DE4031895C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung und Verarbeitung von Ultraschall-Signalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen programmierbaren Empfänger zum Erfassen von Ultraschall-Signalen, um Materialdefekte zu analysieren, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Ver­ fahren zum Nachweisen und Analysieren von Materialdefekten.

Aus der US 47 99 387 ist in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein programmierbarer Empfänger zum Erfassen von Ul­ traschall-Signalen bekannt. Solche Empfänger dienen vornehmlich zur Ermittlung von Materialdefekten, wozu ein Ultraschall auf ein Material gesendet wird, und entweder der reflektierte Ultraschall oder der durch das Material hindurchgelassene Ultraschall analysiert wird. Bei solchem zerstörungsfreiem Prüfen von Material ist häufig das Aufzeichnen von reflektierten oder transmittierten Amplituden des von dem Prüfling kommenden Signals erforderlich. Die klassische Anwendung dieses Verfahrens ist das Erfassen eines Spitzenechos im Impulsechobetrieb (sogenannter PE-Betrieb) oder das Identifizieren eines im Transmissions­ betrieb (TT-Betrieb) sich abschwächenden Signals. Bei erstgenanntem Verfahren wird ein Zeitfenster oder Zeitabschnitt definiert, um eine Unterscheidung zu treffen zwischen einerseits materialinternen, durch Risse und andere Defekte hervorgerufene Reflexionen, und andererseits den Vorderwand- und Rückwandreflexionen. Beim Transmissionsbetrieb wird ein ähnliches Fenster zum Ausschließen von Neben-Reflexionen verwendet.

In der oben erwähnten US 47 99 387 ist eine Einrichtung beschrieben, bei der zum Prüfen von Isolatoren zunächst ein intakter Prüfling an mehreren Stellen abgetastet wird, um die sich ergebenden reflektierten (oder durchgelassenen) Signale zu speichern. Mit einem Analog-/Digital- Umsetzer werden die einzelnen Spitzenwerte in einzelnen vorgegebenen Zeitintervallen digitalisiert. Hierzu wird zunächst eine geeignet erschei­ nende Anzahl von Zeitintervallen ausgewählt, dann wird in jedem Zeit­ intervall der Spitzenwert ermittelt, und dieser Spitzenwert wird dann später mit den bei einem Prüfling in ähnlicher Weise gewonnenen Sig­ nalwerten verglichen. Gibt es in irgendeinem der miteinander vergliche­ nen, korrespondierenden Zeitintervalle einen "Ausreißer", so bedeutet dies, daß der Prüfling einen Materialdefekt aufweist. Bei diesem bekann­ ten Empfänger erfolgt also eine Unterteilung der Wellenform in mehrere Zeitabschnitte, und in jedem der Zeitabschnitte wird aus dem analogen Signalwert ein entsprechender digitaler Spitzenwert gebildet und gespei­ chert. Bei der Analyse werden dann sämtliche gespeicherte digitalen Spitzenwerte für einen Vergleich mit vorher gewonnenen Referenzwerten herangezogen. Eine selektive Verwendung oder Analyse von Signalen in einzelnen Zeitintervallen ist dabei nicht vorgesehen. Im Gegenteil: ein aussagekräftiges Ergebnis wird nur dann erwartet, wenn die Gesamtheit der einzelnen Zeitintervalle berücksichtigt wird.

Bei komplexen Signalverläufen ist eine solche Vorgehensweise mühsam und zeitaufwendig. Wenn zum Beispiel in einem Wellenzug eines von einem Prüfling refklektierten Signals an bestimmten Abschnitten immer wieder die gleichen Signale auftreten, wie es zum Beispiel durch Refle­ xion an Grenzflächen des Prüflings der Fall ist, so haben diese Signal­ anteile keinen Aussagewert über mögliche Materialdefekte.

Moderne Scanner (Abtastgeräte) speichern die an jedem Meßpunkt ent­ lang der Abtastung anfallenden Signalamplituden in einem Hardware- Speicher. Dann lassen sich die gespeicherten Daten für eine Anzeige und einen Ausdruck abrufen.

