6(iQ «ft

folgende Taktimpuls in Fig. 5 (f) beginnt, gemessen wurde. D. h., daß in diesem Fall die Auflösung im Vergleich zum Fall von Fig. 5(f),der dem üblichen Fall entspricht, um ein vierfaches verbessert wurde. Mit anderen Worten, man kann mit dieser Ausführungsform eine derartige Auflösung erhalten, die man in dem Fall erhält, in dem man das Zählen mittels der Taktimpulse durchführt, die eine Zeitdauer von T-/4 (das vierfache vom Standpunkt der Frequenz) haben, wenn keine Phasenverschiebung bewirkt wird. Fig. 5 (j) zeigt die Taktimpulse, deren Dauer auf T./4 geändert wurden, während Fig. 5 (k) die Art und Weise zeigt, in der das Zählen mittels der Taktimpulse von Fig. 5(j) durchgeführt wird.

Der auf der Anzeige 9 angezeigte Dickenwert kann abgeleitet werden, indem man die gesamte Anzahl der Zählungen "acht (8)" durch "vier (4)" dividiert, welches die Anzahl der Zeit ergibt, in denen das Zählen bewirkt wurde, wobei eine derartige Division mittels des Zähl- und Rechnerschaltkreises 8 durchgeführt wird.

Von der Analogie in bezug auf den oben beschriebenen spezifischen Fall, ist leicht zu verstehen, daß allgemein in dem Fall , in dem die Dauer T~ der der Dicke entsprechenden Impulse mittels der Taktimpulse mit einer Zeitdauer T₄ gemessen wird, die Dicke W des Werkstücks durch die Formel

W=C χ T. χ n/2

ausgedrückt werden kann, wobei η die Anzahl der gezählten Taktimpulse und T. die Periode bzw. Dauer der Taktimpulse darstellt, in diesem Fall ist die Auflösung der Dickenmessung CTJ2 (dieser Fall entspricht dem

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üblichen Fall ) .

Andererseits ist in dem Fall, in dem die Dauer T„ jedes dt*t N auCisliicindtirfolgenden Dickenimpulse mittels Taktimpulsen mit einer Zeitdauer NT. unter der Bedingung, daß die Phase der Taktimpulse um 2if/N Radiane nach Beendigung der Messung eines jeden der Dickenimpulse verschoben ist, gemessen wird, kann die Anzahl η ausgedrückt werden als

_ ^T2 _ ^T2

ⁿ - ntT~ ^{x n} - ~tT~

4 4

und die Dicke W des Werkstücks kann ausgedrückt werden als

W = C χ T. χ n/2

mit dem Ergebnis, daß die Auflösung in diesem Fall CT-/2 ist. D. h., daß der gleiche Auflösungsgrad, wie beim üblichen Fall erhalten werden kann, auch dann,

wenn die Frequenz der Taktimpulse auf 1./ N vermin- /

dert wird, wenn eine derartige Phasenverschiebung, wie oben beschrieben, bewirkt wird.

Wenn N¹ aufeinanderfolgende Dickenimpulse mit einer Zeitdauer T₂ mittels der Taktimpulse mit einer Zeitdauer T-unter der Bedingung gemessen werden, daß die Phase der Taktimpulse um 27^/N¹ Radiane nach Beendigung der Messung eines jeden Dickenimpulses verschoben ist, ist die erhaltene Auflösung CT₄/2N¹. Das bedeutet, daß die Auflösung um N¹ mal im Vergleich zu dem üblichen Fall verbessert ist.

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In dem Fall, in dem das Zählen in ..bezug auf N aufeinanderfolgende Dickenimpulse 12 durchgeführt wird, ist der auf der Anzeige 9 angezeigte Dickenwert mittels Dividieren der gesamten Anzahl der Zählungen, die man von dem Zählbetrieb erhält,, durch die Anzahl der Zeiten N, in der die Zählungen durchgeführt wurden, abgeleitet, wobei die Division mittels des Zähl- und Rechnerschaltkreises· 8 durchgeführt wird.

Man öieht, daß das beschriebene Verfahren so arbeitet, als ob man die Frequenz der Taktimpulse um ein N-faches erhöht.

In dem einfachsten Ausführungsbeispiel 1st das Gerät so aufgebaut, daß die Taktimpulse eine Frequenz von 25MHz haben (da ein IC Oszillator, der eine derartige Frequenz liefert, leicht bei relativ niedrigen Kosten erhältlich ist) und die Phase der Taktimpulse wurde aufeinanderfolgend auf 180° verschoben, und die Verzögerungszeit der zwei aufeinanderfolgenden Dickenimpulse so gemessen, daß die Dicke eines Werkstückes mit einer Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit von 10000 m/sec mit einer Auflösung von 0,1 mm gemessen werden konnte. Das so aufgebaute Gerät wurde zur Messung der Dicke von Stahlmaterial verwendet, welches eine Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit von 5950 m/sec hat, während die Geschwindigkeitseinstelleinrichtung 21 des Gerätes auf einen Wert von 5950 m/sec eingestellt wurde, sodaß der gezählte Wert mittels 0,595 im Zähl - und Rechnerschaltkreis 8 mulitpliziert wurde. Andererseits wurde die Dicke von Aluminium gemessen, welches eine Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit von 6260 m/sec aufweist, wobei die Geschwindigkeitseinstelleinrichtung 21 des Gerätes auf einen Wert von 6260 m/sec eingestellt wurde, sodaß der

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gezählte Wert mit 0,626 in dan Zähl - und Rechnerschaltkreis 8 multipliziert wurde. In beiden Fällen konnte der auf der Anzeige 9 angezeigte Dickenwert mit wirksamen Ziffern bis zur ersten dezimalen Stelle angezeigt werden, d. h., die Anzeige konnte innerhalb der Auflösung von 0,1 mm gemacht werden.

