DE4031895A1 - Vorrichtung und verfahren zur datenerfassung und -verarbeitung - Google Patents
Vorrichtung und verfahren zur datenerfassung und -verarbeitungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrich
tung und ein Verfahren zur Datenerfassung und -verar
beitung; speziell bezieht sich die Erfindung auf die
Datenerfassung und -verarbeitung in Verbindung mit
Echtzeitsignalen. Die Erfindung ist anwendbar auf ver
schiedenen Gebieten, darunter die Online-Prozeß
steuerung und das zerstörungsfreie Testen und Unter
suchen.
Beim zerstörungsfreien Prüfen ist häufig das Aufzeichnen
von reflektierten oder transmittierten Amplituden eines
auf einen Prüfling auftreffenden Signals erforderlich.
Die klassische Anwendung dieser Methode ist das Erfassen
eines von einem Material kommenden Spitzenechos im
Impulsechobetrieb (PE-Betrieb) oder das Identifizieren
eines im Transmissionsbetrieb (TT-Betrieb) sich ab
schwächenden Signals. Beim erstgenannten Verfahren
wird ein Zeitfenster definiert, um eine Unterscheidung
zu treffen zwischen einerseits materialinternen, durch
Risse oder andere Defekte hervorgerufenen Reflexionen
und andererseits
den Vorderwand- und Rückwand-Reflexionen. Beim Trans
missionsbetrieb wird ein ähnliches Fenster zum Elimi
nieren des Effekts unerwünschten Nebenreflexionen
verwendet. Diese grundlegenden Methoden haben in Ver
bindung mit zahlreichen Varianten jahrelang dazu
gedient, interne Defekte in Metallen, Kunststoffen und
Verbundstoffen und Teilen festzustellen. Moderne
Richtlinien für das zerstörungsfreie Prüfen umfassen
auch die Kennzeichnung und Klassifizierung von Defekten,
um eine umfassende Einschätzung und Beurteilung von
Teilen und Materialqualität erzielen zu können, und
um einen nützlichen Feedback für den Entwurfs- und
Produktionsprozeß zur Verfügung zu haben.
Moderne Scanner (Abtastgeräte) speichern die an jedem
Meßpunkt (Bildelement; Pixel) entlang der Abtastung
anfallenden Signalamplituden in einen Hardware-Speicher.
Dann lassen sich die gespeicherten Daten für eine
Anzeige und einen Ausdruck sowie für eine weitere
Verarbeitung abrufen, wann immer eine verbesserte
Anzeige für mit Defekten versehene Zonen erforderlich
ist.
Obschon im PE- oder im TT-Betrieb durch den Werkstoff
hindurchgegangene, erfaßte Signale das Vorhandensein
von Defekten bezüglich praktischer Gesichtspunkte
anzeigen,
können derartige Signale mehrdeutig in dem Sinn sein,
daß unterschiedliche Typen von Defekten identische Merk
malssignale hervorrufen. Daher müssen speziell für
teure Bauteile festgestellte Defekte verifiziert und
ausgewertet werden, um einen irrtümlichen Ausschuß
des Werkstücks zu vermeiden. Bislang wurde diese Auf
gabe manuell von einem Experten übernommen, der die
"Signatur" der mit Defekten versehenen Zone untersuchte.
Mehrdeutigkeiten bei der Interpretation führten
manchmal dazu, daß die Abtastung mit geänderter
Anfangseinstellung wiederholt werden mußte. Jüngste
Fortschritte bei elektronischen digitalisierenden
Anlagen gestatten das Aufzeichnen der gesamten Signal
wellenform, die einem Erfassungszeit-Gatter für jedes
Bildelement entspricht; ebenso ist das Aufzeichnen
dieser Information zum Zwecke der Anzeige und der
Weiterverarbeitung möglich. Die nach diesem Verfahren
sehr fein aufgezeichneten Detaildaten reichen typischer
weise dazu aus, Defekte im Rahmen einer nachträglichen
Aufarbeitung im Anschluß an die Abtastung zu
charakterisieren, entweder durch automatische Algo
rithmen oder durch "manuelle" Analyse. Diese Vor
gehensweise erhöht das Vertrauen in die Zuverlässigkeit
der Identifizierung, während der Charakterisierungs
vorgang wesentlich vereinfacht wird und die Erfordernisse
an Können und Ausbildung einer Bedienungsperson geringer
werden.
Hauptnachteil dieses Verfahrens sind die umfangreichen
Daten, die beim Aufzeichnen des vollständigen digitali
sierten Signals gehandhabt werden. Bei einem mittel
großen Tragflächen-Abschnitt beispielsweise, der 5 m
lang und 2 m breit ist, fallen typischerweise etwa
2 500 000 Pixel (bei einer Auflösung von 2×2 mm) an.
Geht man von einer Materialtiefe von 25 mm aus, und
digitalisiert man in Tiefenabschnitten von 0,1 mm,
so bedeutet dies eine Datenmenge von 625 Megabyte.
Als Konsequenz aus einem derart umfassenden Daten
volumen ergeben sich drei praktische Beschränkungen:
Bei der Datenerfassung stellt die Datenübertragungs
geschwindigkeit normalerweise eine Beschränkung für
die Abtastgeschwindigkeit dar, was die gesamte
Abtastungszeit beträchtlich heraufsetzt; Speicherung,
Anzeige und auf die Abtastung folgende Nachverarbei
tung verlangsamen sich, was verlängerte Defekt-Auswerte
prozeduren mit sich bringt; und übermäßig große Massen
speicher müssen sowohl für den aktiven Speicher als
auch für den Archivspeicher, der für späteren Zugriff
dient, vorgesehen werden.
