DE3227640A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR SIZING ULTRASONIC WAVES - Google Patents

METHOD AND ARRANGEMENT FOR SIZING ULTRASONIC WAVES

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DE3227640A1 DE19823227640 DE3227640A DE3227640A1 DE 3227640 A1 DE3227640 A1 DE 3227640A1 DE 19823227640 DE19823227640 DE 19823227640 DE 3227640 A DE3227640 A DE 3227640A DE 3227640 A1 DE3227640 A1 DE 3227640A1
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Description

HITACHI, LTD., Tokyo, JapanHITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Verfahren und Anordnung zur Größenbestimmung mit UltraschallwellenProcedure and arrangement for determining the size with Ultrasonic waves

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Größenbestimmung eines zu untersuchenden Teils mit Ultraschallwellen und insbesondere ein Verfahren, die Dicke einer Platte mit rauher Oberfläche oder die Tiefe eines Fehlers in einem zu untersuchenden Teil mit großer Genauigkeit zu messen und ein Gerät zur Ausführung des obigen Verfahrens.The invention relates to a method and an arrangement for determining the size of a part to be examined with ultrasonic waves and in particular a method, the thickness of a plate with a rough surface or the depth of a flaw in one under investigation Measure part with great accuracy and an apparatus for performing the above method.

Es wird bereits und in großem Maße ein Meßverfahren angewend das die Abmessungen eines zu untersuchenden plattenförmigen Teils durch Aussenden eines Ultraschallstrahls von einer Ultraschallsonde, die in Berührung mit dem Teil steht, und durch Empfangen eines Echos des Ultraschallstrahls an der Sonde, mißt, sowie ein Gerät, das dieses Verfahren durchführt. Sobald jedoch das Teil an seiner Rückseite eine rauhe Oberfläche oder innere, nahe beieinander befindliche Fehler aufweist, entsteht das technische Problem, daß beim oben erwähnten herkömmlichenThere is already and to a large extent a measuring method used that measures the dimensions of a plate-shaped object to be examined Part by emitting an ultrasonic beam from an ultrasonic probe that is in contact with the part stands, and by receiving an echo of the ultrasonic beam at the probe, measures, as well as a device that does this Procedure. However, once the part has a rough surface or interior, close to each other at its back has errors located, there arises the technical problem that the above-mentioned conventional

entstehen, Meßverfahren Meßfehler aufgrund der Tatsache /daß der von der Ultraschallsonde ausgestrahlte Ultraschallstrahl ausgerichtet ist und einen seitlichen Streubereich besitzt. Das obige technische Problem wird im folgenden erklärt.arise, measurement method measurement error due to the fact / that the ultrasonic beam emitted by the ultrasonic probe is aligned and has a lateral spread. The above technical problem will explained below.

Zuerst wird anhand der Fig. 1 und 2 der Fall erläutert, wo die Dicke eines auf der Rückseite rauhen Teils bestimmt wird. In Fig. 1 empfängt eine Sonde 2 ein übertragenes Signal T von einem Ultraschallempfänger 3 und sendet einen Ultraschallstrahl mit einer seitlichen Verbreiterung (5 von einem Punkt P auf einer Oberfläche eines Meßobjekts 1 in einer Richtung PB senkrecht zur Oberfläche aus und empfängt ein durch Reflexion erzeugtes Echo des gesendeten Ultraschallstrahls. Ein Empfangssignal R wird von der Ultraschallsonde 2 zum Ultraschallempfänger 3 aufgrund des empfangenen Echos übertragen.First, with reference to Figs. 1 and 2, the case where the thickness of a roughened on the back will be explained Partly is determined. In Fig. 1, a probe 2 receives a transmitted signal T from an ultrasonic receiver 3 and sends an ultrasonic beam with a lateral broadening (5 from a point P on a surface of a measurement object 1 in a direction PB perpendicular to the surface and receives a echo generated by reflection of the transmitted ultrasonic beam. A received signal R is from the Ultrasonic probe 2 transmitted to the ultrasonic receiver 3 based on the received echo.

Fig. 2 zeigt eine Beziehung zwischen ausgesendeten und empfangenen Signalwellenformen und der Zeit. Die Signalwellenform T1 an einem Punkt O auf der Zeitachse und eine Signalwellenform R,. an einem Punkt Tn stellen jeweils eine ausgesendete Welle und eine empfangene Welle dar. Die Entfernung zwischen den in Fig. 1 gezeigten Punkten P und B wird durch Multiplikation der Schallausbreitungsgeschwindigkeit mit der halben Zeitdauer t_ bestimmt. Wenn jedoch die untere Oberfläche des Meßobjekts 1 eine Vertiefung aufweist, wie Fig. zeigt, erzeugt der innerhalb der seitlichen Verbreiterung S des Ultraschalls befindliche Boden A der Vertiefung eine Ultraschallenergie reflektierende Echo-Fig. 2 shows a relationship between transmitted and received signal waveforms and time. The signal waveform T 1 at a point O on the time axis and a signal waveform R i. at a point T n each represent a transmitted wave and a received wave. The distance between the points P and B shown in FIG. 1 is determined by multiplying the speed of sound propagation by half the time period t_. However, when the lower surface of the measuring object 1 has a recess, as shown in FIG., The bottom A of the ultrasound located within the lateral widening of the groove S generates an ultrasonic echo energy reflective

quelle. Da der Abstand PB größer als der Abstand PAsource. Since the distance PB is greater than the distance PA

ist, erscheint eine reflektierte Wellenform R am Punkt tA der Zeitachse, wie Fig. 2 zeigt. In herkömmlichen Geräten war es unmöglich, zwischen den reflektierten Wellenformen R und R zu unterscheiden, . und die Dicke des Meßobjekts 1, die aufgrund der zum Zeitpunkt tA eintreffenden Wellenform RA bestimmt wurde, wurde fälschlich für die wahre Dicke EMB gehalten. Dieser Fehler trat nicht nur bei einer auf der Oberfläche des Meßobjekts 1 festgelegten Sonde zur Dickenmessung auf, sondern auch bei einer die Oberfläche des Meßobjekts 1 zur Dickenbestimmung abtastenden Sonde 2. Falls innerhalb des Meßobjekts 1 nur eine Echoquelle vorhanden ist, kann man den obigen Fehler durch Erfassen der Echoquelle an zwei Stellen auf der Oberfläche des Meßobjekts 1 vermeiden. Nachstehend wird anhand der Fig. 3 dieses Verfahren erläutert.is, a reflected waveform R appears at point t A of the time axis as shown in FIG. In conventional devices, it was impossible to distinguish between the reflected waveforms R and R,. and the thickness of the measurement object 1, which was determined on the basis of the waveform R A arriving at time t A , was mistakenly assumed to be the true thickness EMB. This error occurred not only in the case of a probe for thickness measurement fixed on the surface of the measurement object 1, but also in the case of a probe 2 scanning the surface of the measurement object 1 for thickness determination by detecting the echo source at two points on the surface of the measurement object 1. This method is explained below with reference to FIG. 3.

