DE3612686C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von Zeitintervallen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der DE-PS 28 42 450 ist in Verbindung mit der DE-OS 30 12 186 bereits ein Verfahren zur Messung von Zeitintervallen bekannt, deren jeweilige Dauer durch ein Zeittorsignal bestimmt wird. Bei diesem Verfahren wird zu einem Meßwert, der durch Zahlung von mit zumindest nahezu gleichbleibender Frequenz innerhalb des Zeittorsignals begonnener Taktimpulse in einem Zähler gewonnen wird, ein Zusatzwert vorzeichenrichtig addiert. Der Zusatzwert ergibt sich aus der vorzeichenrichtigen Addition eines ersten, der Zeitdauer vom Beginn des Zeittorsignals bis zum ersten innerhalb des Zeittorsignals gezählten Taktimpuls proportionalen, durch Integration einer zumindest nahezu konstanten Größe gewonnenen und gespeicherten Analogmeßwerts und eines zweiten Analogmeßwerts, der der Zeitdauer vom Ende des Zeittorsignals an bis zum ersten, nicht mehr gezählten Taktimpuls proportional ist und durch Integration einer betragsmäßig gleichen Größe gewonnen wird. Der Zusatzwert wird nach Analog/Digitalumwandlung dem Meßwert hinzugefügt.

Bei dem bekannten Verfahren löst der Beginn eines Zeittorsignals eine analoge Zeitmessung aus, die beendet wird, wenn eine ansteigende Flanke eines Taktimpulses unter Einschluß einer gleichbleibenden Verzögerungszeit auftritt. Die abfallende Flanke dieses Taktimpulses löst eine analoge Zeitmessung für die Dauer der gleichbleibenden Verzögerungszeit aus. Aus den beiden analogen Zeitmessungen wird durch Subtraktion der erste Analogmeßwert gewonnen. Das Ende des Zeittorsignals löst eine analoge Zeitmessung aus, die beendet wird, wenn eine ansteigende Flanke eines Taktimpulses unter Einschluß der gleichbleibenden Verzögerungszeit auftritt. Die abfallende Flanke dieses Taktimpulses löst eine weitere analoge Zeitmessung während der Dauer einer Verzögerungszeit aus. Durch Subtraktion wird aus den beiden zuletzt erwähnten analogen Meßwerten der zweite Analogmeßwert gebildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß eine hohe Meßgenauigkeit trotz eines zeitlich nahen Auftretens eines Taktimpulses und des Beginns oder Endes des Zeittorsignals möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Mit dem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 kann trotz relativ niedriger Frequenz der Taktimpulse eine hohe Meßgenauigkeit erreicht werden. Bei Taktimpulsen längerer Impulsdauer im Vergleich zur Taktimpuls­ periode wird zweckmäßigerweise die jeweilige Zeit bis zur Anstiegs- bzw. Abfallflanke des entsprechenden Taktimpulses gemessen. Mit Hilfe der im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen wird vermieden, daß eine gezählte Impulsflanke und der Anfang oder das Ende der Zählerfreigabe zeitnah auftreten. Die Meßgenauigkeit läßt sich hierdurch steigern.

Es ist zweckmäßig, die Beendigung der Integration der Größe und die Freigabe bzw. die Sperrung des Zählers von Signalen eines Speicherelements zu steuern. Auf diese Weise wird die konforme Funktion von Zähler und Integrator sichergestellt.

Zur Durchführung des im Anspruch 1 oder 2 angegebenen Verfahren ist erfindungsgemäß die im Anspruch 3 beschriebene Vorrichtung vorgesehen. Die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 3 eignet sich insbesondere für die Verarbeitung von Taktimpulsen, deren Impulsdauer im Verhältnis zur Impulspause relativ lang ist. Weiterhin wird damit die konforme Arbeitsweise von Integrator und Zähler sichergestellt. Es wird verhindert, daß bei geringer Zeitdifferenz zwischen einer Flanke des Zeittorsignals und einer ausgewerteten Taktimpulsflanke der Zähler die Taktimpulsflanke als innerhalb des Zeittorsignals liegend bewertet, während das Flipflop die gleiche Flanke als außerhalb liegende bewertet und umgekehrt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform entspricht der einer Taktperiode zugeordnete Wert der Integration dem positiven bzw. negativen Wertebereich des Analog/Digital-Umsetzers. Damit ist für den Analog/Digital-Umsetzer, im folgenden A/D-Umsetzer genannt, nur ein Eingang an einer Addier-Subtrahierschaltung notwendig. Dieser Eingang ist einem Übertragungssignal zugeordnet. Er wird von demjenigen Ausgang des A/D-Umsetzers beaufschlagt, dem das Vorzeichen zugeordnet ist. Die übrigen Ausgänge des A/D-Umsetzers sind zu den Ausgängen der Addier-Subtrahier­ schaltung parallel gelegt und führen bei negativer Polarität des Ausgangssignals komplementäre Werte.

Vorzugsweise erzeugen die Konstantstromquelle und die Konstantstromsenke betragsmäßig gleiche Ströme, die mit einem gemeinsamen Kondensator verbunden sind, der an den Eingang des A/D-Umsetzers angeschlossen ist.

Vorrichtungen der oben beschriebenen Art eignen sich zur Messung der Laufzeiten von Ultraschallwellen in Werkstoffen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels unter Angabe weiterer Vorteile näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Messung von Zeitintervallen und

Fig. 2 Zeitdiagramme von verschiedenen in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 auftretenden Signalen.

Eine Vorrichtung zur Messung von Zeitintervallen enthält einen nicht dargestellten Taktgenerator der Taktimpulse mit konstanter oder nahezu konstanter Frequenz erzeugt. In Fig. 2 sind die aufeinanderfolgenden Taktimpulse als Rechteckimpulse in Ordinatenrichtung dargestellt, während die Abszissenrichtung die Zeitachse ist. Die Schaltflanken der Taktimpulse werden verwendet. Vorzugsweise werden nur die Vorderflanken der Taktimpulse zur Triggerung eines Zählers und von Flipflops benutzt. Ein Zeittorsignal, das in Fig. 2 mit (11) bezeichnet ist, beaufschlagt den D-Eingang eines ersten D-Flip-Flops (24), dessen nichtinvertierender Ausgang mit dem D-Eingang eines zweiten D-Flip-Flops (25) verbunden ist. Der invertierende Ausgang des zweiten D-Flip-Flops (25) ist an den Freigabe­ eingang eines Zählers (27) angeschlossen, der durch ein invertiertes Signal freigegeben wird. Der Takteingang des ersten Flip-Flops (24) wird mit einer negativ verlaufenden Flanke der Taktimpulse getriggert. Der Zähleingang des Zählers (27) wird durch negativ verlaufende Flanken der Taktimpulse getriggert. Der D-Eingang des zweiten Flip-Flops (25) wird durch positiv verlaufende Signalflanken der Taktimpulse getriggert. Die Fig. 1 zeigt einen Integrator (28) als Einheit, der zwei nicht näher bezeichnete Steuereingänge aufweist, von denen einer für die Steuerung einer eine linear ansteigende Ausgangsspannung erzeugenden Integration und der andere für die Steuerung einer eine linear abfallende Ausgangsspannung erzeugenden Integration vorgesehen sind. Der Integrator (28) hat eine steuerbare Konstantstromquelle (12), deren Ausgang an einem Kondensator (13) angeschlossen ist, an den weiterhin eine Konstantstromsenke (14) angeschlossen ist. Der Steuereingang der Konstantstromquelle (12) ist mit einem Eingang des Integrators (18) verbunden, während die Konstantstromsenke an den anderen Eingang gelegt ist. Bei den Eingängen sind Torschaltungen (29), (30) vorgeschaltet, die je mit einem Eingang an den nichtinvertierenden Ausgang des zweiten D-Flip-Flops (25) angeschlossen sind. Die Torschaltung (29) wird am anderen Eingang vom Zeittorsignal und die Torschaltung (30) am anderen Eingang vom invertierten Zeittorsignal beaufschlagt. Der Ausgang des Integrators (28) ist mit dem A/D-Umsetzer (15) verbunden. Dem Zähler (27) ist eine Addier-Subtrahierschaltung (17) nachgeschaltet, von der ein Eingang mit einem Ausgang des A/D-Umsetzers (15) verbunden ist.

Die Konstantstromquelle (12) speist bei Beaufschlagung mit einem Steuersignal einen konstanten Strom in den Kondensator (13) ein, dessen Spannung sich infolgedessen mit der Zeit linear erhöht.

Von den Ausgängen des A/D-Umsetzers (15) ist derjenige für das Vorzeichen mit einem Eingang der Addier-Subtrahierschaltung (17) verbunden und den nicht an diesen angeschlossenen Ausgängen des A/D-Umsetzers (15) steht nach dem Ende der Messung ein Wert zur Verfügung, der die Dauer des Zeitintervalls angibt.

In Fig. 2 sind aufeinanderfolgende Taktimpulse (41), (42), (31), (32), (33), (34) dargestellt, bei denen es sich um Rechteckimpulse mit einem Impulsdauer-Impulspausen-Verhältnis von ungefähr eins handelt. Das Zeittorsignal (11) beginnt mit seiner vorderen Flanke (18) kurz vor dem Ende des Taktimpulses (41). Nach dem Auftreten der vorderen Flanke (18) setzt die nächste Rückflanke des Taktimpulses (41) das Flip-Flop (24). Mit der ansteigenden Flanke des Taktimpulses (42) wird das Flip-Flop (25) gesetzt. Hierdurch entsteht das Freigabesignal für den Zähler (27). Während das Signal (11) an der Torschaltung (29) ansteht und das Freigabesignal für den Zähler (27) noch Null ist, wird während einer Zeit (35) der Integrator (28) aktiviert, der eine seitlich linear ansteigende Ausgangsspannung (37) liefert, deren Endwert (38) gespeichert wird. Die Rückflanken der Taktimpulse (42), (31), (32), (33) erhöhen den Inhalt des Zählers (27) je um eine Einheit. Wenn das Zeittorsignal (11) zum Zeitpunkt (t ₁) endet, und das Freigabesignal für den Zähler noch ansteht, wird der Integrator (28) über die Torschaltung (30) während einer Zeit (39) zur Erzeugung einer zeitlich linear abfallenden Spannung aktiviert. Nach dem Ende des Zeittorsignals (11), dessen hintere Flanke mit (19) bezeichnet ist, wird das Freigabesignal erst von der ansteigenden Flanke des Taktimpulses (34) beendet. Damit gelangt auch noch der Taktimpuls (33) in den Zähler (27). Mit dem Ende des Freigabesignals endet auch die zweite Integrationsphase des Integrators (28). Der gespeicherte analoge Wert des Integrators (28) ist negativ und wird vom Wert des Zählerinhaltes subtrahiert. Endet das Zeittorsignal (11) erst zum Zeitpunkt (t ₂), dann ist die integrierte Spannung positiv.

Vorzugsweise werden mit den Vorrichtungen gemäß Fig. 1 und 2 Laufzeiten von Ultraschallwellen bei der zerstörungsfreien Materialprüfung gemessen. Der Taktimpulsperiode ist in diesem Fall eine gewisse Wegstrecke zugeordnet, die die Ultraschallwelle im Werkstoff während dieser Zeit zurücklegt.

Das Zeittorsignal (11) entspricht z. B. der Zeitblende, die bei der Ultraschallprüfung von Werkstoffen beim Eintreten der Ultraschallwellen in den Werkstoff begonnen und durch das Echosignal beendet wird. Der Zähler (27) weist neben einer solchen integrierten Torschaltung noch die Flip-Flops (24, 25) als Bestandteile einer Steuerschaltung auf.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird die Freigabe bzw. das Sperren des Zählers (27) mit Signalen aus demselben Speicherelement, dem Flip-Flop (25), gesteuert. Damit ist die konforme Funktion des Zählers (27) und des Integrators (28) sichergestellt.

Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß die Integrationszeiten zu Beginn und am Ende des Zeittorsignals (11) jeweils eine volle Impulspausenzeit einschließen. Am Ende der jeweiligen Impulspausenzeit wird der Zähler (27) freigegeben bzw. gesperrt. Daher kann ein zeitnahes Zusammentreffen einer gezählten Impulsflanke mit dem Anfang bzw. Ende der Zählerfreigabe nicht auftreten. Hierdurch wird eine hohe Meßgenauigkeit erreicht.