Der erfindungsgemäße programmierbare Empfänger (PR;
Programmable Receiver) basiert auf der Betrachtung
des Rohdatensignals in Form von Abschnitten: Das
Signal wird in zwei separate, unabhängige, als Zeit
schlitze bezeichnete Abschnitte unterteilt; diese
Zeitschlitze gestatten es einer Bedienungsperson,
das Gerät so einzusetzen, daß praktisch jeder Aufgabe
beim zerstörungsfreien Prüfen Rechnung getragen wird.
Die Bedienungsperson kann jeden Abschnitt des Signals
separat betrachten und ihn einer geeigneten Behandlung
unterziehen. Wenn beispielsweise nur die Spitzen
amplitude und deren zeitliches Auftreten interessieren,
so kann das System diese Werte im Echtzeitbetrieb
berechnen, ohne daß die Einstellung irgendeines anderen
der Zeitschlitze berührt wird, und falls eine
komplexere Analyse erforderlich ist, wird die voll
ständige Signalwellenform innerhalb eines Zeit
schlitzes aufgezeichnet, um für die spätere Verarbeitung
sämtliche Signaleinzelheiten festzuhalten. Konzep
tionell gibt es keinerlei Grenze für die Anzahl von
Zeitschlitzen, in denen eine Spitze gesucht wird. Dies
widerspricht der derzeitigen Praxis, gemäß der
getrennte Hardware-Verarbeitungskanäle für jede
Spitzenerfassung erforderlich sind, oder, alternativ,
Nachverarbeitungs-Algorithmen zur Identifzierung derar
tiger Signalmerkmale angewendet werden müssen. Diese
Vielseitigkeit der Verwendung von Zeitschlitzen
gestattet die Optimierung der meisten kritischen
Prüfparameter, das sind Prüfgeschwindigkeit und
Informationsgehalt. Systeme für laufende Inspektion
bieten diese Möglichkeit nicht, da sie normalerweise
beschränkt sind auf den Betrieb entweder in der
Zwei-Gatter-Betriebsart oder der Betriebsart "Volle
Digitalisierung".
Die Verwendung einer Mehrzahl von Zeitschlitzen
gestattet die stückweise Definition der entlang der
Materialtiefe aufzeichnenden Information. Z. B.: Der
erste Zeitschlitz kann dafür vorgesehen sein, die
Amplitude des Echos von der Werkstückwand aufzu
zeichnen, der zweite Zeitschlitz zeichnet die Spitze
jedes Echos in der ersten Materialschicht auf, der
dritte Zeitschlitz dient zum Aufzeichnen der voll
ständigen Wellenreflexion von der zweiten Schicht
(was problematisch sein kann), und so fort. Im Prinzip
ist die Anzahl der Zeitschlitze unbegrenzt, und mit
ihrer Hilfe lassen sich hochkomplizierte Aufzeich
nungsprozeduren realisieren. Eine noch ausgefeiltere
Verarbeitung des Wellenformabschnitts läßt sich
dadurch erreichen, daß man zusätzliche Rechenleistung
installiert. Eine derartige Verarbeitung kann die
Fourieranalyse, Deconvolution und andere signalrekon
struierende Algorithmen umfassen.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung schafft die
Möglichkeit der Durchführung von Mehrfach-Spitzen-
und -Zeitmarkierungs-Prozessen (Zuordnung eines Zeit
werts zu dem Spitzenwert) bezüglich einer einzelnen
Datenaufzeichnung. In vielen herkömmlichen Instrumenten
erfolgt eine Zeitmarkierung für jeden erfaßten Spitzen
wert in einen vorab spezifizierten Zeitgatter. Diese
Information wird benutzt, um die Tiefe des diesem
Spitzenwert zugeordneten Defekts anzugeben. Eine
ähnliche Zeitmarkierung wird durch die vorliegende
Erfindung mit einem zusätzlichen Merkmal geschaffen.
Die Zeitmarkierung kann programmiert werden, um die
dem Spitzenwert in einem gegebenen Zeitschlitz zuge
ordnete Zeit anzugeben, oder aber die Zeit, die einem
Nulldurchgang nach dem speziellen Spitzenwert zuge
ordnet ist. Der Signal-Nulldurchgang kann für positive
oder negative Signalflanken ausgewählt werden. Dieses
Merkmal schafft verbesserte Materialdicken-Meßmöglich
keiten, die am besten durch derartige Nulldurchgangs
messungen vorgenommen werden. Außerdem gestattet die
Möglichkeit der Wahl der Steigung beim Nulldurchgang
eine Kompensation der Polaritätsumkehr des reflektierten
Signals. Dabei lassen sich Zeitintervalle zwischen
einem Nulldurchgang bei positiver Signalsteigung des
Bezugssignals und einem Nulldurchgang bei negativer
Signalsteigung des invertierten Signals ausnutzen.
Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung sind
so ausgelegt, daß in einer einzigen Vorrichtung die
Erfordernisse hinsichtlich Geschwindigkeit und direkter
Speicherung von Standard-Defekterkennungsverfahren
kombiniert werden mit der Vielseitigkeit und den
Raffinements einer Vollwellenaufzeichnung. Durch
Installation zusätzlicher Verarbeitungsleistung ist
die Möglichkeit gegeben, viele Signalverarbeitungs
aufgaben für viele schwierige Analyseanwendungen
durchzuführen. Im Hinblick auf die Tatsache, daß
weniger als 4-5% einer abgetasteten Fläche defekt sind,
ist es möglich, den eigentlichen Defekterkennungspro
zeß abzutrennen von dem Defekt-Charakterisierungs
prozeß, die beide in dem gleichen Gerät realisiert
werden können. Diese Trennung kann darauf hinauslaufen,
daß zunächst das Material bei einfacher Analyse zur
Lokalisierung der Defekte abgetastet wird, die Abtastung
dann in der lokalisierten defekten Zone wiederholt
wird, während eine Neuprogrammierung des programmier
baren Empfängers für die Vollwellenaufzeichnung erfolgt,
welche anschließend im Offline-Betrieb analysiert
werden kann. Das Ergebnis ist eine Optimierung sowohl
der Abtastzeit als auch des Datenumfangs.