Fig. 3 zeigt ein zu untersuchendes Objekt 1 mit einer Echoquelle C. Von jedem der Punkte P- und P-wird ein von einer Ultraschallsonde angeregter Ultraschallstrahl zum Abtasten ausgesendet. Der vom Punkt P- ausgesendete Ultraschallstrahl besitzt eine seitliche Auffächerung ο und breitet sich deshalb in einem durch ein Dreieck P1Q1S- dargestellten Bereich aus. Ein Teil des ausgesendeten Strahls wird von der Echoquelle C reflektiert und das Echo am Punkt empfangen. Die Lage der Echoquelle C ist mit dem obigen Verfahren alleine nicht bestimmbar, jedoch weiß man, daß die Echoquelle C auf einem Kreisbogen M1, dessen Mittelpunkt der Punkt P- ist und dessen Radius gleich3 shows an object 1 to be examined with an echo source C. From each of the points P- and P-, an ultrasonic beam excited by an ultrasonic probe is emitted for scanning. The ultrasonic beam emitted from point P- has a lateral fanning ο and therefore spreads in an area represented by a triangle P 1 Q 1 S-. Part of the emitted beam is reflected by the echo source C and the echo is received at the point. The position of the echo source C cannot be determined with the above method alone, but it is known that the echo source C is on a circular arc M 1 , the center of which is the point P- and the radius of which is the same

dem Abstand zwischen Punkt P1 und C 1st, liegt. In der gleichen Weise erhält man einen Kreisbogen M~ aufgrund der Tatsache, daß Teile des vom Punkt P2 ausgesendeten Ultraschallstrahls von der Echoquelle reflektiert werden. Es ist deutlich ,daß die Echoquelle C auf dem Kreisbogen M2 liegt. Die wahre Lage der Echoquelle C ergibt sich durch den Schnittpunkt der Kreisbögen M. und M2.the distance between point P 1 and C 1st. In the same way, an arc of a circle M ~ is obtained due to the fact that parts of the ultrasonic beam emitted from point P 2 are reflected by the echo source. It is clear that the echo source C lies on the circular arc M 2. The true position of the echo source C results from the intersection of the circular arcs M and M 2 .

Im folgenden wird anhand Fig. 4 ein Problem erläutert, das entsteht, wenn innere Fehler des Meßobjekts nahe beieinander liegen. Das heißt, daß der Fall erklärt wird, wo die jeweiligen Stellen zweier benachbarter innerer Fehler unter Verwendung des in Fig. 3 gezeigten Meßverfahrens erfaßt werden. Fig. 4 zeigt einen zuerst vom Punkt P1 ausgesendeten Ultraschallstrahl, dessen Erfassungsbereich durch ein Dreieck P1Q1S. gebildet wird. Danach wird vom Punkt P2 ein Ultraschallstrahl gesendet, dessen Erfassungsbereich durch ein Dreieck P2^2S2 ge^ ^det wird. Wenn sich eine Echoquelle D außerhalb des Dreiecks P1Q1S1 jedoch innerhalb des Dreiecks Po^2S2 befindet, kann man die Lage der Echoquelle D aus folgenden Gründen nicht bestimmen: Wenn Ultraschallenergie vom Punkt P1 ausgesendet und am selben Punkt empfangen wird, ist klar, daß eine Echoquelle C auf einem Kreisbogen M11 liegt. Wenn dann Ultraschallenergie vom Punkt P2 ausgesendet und am Punkt P2 empfangen wird, erhält man einen den Punkt C schneidenden Kreisbogen M21 und einen weiteren, den Punkt D schneidenden Kreisbogen M22 und somit zeigt nicht nur der Schnittpunkt der Kreisbogen M11 und M21 den Punkt C an, sondern man erfaßt auch denA problem that arises when internal defects of the measurement object are close to each other will be explained with reference to FIG. That is, the case will be explained where the respective locations of two adjacent internal defects are detected using the measuring method shown in FIG. Fig. 4 shows an ultrasonic beam first emitted from point P 1 , the detection area of which is formed by a triangle P 1 Q 1 S. Then an ultrasonic beam is sent from point P 2 , the detection area of which is ge ^ ^ deted by a triangle P 2 ^ 2 S 2. If an echo source D is outside the triangle P 1 Q 1 S 1 but inside the triangle Po ^ 2 S 2, the location of the echo source D cannot be determined for the following reasons: When ultrasonic energy is emitted from point P 1 and received at the same point it is clear that an echo source C lies on an arc of a circle M 11. If then ultrasonic energy is emitted from point P 2 and received at point P 2 , one obtains a circular arc M 21 intersecting point C and a further circular arc M 22 intersecting point D and thus not only shows the intersection of circular arcs M 11 and M 21 the point C, but one also grasps the

Punkt D1 des Schnitts der Kreisbögen M1- und M22 falsche Echoquelle auf.Point D 1 of the intersection of the circular arcs M 1 - and M 22 wrong echo source.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Ultraschallt-Dickenmeßverfahren zu ermöglichen,das bei einem Meßobjekt mit rauher Oberfläche oder inneren Fehlern, wodurch Ultraschallechos von mehreren Echoquellen empfangen werden, die jeweiligen Lagen der Echoquellen genau zur Dickenmessung des Objekts oder der jeweiligen Stellen der inneren Fehler mit großer Genauigkeit bestimmt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Gerät zur Durchführung des obigen Verfahrens zu ermöglichen.It is therefore the object of the invention to provide an ultrasonic thickness measuring method to make it possible, in the case of a measuring object with a rough surface or internal defects, whereby ultrasonic echoes are received from several echo sources, the respective positions of the echo sources precisely for measuring the thickness of the object or the respective locations of the internal defects with great accuracy certainly. A further object of the invention is to provide a device for carrying out the above method enable.

