DE3009574C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der Zeitschrift "Feingerätetechnik", 1975, Heft 8, Seiten 337 bis 341 bekannt. Dort wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit beschrieben, bei der ausgehend von einem Startimpuls jeweils die Laufzeiten bis zum Auftreten des ersten bzw. zweiten Rückwandechos digital gemessen werden. Aus der Differenz der jeweils ermittelten Laufzeiten T 1 und T 2 läßt sich bei bekannter Materialstärke die Schallgeschwindigkeit berechnen. Zur Ausblendung der zu messenden Echos ist eine über dem ganzen zu erfassenden Bereich verschiebbare Blendenschaltung vorgesehen.

Beim praktischen Durchführen des Meßvorganges unter Verwendung der vorbekannten Vorrichtung müssen die Videosignale der beiden Rückwandechos immer auf gleiche Echoamplitude eingestellt werden. Sie müssen zudem mit Sicherheit über der Ansprechschwelle liegen. Dies erfordert Justiervorgänge.

Daneben sind aus den deutschen Offenlegungsschriften 19 53 567 und 23 29 826 Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit mit Hilfe von Impuls/Echo-US-Handprüfgeräten für das Tauchtechnikverfahren bekannt. Hierbei sind jedoch relativ aufwendige Justiervorgänge erforderlich. Außerdem werden nur zum Teil Änderungen der Vorlauflänge des verwendeten Prüfkopfes berücksichtigt, wodurch die gemessenen Schallgeschwindigkeiten bei Verwendung älterer Prüfköpfe relativ ungenau sind. Sofern Änderungen der Vorlauflänge des jeweiligen Prüfkopfes durch entsprechende Justiervorgänge berücksichtigt werden können, erhält aber der Prüfer über die Änderung der Vorlauflänge selbst keine Angaben.

Ausgehend von der Vorrichtung der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Vorrichtung dahingehend weiterzubilden, daß es möglich ist, die Schallgeschwindigkeit ohne aufwendige Justiervorgänge in einem Prüfstück vorgegebener Dicke automatisch zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 27 49 514 ist zwar ein Verstärker mit schaltbarer Verstärkung bekannt, dessen Verstärkungsfaktor über eine Schwellenwertschaltung und einen diesem nachgeordneten Steuerschaltkreis eingestellt wird, dieser vorbekannte Verstärker arbeitet jedoch weder mit schaltbaren Abschwächern noch ist er dafür ausgelegt, daß ein periodisch wiederkehrendes Signal wie das Rückwandecho ausgehend von einem Bezugswert schrittweise solange verstärkt wird, bis der Schwellwert der Schwellenwertschaltung überstiegen wird. Der vorbekannte Verstärker ist für die Verstärkung seismischer Schallwellen bestimmt, die im allgemeinen nicht periodisch, sondern wiederholungsfrei auftreten. Sein Verstärkungsfaktor wird erniedrigt, wenn das Ausgangssignal den eingestellten Schwellenwert übersteigt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht vor allem darin, daß mittels der Vorrichtung die einzelnen Abläufe auf einfache Weise automatisch mit Hilfe des Mikroprozessors steuerbar sind. Der Verstärker wird mittels schaltbarer Abschwächer dadurch programmierbar, d. h. in seiner Verstärkung einstellbar, daß der Mikroprozessor die schaltbaren Abschwächer derart steuert, daß die Verstärkung solange schrittweise erhöht wird, bis das Signal der Rückwandechos den Schwellwert der Schwellenwertschaltung übersteigt.

Die Erfindung wird im folgenden mit Hilfe von Zeichnungen und anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den zeitlichen Verlauf der Echos in einem fehlerfreien Prüfstück;

Fig. 2a bis 2d die Echobilddarstellung nach Fig. 1 mit eingezeichneter Blende, wie sie den einzelnen Arbeitsphasen entspricht;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit;

Fig. 4 die Schaltung einer Laufzeitmeßeinrichtung, wie sie in der Vorrichtung gemäß Fig. 3 benutzt wird;

Fig. 5 die Schaltung eines programmierbaren Verstärkers, der in der Vorrichtung nach Fig. 3 verwendet wird, und

Fig. 6 die Schaltung einer programmierbaren Blende, die ebenfalls in der Vorrichtung nach Fig. 3 verwendet wird.

In dem in Fig. 1 dargestellten Echodiagramm sind der Senderauslöseimpuls mit SAP, das Überkoppelecho mit ÜE und die Rückwandechos mit RE bezeichnet. Der Sendeimpuls, der zwischen dem SAP und dem ÜE liegt, wurde nicht dargestellt, da ihm im Rahmen dieser Erfindung keine besondere Bedeutung zukommt. Als Zeitbezugspunkt wird vielmehr die Vorderflanke des SAP verwendet.

Die Laufzeiten, bzw. genauer die doppelten Laufzeiten der Schallimpulse in der Prüfkopfvorlaufstrecke und in dem Prüfstück wurden mit T _V und T _M bezeichnet. Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, gelten folgende Beziehungen:

T _M = T₂-T₁ (1)
T _V = T₁-T _M = 2T₁-T₂ (2)

Für die Schallgeschwindigkeit C _M im Prüfstück ergibt sich mit Gleichung (1)

und für die Prüfkopfvorlaufstrecke S _V mit Gleichung (2)

wobei S _MAT , die Dicke des Prüfstückes und C _V , die Prüfkopfvorlaufschallgeschwindigkeit, als bekannt vorausgesetzt werden.

Fig. 2a bis 2d zeigen nun, wie die zur Lösung der Gleichungen 3 und 4 wichtigen Zeiten T₁ und T₂ ermittelt werden, damit eine automatische Meßwerterfassung möglich ist. Wie in Fig. 2a dargestellt, wird zunächst die Schwellwerthöhe S auf einen festen Bezugswert, z. B. auf 80% der Bildschirmhöhe (sofern ein Gerät mit Bildschirm verwendet wird) eingestellt. Die Verstärkung des Gerätes wird auf ihren minimalen Wert eingestellt (0 dB). Anschließend wird die Blende so gesetzt, daß als erstes Echo das 1. Rückwandecho in der Blende liegt. Dieses erfolgt dadurch, daß der Blendenanfang, t _BA , so gewählt wird, daß gilt: t _BA = (2/C₀) S _MAT. Dabei ist C₀ eine willkürlich gewählte konstante Schallgeschwindigkeit, die allerdings größer sein muß als die zu messende Schallgeschwindigkeit C _M. Denn für C₀<C _M liegt der Blendenanfang sicher vor dem 1. Rückwandecho. Die Blendenbreite, t _BB, wählt man so, daß folgende Beziehung erfüllt ist:

Wählt man daher t _BB = 10 t _BA, so liegt das 1. Rückwandecho sicher in der Blende.

Nach der Blendensetzung wird die Verstärkung so lange erhöht, bis das Maximum des 1. Rückwandechos die Schwelle erreicht (Koinzidenz). Dann wird zur sicheren Koinzidenzbildung die Verstärkung um weitere 2 dB erhöht und dann der Laufzeitwert T₁ mittels einer Laufzeitmeßeinrichtung gemessen und dieser Wert gespeichert.

Der neue Blendenanfangswert t′ _BA für das 2. Rückwandecho wird auf den Wert

t′ _BA = T₁ + t _BA

festgesetzt. Dadurch ist gewährleistet, daß die Blende hinter dem 1. Rückwandecho und sicher vor dem 2. Rückwandecho liegt (Fig. 2c). Die Blendenbreite t _BB ist wiederum:

t _BB = 10 t _BA.

Nach Festlegung der Blende um das 2. Rückwandecho wird dann, wie oben für das 1. Rückwandecho beschrieben, die Schwellwerthöhe mit dem 2. Rückwandecho zur Koinzidenz gebracht und anschließend die Laufzeit T₂ gemessen und gespeichert.

Aus den Werten T₁, T₂, S _M und C _V ermittelt dann der Rechner mit Hilfe der Gleichungen (3) und (4) die gesuchte Schallgeschwindigkeit C _M und die Prüfkopfvorlauflänge.

In Fig. 3 ist die entsprechende Vorrichtung wiedergegeben. Ein Mikroprozessor 1 steht über ein jeweils 8 Leitungen aufweisendes Steuer- und Datenbus-System 2 mit einem programmierbaren Verstärker 3, einem Schwellwertgeber 4, einer Blendeneinheit 5, einer Laufzeitmeßeinrichtung 6 sowie einer Eingabe- und einer Ausgabeeinheit 7 und 8 in Verbindung. Ein Taktgenerator 9 erzeugt die erforderlichen Taktimpulse. Der Sendeauslöseimpuls SAP, der u. a. sowohl den Sender 10 als auch die Blendeneinheit 5 triggert, wird durch den Mikroprozessor 1 selbst erzeugt.

Ein durch den SAP ausgelöster Sendeimpuls gelangt an den Prüfkopf 11, der seinerseits einen Schallimpuls in dem Prüfstück 12 erzeugt. Dieser Schallimpuls wird an der Rückwand des Prüfstückes 12 reflektiert und gelangt als Echo in den Prüfkopf 11. Das entsprechende elektrische Echosignal wird dann über den programmierbaren Verstärker 3 einem Komparator 13 zugeführt und mit dem vorgegebenen Schwellwert verglichen.

Der Ausgang des Komparators 13 ist mit einem der beiden Eingänge eines UND-Gatters 14 verbunden. An dem jeweils anderen Eingang dieses Gatters liegt das durch die Einheit 5 erzeugte Blendensignal. Am Ausgang des UND-Gatters erhält man daher nur solche Ultraschall-Echosignale, die sowohl größer als die vorgegebene Schwelle sind als auch zeitlich in der vorgegebenen Blende liegen.

Dem UND-Gatter 14 ist ein Flip-Flop 15 nachgeschaltet; und zwar wird das Flip-Flop von dem SAP-Impuls über den Set-Eingang gesetzt und von dem koinzidierenden Echosignal zurückgesetzt. Am Q-Ausgang des Flip-Flop 15 erhält man daher einen Impuls, dessen Breite der Zeit zwischen Senderauslösung (SAP) und Eintritt der Koinzidenz des Rückwandechos mit der Blende entspricht. Dieser Impuls wird dann in der Laufzeitmeßeinrichtung 6 ausgezählt.

Wie Fig. 4 zeigt, wird der hinter dem Flip-Flop 15 (Fig. 3) erzeugte Impuls mit der Taktfrequenz des Taktgenerators 9 mit Hilfe eines UND-Gatters 60 ausgezählt und mit dem entsprechenden Zählwert ein Zähler 61 gesetzt. Über die Parallelausgänge des Zählers 61 wird der digitale Laufzeitwert auf einen Zwischenspeicher 62 übertragen. Dieser Speicherwert kann dann mit Hilfe eines Decoders 63 von dem Mikroprozessor 1 (Fig. 3) abgerufen werden, da der Mikroprozessor mit dem Decoder 63 über den Steuerbus und mit dem Zwischenspeicher über den Datenbus in Verbindung steht. Die digitalen Laufzeitwerte werden dann von dem Mikroprozessor in entsprechende Geschwindigkeits- bzw. Prüfkopfvorlaufstreckenwerte gemäß Gleichung (3) und (4) umgerechnet und zur Anzeige gebracht.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen 16 Bit Zähler 61, so daß 16 Leitungen mit dem Zwischenspeicher verbunden sind. Da der Datenbus nur 8 Leitungen besitzt, muß die gespeicherte Information jeweils nacheinander in zwei 8-Bit Datenworten in den Mikroprozessor übertragen werden.

Der Decoder 63 sorgt dafür, daß der Zähler 61 und ein mit dem Überlaufausgang Ü des Zählers verbundenes Flip-Flop 64 vor jedem Meßvorgang zurückgesetzt werden. Das Flip-Flop 64 erzeugt beim Überlaufen des Zählers 61 einen Überlauf-Impuls, der dann dem Mikroprozessor meldet, daß das aktuelle Meßergebnis ungültig ist (keine Koinzidenz).

In Fig. 5 ist ein programmierbarer Verstärker dargestellt, der sich besonders bewährt hat. Er besteht im wesentlichen aus zwei Verstärkern 33 und 34 mit festen Verstärkungsfaktoren (20 dB), einem umschaltbaren Vorverstärker 35, dessen Verstärkungsfaktor 0 oder 40 dB beträgt, sowie zwischengeschalteten programmierbaren Abschwächern 36 mit 3 Stufen zu je -10 dB und 37 mit 9 Stufen zu je -1 dB. Die Abschwächerstufen in 36 und 37 und der Vorverstärker 35 können einzeln oder parallel mit Hilfe nicht dargestellter Schalter geschaltet werden. Jeder elektronische Schalter ist über eine Leitung ansteuerbar, die mit einem Zwischenspeicher 31 verbunden ist. In dem Zwischenspeicher 31 werden die Schalterstellungen in Form von Bit-Werten gespeichert, die durch den Mikroprozessor 1 (Fig. 3) vorgegeben werden (da im vorliegendem Ausführungsbeispiel ein aus 8-Leitungen gestehender Datenbus verwendet wird, müssen zwei aufeinanderfolgende 8-Bit Datenwörter eingelesen und decodiert werden). Das Einlesen und Löschen dieser Speicherwerte erfolgt mit Hilfe eines Decoders 32.

Während der Schwellwertgeber 4 im wesentlichen nur aus einem D/A-Wandler besteht, der die von dem µP ankommenden digitalen Schwellwertsignale in analoge Spannungen wandelt und daher nicht extra dargestellt wurde, zeigt Fig. 6 die Blendeneinheit 5. Der von dem Mikroprozessor 1 (Fig. 3) kommende digitale Blendenanfangswert wird über einen Zwischenspeicher 50 in einen Zähler 51 übertragen. Anschließend wird in dem Zwischenspeicher 50 der Blendenbreitenwert gespeichert und steht übernahmebereit an dem Binärzähler 51. Gelangt nun ein neuer SAP-Impuls an das Flip-Flop 52, so wird dieses gesetzt und über ein UND-Gatter 53 gelangen Taktimpulse an den Serieneingang des Zählers 51. Der Inhalt des Zählers 51 wird mit der Taktfrequenz des Taktgenerators 9 (Fig. 3) ausgezählt. Nach dem Abzählen des Blendenanfangswertes entsteht am Zählerausgang ein erster Impuls I₁, der ein Jk-Flip-Flop 54 setzt. Der Impuls I₁ wird gleichzeitig an die Load-Eingänge des Zählers 51 geführt und macht diesen aufnahmebereit, so daß der Blendenbreitenwert in den Zähler übernommen und sofort abgezählt wird. Nach dem Abzählen des Blendenbreitenwertes entsteht am Zählerausgang ein Impuls I₂, der das Jk-Flip-Flop in die Ausgangslage zurückkippt.

Der eigentliche Meßvorgang läuft dann wie folgt ab:
Zunächst bestimmt der µP aus dem eingegebenen Prüfstückdickenwert S _MAT Werte für den Blendenanfang und die Blendenbreite, indem der Blendenanfang t _BA, wie bereits oben beschrieben, gleich 2/C₀ · S _MAT und die Blendenbreite 10 t _BA gesetzt wird. Der vorgegebene Wert C₀ kann beispielsweise für praktisch alle vorkommenden Meßfälle gleich 9999 m/s gesetzt werden. Anschließend wird der Verstärker 3 auf minimale Verstärkung gesetzt, der SAP ausgelöst und das Ultraschallecho auf Koinzidenz untersucht (d. h. mit dem fest vorgegebenen Schwellwert verglichen). Überschreitet das US-Echo den Schwellwert nicht (keine Koinzidenz) so wird der Verstärker um 1 dB inkrementiert und wiederum der SAP ausgelöst. Dieser Vorgang wiederholt sich solange bis Koinzidenz vorliegt. Anschließend wird die Verstärkung noch einmal um 2 dB erhöht und T₁ gemessen und gespeichert.

Der Mikroprozessor ermittelt dann die neuen Blendenwerte für das 2. Rückwandecho, setzt den Verstärker auf 0 dB, erhöht dann wiederum die Verstärkung schrittweise bis Koinzidenz vorliegt, ermittelt die Laufzeit T₂ und berechnet die gesuchte Schallgeschwindigkeit C _M und die Prüfkopfvorlauflänge S _V. Da die Berechnung der Vorlauflänge S _V sich auf eine Laufzeitmessung T₁ bezieht, die 2 dB unter der Spitze des 1. Rückwandechos vorgenommen wurde, ist der ermittelte Wert S _V etwas zu hoch (Flankenfehler). Man kann diesen Wert dadurch vorteilhafterweise korrigieren, daß man eine zusätzliche Laufzeitmessung T₁′ ausführt, wobei der Koinzidenzpunkt auf der Vorderflanke des 1. Rückwandechos etwa bei 20 bis 40% der Leuchtschirmhöhe, bei Verwendung eines US-Meßgerätes mit Bildschirm, liegt (der 2 dB Schwellenwert entspricht einer Leuchtschirmbildhöhe von etwa 80%). Der dann berechnete Wert S _V ergibt sich aus Gleichung (4), wenn T₁ durch T₁′ ersetzt wird.

Bei US-Meßgeräten mit einem Bildschirm hat es sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, zur Kontrolle, ob zwischen den richtigen Echos gemessen wurde, den Blendenbalken entsprechend dem vorgegebenen Wert S _MAT vorzusetzen. Unter Berücksichtigung der vorher bestimmten Werte für T₁ bzw. T₁′ und T₂ muß dann auf dem Bildschirm ein Monitorbalken erscheinen, der zwischen dem 1. und 2. Rückwandecho liegt.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit C _M in einem Material vorgegebener Dicke S _MAT durch Messung der Laufzeiten T 1 und T 2 des ersten und zweiten Rückwandechos mit Hilfe eines in einem Takt arbeitenden Impuls/Echo-Ultraschall-Handprüfgerätes, das sowohl einen Empfangsverstärker mit einstellbarer Verstärkung sowie mindestens eine diesem Verstärker nachgeschaltete Schwellenwert- und Blendenschaltung zur Festlegung eines Meßerwartungsintervalls aufweist, wobei zur Messung der Laufzeiten T 1 und T 2 jeweils als Laufzeitende ein Schnittpunkt der in die Meßerwartungsbereiche der Breite t _BB fallenden Rückwandechos mit dem durch die Schwellenwertschaltung erzeugten Schwellenwert verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (3) ein programmierbarer Verstärker ist, der Abschwächer (36, 37) aufweist, und daß ein Mikroprozessor (1) die schaltbaren Abschwächer (36, 37) des Verstärkers (3) in dem Takt derart steuert, daß das Rückwandecho ausgehend von einem Bezugswert (0 dB) solange verstärkt wird, bis es den Schwellenwert der Schwellenwertschaltung übersteigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Laufzeitmeßeinrichtung (6), dadurch gekennzeichnet, daß außer dem Verstärker (3) auch die Schwellenwert-, die Blendenschaltung (4, 5) und die Laufzeitmeßeinrichtung (6) von dem Mikroprozessor (1) gesteuert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (3) einen Verstärker mit festem Verstärkungsfaktor und einen Spannungsteiler mit durch Schalter umschaltbaren Widerständen aufweist und daß jeder dieser Schalter durch eine Leitung mit einem Zwischenspeicher (31) verbunden ist, der sowohl über einen Datenbus als auch über einen Decoderbaustein (32) und einen Steuerbus mit dem Mikroprozessor (1) in Verbindung steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitmeßeinrichtung (6) ein Und-Gatter (60) und einen diesem nachgeschalteten Zähler (61) aufweist, und daß der Überlaufausgang des Zählers (61) mit einem Flip-Flop (64) und die Parallel-Ausgänge des Zählers mit einem Zwischenspeicher (62) verbunden sind, der sowohl über den Datenbus als auch über einen Decoderbaustein (63) und den Steuerbus mit dem Mikroprozessor (1) in Verbindung steht.