Hauptaufgabe der Erfindung ist es also, einen Detektor
für eine Mehrfach-Spitzenwerterfassung in einem
Einzelsignalkanal bereitzustellen.
Spezielle Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines
Verfahrens und eines programmierbaren Empfängers zum
Erfassen und analysieren von Materialdefekten.
Die Erfindung schafft demgemäß einen programmierbaren
Empfänger zum Erfassen von Signalen, die von einem
Material reflektiert oder ein Material durchdrungen
haben, um Defekte in dem Material zu analysieren,
umfassend eine Schaltungseinrichtung zum Unterteilen
der Signale in eine Mehrzahl separater, unabhängiger
Abschnitte für die selektive Auswertung von Wellen
formanteilen, wie sie in jedem der Abschnitte enthalten
sind.
Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Erfassen
und Analysieren von Materialdefekten, das folgende
Schritte aufweist: Aussenden von Signalen in Richtung auf
das Material, Empfangen von Signalen, die von dem Mate
rial reflektiert worden sind oder das Material durchlau
fen haben, und Unterteilen der empfangenen Signale in
eine Mehrzahl getrennter, unabhängiger Abschnitte zur
selektiven Auswertung von Wellenformanteilen, wie sie in
jedem der Abschnitte enthalten sind.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen
Datenerfassungs- und -verarbeitungsgeräts;
Fig. 2 ein detaillierteres Blockdiagramm der Anordnung
nach Fig. 1;
Fig. 3 einen Schaltplan der in Fig. 1 und 2 darge
stellten Bauelemente, Vorverstärker, Eingangs
selektor, Filterbank, DAC (Digital-Analog-
Umsetzer) und A/D-Umsetzer;
Fig. 4 einen Schaltplan des Zeitschlitz-Programm
gebers, des Zeit- und Amplituden-Programmgebers
und eines Teils des lokalen Speichers nach
Fig. 1 und 2;
Fig. 5 einen Schaltplan des Zeit- und Amplituden
prozessors;
Fig. 6 einen Schaltplan des Zeitmarkierungs- und des
Zeit- und Amplitudenspeichers nach Fig. 2;
Fig. 7a eine Querschnittansicht eines Stücks einer
an einem Metallstück haftenden Verkleidung;
Fig. 7b eine typische Zeit-Amplituden-Darstellung,
welche reflektierte Impulsechos eines akzep
tablen Bondbereichs darstellt;
Fig. 7c eine charakteristische Zeit-Amplituden-Dar
stellung, die reflektierte Impulsechos in einem
Bereich darstellt, in welchem die Bindung
nicht vollständig ist;
Fig. 8a eine Querschnittansicht einer Schweißnaht
zwischen zwei Metallen;
Fig. 8b eine graphische Darstellung von Amplituden
über der Zeit von einem Impulsechosignal aus
einem Bereich einer akzeptierbaren Schweißung;
und
Fig. 8c eine Zeit-Amplituden-Darstellung eines Impuls
echosignals von einem Sprung oder Riß in einer
Schweißzone.
Fig. 1 zeigt mehrere separate, entfernte Impulsgeber 2
und eine entsprechende Anzahl von Vorverstärkern 4,
wobei jeder Impulsgeber und Vorverstärker an eine
(nicht gezeigte) Sonde angeschlossen ist, um Anregungs
impulse, z. B. Ultraschallimpulse, zu erzeugen, und
die resultierenden Signale zu empfangen, die an das
Datenerfassungs- und -Verarbeitungsgerät 6 anzulegen
sind. Für jeden der Eingangskanäle, beispielsweise
für jeden von acht Kanälen, sind ein getrennter
Impulsgeber 2 und Vorverstärker 4 erforderlich.
Getriggert werden die Impulsgeber 2 von einem Impuls
triggergenerator 8, der über einen lokalen Speicher
10 von einem Hauptcomputer gesteuert wird. Der
lokale Speicher 10 ist außerdem mit einem Eingangs
selektor 12 gekoppelt, der an die Vorverstärker 4
angeschlossen ist, um Signale von den Sonden zu
empfangen und den gewünschten Kanal auszuwählen;
er ist außerdem an die Filterbank 14 und an eine
Entfernungs-Amplituden-Korrektur- (DAC-) und Gatter
schaltung 16 angeschlossen. Die Einstellung der
Filterung und die Entfernungs-Amplituden-Korrektur
lassen sich unabhängig für jeden Kanal vornehmen. Der
Ausgang der DAC- und Gatterschaltung 16 führt zu
einem schnellen Analog-Digital-Umsetzer 18, der das
aufbereitete Signal digitalisiert. Die Abtastge
schwindigkeit des ADU reicht aus, um die höchste
zu erwartende Signalfrequenz abzutasten, die derzeitig
bei 100 Millionen Abtastungen pro Sekunde (MSS) liegt.
Diese Geschwindigkeit eignet sich zur Verarbeitung
von Signalen bis zu einigen 20 MHz.
Im Anschluß an die Digitalisierung wird das Signal in
zwei parallelen Kanälen 20 und 22 verarbeitet. Der
Kanal 20 überträgt die gesamte digitale Signalfolge
an einen sequentiellen Speicher 24, wo die Daten
vorübergehend gespeichert werden. Der zweite Kanal 22
verarbeitet zunächst die Signale in einem Zeit- und
Amplitudenprozessor 26, um die Spitzen- und Nulldurch
gangspunkte festzustellen, und er ordnet den Signalen
eine Zeitmarkierung (Time Tag) zu. Die verarbeiteten
Daten werden in einem getrennten Zeit- und Amplituden
speicher 28 gespeichert, um später zu dem Computerbus
3 übertragen zu werden.
