DE4040190C2 - Verfahren zur Laufzeitmessung von Ultraschall bei der Impuls-Reflexionsmethode - Google Patents
Verfahren zur Laufzeitmessung von Ultraschall bei der Impuls-ReflexionsmethodeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laufzeitmessung von
Ultraschall mit der Impuls-Reflexionsmethode nach dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1.
Zur Bestimmung der Restwanddicke von Rohrleitungen wird in ei
nem Korrosionsprüfmolch ein Laufzeitmeßverfahren mittels Ul
traschall nach dem Impuls-Reflexions-Prinzip eingesetzt.
Der durch den Sendeimpuls am Prüfkopf ausgelöste Ultraschal
limpuls durchläuft die Ölvorlaufstrecke, wird zu einem Teil an
der Rohrvorder- bzw. Rohrinnenwand reflektiert und gelangt zum
Prüfkopf zurück. Die restliche Schallenergie dringt in die
Rohrwandung ein, wird zu einem großen Teil an der Rohrrück-
bzw. Rohraußenwand reflektiert und gelangt ebenfalls zum Prüf
kopf zurück. Je nach Schallschwächung kommt es zu Mehrfachre
flexionen innerhalb der Rohrwandung.
Die Ermittlung der Laufzeiten erfolgt mit Hilfe getakteter
Zähler, die durch die Echoimpulsfolge bei Überschreiten vorge
gebener Schwellwerte gestartet bzw. gestoppt werden. Die Vor
laufstrecke ergibt sich aus der Laufzeit zwischen dem Sendeim
puls und dem Vorderwandecho, die Wanddicke aus der Laufzeit
zwischen Vorderwandecho und erstem Rückwandecho. Die folgenden
Rückwandechos bleiben unberücksichtigt.
Bei rauhen Oberflächen ist das Echobild ein Abbild der vom
Sensor erfaßten Oberflächenstruktur. Statt eines einzelnen
Echoimpulses (wie bei glatter Oberfläche) wird eine Impuls
folge vom Sensor empfangen. Das Echobild wird aufgeweitet. Die
zeitliche Aufweitung ist von der Schallgeschwindigkeit des Me
diums abhängig; sie ist somit an der Rückwand unterschiedlich
zu der an der Rohrvorderwand. Durch diese Gesetzmäßigkeiten
kann bei rauhen Wandungen, in Abhängigkeit von der Wandstärke,
eine Verschmelzung der Echobilder von Vorder- und Rückwand her
vorgerufen werden.
Aus der DE 36 38 936 A1 ist ein Verfahren der e. g. Art be
kannt, bei dem bei rauher Oberfläche entweder falsche oder
überhaupt keine Laufzeiten zur Wandstärkebestiminung gemessen
werden können.
Des weiteren ist aus der DE 38 22 699 ein Verfahren bekannt,
bei welchem mit Hilfe einer Meßsperrzeit und einer sich zeit
lich ändernden Triggerschwelle für das Rückwandecho eine ein
deutige Laufzeitmessung möglich ist. Dieses Verfahren versagt
jedoch bei rauhen Oberflächen, wenn der erste Vorderwandreflex
niedriger als der zweite ist oder wenn die Aufweitung der Im
pulsfolge zeitlich länger als die Zeitdauer der sich ändernden
Triggerschwelle ist (z. B. bei Wandstärkezunahme in einem
Rohrsegment).
In W. Hillger, "Ein neues Verfahren zur Spitzenwertmessung von
Ultraschall-Prüfimpulsen", aus: messen prüfen automatisieren,
Dezember 1987, Heft 12, Sn. 718 bis 722 werden Verfahren zur
Spitzenwertmessung beschrieben. Pro Ultraschallschuß werden
jeweils zwei Schwellen festgelegt, aus deren Überschreiten Be
dingungen für die erforderliche Änderung dieser Schwellen für
den nächsten Schuß abgeleitet werden. Zur Digitalisierung der
Impulse sind viele Ultraschall-Schüsse nötig. Zeitfenster sind
nicht erwähnt.
In der DE 31 08 545 C2 wird ebenfalls ein Verfahren zur Digi
talisierung und zum Abspeichern des Maximalwertes von Ultra
schall-Fehlerimpulsen beschrieben. Dabei können durch eine
einstellbare Blende bestimmte Fehlerimpulse unterdrückt wer
den.
Es ist nicht beschrieben, mehr als nur den Maximalwert von je
dem Fehlerimpuls aufzunehmen.
In der DE 29 33 070 C2 wird ein Verfahren zur Digitalisierung
von Ultraschall-Echoimpulsen beschrieben. Dabei ist die Zeit
achse in 256 Schritten gerastert. Für jeden Ordinatenwert des
Ultraschall-Signals ist ein Ultraschall-Schuß erforderlich.
In der DE 34 35 989 C2 wird ein Verfahren zur Wanddickenmes
sung mittels Ultraschall beschrieben. Dabei wird nach dem Ul
traschall-Erregerimpuls eine Schwelle gesetzt, welche bei
Überschreiten durch ein Echosignal auf dessen Amplitude erhöht
wird.
Es kann also immer nur ein Rückwandecho erfaßt werden. Durch
entsprechendes Setzen des Zeittores kann auch das zweite oder
das dritte Rückwandecho erfaßt werden, jedoch immer nur eines.
Des weiteren ist aus J. G. Ottes et al., "Korrosion frühzeitig
erkennen", In: Elektronik 26/23.12.88, Sn. 66 bis 70 ein Ver
fahren der gattungsgemäßen Art bekannt. Es findet sich zwar
ein Hinweis, mehrere Rückwandechos durch passend gelegte Zeit
fenster sauber von einander zu trennen, die Auswertung mehre
rer Rückwandechos ist jedoch nicht erwähnt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der e. g. Art so
zu verbessern, daß auch bei rauhen Oberflächen und bei Ausfall
und Verfälschung von Impulsreflexionen Laufzeitmessungen für
Dickenbestimmungen und Abnormalitäten zuverlässig durchgeführt
werden können.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa
tentanspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen
des Verfahrens.
Die Erfindung wird im folgenden mit Hilfe eines Ausführungs
beispiels und anhand der Figuren näher erläutert. Es folgt
eine Kurzbeschreibung der Figuren.
Die Fig. 1 zeigt ein Ultraschallechobild.
Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen
Fehlersituationen der herkömm
lichen Laufzeitmessungen.
Die Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur
Durchführung des Verfahrens.
Die Fig. 6a, 6b, 7a und 7b zeigen Signalverarbeitungen von
zwei unterschiedlichen Ultraschallimpulsen.
Die Fig. 8a, 8b und 8c zeigen beispielhafte Datenreduktio
nen.
Fig. 9 zeigt das Auswählen der relevanten Daten.
Die Ermittlung der Laufzeiten erfolgt bei der DE 36 38 936 A1
mit Hilfe getakteter Zähler, die durch die Echoimpulsfolge bei
Überschreiten vorgegebener Schwellwerte gestartet bzw. ge
stoppt werden. Die Vorlaufstrecke ergibt sich aus der Laufzeit
zwischen dem Sendeimpuls 1 und dem Vorderwandecho 2, die Wand
dicke aus der Laufzeit zwischen Vorderwandecho 2 und erstem
Rückwandecho 3. Die folgenden Rückwandechos 4, 5, 6 bleiben
unberücksichtigt (Fig. 1).
Wie die bisherigen Messungen gezeigt haben, führt dieses Ver
fahren häufig zu Fehlinterpretationen bei der Wandstärkenbe
stimmung, obwohl der tatsächliche Signalverlauf Informationen
enthält, die auf die korrekte Wanddicke schließen lassen.
Eine Verbesserung der Echobildauswertung läßt sich folglich
dadurch erzielen, daß der gesamte Signalverlauf mit den durch
Mehrfachreflexionen erzeugten Folgeimpulsen zur Bestimmung der
Wanddicke herangezogen wird.
Dies läßt sich nur realisieren, indem die relevanten Größen
der Impulsfolge einem Mikroprozessor-System zugeführt werden
und daraus der Wert für die Wandstärke ermittelt und auf seine
Richtigkeit überprüft wird.
Die mangelhafte Auswertung des Echosignales mit Hilfe des her
kömmlichen Verfahrens zur Laufzeitmessung führt zu fehlenden
oder falschen Wanddickenwerten. Im folgenden sind verschiedene
Fehlerklassen aufgeführt. Dabei werden Lösungsvorschläge in
Verbindung mit der Digitalisierung des Echosignales aufge
zeigt. Die jeweiligen Abbildungen zeigen das Echobild 7, das
Meßtor der Wandstärkenmessung 8, sowie die Meßsperrblende 9.
Die in Fig. 2 dargestellten Rückwandechos haben zu geringe Am
plituden. Das Rückwandechosignal 3, 4 wird durch Interferenzen
oder Streuungen so stark gedämpft, daß die Amplitude unterhalb
der Triggerschwelle bleibt. Das Meßtor Wandstärke 8 wird folg
lich nicht geschlossen, und es liegt somit kein Meßwert für
die Wandstärke vor. Die Triggerschwelle liegt bei ca. 0,8 V.
Ein Herabsetzen dieser Schwelle kann zu Fehlmessungen infolge
von Störeinflüssen (Übersprechen) führen. Eine Erhöhung der
Empfindlichkeit (bei gleichem Störabstand) kann durch
Gleichrichtung und Integration erreicht werden.
Die Fig. 3 zeigt eine Triggerung auf dem zweiten statt auf dem
ersten Rückwandecho. Bedingt durch Interferenzen oder Streuun
gen kann die Amplitude des zweiten Rückwandechos 4 größer als
die Amplitude des ersten Rückwandechos 3 sein. Dies kann dazu
führen, daß die Triggerung des Zählers auf dem zweiten Rück
wandecho 4 erfolgt und somit das Meßergebnis 8 die doppelte
Laufzeit anzeigt. Eine Eliminierung dieses Fehlers ist durch
eine Plausibilitätsüberwachung bzw. durch eine Echobild
auswertung, die auch den zweiten Außenwandimpuls berücksich
tigt, erreichbar.
Die Fig. 4 zeigt den Meßwertausfall im Bereich kleiner Wand
stärken oder tiefer Korrosion. Eine rauhe Oberfläche der Vor
derwand führt zur Aufweitung des Vorderwandechoimpulses 2.
Statt nur eines Impulses wird eine Echofolge empfangen. Bei
geringen Wandstärken (6 mm und weniger) kann dadurch eine Ver
schmelzung der Echobilder von Vor- und Rückwand hervorgerufen
werden. Um eine Fehlmessung zu vermeiden, wird über eine Meß
sperrzeit 9 die Schließung des Meßtores für die Wanddickenmes
sung verhindert. Diese Blende wird auf ca. 1,7 µs eingestellt,
was einer Wanddicke von 6 mm entspricht. Geringere Wandstärken
lassen sich also nicht erfassen. Vielmehr kann es dazu führen,
daß unmittelbar nach Ablauf der Meßsperrzeit 9 das infolge ei
ner rauhen Oberfläche aufgeweitete Echosignal noch oberhalb
der Triggerschwelle liegt und somit den Zähler stoppt. Dies
führt dann zum Erfassen der Meßsperrzeit als Maß für die Wand
dicke 8.
Um Korrosionen tiefer als 6 mm zu messen, bzw. Rohre mit ge
ringer Wandstärke prüfen zu können, bedarf es der Bewertung
der Einhüllenden des Echobildes bzw. der Einbeziehung des
zweiten und weiterer Rückwandechos.
Während des Prüflaufes kann das vom Detektor empfangene Ultra
schallecho durch verschiedene Einwirkungen gedämpft werden, so
z. B.
- - Eine Deformation des Sensorträgers oder eine Deformation der Leitungswandung kann bewirken, daß einzelne Prüfköpfe unter einen von der Wandungs-Senkrechten abweichenden Win kel einschallen. Die Folge ist die von der Abweichung ab hängige Schwächung des empfangenen Echosignals.
- - In längeren Ölleitungen kann es vorkommen, daß die Oberflä che von US-Sensoren durch verfestigtes Öl bedeckt wird. Diese Verschmutzung verursacht eine Dämpfung der Ultra schall-Impulse. Daraus resultierend können ab einem gewis sen Verschmutzungsgrad die voreingestellten Triggerschwel len der Laufzeitmessung nicht mehr überschritten werden; es kann dann keine Messung erfolgen.
Eine hohe Impulsverstärkung kann nicht verwendet werden, da
bei zu hoher Grundverstärkung die Impulse zu sehr verbreitert
werden, dies führt zu fehlerhafter Laufzeitbestimmung.
Nur eine individuelle, vom Dämpfungsgrad abhängige Verstär
kungsnachführung kann in solchen Fällen eine Laufzeitmessung
noch ermöglichen.
Eine Verbesserung der Auswertung läßt sich somit durch eine
Digitalisierung des Echosignales mit anschließender on-line-
Auswertung mit Hilfe eines geeigneten Mikroprozessor-Systems
erzielen.
Dazu muß zunächst das Echosignal abgetastet, digitalisiert und
in einem Zwischenspeicher abgelegt werden. Anschließend werden
die Impulse mit Hilfe einer schnellen Hardware aussortiert und
deren Amplitude und Zeitzuordnung an den Auswerterechner über
geben.
Anhand des Blockdiagrammes von Fig. 5 wird nun die Verarbei
tung eines Echosignals erläutert.
Das Echosignal 7 wird zunächst gleichgerichtet und geglättet
11 und anschließend einem A/D-Wandler 12 zugeführt, der das
Signal mit einer Auflösung von 8 Bit digitalisiert. Die
Korrosionsmessung wird üblicherweise mit Sensoren ausgeführt,
die eine Resonanzfrequenz von 5 MHz haben. Um Spitzenamplitu
den eindeutig zu erfassen, wird die A/D-Wandlung mit einer
Sampling Rate von 28 MHz durchgeführt. Die digitalen
Amplitudenwerte 13 werden dann in einem FIFO-Zwischenspeicher
14 abgelegt. Die Speichertiefe beträgt je nach zu prüfender
Wandstärke 256 bzw. 512 Watt, was einem Datenerfassungszeit
raum von 9 bzw. 18 µs entspricht. Die Digitalisierung be
schränkt sich deshalb lediglich auf die Impulsfolge
Vorderwandecho und darauffolgende Rückwandechos.
Die Bestimmung der Vorlaufzeit erfolgt in gewohnter Weise mit
Hilfe eines getakteten Zählers, der durch den Sendeauslöseim
puls (SAP) 10 gestartet und durch den Innenwandechoimpuls 2
bei Überschreiten der vorgegebenen Triggerschwelle wieder ge
stoppt wird 15. Die. Vorlaufstrecke entspricht somit der Zeit
differenz 30 zwischen Sendeimpuls 1 und Vorderwandechoimpuls 2e (Fig. 6b).
Die A/D-Wandlung wird nach Ablauf eines variablen Zeitfensters
("Start ADC") 20 ausgelöst. Dieses variable Zeitfenster kann
über eine gesonderte Hardware-Schaltung 19 oder vom Laufzeit
rechner 17, 21 generiert werden. Bei der Generierung der Zeit
blende vom Laufzeitrechner können Änderungen des Sensorabstan
des von der Rohrinnenwand, die z. B. durch Sensorträgerdefor
mation entstehen können ausgeglichen werden. Dadurch ist es
immer möglich ein optimales Wandlungsfenster zu erzeugen. Die
Generierung der Zeitblende ist als selbstlernendes System aus
gelegt. Um die gesamte Echo-Impulsfolge zu erfassen, muß die
Blendenbreite so eingestellt werden, daß sie die kleinste zu
erwartende Vorlaufzeit nicht übersteigt.
Sobald das Vorderwandecho 2 die Vorlauf-Triggerschwelle 28
überschreitet und somit den Zähler stoppt, werden die bis zu
diesem Zeitpunkt abgespeicherten Daten gelöscht 25 und erneut
256 bzw. 512 im Zeitfenster 29 liegende Werte eingelesen. So
mit wird bei ausreichend starken Echosignalen eine optimale
Nutzung der vorhandenen Speicherkapazität gewährleistet. Die
Datenerfassung 29 beginnt dann sofort bei Eintreffen des Vor
derwandechos 2 und schließt neben dem ersten Rückwandecho noch
weitere durch Mehrfachreflexionen erzeugte Folgeechos 4 mit
ein (Fig. 6a).
Bleibt das Echosignal 7 unterhalb der Triggerschwelle 28 so
wird der FIFO-Speicher nicht gelöscht, und die Digitalisierung
endet nach 9 bzw. 18 µs 29 (Fig. 7a). Die anschließende digi
tale Signalauswertung beschränkt sich in diesem Fall im we
sentlichen auf die Bestimmung der Vorlaufstrecke: die Vorlauf
zeit 30 errechnet sich bei nicht erfolgter Vorlauftriggerung
dann als Summe aus der Breite der Blende "Start ADC" 20 und
der Zeitzuordnung des ersten abgespeicherten Echoimpulses 31
(Fig. 7b).
Aufgrund der Datenmenge, die je nach Abtastdauer um den Faktor
128 bzw. 256 über der Datenmenge des bisherigen Datenaufzeich
nungssystems (pro Schuß ein Byte für die Vorlaufstrecke und
ein Byte für die Wanddicke) liegt, muß eine digitale on-line-
Berechnung der Laufzeit durchgeführt werden.
Bei einer Schußfolge von 400 HZ beträgt bei 64 sequentiell an
gesteuerten Sensoren der zeitliche Abstand zwischen zwei
Sendeimpulsen 39 µs. Einen Algorithmus zur Laufzeitbestimmung,
der bis zu 512 Datenwerte abarbeiten muß, in 39 µs ablaufen zu
lassen, ist mit Hilfe eines Mikroprozessors jedoch nicht mög
lich. Deshalb muß vor der Übergabe der digitalisierten Werte
22 an den Prozessor eine Datenreduktion durchgeführt werden.
Diese Datenreduktion 16 kann nur durch eine schnelle Hardware
erreicht werden. Dabei muß der reduzierte Datensatz 23 sämtli
che zur Laufzeitbestimmung relevanten Informationen der ur
sprünglichen Impulsfolge beibehalten. Von Interesse sind die
Lage der Impulse, deren maximale Amplituden, sowie die Impuls
form.
Ferner werden nur die Impulse berücksichtigt, die eine vorge
wählte digitale Schwelle überschreiten.
Hierzu werden die digitalisierten Amplitudenwerte aus dem
FIFO-Zwischenspeicher ausgelesen und mit der digitalen
Schwelle 28 verglichen. Liegt die Signalamplitude unterhalb
des Schwellwertes, so wird der digitalisierte Wert ausselek
tiert. Überschreitet das Signal den Schwellwert, so wird dieser
Wert 34 mit dessen zeitlicher Zuordnung 35 dem Auswerterechner
übergeben; die darauf folgende Werte bis zum Amplitudenmaximum
werden wiederum ausgefiltert. Das Amplitudenmaximum 32 mit der
zeitlichen Zuordnung 33 wird abgespeichert; ebenso der darauf
folgende Zeitwert 37 der Unterschreitung der Schwelle (Fig.
8a).
Der digitale Schwellwert 28 kann per Hardware voreingestellt
oder vom Laufzeitrechner generiert werden. Bei der Generierung
vom Laufzeitrechner kann der Schwellwert sich selbst lernend
an Wandungsrauhigkeiten und Sensoreigenschaften angepaßt wer
den. Als Kriterium zur Veränderung des Schwellwertes dient die
Anzahl der Impulse die den Schwellwert übersteigen.
Speichert man zusätzlich zu den Impulsspitzen auch noch die
Amplituden- und Zeitwerte bei Überschreiten 34, 35 bzw. Unter
schreiten 36, 37 des digitalen Schwellwertes ab, so kann eine
Aussage über die Form, d. h. die Breite der Echoimpulse ge
troffen werden. Das ursprüngliche Echobild läßt sich so mit
geringem Bedarf an Speicherplatz aufzeichnen und kann anhand
dieser reduzierten Datensätze nahezu vollständig rekonstruiert
werden (Fig. 8b).
Je nach Leistungsfähigkeit des verfügbaren Mikroprozessors
kann eine weitere Reduktion der Daten erforderlich sein. In
diesem Fall werden nur die Höhe 32 der Impulse und deren zeit
liche Zuordnung 33 an den Auswerterechner übergeben, der ur
sprüngliche Datensatz reduziert sich also auf die Impulsma
xima (Fig. 8c).
Das Ultraschallechosignal einzelner Sensoren kann durch äußere
Einflüsse so gedämpft werden, daß die Reflexions-Impulse un
terhalb der minimalen Triggerschwellwerte liegen. Nur eine in
dividuelle, von der Dämpfung abhängige Verstärkungsanpassung
26 kann dann noch eine Laufzeitmessung ermöglichen.
Als Maß für die Verstärkungsanpassung dienen die über eine
vorgebene Anzahl von Erregerimpulsen ermittelten Maximalampli
tuden der Reflexions-Impulse. Einzelne Ausreißer bleiben unbe
rücksichtigt.
Nach Übernahme der reduzierten Datensätze liegen die Aufgaben
des Mikroprozessorsystems darin
- - die zur Bestimmung der Laufzeit relevanten Echoimpulse her auszufiltern,
- - die Laufzeit des Echosignals in der Rohrwandung anhand der zeitlichen Abstände der Impulsspitzen zu ermitteln,
- - die Gültigkeit der erhaltenen Ergebnisse zu überprüfen,
- - die Vorlaufstrecke mit Hilfe des internen Zählers zu erfas sen, bzw. bei nicht erfolgter Vorlauftriggerung zu berech nen.
Bei rauher Oberfläche können mehrere Vorderwandimpulse empfan
gen werden. Der Mikroprozessor wählt aus mehreren Vorderwand
impulsen, die in einem definierten Zeitrahmen liegen müssen,
den mit der höchsten Amplitude aus. Somit kann eine Korrektur
der Vorderwandlaufzeit erfolgen.
Bei starker Korrosion kann es vorkommen, daß der auf physika
lischen Gesetzmäßigkeiten und Erfahrenswerten beruhende Algo
rithmus keine eindeutige Laufzeitmessung durchführen kann. In
diesem Fall wird das gesamte reduzierte Echobild in einem
Speicher abgelegt. Nach Beendigung des Prüflaufes kann dann
eine manuelle Laufzeitbestimmung vorgenommen werden.
Da die Bestimmung der Laufzeit on-line erfolgen muß, ist auf
grund der nur begrenzt zu Verfügung stehenden Rechenzeit eine
Optimierung des Auswertealgorithmus hinsichtlich der am häu
figsten auftretenden Fehlersituationen vorzunehmen.
Nach dem Einlesen der reduzierten Daten 23 (Amplituden und
zeitliche Zuordnung der Impulsspitzen), Fig. 9a, müssen
zunächst die zur Bestimmung der Laufzeit relevanten Impulse
aussortiert werden. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Im
pulsfolge (Vorderwandecho), 1. Rückwandecho, 2. Rückwandecho
(. . .), monoton abfallende Amplituden 38, 39, 40 aufweist. Dazwi
schenliegende Echoimpulse kleinerer Amplitude werden als Stör
signale 41, 42, 43 betrachtet. Hierzu werden die Impulse zeitlich gesehen
von hinten nach vorne überprüft: ein Echoimpuls gilt
dann als relevant und wird abgespeichert, wenn seine Amplitude
größer oder nahezu gleich groß als diejenige des zuletzt abgespei
cherten Impulses ist (Fig. 9b).
Anschließend wird die so gefilterte Impulsfolge anhand der am
häufigsten auftretenden Echobildvarianten untersucht und die
Laufzeit des Ultraschallsignals in der Rohrwandung ermittelt.
Das Ergebnis wird dann mit dem aktuellen Referenzwert bzw. mit
einem Erwartungswert verglichen.
Ein Meßwert gilt als besonders sicher, wenn der zeitliche Ab
stand zwischen Eintrittsecho und erstem Rückwandecho mit dem
Abstand zwischen erstem und zweitem Rückwandecho überein
stimmt. Dieser Wert gilt dann als neuer Referenzwert. Der
Erwartungsbereich für den nächsten zu ermittelnden Wanddicken
wert ergibt sich aus dem letzten Wanddickenwert bzw. dem Refe
renzwert +/- einem von der Wandstärke abhängigen Toleranzband.
An sich ändernde Wandstärken paßt sich das Toleranzband
selbstlernend an.
Das herkömmliche Verfahren zur Laufzeitmessung nach der Im
puls-Reflexionsmethode beschränkt sich bei der Wandstärkenmes
sung lediglich auf das Vorderwandecho und das erste Rückwand
echo. Aufgrund der erschwerten Bedingungen unter denen eine
Korrosionsprüfung in Pipelines durchgeführt wird, führt dieses
Verfahren häufig zu Fehlmessungen bzw. Meßwertausfällen. Eine
wesentliche Verbesserung der Signalauswertung wird beim erfin
dungsgemäßen Verfahren dadurch erzielt, daß der gesamte Echo
signalverlauf, d. h. Vorderwandecho, erstes Rückwandecho und
die durch Mehrfachreflexionen erzeugten folgenden Rückwand
echos in die Betrachtung miteinbezogen und mit Hilfe eines
Mikroprozessor-Systems ausgewertet wird.
Dies erfordert zunächst die Digitalisierung des Echosignals
und, da die Auswertung on-line erfolgen muß, eine Reduzierung
der Daten mit Hilfe einer schnellen Hardware.
Neben der Bestimmung der Laufzeiten ermöglicht der Einsatz des
Mikroprozessor-Systems eine Überwachung der Signalamplitude
und damit eine Regelung der Signalverstärkung. Außerdem kann
die Lage des Zeitfensters zur Aufnahme der Echoimpulsfolge op
timal an den Signalverlauf angepaßt werden.
Sollte infolge starker Korrosion eine eindeutige Laufzeitbe
stimmung on-line nicht möglich sein, so wird das gesamte redu
zierte Echobild abgespeichert. Eine weiterführende Auswertung
des Echobildes kann somit nach Beendigung des Prüflaufes
durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste
1 Ultraschall-Sendeimpuls
2 Vorderwandechoimpuls
3 1. Rückwandechoimpuls
4 2. Rückwandechoimpuls
5 3. Rückwandechoimpuls
6 4. Rückwandechoimpuls
7 Ultraschall-Echosignal
8 Meßtor Wandstärke
9 Meßsperrblende
10 Sende-Auslöse-Impuls SAP
11 Verstärker/Filter-Modul
12 Analog/Digital-Wandler
13 Digitalisierte Amplitudenwerte
14 FIFO-Zwischenspeicher
15 Analoge Schwellwert-Triggerung zur Bestimmung der Vorlaufzeit
16 Datenreduktion
17 µP-System Laufzeitrechner
18 µP-System Datenerfassung
19 Zeitfenster-Logik
20 Steuersignal "Start-ADC"
21 Steuerleitung "Zeitfenster-Einstellung"
22 Wertepaare (Amplitude, Zeitzuordnung)
23 Reduzierte Daten (Amplitude, Zeitzuordnung)
24 Digitaler Schwellwert (Datenreduktion)
25 Reset-Leitung (Löschen des FIFO)
26 Steuerleitung "Verstärkungsregelung"
27 Steuerleitung "FIFO voll"
28 Analoge Triggerschwelle (Vorlauf-Bestiminung)
29 Zeitraum der Datenerfassung
30 Vorlaufzeit
31 Zeitzuordnung des ersten abgespeicherten Echo impulses
32 Amplitude des Impulsmaximums
33 Zeitzuordnung des Impulsmaximums
34 Amplitude bei Überschreiten der digitalen Schwelle
35 Zeitzuordnung bei Überschreiten des Schwellwertes
36 Amplitude bei Unterschreiten der digitalen Schwelle
37 Zeitzuordnung bei Unterschreiten des Schwellwertes
38, 39, 40 Relevante Echoimpulse
41, 42, 43 Störimpulse
2 Vorderwandechoimpuls
3 1. Rückwandechoimpuls
4 2. Rückwandechoimpuls
5 3. Rückwandechoimpuls
6 4. Rückwandechoimpuls
7 Ultraschall-Echosignal
8 Meßtor Wandstärke
9 Meßsperrblende
10 Sende-Auslöse-Impuls SAP
11 Verstärker/Filter-Modul
12 Analog/Digital-Wandler
13 Digitalisierte Amplitudenwerte
14 FIFO-Zwischenspeicher
15 Analoge Schwellwert-Triggerung zur Bestimmung der Vorlaufzeit
16 Datenreduktion
17 µP-System Laufzeitrechner
18 µP-System Datenerfassung
19 Zeitfenster-Logik
20 Steuersignal "Start-ADC"
21 Steuerleitung "Zeitfenster-Einstellung"
22 Wertepaare (Amplitude, Zeitzuordnung)
23 Reduzierte Daten (Amplitude, Zeitzuordnung)
24 Digitaler Schwellwert (Datenreduktion)
25 Reset-Leitung (Löschen des FIFO)
26 Steuerleitung "Verstärkungsregelung"
27 Steuerleitung "FIFO voll"
28 Analoge Triggerschwelle (Vorlauf-Bestiminung)
29 Zeitraum der Datenerfassung
30 Vorlaufzeit
31 Zeitzuordnung des ersten abgespeicherten Echo impulses
32 Amplitude des Impulsmaximums
33 Zeitzuordnung des Impulsmaximums
34 Amplitude bei Überschreiten der digitalen Schwelle
35 Zeitzuordnung bei Überschreiten des Schwellwertes
36 Amplitude bei Unterschreiten der digitalen Schwelle
37 Zeitzuordnung bei Unterschreiten des Schwellwertes
38, 39, 40 Relevante Echoimpulse
41, 42, 43 Störimpulse
Claims (3)
1. Verfahren zur Laufzeitmessung von Ultraschall mit der Im
puls-Reflexionsmethode, bei dem von einem Prüfkopf minde
stens ein möglichst stoßwellenförmiger Erregerpuls ausge
sandt wird, der eine Vorlaufsstrecke bis zu einem zu unter
suchenden Objekt mit Vorder- und Rückwand zurücklegt, an
dessen Vorder- und Rückwand jeweils mindestens ein Reflexi
ons-Impuls erzeugt wird, und bei welchem die reflektierten
Impulse durch mindestens einen Ultraschalldetektor erfaßt
und mit einer analogen Signalanpassung verstärkt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) ein Zeitfenster für die Aufnahme der dem Erregerimpuls folgenden Reflexions-Impulse festgelegt wird, innerhalb dessen das Vorderwandecho und mindestens zwei Rückwand echos liegen, dann
- b) die im Zeitfenster liegenden Reflexions-Impulse digital gefiltert und parametrisiert werden, indem für jeden Reflexionsimpuls Zeitpunkt und Amplitude für das Maximum und beim Überschreiten und beim Unterschreiten eines digitalen Schwellwertes erfaßt werden, darauf
- c) die Zeitpunkte und Amplituden der gefilterten und para metrisierten Reflexions-Impulse einer Rechnereinheit zu geführt werden, wobei die Impulse zeitlich gesehen von hinten nach vorne überprüft werden und ein Echoimpuls dann als relevant gilt und abgespeichert wird, wenn seine Amplitude größer oder nahezu gleich groß ist wie diejenige des zuletzt abgespeicherten Impulses, und schließlich
- d) die Vorlaufzeit und die Wandstärkelaufzeit des Objekts ermittelt und abgespeichert wird, wenn der zeitliche Ab stand zwischen Eintritts- und erstem Rückwandecho mit dem Abstand zwischen erstem und zweitem Rückwandecho in nerhalb eines Toleranzbandes übereinstimmt, andernfalls die Zeitpunkte und Amplituden aller gefilterten und pa rametrisierten Reflexions-Impulse, die zu einem Erreger puls gehören, abgespeichert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Zeitfenster selbstlernend an den Signalverlauf angepaßt
werden kann.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß bei hohen Abtastraten der Digitalisierung die Daten, be
vor sie der Filterung unterzogen werden, in einem schnellen
Speicher zwischengespeichert werden.
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