Obschon im PE- oder TT-Betrieb die von dem Prüfling erhaltenen Sig­ nale das Vorhandensein von Defekten anzeigen oder anzeigen können, besteht grundsätzlich eine Unzulänglichkeit darin, daß möglicherweise verschiedene Typen von Defekten identische Merkmalssignale hervor­ rufen. Um insbesondere bei teuren geprüften Bauteilen einen irrtümli­ chen Ausschuß zu vermeiden, müssen identische oder ähnliche Defekt- Merkmale mit hohem Aufwand analysiert werden.

Ein hochspeziallisierter Experte kann die mit den bekannten Geräten ermittelten Signalformen auf ihre "Signatur" hin überprüfen, um daraus spezielle Arten von Defekten zu ermitteln. Mehrdeutigkeiten bei der Interpretation machen eine wiederholte Abtastung des Prüflings erforder­ lich.

Jüngste Fortschritte bei elektronischen, digitalisierenden Anlagen gestatten das Aufzeichnen der gesamten Signalwellenform, die einem Erfassungs-Zeitabschnitt für jeweils ein Bildelement entspricht. Die hierbei anfallenden, mit hoher Auflösung verfügbaren Detaildaten er­ möglichen es, Defekte im Rahmen einer nachträglichen Aufarbeitung zu charakterisieren, entweder durch automatische Verfahren oder durch eine "manuelle" Analyse. Durch diese Vorgehensweise wird das Vertrauen in die Auswertung erhöht, der Vorgang der Charakterisierung vereinfacht und die Anforderungen an die Ausbildung und den Wissensstand der die Analyse vornehmenden Person werden geringer.

Hauptnachteil dieses Verfahrens sind die umfangreichen Daten, die beim Aufzeichnen des vollständigen digitalisierten Signals gehandhabt werden. Bei einem mittelgroßen 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 Datenvolumen ergeben sich drei praktische Bei der Datenerfassung stellt die Datenübertragungs­ geschwindigkeit normalerweise eine Beschränkung für die Abtast­ geschwindigkeit dar, was die gesamte Abtastungszeit beträchtlich herauf­ setzt; Speicherung, Anzeige und auf die Abtastung folgende Nachver­ arbeitung verlangsamen sich, was verlängerte Defekt-Auswerteprozedu­ ren mit sich bring; und übermäßig große Massenspeicher müssen sowohl für den aktiven Speicher als auch für den Archivspeicher, der für spä­ teren Zugriff dient, vorgesehen werden.

Aus der US 47 50 366 ist eine Ultraschall-Materialprüfvorrichtung be­ kannt, bei der Signale aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich umgesetzt werden, um die Prüfung anhand des Signalspektrums vor­ zunehmen. Eine solche Analyse ist praktisch nur dann sinnvoll, wenn das Spektrum eines Referenz-Prüflings vorliegt, mit welchem das Spek­ trum der einzelnen Prüflinge verglichen werden kann.

Aus der DE 33 02 548 A1 ist ein Ultraschall-Prüfgerät bekannt, bei dem ein Echosignal in mehrere Intervalle unterteilt und in jedem Intervall ein Spitzenwert gebildet wird. Ein Vergleicher bildet Differenzsignale zwischen dem jeweiligen Wert und einem Mittelwert.