Die in dem lokalen Speicher 10 gespeicherten Einstell
parameter enthalten:
- - Anzahl der aktiven Eingangskanäle;
- - Anzahl der freilaufenden Impulsgeber-Triggerzyklen;
- - Impulsgeber-Synchronisationsart (extern/intern);
- - Impulsgeber-Wiederholungsrate;
- - Filtertyp pro Kanal;
- - DAC-Form pro Kanal;
- - Offset pro Kanal;
- - Anzahl der aktiven Zeitschlitze und deren Position pro Kanal;
- - Zeitschlitz-Trigger (normal/Oberflächenfolge) pro Kanal;
- - Spitzen-Typ (positiv/negativ/absolut) pro Zeit schlitz;
- - Zeitmarkierungs-Initiator (Spitze/Anstieg, Nulldurch gang/Abfall, Nulldurchgang/erster Nulldurchgang) pro Zeitschlitz;
- - Freigabe der voll digitalisierten Wellenform pro Zeitschlitz, und
- - Digitalisierungsgeschwindigkeit, global.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auch auf Fig. 2 die
Arbeitsweise des Geräts erläutert.
Die Datenerfassung und -verarbeitung gemäß der Erfindung
umfaßt vier Haupt-Subsysteme: Systemprogrammspeicher,
Triggergenerator für Impulsgeber, Analogsignal-Vorbe
handlung und Erfassung und Verarbeitung digitaler
Daten. All diese Subsysteme werden indirekt durch den
Hauptcomputer gesteuert, der sämtliche Funktionen mit
Hilfe des lokalen Speichers programmiert. Sowohl ver
arbeitete als auch Rohdaten werden für den asynchronen
Zugriff des langsameren Computerbus′ gespeichert.
Der aus dem lokalen Speicher 10 bestehende System
programmspeicher empfängt und akzeptiert sämtliche
Einstellungsfunktionen über den Hauptcomputerbus 30.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform werden
die Einstellungsfunktionen in codierter Form gesendet
und in den lokalen Speichern 32, 34 und 33 gespeichert.
Ein Lokalspeicher-Decoder dient zum Einkopieren des
Inhalts des lokalen Speichers 10 in den Speicherraum
des Computers. Dies erleichtert eine rasche Program
mierung der Einstellparameter, so daß der Hauptrechner
das Gerät im Echtzeitbetrieb neu programmieren kann.
In einer weiteren möglichen (nicht gezeigten) Aus
führungsform wird die gesamte Voreinstellung gespeichert
und von einem Mikroprozessor gesteuert, der von dem
Hauptrechner Befehle höherer Ebene empfängt. Dieser
Prozessor fährt dann fort zu initialisieren und weitere
Funktionen des Geräts einzustellen, ähnlich, wie es
oben beschrieben wurde. Der Vorteil der Verwendung
eines solchen Prozessors besteht darin, daß betriebs
mäßige Flexiblität im Echtzeitbereich verbessert wird.
Das Tempo der Hauptfunktionen des Geräts, nämlich:
Kanalauswahl, DAC-Zeitbasisbildung, Digitalisierungs
geschwindigkeit, Zeitschlitz-Management, Signal-Zeit
markierungs-Basis und Speichersteuerung werden auto
matisch von Programmgebern 38, 40, 42 und 44 gesteuert,
die ihrerseits von einem zentralen Zeitsteuermodul
getaktet werden, welches einen Systemtakt 46 und einen
Taktselektor 48 enthält, die für die grundlegende
Synchronisierung des Systems sorgen.
Der Trigger 8 erzeugt Triggerimpulse zum Initiieren
der entfernten Impulsgeber 2. Die Anzahl aktiver
Impulsgeberkanäle und die Impulswiederholungsge
schwindigkeit werden von dem Hauptrechner in dem
lokalen Speicher 32 programmiert. Die in dem lokalen
Speicher 32 gespeicherte Anzahl aktiver Kanäle
adressiert einen (nicht gezeigten) Decoder, der von
einem Zyklus-Startimpuls getriggert wird. Das Zyklus
Startsignal wird von dem Kanal-Programmgeber 40
aktiviert. Diese Einstellung gewährleistet, daß nur
Trigger für die aktiven Kanäle in dem Triggergenerator
8 in zyklischer Folge erzeugt werden, um an einen oder
mehrere der Impulsgeber 2 angelegt zu werden.
Die Analogsignal-Vorbehandlungsschaltung für die von
den Sonden kommenden Signale enthält einen Multiplexer
50, welcher den aktiven oder die aktiven Eingangs
kanäle auswählt, die Filterbank 14 und die DAC- und
Gatterschaltung 16, um irrelevante Echos aus den
Daten zu eliminieren. Die Gattersteuerung kann bewirkt
werden durch einen Kanalfolgezähler, welcher die
Impulswiederholungsrate für jeden Kanal steuert.
Die Veranlassung, den Kanal-Programmgeber 40 einzu
setzen, ist die Ersparnis teurer Schaltungsbauelemente.
Diese Betriebsweise gestattet es einer Anzahl von
Kanälen, die gleiche Hochleistungshardware im Zeit
multiplexbetrieb zu benutzen. Selbstverständlich kann
bei anderen Anwendungsfällen ein ähnliches Gerät mit
mehreren, gleichzeitig betriebenen Digitalisierungs-
und Verarbeitungskanälen realisiert werden.