Zur Lösung der obigen Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Oberfläche eines Meßobjekts durch eine Ultraschallsonde, die Ultraschallenergie aussendet und empfan et abgetastet, ein Ultraschallecho an einer Stelle einer Abtastzeile und vor diesem Schritt ein oder mehrere Ultraschallechos in einem oder mehreren Schritten empfangen, wodurch zwei oder mehr Kreisbögen, deren Mittelpunkte durch eine Ultraschall-Energie -Sende/Empfangslage jedes Schritts gebildet werden und deren Radien gleich der Ausbreitungsstrecke des Ultraschallechos jedes Schrittes sind, gebildet werden, womit dann derjenige Schnittpunkt der Kreisbögen als Echoquelle bestimmt wird, der in einem Bereich liegt, in dem von der Ultraschallsonde ausgestrahlte Ultraschallstrahlen einander überlappen .According to the invention, the above object is achieved et a surface of a measurement object by an ultrasonic probe that emits and receives ultrasonic energy scanned, an ultrasonic echo at one point on a scan line and, before this step, one or more Ultrasonic echoes are received in one or more steps, creating two or more arcs, their centers through an ultrasonic energy send / receive position each Steps are formed and their radii equal to the propagation distance of the ultrasonic echo each Step, which then determines the point of intersection of the arcs as the echo source, which is in a range in which ultrasonic beams emitted from the ultrasonic probe overlap each other .

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung deutlich beschrieben. Es zeigen:The invention is clearly described below with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 eine schematische Ansicht, die zur Erklärung des Dickenmeßverfahrens einer Platte mit Ultraschallwellen dient;Fig. 1 is a schematic view used to explain the thickness measuring method of a plate with Ultrasonic waves are used;

Fig. 2 ein Signalwellenformendiagramm, das reflektierte Ultraschallwellen,die bei der Dickenmessung einer Platte mit dem in Fig. 1 erläuterten Verfahren entstehen, zeigt in der Oberfläche der Platte eine Vertiefung ist;Fig. 2 is a signal waveform diagram showing reflected ultrasound waves which, when measuring the thickness of a plate with the one shown in FIG. 1 illustrated method, shows there is a depression in the surface of the plate;

Fig. 3 eine scheinatische Ansicht, die zur Erläuterung eines Prinzips eines Meßverfahrens für innere Fehler einer Platte mittels Ultraschallwellen dient;Fig. 3 is a schematic view used to explain a principle of a measuring method for internal Defect of a plate is used by means of ultrasonic waves;

Fig. 4 eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines beim in Fig. 3 gezeigten Verfahren entstandenen Problems;FIG. 4 is a schematic view for explaining a method produced in the process shown in FIG. 3 Problems;

Fig. 5 eine schematische Ansicht, die zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Ausführung eines Verfahrens, das die Lage einer Echoquelle mißt, dient;Fig. 5 is a schematic view used to explain an embodiment of the invention Method that measures the position of an echo source is used;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßanordnung, die die Lage einer Echoquelle aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens erfaßt; und6 shows a block diagram of a measuring arrangement according to the invention, which detects the position of an echo source based on the method according to the invention; and

Fig. 7 eine SchemaVisicht, die die Arbeitsweise ^ der in Fig. 6 gezeigten Anordnung erläutert.7 is a diagram showing the operation of the in the arrangement shown in Fig. 6 explained.

Im folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung der Lage einer Echoquelle und ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens anhand der Fig.5 bis 7 beschrieben. Zuerst wird eine Ausführungsart einesIn the following a method according to the invention for detecting the position of an echo source and a device for Implementation of the method is described with reference to FIGS. First, an embodiment becomes a

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erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassungder Lage einer Echoquelle anhand der Fig. 5 beschrieben.Method according to the invention for detecting the position of a Echo source described with reference to FIG.

Nach dem vorher Ausgeführten ist eine Bestimmung der jeweiligen Stellen der Echoquellen durch alleiniges Aussenden und Empfangen von Ultraschallenergie an den Punkten P1 und P2, womit die Kreisbögen M...., M21 und M22 erhalten werden, unmöglich. Deshalb wird, wie Fig.5 zeigt, an einem weiteren Punkt P3 Ultraschallenergie ausgesendet und empfangen, womit sich aufgrund der von den Echoquellen C und D reflektierten Ultraschallwellen Kreisbögen, deren Radien jeweils gleich der Ausbreitungsstrecke der reflektierten Ultraschallwelle sind, ergeben. Beim in Fig. 5 dargestellten Beispiel erhält man nur einen Kreisbogen M31, dessen Mittelpunkt der Punkt P3 ist, da der Abstand zwischen Punkt P3 und der Echoquelle C dem Abstand zwischen dem Punkt P3 und der Echoquelle D gleich ist.According to what has been stated above, it is impossible to determine the respective locations of the echo sources by solely transmitting and receiving ultrasonic energy at points P 1 and P 2 , with which the circular arcs M ..., M 21 and M 22 are obtained. Therefore, as FIG. 5 shows, ultrasonic energy is transmitted and received at a further point P 3 , which results in arcs of a circle, the radii of which are equal to the propagation distance of the reflected ultrasonic wave, due to the ultrasonic waves reflected by the echo sources C and D. When in example of FIG. 5 can be obtained only a circular arc M 31, whose center is the point P 3, since the distance between point P 3 and the echo source C is equal to the distance between the point P 3 and the echo source D.