Aus der US 47 66 554 ist ein Ultraschall-Prüfsystem zu entnehmen, welches von einer speziellen Anordnung von Wandlern Gebrauch macht. Aus der DE 32 45 952 A1 ist ein Ultraschall-Prüfverfahren bekannt, bei dem durch Abschwächung beeinflußte, reflektierte Signale mit Hilfe von Ausgleichssignalen korrigiert werden. All diese bekannten Verfahren sind nicht in der Lage, das oben angesprochene Problem zu lösen, wel­ ches durch die enorme Anzahl von Datenwerten entsteht, indem nicht nur ein beträchtlicher Aufwand an Rechen- und Speicherkapazität bereit­ gestellt werden muß, sondern außerdem noch beträchtliche Verarbei­ tungszeit erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen programmierbaren Empfänger zum Erfassen von Ultraschall-Signalen der eingangs genann­ ten Art anzugeben, der sich für den Einsatz beim Analysieren von Mate­ rialdefekten eignet, und der eine rasche und an die jeweiligen Umstände leicht anpaßbare Prüfung zuläßt. Außerdem soll ein Verfahren zum Analysieren von Materialdefekten angegeben werden, welches dieser Anforderung entspricht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 bzw. im Anspruch 9 angegebene Erfindung.

Während bei dem eingangs erläuterten, bekannten Empfänger jeweils die Gesamtheit eines Signalverlaufs einer Prüfung und Analyse zugrundege­ legt wird, bietet die Erfindung die Möglichkeit, nur aussagekräftige Abschnitte von Wellenformanteilen selektiv zu untersuchen. Während bei dem bekannten Empfänger der gesamte Wellenzug in eine bestimmte Anzahl von Zeitabschnitten unterteilt und jedem Zeitabschnitt ein ein­ ziger Digitalwert (entsprechend der Spitzenamplitude) zugeordnet wird, um anschließend die Spitzenwerte mit Referenzwerten zu vergleichen, erfolgt zwar erfindungsgemäß ebenfalls eine Digitalisierung, jedoch bleibt die Art der Signalauswertung offen für eine selektive Behandlung einzelner Abschnitte. Die Signalwerte können - umbeschadet einer Digi­ talisierung - so dargestellt werden, daß sie dem Verlauf der Analogsig­ nale entsprechen. Bei der Analyse können dann nebensächliche Signal­ anteile, die keine Aussagekraft bezüglich des gewünschten Ergebnisses haben, außer Acht gelassen 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 Zeitab­ schnitte unterteilt; diese Zeitabschnitte gestatten es einer Bedienungs­ person, 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 ge­ eigneten 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 Zeitabschnitte berührt wird, und falls eine komplexere Analyse erforderlich ist, wird die voll­ ständige Signalwellenform innerhalb eines Zeitabschnitts aufgezeichnet, um für die spätere Verarbeitung sämtliche Signaleinzelheiten festzuhalten. Konzep­ tionell gibt es keinerlei Grenze für die Anzahl von Zeitabschnitten, 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 Identifizierung derar­ tiger Signalmerkmale angewendet werden müssen. Diese Vielseitigkeit der Verwendung von Zeitabschnitten 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 Zeitabschnitten gestattet die stückweise Definition der entlang der Materialtiefe aufzeichnenden Information. Zum Beispiel: Der erste Zeitabschnitt kann dafür vorgesehen sein, die Amplitude des Echos von der Werkstückwand auf zu­ zeichnen, der zweite zeichnet die Spitze jedes Echos in der ersten Materialschicht auf, der dritte dient zum Aufzeichnen der voll­ ständigen Wellenreflexion von der zweiten Schicht (was problematisch sein kann), und so fort. Im Prinzip ist die Anzahl der Zeitabschnitte 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 Zeitfenster. 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 Zeitabschnitt 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 Vorteilen 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.

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 Zeitabschnitt-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, voneinander beabstandete 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 mehreren 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 Zeitabschnitte und deren Position pro Kanal;
• - Zeitabschnitt-Trigger (normal/Oberflächenfolge) pro Kanal;
• - Spitzen-Typ (positiv/negativ/absolut) pro Zeitabschnitt;
• - Zeitmarkierungs-Initiator (Spitze/Anstieg, Nulldurch­ gang/Abfall, Nulldurchgang/erster Nulldurchgang) pro Zeitabschnitt;
• - Freigabe der voll digitalisierten Wellenform pro Zeitabschnitt, 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 36 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, Zeitabschnitt-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 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.