Der Kanal-Programmgeber 40 dient als Treiberschaltung
für die Filterbank 14 und die DAC- und Gatterschaltung
16. Diese Funktionen werden zyklisch zwischen den
Kanälen gewechselt, wobei wiederholt umgeschaltet wird,
um sicherzustellen, daß jeder Kanal mit dem dazu
gehörigen Filter und der dazugehörigen DAC-Einstellung
versehen ist, ungeachtet der übrigen Kanaleinstellungen.
In anderen Worten: Die Filter und die DAC-Profile
werden vor der Initialisierung jedes Kanals zurückge
stellt. Die aktuelle Einstellung der Filter und des
DAC-Profils ist in dem lokalen Speicher 32 gespeichert.
Der Kanal-Programmgeber 40 kann für die Signalüber
tragung Analogschalter verwenden. Alternativ kann der
Selektor einen Zirkulator oder ein Relais-Array ver
wenden. Die Anzahl aktiver Kanäle bestimmt sich in
dem Kanal-Programmgeber 40 nach Maßgabe der in dem
lokalen Speicher 32 programmierten Werte.
Irgendeiner von den verschiedenen Filtern aus der
Filterbank 14 kann zur Verwendung in jedem der
Eingangskanäle ausgewählt werden. Die Filter werden
abhängig von der Auswahl des jeweiligen Kanals ein-
und ausgeschaltet, wobei ein paar von Analogschaltern
verwendet wird, die von in dem lokalen Speicher ge
speicherten Filteradressen angetrieben werden. Andere
Arten der Filterung können ins Auge gefaßt werden,
darunter getrennte Filterbänke und aktive Steuerung
der Filterparameter, ein Zirkulator, oder eine Relais-
Bank.
Es soll nun auf die Fig. 3 bis 6 Bezug genommen werden.
Danach wird vorteilhafterweise der DAC 16 durch einen
Analogmultiplizierer in Form eines Mischer U110 (Fig. 3)
verwendet. Das Eingangssignal wird mit einer Bezugs
spannung multipliziert, die ihrerseits von einem
D/A-Umsetzer U109 erzeugt wird. Der Wert des D/A wird
von einer in dem lokalen Speicher 32 gespeicherten
Vektorsequenz bestimmt und kontinuierlich aktualisiert,
und er wird dem D/A-Umsetzer synchron mit dem von dem
DAC-Programmgeber 38 erzeugten Haupt-DAC-Takt zuge
führt. Der DAC-Takt selbst wird über einen getrennten
Oszillator erzeugt, der mit der Initialisierung jedes
Kanals oder mit dem Oberflächenfolgesignal synchro
nisiert wird. Die Sequenz von Zahlen, durch die die
Verstärkung des Kanals als Funktion der Zeit fest
gelegt wird, dient zur Kompensation von Material
dämpfung als Funktion des Abstands.
Die Auftastung der Kanäle erfolgt durch das Umschalten
zwischen der Kanäle nach Maßgabe des Programms in
einem (nicht gezeigten) programmierbaren Zeitgeber.
Für eine durchgehende Signalüberwachung wird über einen
Verstärker 52 und über einen geeigneten Puffer 54 ein
analoges Ausgangssignal der vorbehandelten Kanal
signale ausgegeben, um einen HF-Monitor 56, z. B. ein
Mehrkanal-Oszilloskop, anzusteuern. Diese Ausgabe
schafft eine durchgehende Signalanzeige für jeden Kanal,
um während der Abtastung eine Bezugsgröße zur Verfügung
zu haben.
Die Digitalisierung erfolgt durch einen schnellen (fast
flash) A/D-Umsetzer 18 (U114 in Fig. 3). Die Digitali
sierungs-Geschwindigkeit wird durch den programmier
baren Zeitgeber bestimmt, der über ein Einstellungs-
Speicherlatch eingestellt wird, das seinerseits direkt
aus dem lokalen Speicher 32 geladen wird.
Die anschließende Digitalisierung des Signals wird
über die zwei Wege 20 und 22 geleitet. Die vollständige
Speicherung der digitalen Abtastwerte wird zu dem
Speicher 24 und zu dem Zeit- und Amplitudenprozessor
26 geleitet. Die in jedem Zeitschlitz zu speichernde
aktuelle Information wird in jedem Zeitschlitz durch
die gewünschte Einstellung (Setup) festgelegt. Diese
Einstellung kann von einer Vollwellen-Digitalisierung
bis zur Zeitschlitz-Spitze und Zeitmarkierungser
fassung reichen. Spitzenwert und Zeit lassen sich aus
einer Reihe von Möglichkeiten auswählen: Positiver,
negativer oder absoluter Spitzenwert, und Zeitpunkt
des Spitzenwerts oder Zeitpunkt des im Anschluß an
den Spitzenwert erfolgenden Nulldurchgangs.
Ein wichtiges Merkmal des Geräts besteht in dem Zeit
schlitz-Programmgeber 42 (Fig. 2). Er ist verantwort
lich für die Erzeugung der Zeitschlitz-Start- und
-Stop-Signale, die dazu verwendet werden, den gesamten
digitalen Teil des Geräts zu betreiben. Die vorpro
grammierten Zeitschlitz-Begrenzungen werden in die
Grenz-Latche geladen (U36 und U37 in Fig. 4). Die erste
Begrenzung (Start des Zeitschlitzes 0) wird bei dem
Systemzyklus-Rückstellsignal geladen. Diese Werte
werden mit dem Zähler des Systemtakts 46 verglichen.