In der vorliegenden Ausführung werden zeitlich nach dem Aussenden und Empfangen der Ultraschallenergie am Punkt P-. die am Punkt P2 beim vorangegangenen Schritt und am Punkt P1 beim vorvorigen Schritt erhaltenen Daten zu folgenden Entscheidungen verwendet:In the present embodiment, after the transmission and reception of the ultrasonic energy at point P-. uses the data obtained at point P 2 in the previous step and at point P 1 in the previous step to make the following decisions:

(a) Bezüglich Punkt C wird entschieden, daß der Punkt C eine wahre Echoquelle ist, weil der Kreisbogen M11, der durch das Aussenden und Empfangen der Ultraschallenergie am Punkt P1 erhalten wird, der Kreisbogen M?1, deram Punkt P2 erhalten wird und der Kreisbogen M31, der am Punkt P^ erhalten wird, den Punkt C schneiden.(a) As to point C, it is decided that point C is a true echo source because the circular arc M 11 obtained by transmitting and receiving the ultrasonic energy at point P 1 , the circular arc M ? 1 obtained at point P 2 and the circular arc M 31 obtained at point P ^ intersects point C.

(b) Bezüglich des Punktes D1 wird entschieden, daß der Punkt D1 eine falsche Echoquelle darstellt, weil der Kreisbogen M3-, der durch Aussenden und Empfangen von Ultraschallenergie am Punkt P- erhalten wird, nicht den Punkt D1 schneidet. Somit wird der Punkt D1 nicht angenommen.(b) Regarding the point D 1 , it is decided that the point D 1 is a false echo source because the circular arc M 3 - obtained by emitting and receiving ultrasonic energy at the point P- does not intersect the point D 1. Thus point D 1 is not accepted.

(c)Bezüglich des Punktes D wird keine Ultraschallwelle vom Punkt D beim Aussenden und Empfangen von Ultraschallenergie am Punkt P1 reflektiert, da der Punkt D außerhalb der seitlichen Auffächerung £ des vom Punkt P1 ausgesendeten Ultraschallstrahls liegt. Das heißt, daß nach Aussenden und Empfang der Ultraschallenergie am Punkt P3 der Punkt D jetzt in Betracht gezogen wird, und die Entscheidung bezüglich des Punktes D auf den nächsten Schritt verschoben wir d.(c) With regard to the point D, no ultrasonic wave is reflected from the point D when transmitting and receiving ultrasonic energy at the point P 1 , since the point D lies outside the lateral fanning out of the ultrasonic beam transmitted from the point P 1. This means that after the ultrasonic energy has been transmitted and received at point P 3, point D is now taken into account, and the decision regarding point D is postponed to the next step.

Eine Ultraschallsonde führt eine Abtastung auf der Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts, in dem sie aufeinanderfolgend Ultraschallenergie aussendet und die Echos empfängt, durch. Wenn aufgrund eines einzigen empfangenen Echos ein Kreisbogen im i-ten Schritt erhalten wird und aufgrund im nächsten Schritt empfangener Echos (nämlich im i+1-ten Schritt) mehrere Kreisbögen erhalten werden, die mit dem Kreisbogen im i-ten Schritt L Schnittpunkte in einem Bereich, wo zwei in diesen Schritten ausgesendete Ultraschallwellen sich überlappen, bilden / werden, zur Vergewisserung, ob eine erste Echoquelle wahr ist oder nicht, die in zwei aufeinanderfolgenden der i-ten, i+1-ten, i+2-ten,... und i+L-ten Schritte hintereinander erhaltenen Kreisbögen aufeinanderfolgend geprüft. Falls sich L+1 Kreisbögen, die sich imAn ultrasonic probe scans the surface of an object to be examined by sequentially emitting ultrasonic energy and receiving the echoes. If, on the basis of a single received echo, a circular arc is obtained in the i-th step and, on the basis of echoes received in the next step (namely in the i + 1-th step), several circular arcs are obtained which intersect with the circular arc in the i-th step L in one region where two emitted in these steps ultrasonic waves overlap, form / are, for the ascertainment whether a first echo source is true or not, in two successive ones of the ith, i + 1th, i + 2-th ,. .. and i + L-th steps successively obtained circular arcs are checked successively. If there are L + 1 arcs in the

i-te η, i+1-ten,... und i+L-ten Schritt ergeben, sich in einem Punkt schneiden, so wird dieser Schnittpunkt als wahre Echoquelle angesehen.i-th η, i + 1-th, ... and i + L-th step result intersect at a point, this point of intersection is regarded as the true source of the echo.

Bei der vorliegenden Ausführung der Erfindung wird, wie oben erwähnt, ein an einer Stelle einer Abtastzeile empfangenes Echo und eines oder mehrere empfangene Echos in einem oder mehreren Schritten vor dem Schritt der obigen Stelle zur Ausbildung zweier oder mehrerer Kreisbögen verwendet, deren Mittelpunkte jeweils eine Ultraschallenergie-Sende/Empfangsstelle jedes Schrittes und deren Radius jeweils gleich der Ausbreitungsstrecke des Ultraschallechos in jedem Schritt sind. Derjenige Schnittpunkt der Kreisbögen, der sich in einem Bereich befindet, wo von der oben erwähnten Ultraschallsonde ausgesendete Ultraschallstrahlen einander überlappen, wird als Stelle einer Echoquelle bestimmt.In the present embodiment of the invention, as mentioned above, a is used at one location of a scan line received echo and one or more received echoes in one or more steps before the step the above point used to form two or more arcs, their centers in each case an ultrasonic energy transmitting / receiving point for each step and its radius equal to the distance of propagation of the ultrasound echo in each step. That point of intersection of the arcs, which is located in an area where ultrasonic rays emitted from the above-mentioned ultrasonic probe overlap each other is determined as a location of an echo source.

Zur genauen und leichten Ausführung des obigen Meßverfahrens besitzt ein erfindungsgemäßes Ultraschallgrößenmeßgerät zusätzlich zu einer Ultraschallsonde eine automatische Recheneinheit und eine Vorrichtung, die das Abtasten durch die Ultraschallsonde bewirkt. Die automatische Recheneinheit wird mit den Meßergebnissen mehrerer aufeinanderfolgender Stellen versorgt und berechnet aufgrund einer geometrischen Analyse mehrere Kreise, deren Mittelpunkte jeweils die Stellen des Ultraschallenergie-Sende/Empfangs und deren Radien gleich dem Abstand zwischen den jeweiligen Ultraschall-Sende/Empfangsstellen und einer Echoquelle sind. Ferner berechnet die automatische RecheneinheitIn order to carry out the above measuring method precisely and easily, an ultrasonic size measuring device according to the invention is provided in addition to an ultrasound probe, an automatic processing unit and a device that causing the scanning by the ultrasound probe. The automatic arithmetic unit is with the measurement results several consecutive positions supplied and calculated based on a geometric analysis several circles, the centers of which are the locations of the ultrasonic energy transmission / reception and their radii are equal to the distance between the respective ultrasonic transmitting / receiving points and an echo source. The automatic processing unit also calculates

einen Schnittpunkt, in dem die Kreis sich schneiden und ent. scheidet/ ob der berechnete Schnittpunkt innerhalb des Geltungsbereichs einer bestimmten numerischen Formel liegt oder nicht. Erst, wenn der berechnete Schnittpunkt innerhalb des Geltungsbereichs der numerischen Formel liegt, wird er als Echoquelle bestimmt. Nachfolgend wird eine Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Ultraschallgrößenmeßgeräts anhand der Fig. beschrieben.an intersection point where the circles intersect and decides whether the calculated intersection point is or is not within the scope of a particular numeric formula. Only when the calculated Intersection is within the scope of the numerical formula, it is determined as the echo source. The following is an embodiment of one according to the invention Ultrasonic size measuring device described with reference to the figure.

Fig. 6 zeigt, daß ein elektrisches Signal R, das die Signalwellenform eines durch die Ultraschallsonde empfangenen Echos angibt, über eine Schwellentorschaltung 4 Ausbreitungszeit-tirfassungsschaltüngen 5-1, 5-2,..., und 5-n zugeführt wird. Diese Ausb„reitungszeiterfassungsschaltungen erfassen die jeweiligen Ausbreitungszeiten mehrerer Ultraschallechos und die Ausgangssignale der Ausbreitungszeit-Erfassungsschaltungen werden in die Positionsbestimmungsschaltung 6 eingegeben.Fig. 6 shows that an electric signal R which is the signal waveform of a through the ultrasonic probe received echoes indicates, via a threshold gate circuit 4 propagation time detection circuits 5-1, 5-2, ..., and 5-n is supplied. These propagation time detection circuits detect the respective propagation times of several ultrasonic echoes and the output signals of the propagation time detection circuits are input to the position determining circuit 6.

Die Positonsbestimmungsschaltung 6 erhält von einer Abtastpositionserfassungsschaltung 9 die Position χ der Ultraschallsonde 2 auf der Abtastzeile und führt folgende Berechnung aus:The position determination circuit 6 receives the position χ from a scanning position detection circuit 9 of the ultrasonic probe 2 on the scan line and performs the following calculation:

x =x =

7 ? I
ι — I .' ** _ γ" , '2
7? I.
ι - I. ' ** _ γ ", '2

darin bedeutenmean in it

x: eine Koordinatenachse in Abtastrichtung der Ultrax: a coordinate axis in the scanning direction of the Ultra

schallsonde (s. Fig. 5),sound probe (see Fig. 5),

Z: eine Koordinatenachse in Richtung der Dicke des Meßobjekts 1 (s. Fig.5),Z: a coordinate axis in the direction of the thickness of the measurement object 1 (see Fig. 5),

x.: eine Position der Ultraschallsonde 2 im i-ten Schritt, 1.: eine Ausbreitungsentfernung eines Echos im i-ten Schritt, X: eine x-Koordinate der Lage einer Echoquelle, und Z: eine Z-Koordinate der Lage einer Echoquelle.x .: a position of the ultrasonic probe 2 in the i-th step, 1 .: a propagation distance of an echo in the i-th step, X: an x-coordinate of the position of an echo source, and Z: a Z coordinate of the position of an echo source.

Die bei der Ausführung der Erfindung enthaltene Recheneinheit erhält, wie oben erwähnt, die Ultraschallmeßergebnisse mehrerer aufeinanderfolgender Schritte (i,i+1, i+2, ... und i-n-ter Schritt), berechnet mehrere Kreise, deren Mittelpunkte jeweils die Sende/ Empfangsstellen der Ultraschallenergie und deren Radien jeweils die Entfernung zwischen den Sende/Empfangsstellen der Ultraschallenergie und einer Echoquelle, sind aufgrund der analytischen Geometrie in den obigen Schritten und findet den Schnittpunkt der Kreise durchAs mentioned above, the arithmetic unit contained in the implementation of the invention receives the ultrasonic measurement results several successive steps (i, i + 1, i + 2, ... and i-n-th step), calculated several circles, the centers of which are the transmitting / receiving points of the ultrasonic energy and their radii each is the distance between the sending / receiving points of the ultrasonic energy and an echo source due to the analytical geometry in the above steps and find the intersection of the circles through

Lösen eines die Kreise darstellenden Gleichungssysteme.Solve a system of equations representing the circles.

Die Positonserfassungsschaltung 6 berechnet denThe position detection circuit 6 calculates the

gibtgives

Schnittpunkt der Kreis und ein entsprechendes Ausgangssignal an eine Bereichsbestimmungsschaltung 7, die zusätzlich einen Wert, der die seitliche Auffächerung S angibt, und einen Maximalwert T der Dicke des Objekts 1, der anfangs in einem Speicher 1° / wurde. In der Schaltung wird entschieden, ob die oben erwähnte Lage (X, Z) der Echoquelle in einem Bereich liegt, wo die von der Sonde in den Schritten x s ■'■Ausgesendeten UltraschallstrahlenIntersection of the circle and a corresponding output signal to a range determination circuit 7, which also has a value indicating the lateral fanning S and a maximum value T of the thickness of the object 1, which was initially 1 ° / in a memory. In the circuit it is decided whether the above-mentioned position (X, Z) of the echo source lies in a range where the ultrasonic beams emitted by the probe in steps x s ■ '■

einander überlappen, oder nicht. Diese Entscheidung wird in folgender Weise getroffen:overlap each other or not. This decision is made in the following way:

Fig. 7 zeigt ein Positionsbestimmungsverfahren der Lage einer Echoquelle mittels Senden und Empfang von Ultraschallenergie in jedem von drei aufeinanderfolgenden Schritten, das heißt an jedem der Punkte P1r P2 und P3* Da in dem in Fig. 7 gezeigten Fall nur eine Echoquelle vorhanden ist, wird die Entscheidung, ob die Echoquelle wahr oder falsch ist, da,nach getroffen, ob der Schnittpunkt der Kreise in einem Dreieck U12Q2 si liegt, wo sich ein die seitliche Streuung des vom Punkt P-ausgesendeten Ultraschallstrahls darstellendes Dreieck P1Q1S1 und ein den vom Punkt P_ ausgesendeten Ultraschall darstellendes Dreieck P2Q2 S 2 einander überlappen oder nicht. Der Bereich, wo sich ein beim i-ten Schritt ausgesendeter und ein beim darauffolgenden Schritt ausgesendeter Ultraschallstrahl überlappen, wird gewöhnlich durch ein Dreieck UQS dargestellt. Die jeweiligen Koordinaten der Punkte U, Q und S erhält man aus:FIG. 7 shows a method for determining the position of an echo source by means of transmitting and receiving ultrasonic energy in each of three successive steps, that is to say at each of the points P 1r, P 2 and P 3 * Da in the case shown in FIG. 7, there is only one echo source is, the decision whether the echo source is true or false is made according to whether the intersection of the circles lies in a triangle U 12 Q 2 s i, where a triangle representing the lateral scattering of the ultrasonic beam emitted from point P is P 1 Q 1 1 S and the transmitted ultrasound from the point P_ representing triangle P 2 Q 2 S 2 e i Nander or may not overlap. The area where an ultrasonic beam emitted in the i-th step and an ultrasonic beam emitted in the following step overlap is usually represented by a triangle UQS. The respective coordinates of the points U, Q and S are obtained from:

1+1 ι 1+1 ι Λ.1 + 1 ι 1 + 1 ι Λ.

Γ* Γ C — Γ * Γ C -

(:<i+1 - T sin ^- , T cos ^-) and (χ. + T sin y, T cos |·)(: < i + 1 - T sin ^ -, T cos ^ -) and (χ. + T sin y, T cos | ·)

Wenn der Schnittpunkt der Kreise, wie er von der Positionserfassungsschaltung 6 berechnet wird, innerhalb des Dreiecks UQS liegt, entscheidet die Bereichsbestimmungsschaltung 7,daß der obige Schnittpunkt die Lage einer echten Echoquelle darstellt.When the intersection of the circles as calculated by the position detection circuit 6 is within of the triangle UQS, the area determination circuit decides 7 that the above intersection represents the position of a real echo source.

Nach dem vorgehend Gesagten, werden, wenn sich der im i-ten Schritt erhaltene Kreisbogen)! mit den im i+1-ten Schritt erhaltenen Kreisbögen in L-Schnittpunkten schneiden, die in einem Bereich liegen, wo sich die Ultraschallstrahlen überlappen, Schnittpunkte der Kreisbögen aufeinanderfolgende im i+2-ten, i+3-ten,... und i+L-ten Schritt berechnet. Zusätzlich zur obigen Berechnung werden in jedem der obigen Schritte die Rechenoperationen, die die jeweiligen Koordinaten der unten erwähnten Punkte U, Q und S ermitteln, ausgeführt, das heißt,daß die obige Rechenoperation in jedem der i+1-ten, i-+-2-ten/... und i+L-ten Schritte wiederholt wird, und numerische Werte nacheinander herausgeschoben werden, wodurch entschieden wird, ob jeder Schnittpunkt in einem Dreieck UQS (das einen überlappungsbereich der Ultraschallstrahlen darstellt) oder nicht liegt.According to what has been said above, if the arc obtained in step i)! with the im i + 1-th step cut circular arcs in L-intersections, which lie in an area where the ultrasonic beams overlap, intersection points of the arcs in the i + 2-th, i + 3-th, ... and i + L-th step are calculated. In addition to the above calculation, in each of the above steps the Arithmetic operations that determine the respective coordinates of the points U, Q and S mentioned below are carried out, that is, the above arithmetic operation is repeated in each of the i + 1-th, i - + - 2-th / ... and i + L-th steps and numerical values are shifted out one by one, thereby deciding whether each Intersection in a triangle UQS (which represents an overlap area of the ultrasonic beams) or not lies.

Das heißt,daß die in der vorliegenden Ausführung der Erfindung enthaltene automatische Recheneinheit in der obigen Weise entscheidet, ob der Schnittpunkt der durch Berechnung erhaltenen Kreisbögen innerhalb eines Dreiecks USQ (nämlich einem Ultraschallstrahlüberlappungsbereich), das durch eine numerische Gleichung gegeben ist, liegt oder nicht.That is, in the present embodiment, the Invention contained automatic processing unit in the above manner decides whether the intersection of the through Calculation of circular arcs obtained within a triangle USQ (namely an ultrasonic beam overlap area), given by a numerical equation, is or is not.

Ein erfindungsgemäßes Ultraschallgrößenmeßgerät enthält eine solche automatische Recheneinheit. Dementsprechend berechnet im Gerät jede der Ausbreitungszeiterfassungsschaltungen 5-1, 5-2, ... und 5-n eine zur Ausbreitung eines Echos zwischen Echoquelle und Ultraschallsonde 2 nötige Echoausbreitungszeit aufgrundAn ultrasonic size measuring device according to the invention contains such an automatic computing unit. Accordingly calculates in the device each of the propagation time detection circuits 5-1, 5-2, ... and 5-n echo propagation time necessary for the propagation of an echo between the echo source and ultrasound probe 2 due to

der von der Sonde 2 empfangenen Echos und gibt die berechnete Ausbreitungszeit der Positionsbestimmungsschaltung 6 ein. Aufgrund der Ta 1sache/ daß eine Echoquelle auf mehreren Kreisbögen, deren Mittelpunkte jeweilige Abtaststellen der Ultraschallsonde 2 bilden und deren Radien gleich der Ausbreitungsentfernung eines Echos sind, berechnet die Positonsbestimmungsschaltung 6 den Schnittpunkt der Kreisbögen, um die Lage der Echoquellen zu bestimmen. Die Bereichsbestimmungsschaltung 7 führt aufgrund der vom Speicher erhaltenen numerischen Werte eine Rechenoperation zur Bestimmung, ob der oben erwähnte Schnittpunkt eine echte Echoquelle oder nicht ist, aus. Eine echte Echoquelle wird an einer Anzeige 8 angezeigt.of the echoes received by the probe 2 and gives the calculated propagation time to the position determining circuit 6 a. Because of the fact / that a Echo source on several arcs, the centers of which have respective scanning points of the ultrasonic probe 2 and whose radii are equal to the propagation distance of an echo, the position determining circuit calculates 6 the intersection of the arcs to determine the position of the echo sources. The range determination circuit 7 performs an arithmetic operation based on the numerical values obtained from the memory to determine whether the above-mentioned intersection is a true echo source or not. A real Echo source is displayed on a display 8.

Nach den vorangehenden Erklärungen wird bei einem erfindungsgemäßen Ultraschallgrößenmeßverfahren ein empfangenes. Echo an einer Stelle einer Abtastzeile und eines oder mehrere in einem oder mehreren Schritten vor dem Schritt an der obigen Stelle empfangenen Echos verwendet, um zwei oder mehrere Kreisbögen zu bilden, deren Mittelpunkte . jeweils eine Ultraschallenergie-Sende/ Empfangsstelle und deren Radien gleich der jeweiligen Ausbreitungsstrecte des Ultraschallechos in jedem Schritt sind. Danach wird ein Schnittpunkt der Kreisbögen, der in einem Bereich, wo sich von einer Ultraschallsonde ausgesendete Ultraschallstrahlen einander überlappen, liegt als Stelle einer Echoquelle bestimmt. Daher können, auch wenn ein Meßobjekt mit rauher Oberfläche mehrere Echoquellen aufweist, die jeweiligen Stellen der Echoquellen genau bestimmt und die genaue Dicke des plattenförmigen Objekts mitAccording to the foregoing, in an ultrasonic sizing method according to the present invention, a received. Echo at one point on a scan line and one or more in one or more steps echoes received prior to step at above are used to form two or more arcs of a circle, their midpoints. one ultrasonic energy transmitter each / Receiving point and its radii equal to the respective propagation path of the ultrasonic echo are in every step. After that, an intersection of the circular arcs, which is in an area where from one Ultrasound beams emitted by the ultrasound probe overlap each other, lies as a point of an echo source certainly. Therefore, even if a measurement object with a rough surface has a plurality of echo sources, the respective locations of the echo sources are precisely determined and the exact thickness of the plate-shaped object with

großer Genauigkeit gemessen werden.can be measured with great accuracy.

Weiterhin enthält ein erfindungsgemäßes Ultraschallmeßgerät eine automatische Recheneinheit zusätzlich zu einer Ultraschallsonde und eine Einrichtung, die einen Abtastvorgang der Ultraschallsonde bewirkt. Der automatischen Recheneinheit werden die Meßergebnisse mehrerer Meßstellen eingegeben. Sie berechnet mehrere Kreisbögen, deren Mittelpunkte Ultraschallenergie/Sende-Empfangspunkte und deren Radien gleich der Entfernung zwischen der Ultraschallenergiesende/Empfangsstelle und einer Echoquelle sind, aufgrund der analytischen Geometrie aufeinanderfolgender Stellen und der Berechnung eines Punkts, in dem die Kreis sich schneiden. Die automatische Recheneinheit entscheidet, ob der berechnete Schnittpunkt in einem mittels einer vorgegebenen numerischen Formel dargestellten Bereich liegt oder nicht. Das obige Meßgerät kann das erfindungsgemäße Ultraschallgrößenmeßverfahren schnell und leicht durchführen und zeigt deshalb eine hervorragende Wirkung des Meßverfahrens.Furthermore, an ultrasonic measuring device according to the invention additionally contains an automatic computing unit to an ultrasound probe and a device that effects a scanning process of the ultrasound probe. Of the The measurement results of several measuring points are entered in an automatic processing unit. She calculates several Arcs of a circle, the centers of which are ultrasonic energy / send / receive points and their radii equal to the distance between the ultrasonic energy emitting / receiving point and an echo source, due to the analytical geometry of successive locations and the Calculation of a point at which the circles intersect. The automatic processing unit decides whether the calculated intersection point lies in a range represented by means of a predetermined numerical formula or not. The above measuring device can quickly perform the ultrasonic size measuring method of the present invention and easy to carry out, and therefore shows an excellent effect of the measuring method.

Claims (4)

AnsprücheExpectations yVerfahren zur Größenmessung mit Ultraschallwellen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:y method for size measurement with ultrasonic waves, characterized by the following process steps: a) Abtasten einer Oberfläche eines Meßobjekts (1) mit einer Ultraschallsonde (2);a) scanning a surface of a measurement object (1) with an ultrasound probe (2); b) Aussenden eines Ultraschallstrahls von der Ultraschallsonde (2) an mehreren Stellen (P1, P2 t P3) an der Oberfläche des Objekts und Empfang eines Echos des Ultraschallstrahls;b) transmitting an ultrasonic beam from the ultrasonic probe (2) at several points (P 1, P 2 t P 3) at the surface of the object and receiving an echo of the ultrasonic beam; c) Bestimmung einer Ausbreitungsstrecke des Ultraschallechos an jeder der Stellen (P-, P2, P3) aufgrund eines empfangenen Echos an einer (P..) der Stellen und der empfangenen Echos an den restlichen Stellen (P2, P3);c) Determination of a propagation distance of the ultrasonic echo at each of the locations (P-, P 2 , P 3 ) on the basis of a received echo at one (P ..) of the locations and the received echoes at the remaining locations (P 2 , P 3 ); d) Ermittlung mehrerer Kreisbögen (M-.., M2-, M32, M3-, M1, M2, M3) deren Mittelpunkte die Stellen (P1, P3, P3) und deren Radien gleich der Ausbreitungsstrecke des Ultraschallechos an der jeweiligen, den Mittelpunkt bildenden Stelle sind; undd) Determination of several arcs (M - .., M 2 -, M 32 , M 3 -, M 1 , M 2 , M 3 ) whose center points are the points (P 1 , P 3 , P 3 ) and whose radii are equal to The distance of propagation of the ultrasonic echo at the respective point forming the center point; and e) Entscheidung,daß/der Schnittpunkt (C) der Kreisbögen die Stelle einer Echoquelle darstellt, wenn der Schnittpunkt in einem Bereich liegt, wo die an den Stellen (P1, P2, P3) ausgesendeten Ultraschallstrahlen einander überlappen.e) Decision that / the point of intersection (C) of the arcs represents the point of an echo source if the point of intersection lies in a region where the ultrasonic beams emitted at points (P 1 , P 2 , P 3 ) overlap one another. 81-(A694O-O3)-AtF81- (A6940-03) -AtF 2. Verfahren zur Größenmessung eines Meßobjekts (1) durch Abtastung/einer Oberfläche des Meßobjekts mit einer Ultraschallsonde (2) ,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
2. Method for the size measurement of a measurement object (1) by scanning / a surface of the measurement object with an ultrasonic probe (2),
characterized by the following process steps:
Ά Empfang eines Ultraschallechos an jeder von mehreren Stellen (P1, P2, P3) auf einer Abtastzeile;Ά receiving an ultrasonic echo at each of multiple locations (P 1 , P 2 , P 3 ) on a scan line; B Bestimmung mindestens zweier Kreisbögen (M- -, M21' M22' M3., M-, M2, M3) aufgrund eines empfangenen Echos an einer der Stellen (P., P2, P3) und mindestens eines in mindestens einem Schritt vor dem Schritt an der obigen Stelle empfangenen Echos, wobei die Mittelpunkte der Kreisbögen jeweils durch einen Ultraschallenergiesende/Empfangspunkt in jedem Schritt dargestellt werden und die Radien der Kreisbögen jeweils gleich einer Ausbreitungsstrecke des Ultraschallechos in jedem Schritt sind;B Determination of at least two arcs (M-, M 21 ' M 22' M 3. , M-, M 2 , M 3 ) based on a received echo at one of the points (P., P 2 , P 3 ) and at least one echoes received at the above point in at least one step before the step, the center points of the arcs being represented by an ultrasonic energy emitting / receiving point in each step and the radii of the arcs being equal to a propagation distance of the ultrasonic echo in each step; C Bestimmung des Schnittpunkts (C) der Kreisbögen;C Determination of the intersection (C) of the arcs; D Entscheidung, daß der Schnittpunkt der Kreisbögen die Lage einer Echoquelle darstellt, wenn der Schnittpunkt in einem Bereich liegt, wo von der Ultraschallsonde an den jeweiligen Stellen ausgestrahlte Ultraschallstrahlen einander überlappen.D Decision that the intersection of the arcs represents the position of an echo source if the Intersection point lies in an area where emitted from the ultrasound probe at the respective points Ultrasonic beams overlap each other.
3. Meßgerät zur Größenmessung durch Ultraschallwellen, gekennzeichnet durch3. Measuring device for size measurement by ultrasonic waves, characterized by - eine Ultraschallsonde (2);- an ultrasound probe (2); - eine Abtasteinrichtung, die die Oberfläche eines Meßobjekts (1) durch die Ultraschallsonde (2) abtastet;- A scanning device which scans the surface of an object to be measured (1) by means of the ultrasonic probe (2); - eine Einrichtung (6), die den Schnittpunkt (C) mehrerer Kreisbögen (M--, M2-, M22, M31, M^, M2, M3)- A device (6), the intersection point (C) of several arcs (M--, M 2 -, M 22 , M 31 , M ^, M 2 , M 3 ) berechnet, wobei die Mittelpunkte der Kreisbögen mehrere aufeinanderfolgende Ultraschallsende/Empfangsstellen (P1, P2, P3) auf dem Meßobjekt sind, deren Radien jeweils gleich der Entfernung zwischen der jeweiligen Stelle (P1, P2, P3) und einer Ultraschallechoquelle sind; undcalculated, whereby the center points of the circular arcs are several successive ultrasonic transmitting / receiving points (P 1 , P 2 , P 3 ) on the measurement object s i n d, the radii of which are each equal to the distance between the respective point (P 1 , P 2 , P 3 ) and an ultrasonic echo source; and - eine Einrichtung (7), die entscheidet, ob der berechnete Schnittpunkt in einem Bereich, der durch eine vorgegebene numerische Formel dargestellt wird, liegt oder nicht.- A device (7) that decides whether the calculated Point of intersection lies in an area represented by a given numerical formula or not. 4. Meßgerät zur Größenmessung mit Ultraschallstrahlen, mit einer automatischen Recheneinheit zusätzlich zu einer Ultraschallsonde (2) und mit einer Einrichtung, die ein Abtasten durch die Ultraschallsonde bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Recheneinheit enthält:4. measuring device for size measurement with ultrasonic beams, with an automatic computing unit in addition to an ultrasound probe (2) and with a device that causing scanning by the ultrasound probe, characterized in that that the automatic processing unit contains: -Ausbreitungszeiterfassungsschaltungen (5-1, 5-2,..., 5-n, 6), die das Meßergebnis an mehreren aufeinanderfolgenden Stellen (P1, P2, P3) erhalten und mehrere Kreise (M11, M21# M22# M31' M1' M2r M3* aufgrund der analytischen Geometrie an den Stellen berechnen, wobei die Mittelpunkte der Kreise jeweils die Ultraschallenergie-Sende/Empfangspunkte sind und der Radius jeweils gleich einem Abstand zwischen Ultraschal lenergie-Sende/Empfangspunkt und einer Echoquelle ist; - Propagation time detection circuits (5-1, 5-2, ..., 5-n, 6) which receive the measurement result at several successive points (P 1 , P 2 , P3) and several circles (M 11 , M 21 # M 22 # M 31 ' M 1' M 2 r M 3 * based on the analytical geometry at the points where the center points of the circles are the ultrasonic energy transmission / reception points and the radius is equal to a distance between the ultrasonic energy transmission / reception point and is an echo source; -eine Einrichtung (6), die einen Schnittpunkt (C) berechnet, an dem die Kreise sich schneiden; und- a device (6) which calculates an intersection point (C) at which the circles intersect; and -eine Einrichtung (7), die entscheidet, ob der berechnete Schnittpunkt (C) in einem durch eine vorgegebene numerische Formel ausgedrückten Bereich liegt oder nicht.- a device (7) which decides whether the calculated intersection point (C) is in a given numerical The range expressed by the formula is or is not.
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