Der Grund dafür, den Kanal-Programmgeber 40 einzu­ setzen, ist die Einsparung 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.

Irgendeines von den verschiedenen Filtern aus der Filterbank 14 kann zur Verwendung in jedem der Eingangskanäle ausgewählt werden. Die Filter werden abhängig von der Auswahl die jeweiligen Kanals ein- und ausgeschaltet, wobei ein Paar von Analogschaltern verwendet wird, die von in dem lokalen Speicher ge­ speicherten Filteradressen angesteuert werden. Andere Arten der Filterung können ins Auge gefaßt werden, darunter getrennte Filterbänke und aktive Steuerung der Filterparaineter, 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 den Kanälen 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 Zeitabschnitt zu speichernde aktuelle Information wird in jedem Zeitabschnitt durch die gewünschte Einstellung (Setup) festgelegt. Diese Einstellung kann von einer Vollwellen-Digitalisierung bis zum Zeitabschnitt-Ende 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 abschnitt-Programmgeber 42 (Fig. 2). Er ist verantwort­ lich für die Erzeugung der Zeitabschnitt-Start- und -Stop-Signale, die dazu verwendet werden, den gesamten digitalen Teil des Geräts zu betreiben. Die vorpro­ grammierten Zeitabschnitt-Begrenzungen werden in die Grenz-Latche geladen (U36 und U37 in Fig. 4). Die erste Begrenzung (Start des Zeitabschnittes 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 Zeitabschnitt- Einstellungen - Spitzenwert-Typ, Nulldurchgangs-Typ, Freigabe der Digitalisierung und Freigabe der Ober­ flächenfolge - werden gleichzeitig in das Zeitabschnitt- 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 Zeitabschnitt- (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 Zeitabschnitt aktiviert. Die Daten werden zum Speicher 36 übertragen, der als Puffer dient, damit der langsamere Computerbus genug Zeit zum Lesen 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 Zeitabschnitt 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 den 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 Zeitabschnitts zurückgesetzt, so daß der Spitzenwert des speziellen Zeitabschnitts schließlich in dem Latch vorhanden ist, wenn der Zeitabschnitt 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 sierender 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 Zeitabschnitt so programmiert ist, daß er bei der Feststellung des Oberflächenechos beginnt. Diese Betriebsart wird hier mit dem schon erwähnten Begriff "Oberflächenfolge" bezeichnet. In Zeitabschnitten, 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 Zeitabschnitt 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 Zeitabschnitts definiert. Die Oberflächenfolge-Betriebs­ art kann für jeden Zeitabschnitt definiert werden, sie ist nicht auf den ersten Zeitabschnitt 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 Zeitabschnitt-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 Zeitabschnitts aktualisiert werden.

Unmittelbar nach Abschluß eines Zeitabschnitts wird dieser Wert zu einem zweiten Latch übertragen, welches das laufende Latch freimacht für die Fortsetzung des Aktualisierens des Spitzenwerts im neuen Zeitabschnitt. 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 Entfaltung 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.

Beispiel I Erfassen einer Bindung

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 Zuverlässigkeit der Prüfung begrenzt. Letztere wird in beträchtlichem Maß dadurch verbessert, daß z. B. sechs Zeitabschnitte (TS1 bis TS6) eingerichtet werden,, wie sie in den Fig. 7b und 7c gezeigt sind. Der Spitzenwert in jedem Zeitabschnitt 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 beeinträchtigt.

Beispiel II Unterscheidung zwischen Riß und Porosität in Schweißnähten

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 Zeitabschnitte (TS1 bis TS6) veranschaulichen die Art und Weise, in welcher das Erfassen der Spitzenwerte in diesen Zeitabschnitten einen Hinweis auf die Existenz eines Defekts zu geben vermag, nämlich anhand starker Reflexionspegel (Fig. 8c) in irgendeinem der Zeitabschnitte. Gleichzeitig ist es möglich, zu unterscheiden zwischen Rissen bei starker Sollwert-Istwert-Abweichung zwischen den fünf Zeit­ abschnitt-Spitzenwerten und Porosität, bei der die festgestellte Spitzenwert-Abweichung gering ist.