Dies geschieht mit Hilfe von digitalen Komparatoren
U44 und U45, die dann ein Begrenzungssignal erzeugen,
wenn die Systemzeit übereinstimmt mit der der vor
programmierten Begrenzung. Dieses Signal lädt auch den
nächsten Grenzwert aus dem lokalen Speicher 34 (U26
in Fig. 4) in die Begrenzungs-Latche. Die Zeitschlitz-
Einstellungen - Spitzenwert-Typ, Nulldurchgangs-Typ,
Freigabe der Digitalisierung und Freigabe der Ober
flächenfolge - werden gleichzeitig in das Zeitschlitz-
Parameterlatch 51 geladen. In ähnlicher Weise wird
der Wert des Oberflächenfolgers in das Wellenwertlatch
U50 geladen. Dieser Wert dient dazu, den Oberflächen
folger-Schwellenwert zu definieren, wenn dieser frei
gegeben wird. Die Abfolge SET und RESET für jedes
einzelne Latch (Zwischenspeicher) dieser Modulen wird
gesteuert von dem Zeitschlitz-(TS-)Programmgeber 42,
welcher vier Flip-Flops U29A, U29B, U31A, U31B und
verschiedene logische Verknüpfungsglieder oder Gatter
U30A, U30B, U46D, U28A aufweist.
Der digitale Speicher 58 wird bei Bedarf vollständiger
digitaler Information für einen speziellen Zeitschlitz
aktiviert. Die Daten werden zum Speicher 36 übertragen,
der als Puffer dient, damit der langsamere Cumputerbus
genug Zeit zum Leser der Daten hat. Die Datengeschwin
digkeiten an diesem Punkt sind sehr hoch (mehr als
100 MHz) und erfordern einen sehr schnellen Speicher.
Ist die Speichergeschwindigkeit begrenzt, kann man
einen Seriell-Parallel-Datenumsetzer verwenden, um
der hohen Datenabtastgeschwindigkeit zu entsprechen.
Ein solcher Umsetzer leitet die Daten zu mehreren
verschiedenen Speichern, z. B. n Speichern, und zwar in
zyklischer Aufeinanderfolge: Das erste Datenwort wird
in den ersten Speicher geleitet, das zweite Datenwort
in den zweiten Datenspeicher, etc. Die sich daraus
ergebende Datengeschwindigkeit oder Datenrate in jedem
der Ausgangszweige wird daher um das n-fache reduziert.
Andere Seriell-Parallel-Umsetzverfahren sind bitweise
Schieberegister mit Bit-Entschlüsselung.
Der Zeit- und Amplitudenprozessor 26 erfaßt den
Spitzenwert in jedem Zeitschlitz und ordnet diesem
Spitzenwert eine Zeitmarkierung (Time Tag) zu. Die
Schaltung ist im einzelnen in Fig. 5 dargestellt.
Die digitalisierten Daten werden zunächst in einem
Polarisator 60 polarisiert, um die verschiedenen
gewünschten Spitzenwert-Polaritäten (positiv, negativ
oder absolut) zu berücksichtigen. Dies geschieht durch
ein Array von XOR-Gattern (U10A bis U10D und U11A bis
U11C), die die Bits eines negativen Signals invertieren,
wenn ein negativer Spitzenwert erforderlich ist. Sind
Absolut-Spitzenwerte gefordert, so wird das Signal
durch U19A und U19B nur dann umgekehrt, wenn das Signal
negativ ist. Ein digitaler Komparator U14 vergleicht
die ankommenden Daten mit dem vorausgehenden maximalen
Signalwert, welcher in einem Latch (Zwischenspeicher)
U12 und U13 gespeichert ist. Stellt sich heraus, daß
das laufende Signal den früheren Maximalwert über
steigt, so wird das Latch mit dem laufenden Wert
geladen, der nun als Bezugswert dient. Das gesamte
Modul wird bei der Einleitung des neuen Zeitschlitzes
zurückgesetzt, so daß der Spitzenwert des speziellen
Zeitschlitzes schließlich in dem Latch vorhanden ist,
wenn der Zeitschlitz abgeschlossen wird. Dieser Wert
wird gleichzeitig zu dem Doppel-Latch-System im
Zeit- und Amplitudenspeicher 28 übertragen. Gleich
zeitig wird ein das Erkennen eines Spitzenwerts signali
sierende Impuls erzeugt und an den Zeit- und Amplituden
speicher 28 angelegt, um eine Zeitmarkierung für den
Spitzenwert anzufordern.
Eine Ausnahme bei dieser Betriebsweise existiert dann,
wenn der Zeitschlitz so programmiert ist, daß er bei
der Feststellung des Oberflächenechos beginnt. Diese
Betriebsart wird hier mit dem schon erwähnten Begriff
"Oberflächenfolge" bezeichnet. In Zeitschlitzen, die
so programmiert wurden, wird der Spitzenwerterfassungs-
Komparator U11 mit dem Oberflächenfolge-Schwellenwert
geladen, und nicht mit dem vorausgehenden Spitzenwert.
Dieser Schwellenwert wird eingestellt, um sicherzu
stellen, daß eine fehlerhafte Triggerung durch den
Schwellenwert den Zeitschlitz triggert. In dieser
Betriebsart setzt die Aktivierung der Identifizierung
eines Wertes größer als der voreingestellte Schwellen
wert das System zurück, was den Start des fraglichen
Zeitschlitzes definiert. Die Oberflächenfolge-Betriebs
art kann für jeden Zeitschlitz definiert werden, sie
ist nicht auf den ersten Zeitschlitz beschränkt, wie
es üblich ist. Dies ist eine nützliche Besonderheit
zur Verfolgung von Signalen, die nach dem Oberflächen
signal auftreten.
Die Zeitmarkierung des auf einen Spitzenwert folgenden
Nulldurchgangs erfolgt in dem Nulldurchgangs-Detektor
modul 62. Die Identifizierung des Zeitschlitz-Spitzen
werts setzt das Spitzenwert-Flip-Flop U18A. Dies
bereitet das Nulldurchgangs-Flip-Flop U15B vor, welches
dann bei der Identifizierung oder einem Nullpegel-
Durchgang in dem Signal gesetzt wird. Eine solche
Ausgestaltung gewährleistet, daß der erste an einen
Spitzenwert anschließende Nulldurchgang festgestellt
wird. Der Nulldurchgang wird dem Zeit- und Amplituden
speicher 28 übermittelt, um eine Zeitmarkierung für
den Nulldurchgang anzufordern.