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung von Zeitintervallen, deren jeweilige Dauer durch ein Zeittorsignal bestimmt wird, durch vorzeichenrichtige Addition eines Meßwerts, der durch Zählung von mit zumindest nahezu gleichbleibender Frequenz innerhalb des Zeittorsignals begonnener Taktimpulse in einem Zähler gewonnen wird, mit einem Zusatzwert, der sich aus der vorzeichenrichtigen Addition eines ersten, der Zeitdauer vom Beginn des Zeittorsignals bis zum ersten innerhalb des Zeittorsignals gezählten Taktimpuls proportionalen durch Integration einer zumindest nahezu konstanten Größe gewonnenen und gespeicherten Analogmeß­ werts und eines zweiten, der Zeitdauer vom Ende des Zeittorsignals an bis zum ersten, nicht mehr gezählten Taktimpuls proportionalen durch Integration einer betragsmäßig gleichen Größe gewonnenen Analogmeßwerts ergibt und der nach Analog/Digitalumwandlung dem Meßwert hinzugefügt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Analogmeßwert durch Integration über eine Zeit (35) vom Beginn des Zeittorsignals (11) bis zum Beginn des ersten einschließlich der vorhergehenden Impulspause vollständig innerhalb des Zeittorsignals (11) liegenden Taktimpulses (42) gewonnen und gespeichert wird, daß der Zähler (27) mit dem Ende der Impulspause für die Taktimpulse freigegeben wird, daß über eine Zeit (39) vom Ende des Zeittorsignals (11) an bis zum Beginn des ersten einschließlich der vorhergehenden Impulspause vollständig außerhalb des Zeittorsignals liegenden Taktimpulses (34) ausgehend vom Ergebnis der Integration eine betragsmäßig gleiche Größe mit umgekehrten Vorzeichen integriert wird und daß der Zähler (27) am Ende dieser zweiten Integration für die Taktimpulse gesperrt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beendigung der Integration der Größe und die Freigabe bzw. die Sperrung des Zählers (27) von Signalen eines Speicherelements gesteuert wird.

3. Vorrichtung mit einem von Taktimpulsen in Abhängigkeit von einem Zeittorsignal beaufschlagbaren Zähler und mit einer Anordnung zur Analog/Digital-Umwandlung, deren digitaler Ausgangswert mit dem digitalen Zählerinhalt maßstabsgerecht und vorzeichenrichtig vereinigt wird, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom Zeittorsignal (11) der D-Eingang eines ersten D-Flip-Flops (24) beaufschlagbar ist, dessen nichtinvertierender Ausgang an den D-Eingang eines zweiten D-Flip-Flops (25) angeschlossen ist, dessen invertierender Ausgang an den Freigabeeingang des Zählers (27) angeschlossen ist, daß der Zählimpulseingang des Zählers (27) und die Takteingänge der beiden Flip-Flops (24, 25) von den Taktimpulsen (41, 42, 31-34) beaufschlagbar sind, daß der nichtinvertierende Ausgang des zweiten Flip-Flops (25) mit Eingängen von zwei jeweils einer Konstantstromquelle (12) und einer Konstantstromsenke (14) eines Integrators (28) vorgeschalteten Torschaltungen (29, 30) verbunden ist, von denen der zweite Eingang der ersten Torschaltung (29) mit dem Zeittorsignal (11) und der zweite Eingang der zweiten Torschaltung (30) mit dem invertierten Zeittorsignal beaufschlagt ist, und daß dem Integrator (28) ein Analog/Digital-Umsetzer (15) nachgeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der einer Taktperiode zugeordneten Wert der Integration dem positiven bzw. negativen Wertebereich des Analog/Digital-Umsetzers (15) entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle (12) und die Konstantstromsenke (14) betragsmäßig gleiche Ströme erzeugen, die mit einem gemeinsamen Kondensator (13) verbunden sind, der an den Eingang des Analog/Digital-Umsetzers (15) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Messung der Laufzeiten von Ultraschallwellen in Werkstoffen.