Claims (10)

1. Programmierbarer Empfänger zum Erfassen von Ultraschall-Signa­ len, die von einem Material reflektiert, oder durch das Material durchgelassen werden, um Materialdefekte zu analysieren, umfas­ send einen Analog-/Digital-Umsetzer (18), der Signale von dem Material empfängt und sie in digitale Form umsetzt, einen Speicher (24) und eine Schaltungseinrichtung mit einem Prozessor (26) zum Empfangen von Signalen von dem Analog-/Digital-Umsetzer (18), wobei der Prozessor (26) die Signale in eine Mehrzahl separater, unabhängiger Zeitabschnitte unterteilt und eine Auswertung von Wellenformanteilen in diesen Abschnitten (TS1, . . ., TS5) vornimmt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung von Wellenform­ anteilen nur in selektierten, unabhängigen Zeitabschnitten erfolgt.

2. Empfänger nach Anspruch 1, bei dem die Spitzensignalamplituden innerhalb eines oder mehrere Abschnitte erfaßt werden.

3. Empfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einem Spitzenwert oder einem Zeitpunkt eines Nulldurchgangs im Anschluß an einen Spitzenwert eines Signals in je einem zur selekti­ ven Auswertung vorgesehenen Abschnitt ein Zeitwert zuordnet wird.

4. Empfänger nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Prozessor (26) ein Zeit- und Amplitudenspeicher (28) angeschlossen ist, der in dem Prozessor (26) verarbeitete Daten speichert und sie anschließend an eine Wei­ terverarbeitungseinrichtung sendet.

5. Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Mehrkanal-Signalsende- und -empfangs­ einrichtung, um Anregungsimpulse an das zu analysierende Material zu geben und von dem zu analysierenden Material kommende Signal zu empfangen, wobei die von dem Material empfangenen Signale an den Analog-/Digital-Umsetzer gegeben werden.

6. Empfänger nach Anspruch 5, bei dem die Mehrkanal-Sende- und -empfangseinrichtung (2, 4) eine Triggereinrichtung (8) aufweist, die an mindestens einen Impulsgeber (2) anschließbar ist, der zu einer entsprechenden Anzahl von Sonden führt, um Signale zu dem Mate­ rial zu senden und auswählbare Signale zur Weiterverarbeitung zu empfangen.

7. Empfänger nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen programmierbaren Speicher (32), der mit der Triggerschaltung und einer Signalaufbereitungsschaltung gekoppelt ist.

8. Empfänger nach Anspruch 7, bei dem die Signalaufbereitungsschaltung einen Eingangsselektor zum Auswählen von Signalen aus Kanälen der Mehrkanal-Signal­ sende- und -empfangseinrichtung, ein Filter und eine Entfernungs- Amplituden-Korrekturschaltung aufweist.

9. Verfahren zum Nachweisen und Analysieren von Materialdefekten, umfassend die Schritte:

• - Senden von Ultraschall-Signalen in analoger Form zu einem Material, und Empfangen von Signalen, die von dem Material reflektiert wurden oder durch das Material hindurchgegangen sind,
• - Umsetzen der empfangenen Analog-Signale in digitale Signale,
• - Unterteilen der digitalen Signale in eine Mehrzahl separater unabhängiger Zeitabschnitte zum selektiven Auswerten von Wellenformanteilen, wie sie in selektiven unabhängigen Ab­ schnitten enthalten sind, und
• - Zuordnen eines Zeitwerts zu einem Spitzenwert oder zu einem Zeitpunkt eines an einen Spitzenwert anschließenden Nulldurch­ gangs eines Signals jedes der Abschnitte, die einer selektiven Auswertung unterzogen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die empfangenen Signale in digitaler Form in einen Speicher (24) zur nachfolgenden Verarbeitung abge­ speichert werden.