Die Nulldurchgangs-Erfassung gestattet außerdem die
Auswahl von drei unterschiedlichen Nulldurchgangs-
Typen: Nulldurchgänge bei negativer Steigung, bei
positiver Steigung oder beiden Arten der Steigung.
Diese Besonderheit ist notwendig für exakte Zeit
steuer-Anwendungen, bei denen eine Signalinversion
erwartet wird und die Zeitsteuerung auf eine spezifi
zierte Signalsteigung beschränkt werden muß. Das
Feststellen des Nulldurchgangs erfolgt mit zwei UND-
Gliedern U19B und U19C, die den korrekten von der
Flip-Flop-Anordnung erzeugten Nulldurchgang abhängig
von den aus dem lokalen Speicher 34 ausgelesenen
Einstellgrößen herausfiltern.
Der Zeit- und Amplitudenspeicher 28 (Fig. 6) enthält
ein Latch U64 für den laufenden Spitzenwert. Dieses
Latch dient dazu, die Daten für den laufenden Spitzen
wert kontinuierlich festzuhalten, so, wie sie im
Verlauf des Zeitschlitzes aktualisiert werden.
Unmittelbar nach Abschluß eines Zeitschlitzes wird
dieser Wert zu einem zweiten Latch übertragen, welches
das laufende Latch freimacht für die Fortsetzung des
Aktualisierens des Spitzenwerts im neuen Zeitschlitz.
Dieser Wert wird anschließend zu dem Zeit- und Ampli
tudenspeicherpuffer U74 (Fig. 6) übertragen, damit der
Hauptrechner in bei langsamerer Übertragungsgeschwin
digkeit auslesen kann. Es eignen sich auch andere
Speichertypen.
Eine ähnliche Doppelt-Latch-Anordnung (U62, U72 und U63,
U72) wird dazu verwendet, die Zeitmarkierung des
Spitzenwerts (oder des Nulldurchgangs, je nach Programm)
zu übertragen. Der Zeitwert wird direkt aus einem
16 Bits umfassenden Zeitzähler U66, U67, U68 und U69
ausgelesen, um in das Latch (U62, U72) für die
laufende Zeit beim Auftreten des vorprogrammierten
Zeitmarkierungs-Ereignisses (Spitzenwert und Null
durchgang) geladen zu werden. Diese Daten werden
auch in einen Pufferspeicher (U63, U72) eingegeben.
Eine von der Komponente U61 erzeugte Kanaländerungs-
Marke dient dazu, die Änderung des Kanals der aufge
zeichneten Daten zu signalisieren.
Der in Fig. 2 dargestellte digitale Signalprozessor
(DSP) 64 ist optional. Dieses Modul gestattet die
Verarbeitung der im Echtzeitbetrieb angesammelten
Daten. Es verbessert das Leistungsvermögen des
gesamten Systems, indem es die Prozeß-Tasks von dem
Hauptrechner loslöst. Der DSP 64 hat Zugriff sowohl
zu dem Digitalspeicher 58 als auch zu dem Zeit- und
Amplitudenspeicher 28, um Daten für die Verarbeitung
zu übernehmen. Die Prozeduren für die Verarbeitung
sind im eigenen lokalen Speicher 36 gespeichert,
und die Ergebnisse der Prozeduren werden in den DSP-
Speicher/Puffer 66 übertragen. Weitere typische
Anwendungen, die verarbeitet werden könnten, umfassen
eine Fourieranalyse, eine Deconvolution und andere
signalrekonstruierende Algorithmen.
Die Erfindung wird im folgende anhand von zwei Bei
spielen näher erläutert, die in den Fig. 7 und 8 dar
gestellt sind.
In diesem Beispiel ist es erforderlich, eine Verbindung
zwischen einem Metall 70 und einer Verkleidung 72 zu
überprüfen, wie sie in Fig. 7a im Querschnitt darge
stellt ist. Typischerweise besteht die Verkleidung 72
aus stark absorbierendem Material, so daß von dessen
Rückwand kein Echo erwartet wird. Die Abklingrate
aufeinanderfolgender Echos von der Rückwand der
Metall/Verkleidung-Grenzschicht kennzeichnet das
Ausmaß der Bindung zwischen den beiden Materialien.
Die reflektierten Signale von einer gebundenen Grenz
schicht 74 und von einer ungebundenen Grenzschicht 76
sind in den gleichgerichteten Wellenzügen in Fig. 7b
bzw. 7c dargestellt. Es zeigt sich, daß eine stärkere
Abschwächung der aufeinanderfolgenden Reflexionen
erfolgt, wenn die Bindung fest ist (Fig. 7b), da in
der Verkleidung 72 von den Signalen mehr absorbiert
wird.
In einem allgemein verwendeten Standard-Zwei-Gatter-
System wäre es notwendig, zum Vergleich Spitzen
amplituden-Messungen von zwei der reflektierten Impulse
vorzunehmen. Da das Signal bei derartigen Anwendungs
fällen typischerweise sehr instabil ist, wäre die
Auflösung der Grenzschicht-Bindung begrenzt, und ebenso
wäre die Zuverlässig der Prüfung begrenzt. Letztere
wird in beträchtlichem Maß dadurch verbessert, daß
z. B. sechs Zeitschlitze (TS1 bis TS6) eingerichtet
werden, wie sie in den Fig. 7b und 7c gezeigt sind.