In einem anderen Beispiel wurde das Gerät so aufgebaut, daß die Phase der Taktimpulse aufeinanderfolgend um 18° zur Messung der Verzögerungszeit von zehn aufeinanderfolgenden Dickenimpulsenverschoben wurde. In diesem Fall konnte der auf der Anzeige 9 angezeigte Dickenwert wirksame Ziffern bis zur zweiten dezimalen Stelle erreichen, d. h., die Anzeige wurde mit einer Auflösung von 0,01 mm durchgeführt.

Mit dor Erfindung wird somit eine Dickenmessung mit hoher Auflösung erreicht, die man mit bekannten Geräten nur dann erreicht, wenn man die Frequenz der Taktimpulse auf ein N-faches steigert. Erfindungsgemäß werden N aufeinanderfolgende Dickenimpulse mittels Taktimpulsen gemessen, dessen Phasen aufeinanderfolgend um 2 T^/N Radiane verschoben sind, während die Frequenz nicht gesteigert wird. Weiter ist es mit der Erfindung möglich, einen teuren IC Oszillator mit einer höheren Frequenzgrenze zu vermeiden, wodurch die Kosten des Gerätes gesenkt werden.

Claims

Teitsu Denshi Kenkyusho Co., Ltd., Kawasaki-Shi, Kanagawa-Ken / Japan

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Dicke eines Werkstücks mit Ultraschallimpulsen

PATENTANSPRÜCHE

1 J Verfahren zur Messung der Dicke eines

Werkstücks, wobei man periodisch Ultraschallimpulse in das Werkstück sendet, man die von der Grundfläche des Werkstücks reflektierten Echoimpulse empfängt, man die zwischen dem Senden jedes Ultraschallimpulses und dem Empfangen jedes zugehörigen Echoimpulses verstrichene Zeit mißt, man jede der gemessenen Zeiten zählt, und man von jeder der so gezählten Werte ein die Dicke des Werkstücks darstellendes Signal ableitet, dadurch

gekennz eichnet, daß man die verstrichene Zeit in bezug auf N aufeinander folgende Echoimpulse, während denen die Phase der Taktimpulse um 2 7Γ/Ν Radiane in einer vorbestimmten Richtung nach Beendigung joder Messung der verstrichenen Zeit verschoben werden (N ist eine ganze Zahl, nicht kleiner als 2), mißt, wodurch die Auflösung der Dickenmessung des Werkstücks, verbessert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der Taktimpulse nach Beendigung jeder Messung der verstrichenen Zeit um 2 ^/N Radiane fortschreitet.
3. . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Phase der Taktimpuls e nach Beendigung jeder Messung der verstrichenen Zeit um 2^/N Radiane verzögert wird.
4. Vorrichtung zur Messung der Dicke eines Werkstücks mit einem Meßkopf zur Einleitung von Ultraschallimpulsen in ein Werkstück und zum Empfang zugeordneter Ultraschallechoimpulse, einem Synchronisationssignalgenerator, einer auf den Synchroriisationsgenerator ansprechenden Einrichtung zur periodischen Zuführung elektrischer Impulse zu dem Meßkopf, der dadurch die Ultraschallimpulse erzeugt, einer Einrichtung zum Messen der verstrichenen Zeit von der Aussendung jedes Ultraschallimpulses bis zum Empfang jedes zugeordneten Echoimpulses , einem Taktimpulsgenerator, einer Einrichtung zum zahlen jodor der mitte]κ der von dem Taktimpulsgenerator gelieferten Taktimpulse gemessenen Zeiten,und einer Einrichtung zur Ableitung eines die Dicke des Werk-

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Stücks darstellenden Signals von jedem der so gezählten Werte, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasensteuerschaltkreis (20) zwischen dem Synchronisationssignalgenerator (1) und dem Taktimpulsgenerator (6) vorgesehen ist, und daß der Phasensteuerschaltkreis (20) die Phase der Taktimpulse um 2 T/N Radiane (N ist eine ganze Zahl, nicht kleiner als 2) in einer vorbestimmten Richtung nach Beendigung einer jeden Messung der verstrichenen Zeit, während N aufeinanderfolgende Echoimpulse mittels der Meßeinrichtung gemessen werden, verschiebt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasensteuerschaltkreis (20) die Phase der Taktimpulse um 2 If/Yk nach Beendigung jeder Messung der verstrichenen Zeit nach vorne verschiebt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasensteuerschaltkreis (20) die Phase der Taktimpulse um 2^T/N nach Beendigung jeder Messung der verstrichenen Zeit verzögert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Multivibrator (5) umfaßt, der in Abhängigkeit von einem Synchronisationssignal des Synchronisationssignalgenerators(1) einschaltbar und in Abhängigkeit eines elektrischen Signals entsprechend eines von dem Meßkopf (3) empfangenen Echoimpulses ausschaltbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung ein UND-Gatter (7) umfaßt, das mittels dem Ausgangssignals des Multivibrators (5) geschaltet wird und die Taktimpulse des Taktimpulsge-

nerators (6) nur während der Schaltdauer durchläßt/ sodaß die Anzahl der so durchgelassenen Taktimpulse gezählt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4_f dadurch gekennzeichnet/ daß die Zähleinrichtung einen Rechnerschal tkreis (8) mit einer Schallgeschwindigkeitseinstelleinrichtung (21) zur Ableitung eines die Dicke des Werkstücks (10) darstellenden Signals umfaßt.
10. \ Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch?, gekennzeichnet, daß eine Anzeige (9) für den abgeleiteten Dickenwert vorgesehen ist. i
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet/ daß die Anzeige (9) eine digitale Anzeige umfaßt.