Der Spitzenwert in jedem Zeitschlitz wird ermittelt,
um eine genauere Messung der Bindungsstärke zu er
halten. Dies geschieht durch Mittelung und Extra
polation. Dadurch werden Abtastgeschwindigkeit und
die sich ergebende Analyse nicht reduziert.
Bei der Überprüfung von Schweißnähten 78 in einem
Metall 80 (Fig. 8a) ist es wichtig, zu unterscheiden
zwischen Schweiß-Porösität und Rissen 82 an der Grenze
der Schweißung. Die zwei Defekt-Arten erzeugen ver
schiedene Signaturen. Fig. 8b und 8c zeigen typische
Ergebnisse für die Porosität bzw. für die Risse.
Die beispielsweise in den Fig. 8b und 8c in der Anzahl
von fünf dargestellten Zeitschlitze (TS1 bis TS6)
veranschaulichen die Art und Weise, in welcher das
Erfassen der Spitzenwerte in diesen Zeitschlitzen
einen Hinweis auf die Existenz eines Defekts zu geben
vermag, nämlich anhand starker Reflexionspegel (Fig. 8c)
in irgendeinem der Zeitschlitze. Gleichzeitig ist es
möglich, zu unterscheiden zwischen Rissen bei starker
Sollwert-Istwert-Abweichung zwischen den fünf Zeit
schlitz-Spitzenwerten und Porosität, bei der die
festgestellte Spitzenwert-Abweichung gering ist.
Claims (15)
1. Programmierbarer Empfänger zum Erfassen von
Signalen, die von einem Material reflektiert oder
durch das Material durchgelassen werden, um Defekte
in dem Material zu analysieren,
gekennzeichnet durch eine Schaltungseinrichtung zum
Unterteilen der Signale in eine Mehrzahl separater,
unabhängiger Abschnitte zur selektiven Auswertung
von Wellenformanteilen, wie sie in jedem der Abschnitte
(TS1 . . . TS5) enthalten sind.
2. Empfänger nach Anspruch 1, bei dem die
Schaltungseinrichtung einen Analog-Digital-Umsetzer (18)
enthält, der digitalisierte Signale einem Zeit- und Amp
litudenprozessor (26) zuleitet.
3. Empfänger nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die
Schaltungseinrichtung
eine Einzelkanal-Verarbeitungseinheit zum Erfassen von
Spitzenwertsignalen und deren Zeitwerten innerhalb eines
oder mehrerer der Abschnitte enthält.
4. Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet durch
eine Schaltungseinrichtung zum Auswählen eines der
Abschnitte und zum Zuordnen eines Zeitwerts zu einem
Spitzenwert oder zu einem Zeitpunkt, der zu einem
Nulldurchgang im Anschluß an einen Spitzenwert eines
Signals in dem Abschnitt gehört.
5. Empfänger nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
gekennzeichnet durch,
einen Zeit- und Amplitudenspeicher (28), der dazu
dient, die in dem Prozessor (26) verarbeiteten Daten
zu speichern und sie anschließend zu einem Computer
zu übertragen.
6. Empfänger nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
gekennzeichnet durch
einen Rohdatenspeicher (24), der die von dem Umsetzer
umgesetzten digitalen Daten speichert.
7. Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet durch
eine Mehrkanal-Signal-Sende- und -Empfangseinrichtung.
8. Empfänger nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch
eine Triggerschaltung (8), die an mindestens einen
Impulsgeber (2) anschließbar ist, der zu einer ent
sprechenden Anzahl von Sonden führt, um Signale zu
einem Material zu senden und auswählbare Signale für
die weitere Verarbeitung zu empfangen.
9. Empfänger nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch
einen programmierbaren Speicher (32), der optional
mit der Triggerschaltung (8) und mit einer Vorbehand
lungsschaltung gekoppelt ist.
10. Empfänger nach Anspruch 9, bei dem die Vorbehand
lungsschaltung einen Eingangsselektor (12) zum Aus
wählen von Signalen aus irgendeinem der Kanäle, ein
Filter (14) und eine Entfernungs-Amplituden-Korrektur
schaltung enthält.
11. Verfahren zum Erfassen und Analysieren von
Materialdefekten,
gekennzeichnet durch die Schritte:
Senden von Signalen auf ein Material und Empfangen von Signalen, die von dem Material reflektiert wurden oder durch das Material hindurchgelassen wurden, und
Unterteilen der empfangenen Signale in eine Mehrzahl separater, unabhängiger Abschnitte für die selektive Auswerte von Wellenformanteilen, wie sie in jedem der Abschnitte enthalten sind.
Senden von Signalen auf ein Material und Empfangen von Signalen, die von dem Material reflektiert wurden oder durch das Material hindurchgelassen wurden, und
Unterteilen der empfangenen Signale in eine Mehrzahl separater, unabhängiger Abschnitte für die selektive Auswerte von Wellenformanteilen, wie sie in jedem der Abschnitte enthalten sind.
12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch
das Auswählen eines der Abschnitte und das Zuordnen
eines Zeitwertes zu einem Spitzenwert oder zu einem
Zeitpunkt, der zu einem an einen Spitzenwert an
schließenden Nulldurchgang eines in dem Abschnitt
befindlichen Signals gehört.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
gekennzeichnet durch
das Umsetzen der empfangenen Signale in digitale
Form.
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch
das Speichern der Signale in digitaler Form in einem
Speicher für die anschließende Verarbeitung.
15. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch
das Umsetzen der empfangenen Signale in digitale Form
und das Speichern der digitalen Signale, denen Zeit
werte zugeordnet wurden, in einem Speicher, um für
die anschließende Verarbeitung verfügbar zu sein.
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D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: MARMIRT LTD., TEL AVIV, IL |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: SCANMASTER SYSTEMS (IRT), TEL AVIV, IL |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |