DE3302548A1

DE3302548A1 - Ultraschall-fehlstellen-detektor-signal-analysator

Info

Publication number: DE3302548A1
Application number: DE19833302548
Authority: DE
Inventors: Hugh Kirkham Ripley Derbyshire Craig; David Ian Woburn Sands Milton Keynes Crecraft; Paul Edwin Furzton Milton Keynes Garner
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1982-02-05
Filing date: 1983-01-26
Publication date: 1983-08-18
Also published as: GB2114758B; FR2521297B1; GB2114758A; FR2521297A1; JPS58151556A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Analysator zur Behandlung und Analysierung der elektrischen Signale, die durch einen Ultraschall-Fehlstellen-Detektor erzeugt werden, der bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung Anwendung findet, insbesondere zur überprüfung von Turbinenscheiben von Gasturbinentriebwerken .

Innere Fehlstellen von Werkstücken, die im wesentlichen auf Schwächungen der Materialstruktur solcher Werkstücke beruhen, bilden sich während der Behandlung des Rohmaterials, während der Erzeugung des Werkstücks- und auch im Betrieb. Das Aufdecken derartiger Fehlstellen ist wesentlich insbesondere bei hochbeanspruchten Bauteilen wie Turbinenscheiben. Wenn die Lage und Größe der Fehlstellen bekannt ist, dann kann durch Anwendung moderner Methoden durch Bruchmechaniken mit beträchtlicher Genauigkeit die zu erwartende Lebensdauer des Werkstücks bestimmt werden.

Ein übliches Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung von Turbinenscheiben auf innere Fehlstellen besteht darin, die Scheibe in ein Wasserbad einzutauchen und sie dann zu drehen und dabei Ultraschallimpulsen auszusetzen, die von einer Ultraschallsonde ausgestrahlt werden, die langsam über die Scheibe hinwegbewegt wird. Jeder Impuls wird durch das Werkstück in einer Folge von Echos reflektiert, wobei einerseits Echos von der Vorderseite und andererseits Echos von der Rückseite des Werkstücks herrühren. Außerdem ergeben sich Echos mit sich verändernder Größe, die als "Grieß" (grass) bezeichnet werden · und im folgenden auch als "Rauschen" oder "Störsignale" bezeichnet werden. Sie rühren von dem Kornaufbau des Materials des Werkstücks her und wenn der Impuls über die Fehlstelle abgestrahlt wird, ergibt sich ein Echo entsprechend der Fehlstelle. Die Größe der Fehlstelle steht in einer bestimmten Beziehung zur Größe des entsprechenden Echos. Wenn der Impuls im Bereich einer Querschnittsänderung des Werkstücks abgestrahlt wurde, dann ergeben sich weitere Echos, die als "Geometrieechos" bezeichnet werden.

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All diese Echos werden auf einem Schirm dargestellt und die Bedienungsperson muß ein Echo identifizieren, welches über dem augenblicklichen Rauschpegel liegt, wenn die Fehlstelle unter der Sonde hindurchtritt und wieder verschwindet. Der kritischste Fall liegt dann vor, wenn eine Fehlstelle im Bereich eines Querschnittssprunges liegt und das Fehlstellen- | echo durch das Geometrieecho maskiert wird, so kann z.B. das ; f Fehlstellenecho augenblicklich auf dem Nachlaufrand des rela- ^: { tiv großen Geometrieechosignals auftreten. Die visuelle Fest- ; stellung einer solchen Fehlstelle erfordert eine beträchtliche ' < Konzentration über längere Zeiträume hinweg und außerdem ist eine große Erfahrung und Kenntnis des zu erwartenden Musters erforderlich. Schon ein augenblickliches Nachlassen der Konzentration kann zur Folge haben, daß eine Fehlstelle unerkannt hindurchläuft. ;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, durch die es möglich wird, die Signale zu behandeln und zu analysieren, die von den Echos herrühren, welche von dem Werkstück reflektiert werden, das einer zerstörungsfreien Ultraschallwerkstoffprüfung unterworfen wird und zwar derart, daß eine Fehlstellenechogröße und -lage insbesondere im Be- ; reich einer Querschnittsänderung angezeigt und aufgezeichnet ί wird, ohne daß es erforderlich wäre, die Echosignale kontinuierlich visuell zu beobachten.

Die Erfindung geht aus von einem Signal-Analysator, der meh- _; rere Signalbehandlungskanäle umfaßt und hierbei wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Kanal die zu analysierenden Signale über ein Gatter empfängt, daß die Gatter durch eine Austaststeuerung betätigbar sind, um die zu analysierenden Signale für jeden Kanal nacheinander nach den Signalverarbeitungskanälen.zu überführen, daß jeder Kanal eine Halteschaltung aufweist, die den Spitzenwert des Signals in der entsprechenden Zeitaustastlücke empfängt und hält, daß

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ein Durchschnittsfilter den Ausgang der Halteschaltung empfängt, daß ein erster Komparator die Ausgänge von der Halteschaltung und dem Durchschnittsfilter empfängt, wobei der Ausgang des ersten Komparators einem zweiten Komparator zugeführt wird, der außerdem ein Schwellwertsignal empfängt und daß der Ausgang des zweiten Komparators benutzt wird, um zu bestimmen, ob das Signal des ersten Koi.iparators bedeutungsvoll ist oder nicht und wenn es bedeutungsvoll ist, wird der Ausgang des ersten Komparators aufgezeichnet.

Der Ausgang des zweiten Komparators kann einem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden, der den Ausgang des ersten Komparators freischaltet, um eine Umwandlung in digitale Form vorzunehmen, wenn der Ausgang des ersten Komparators größer ist als ein vorbestimmter Schwellwert. Die konvertierten Daten können über einen Puffer mit drei Zuständen einer Datenleitung zugeführt werden, wobei die Datenleitung an einen ersten Firstin-, First-Out-Speicher (FIFO-Speicher) verbunden ist, von welchem die Daten einer visuellen Anzeige und einem Drucker und/oder einem Computer zum Zwecke der Datenanalyse zugeführt werden können.

Der Signal-Analysator kann insbesondere dazu dienen, die Echosignale zu analysieren, die durch einen Ultraschall-Fehlstellen-Detektor erzeugt werden, in welchem reguläre Impulse von Ultraschallenergie auf ein Werkstück zu Prüfzwecken gerichtet werden. Das Eingangssignal des Analysators umfaßt die Echosignale vom Werkstück und diese Signale werden vorzugsweise durch eine veränderbare Abschwächstufe und einen logarithnischen Verstärker behandelt, bevor die Signale in Signalbehandlungskanälen über die Gatter zugeführt werden.

Die Gatter können Taktgeberschaltungen mit einstellbaren Taktzeiten aufweisen, um Austastimpulse gewählter Breite zu liefern. Außerdem ist ein Schieberegister vorgesehen. Die Taktschaltung wird durch einen Impuls aktiviert, der vom Fehl-

stellen-Detektor über eine Verzögerungsstufe abgestrahlt wird oder direkt durch das Vorderwandechosignal de;; zu prüfenden Werkstücks. Die Taktschaltung kann gleichmäßig breite Austastimpulse liefern, deren Breite durch die Bedienungsperson geändert werden kann oder es können die Austastimpulse von einem zweiten Taktgeber abgeleitet werden, wobei die Breite der Austastimpulse abhängig gemacht werden kann von der Stärke des Echosignals, so daß die Geometrieechos bewirken können, daß die Breite der Austastimpulse verringert wird, so daß die Geometrieechos deutlicher erkennbar gemacht werden.

Der Ausgang des ersten Komparators repräsentiert das Signal in Dezibel (dB) über dem Rauschpegel und wenn das Signal über dem Schwellwert liegte dann erkennt der zweite Komparator das Signal als ein Fehlstellen-Signal und bewirkt, daß der A-D-Wandler das Signal in digitale Form umsetzt. Die Fehlstellen-Größen-Daten werden zusammen mit der Fehlstellentiefe in Gestalt einer Zahl von Impulsen von dem gleichförmigen Taktgeber nach dem FIFO-Speicher überführt mnd außerdem nach der visuellen Darstellung und dem Drucker und/oder einem Computer. Die visuelle Darstellung und der Drucker und/oder der Computer empfangen außerdem Daten, die die Gesamtzahl von Fehlstellen anzeigen, die festgestellt werden und der Drucker und/oder der Computer empfangen Daten von einem mechanischen Abtastsystem, das die Lage der Fehlstelle angibt.

Jeder Signalbehandlungskanal kann analoge oder digitale Vorrichtungen aufweisen und in Analogform weisen erster und zweiter Komparator einen Differentialverstärker und einen Analogkomparator auf und die Speicherschaltung umfaßt einen kapazitiven Kreis, der einen Kondensator und einen Puffer umfaßt.

In Digitalform sind beide Komparatoren von digitaler Bauart und die Speicherschaltung umfaßt ein Digitalregister und ein

einziger Analog-Digital-Wandler ersetzt die Wandler in den Signalbehandlungskanälen und ist so angeordnet, daß das Eingangssignal des Fehlstellen-Detektors konvertiert wird, bevor es durch jeden Behandlungskanal hindurchtritt.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein typisches Echodiagramm, welches die Echosignal-Amplitude in Abhängigkeit von der Zeit zeigt

Fig. 2 in größerem Maßstab einen Teil des Echodiagramms an einer Querschnittsänderung des Werkstücks ohne Vorhandensein eines Fehlstellen-Signals

Fig. 3 ein der Figur 2 entsprechendes Diagramm, wobei jedoch ein Fehlstellen-Signal vorhanden ist

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Signal-Analysier-Vorrichtung gemäß der Erfindung

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines der Analogsignal-Behandlungskanäle des Analysators gemäß Figur 4

Fig. 6 Signalwellenformen an verschiedenen Stufen längs des Kanals gemäß Figur 5

Fig. 7 eine schematische Darstellung des Analysators gemäß Figur 4 gekuppelt mit einen Fehlstellen-Detektor und einer zerstörungsfrei arbeitende Prüfanlage

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer digitalen Ausbildungsform des Signalbehandlungskanals gemäß Figur 5.

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Figur 1 zeigt ein Diagramm der Echosignale, die von einem i

Werkstück erlangt werden, welches eine Querschnittsänderung ί

aufweist. Die Signale A und B sind die Echosignale, die von |

der Vorderwand bzw. der Rückwand des Werkstücks erhalten ί

werden und das Signal C ist das Signal,der Querschnittsände- f

rung, das·als ein "Geometrieecho" bezeichnet wird und es ist ί

weiter ein Signal D vorhanden, welches die Hintergrundechos |

vom Kornaufbau des Werkstücks repräsentiert, das als "Rauschen" I bezeichnet wird.

Figur zeigt im größeren Maßstab den Nachlaufrand der Folge relativ großer gedämpfter Schwingungen des "Geometrieechos" C. Bei bekannten Verfahren zur Fehlstellenlokalisierung ist es erforderlich, daß die Bedienungsperson die Fehlstelle als gesondertes Signal erkennt, das plötzlich auf dieser Schwingungsimpulsfolge gemäß Figur 3 auftritt. Der erfindungsgemäße Signal-Analysator schlägt vor, das Geometrieechosignal über eine Folge von Gattern veränderbarer Zeitbreite zu prüfen. Die Figuren 2 und 3 zeigen zusammen die Wirkung der Benutzung unterschiedlicher Gatterimpulsbreiten.

In Figur 2 ist das Spitzensi-gnal in einem· breiten Gatterimpuls der Dauer t als eine Schwingung des Geometrieechos dargestellt. In Figur 3 ist das Spitzensignal bei einen Gatter der gleichen Dauer das gleiche wie in Figur 2, weil, obgleich ein Fehlstellensignal E während der Gatterdurchlaufszeit aufgetreten ist, dieses kleiner ist als der benachbarte Teil des Geometrieechos.

Figur 2 zeigt auch die Arbeitsweise mit einem schmalen Gatterimpuls der Dauer t₂ und das Spitzensignal innerhalb dieses Gatters ist der nächstniedrigere Zyklus des Geometrieechos. In Figur 3 steigt das Fehlstellenecho Γ, innerhalb des gleichen schmalen Gatters über den Wert in dem schmalen Gatter gemäß

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Figur 2 und unter der Voraussetzung, daß das Fehlstellenecho einen vorbestimmten Schwellwertpegel überschreitet, der der gleiche Pegel über dem Rauschpegel ist, wird die Fehlstelle erkannt und aufgezeichnet.

Wie weiter unten im einzelnen beschrieben wird, kann der Analysator schmale Gatterimpulse mit einer Dauer von etwa 100 ns im Rereich des Geometrieechos und breitere Gatterimpulse ansonsten benutzen. Die Bedienungsperson kann wählen, um einen von zwei Taktgeneratoren zu benutzen, um die Gatterimpulsbreite zu steuern. Ein gleichförmiger Takt oder ein durch Echogröße gesteuerter Takt, der Impulse einer vorbestimmten Periode erzeugt, wenn nicht ein wesentliches Echo erhalten wird, z.B. ein Geometrieecho, wird dann empfangen. Die augenblickliche Größe des empfangenen Signals bestimmt die augenblickliche ! Dauer der Taktimpulse und demgemäß der Gatterimpulse bzw. der

j Austastimpulse, die schmaler sind, wenn Echos mit größerer

j Amplitude auftreten.

'■ Figur 4 zeigt in Blockform die Hauptbestandteile des Analysa-

tors und der Aufzeichnungs- und Wiedergabegeräte, wobei der Analysator auf die einfachste Betriebsart geschaltet ist. Der Hauptbestandteil des Analysators wird von einer Gruppe von Si-

gnalbehandlungskanälen 10 gebildet, die die Echosignale von

\ dem gerade geprüften Werkstück empfangen. Die Kanäle werden

durch ein Schieberegister 12 gesteuert, welches die Austastimpulse erzeugt und durch einen einstellbaren Taktgeber 14 mit gleichförmiger Impulsbreite, der ein Logisch-"1"-Signal durch das Register schiebt, wobei der Taktgeber durch die obere Oberfläche des Echosignals des Werkstücks getriggert wird. Das T,ogisch-"1"-Ausgangssignal öffnet das Gatter eines jeden PCanals nacheinander.

ausgeprägten Daten von den Kanälen 10, d.h. die Daten, die das Vorhandensein und die Größe einer Fehlstelle anzeigen, werden durch eine Datendotektorschaltung 16 festgestellt und

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veranlaßt, daß die Daten einem "First In First Out"-(FIFO)-Speicher 18 zugeführt werden. Gleichzeitig bewirkt die Datendetektorschaltung, daß der Ausgang von einem Tiefenzähler 20 die Tiefe eines jeden Risses oder einer jeden Fehlstelle anzeigt, und zwar als Zahl von zeitlichen Schlitzen vom Ausgang des Taktgebers 14, um diese in den FIFO-Speicher 18 einzugeben.

Die Datendetektorstufe 16 schickt außerdem Abtastkoordinaten in einen unabhängigen FIFO-Speicher 22. Die Abtastkoordinaten werden von Stellungsgebern geliefert, die in dem Komponentenabtastsystem eingebaut sind. Diese Koordinaten sind normalerweise Binärzahlen oder binär codierte Dezimalzahlen (BCD-Zahlen). Falls es sich bei dem Werkstück um eine Turbinenscheibe handelt, repräsentieren diese Zahlen die augenblickliche Stellung der Ultraschallsonde relativ zur Scheibe als Abstand vom Mittelpunkt (Radius) und Drehung von einer Bezugsmarke (Winkel). Die Datendetektorschaltung 16 beschickt nicht nur die FIFO-Speicher, sondern überführt auch einen Impuls nach einem Fehlstellenzähler 26.

Die Daten werden aus dem FIFO-Speicher 18 über Datenleitungen 28 und 39 einem Darstellungsgerät 32 und einem Drucker 24 und/ oder einem Computer 34 zugeführt, der außerdem Daten vom Fehlstellenzähler 26 über eine Datenleitung 36 erhält. Der Drucker und/oder der Computer empfängt außerdem Daten aus dem FIFO-Speicher 22 über eine Datenleitung 37. Die vollständige Gruppe von Daten jeder Fehlstelle umfaßt Angaben über die Größe in dB, über die Tiefe als Zahl von Zeitimpulsen, über den Radius in mm oder Zoll und den Winkel in Graden und diese Daten werden zusammen mit der gesamten Fehlstellenzählung durch den Drucker 24 mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 Zeile pro Sekunde ausgedruckt. Wenn die Zeit für die Darstellung auf eine unterschiedliche Geschwindigkeit eingestellt ist, dann ermöglicht es das System, daß der Drucker mit seiner eigenen Geschwindigkeit unabhängig von der Darstellung arbeiten kann.

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Der FIFO-Speicher 18 wird als zeitweiliger Speicher benutzt, um eine Anpassung an eine mögliche schnelle Aquisition von dem örtlichen Bereich der Scheibe im Hinblick auf die relativ niedrige Geschwindigkeit zu erlangen, die für die Darstellung und Aufzeichnung erforderlich ist. Die Kapazität des Speichers ist an die wahrscheinliche Zahl von Fehlstellen angepaßt und im Falle einer Turbinenscheibe hat der Speicher j eine solche Kapazität, daß sechszehn Fehlstellen gespeichert

j werden können, da nur eine oder zwei Fehlstellen im schlimmj sten Falle nach der Wahrscheinlichkeit zu erwarten sind. So-

] bald die Fehlstellendaten in den FIFO-Speicher eingegeben

sind, erscheinen sie auf der Darstellung 32 während einer

Zeit, die durch eine Darstellungszeitsteuerung bestimmt wird. Am Ende dieser Zeit wird die nächste Gruppe von Daten des FI-. FO-Speichers dargestellt usv/. Wenn die Gruppe von Fehlstellen zu einer schnellen Folge von Fehlstellendaten aus den Signalbehandlungskanälen 10 führt, dann werden die Gruppen von Daten zeitweise im FIFO-Speicher gespeichert und für die Darstellung mit einer zweckmäßigen Rate abgerufen, die von der Bedienungs- ^: person bestimmt wird. Wenn der FIFO-Speicher zeitweilig ge-

'. füllt sein sollte oder wenn die Bedienungsperson die Fehl-

: stelle auf dem Darstellungsschirm 30 vermißt, dann kann die Ge-

: samtzahl von festgestellten Fehlstellen durch die Fehlstellen-

j Zählablesung auf dem Bildschrim festgestellt werden.

Die Bildschirmdarstellung zeigt keine Abtastkoordinaten, weil

diese gewöhnlich durch das Scheibenabtastsystem dargestellt ! werden, aber sie werden im Drucker 24 und/oder Computer 34 auf-

• gezeichnet.

Im folgenden wird auf die Figuren 5, 6 und 7 Bezug genommen. Jeder Signalbehandlungskanal 10 umfaßt ein Gatter 38, einen spitzen Tastspeicher 40 mit einem Kondensator und einen Verstärker mit Einheitsverstärkungsgrad, einen Durchschnittswertfilter, einen Differentialverstärker 44, einen Komparator 46,

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einen Analog-Digital-Wandler 48 und einen Dreizustandpufferkreis 50, dessen Ausgang an eine Datenleitung angeschlossen ist, die mit der Datendetektorstufe 16 und dem FIFO-Speicher 18 in Verbindung steht.

Die Signalbehandlungskanäle 13 sind parallel zueinander angeordnet und empfangen nacheinander behandelte Echosignale vom Werkstück. Die Echosignale werden zunächst durch einen Verstärker 54 mit veränderbarem Verstärkungsgrad abgeschwächt oder verstärkt, der den Pegel der Signale so einstellt, daß er für einen logarithmischen Verstärker 56 den geeigneten Wert hat. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 56 repräsentiert den Logarithmus seiner Eingangsspannung und demgemäß repräsentiert er die Eingangsspannung in Dezibel. Die Gatter 3 8 der Kanäle werden nacheinander geöffnet, so daß jedes Gatter aufeinanderfolgende Teile des Echosignals inspizieren kann. Die Gatter werden durch das Schieberegister 12 gesteuert, welches seinerseits durch einen veränderbaren Zeitgeber 14 oder durch einen riurch eine Echogröße gesteuerten Zeitgeber 58 gesteuert wird. Die Zeitgeberschaltungen 14 und 58 besitzen Schalter, um jeden Takteingang ansteuern und das Schieberegister 12 betätigen zu können. Der Taktgeber 14 arbeitet jedoch weiter, um den 'Tiefenzähler 20 zu betätigen, wenn der Taktgeber 58 im Gebrauch ist.

Beide Taktgeber können durchs das Vorderwandecho über die Interfacetriggerschaltung 59 getriggert werden. Statt dessen können beide Taktgeber durch den Sendeimpuls nach einer Verzögerung getriggert werden, die durch die Verzögerungsstufe 60 eingestellt wird.

Das Austastsignal für ein spezielles Gatter, welches vom Schieberegister zugeführt wird, dient auch dazu, den Analog-Digital-Wandler jenes Gatters zu löschen und das Austastsignal von dem vorhergehenden Gatter wird benutzt, um den Spitzentastspeicherkreis 40 zu löschen und den nreizustandnpuffer 50 zu

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setzen. Der Analysator empfängt Signale vom Fehlstellendetektor 62, dem außerdem ein Oszilloskop 64 zugeordnet sein kann und von einer nicht dargestellten Stellungsanzeigevorrichtung, die die Lage der Sonde 66 relativ zu dem Werkstück 68 anzeigt, das in den Wassertank 70 eingetaucht ist.

Jedes Gatter 3 8 gibt den zugeordneten Signalbehandlungskanal 10 frei, um das Ultraschallechosignal von einem dünnen horizontalen Abschnitt der zu überprüfenden Turbinenscheibe auszuwerten. Die Wellenform (i). stellt die Ultraschalldarstellung des Fehlstellendetektors dar, die sich ein ein paarmal wiederholen, um das Ergebnis von Änderungen der empfangenen Echos zu zeigen, wenn sich die Scheibe dreht. Der einfacheren Darstellung wegen ist die Zeitbasis komprimiert.

Die Wellenform (ii) ist die dargestellte Austastimpulswellenform.

Die Wellenform (iii) zeigt nur einen der Austastimpulse, und zwar jenen, der das Gatter in jedem der in Figur 5 dargestellten Kanäle öffnet.

Die Wellenform (iv) zeigt die Spannung am Kondensator der Spitzentastspeicherschaltung 40 und sie stellt den Ausgang des Einheitsverstärkers mit hoher Eingangsimpedanz dar, der als Puffer wirkt. Wenn das Gatter 3 8 öffnet, lad sich der Kondensator auf die Spitzenspannung des Ultraschallsignals auf, welches während des Austastintervalls auftritt. An der Stelle a hat das Signal den Störungspegel und besitzt zeitweilig einen geringeren Wert. Der Kondensator hält diesen geringeren Wert, bis das Gatter in der nächsten Wiederholungsperiode bei b wieder öffnet. Bei b ist der "Stör"-Pegel höher und dieser höhere Pegel wird bis zur Stelle c gehalten. Von der Stelle c bis" zur Stelle d wird ein noch höherer Wert erhalten. Bei d fällt der

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Pegel und es wird ein geringerer Wert bis zur Stelle e gehalten. An der Stelle e tritt ein Fehlstellenecho auf und dies bewirkt einen sehr viel größeren Wert, der bis zur Stelle f gehalten wird.

Die Wellenform (ν) stellt den Ausgang des Durchschnittswert!: il~ ters 42 dar, der eine Zeitkonstante von etwa 0,1 see aufweist und die Stufenänderungen im Signalpegel glättet, wodurch sich ein Durchschnittswert des Pegels ergibt.

Der Ausgang des Differentialverstärkers 44 stellt die Differenz zwischen dem letzten Signalpegel, das vom Spitzentastspeicherkondensator gehalten wird, und dem Durchschnittspegel dar. All die Signalspannungen repräsentieren den letzten Signalpegel als dB über dem Störpegel, so daß die Wellenform (vi) den letzten Signalpegel als dB über dem Störpegel repräsentiert. Die relativ kleinen Änderungen im Signalpegel der Wellenform■(iv) bewirken, daß der dB-Wert über den Störpegel angehoben wird und etwas negativer oder positiver wird. Dies hat keine Wirkung auf den Komparator 46.

Ein Echosignal, welches jedoch groß genug ist, um als Fehlstellensignal interpretiert zu werden (e auf der Wellenform (iv)), bewirkt jedoch, daß das "dB-überrauschen-Signal" den vorbestimmten Schwellenwert am Eingang des Komparators 46 überschreitet und der Komparator startet dann den Analog-Digital-Wandler

Der Analog-Digital-Wandler formt das "dB-Überrauschen-Pegelsignal" in die entsprechende 6-Bit-Binärzahl um und eine maximale Zeitdauer von 80 us ist erforderlich, um diese Arbeitsweise durchzuführen. Die Wellenform (vii) zeigt, daß der Analog-Digital-Wandlerausgang an die Datenleitung über den Dreizustandspuffer 50 während der Dauer des Gatterimpulses des vorhergehenden Kanals in der nächsten Wiederholungsperiode angeschlossen ist. Dann ist der Analog-Digital-Wandler verfügbar, um irgendeinen Eingang vom nächsten Zyklus zu erhalten.

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Die Ultraschallsonde bewegt: sich nur langsam über die Oberfläche der Turbinenscheibe und die Querschnittsänderungen werden durch das Ultraschallabtastsystem langsam erkannt. Selbst wenn die Turbinenscheibe exzentrisch angeordnet wäre, würde es eine volle Umdrehung dauern, um eine neue Grenzschicht unter die Sonde zu bringen und dies dauert bei den höchsten Prüfgeschwindigkeiten etwa eine Sekunde. Wenn ein Geometrieecho im Bereich des Signalbehandlungskanals gemäß Figur 5 auftritt, hat dieses Geo-.metrieecho eine Wirkung, die ähnlich ist den kleinen Änderungen im Rauschpegel wie in Abschnitt a bis d der Wellenform (iv) in Figur 5 dargestellt ist. Die Echosignalstärke steigt nur langsam an und das Tiefpaßfilter 42 mit der Zeitkonstanten von 0,1 see folgt wirksam der ansteigenden Signalstärke. Demgemäß bleibt das "dlWiberrauschen-Signal" zu klein, um den Schwellwert zu überschreiten und die Geometrieechos werden ignoriert.

Der Analysator besitzt zwei Eingangssignale, nämlich das Ultraschallsignal, welches zu behandeln ist (VIDEO IN) und ein Triggersignal· (TRIG IN) und drei Ausgangssignale, von denen zwei die Arbeitsweise des Analysators unterstützend einstehen. Dies sind der Ausgang des iogarithmischen Verstärkers 56 (VIDEO OUT) und die Austastimpulse, die als We^enform (ii) in Figur 6 dargestellt sind. Der dritte Ausgang ist die Mehrwegverbindung nach den Drucker 24 und/oder dem Computer 34.

Die zu behandelnden Signale sind gleichgerichtete und gefilterte Ultraschallsignale und es sind im wesentlichen die Signale, die auf dem Oszilloskopschirm des Fehlstellendetektors dargestellt sind.

Der TRIG-IN-Eingang muß ein Triggersignal sein, welches synchron mit dem Fehlstellendetektor-Senderausgangsimpuls läuft oder eine feste Zeitspanne von diesem entfernt ist. Ein Triggerimpuls, der kurz vor dem Senderimpuls auftritt, kann durch Finstellung der Verzögerungssteuerung (Figur 7) angepaßt werden. Ein späterer triggerimpuls muß auftreten, bevor das Turbinenscheibenober flächenecho auftritt, wenn die echogetriggerte Aus-

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tastirnpulsarbeitsweise benutzt wird.

Der VIDEO-AüS-Ausgang kann vom Oszilloskop 64 zusammen mit dem
GATTERIMPULS-Ausgang gezeigt werden, um die richtige Triggerung der Gatterimpulse relativ zum Frontwandecho der Turbinenscheibe zu überwachen. Die Austastimpulsbreite kann so eingestellt werden, daß gewährleistet wird, daß die Austastimpulsfolge alle
interessierenden Ultraschallsignale enthält. Die Bedienungsperson kann außerdem feststellen, ob die Verstärkungseinstellungen des Fehlstellendetektors und des Analysators derart sind, daß ; die Fehlstellen in der Turbinenscheibe ein Ansteigen der VIDEO-AUSGANGG-Signale im richtigen dynamischen Bereich ergeben.

Der Analysator kann auf verschiedene Weise benutzt werden, je
nach der jeweils zu stellenden Aufgabe und die Arbeitsweise
wird durch Analysatorsteuereingange (Figur 7) bestimmt.

Bei der ersten Arbeitsweise, die soeben beschrieben wurde, wird die Modensteuerung auf "normal" eingestellt, die Austastimpulsbreite wird gleichförmig eingestellt und die Austastimpulstriggerung wird auf Echotriggerung eingestellt. Der erste Gatterimpuls wird durch den ersten Echoimpuls getriggert, der am VIDEO-IN-Eingang empfangen wird, nachdem der Triggerimpuls am TRIG-IN-Eingang auftritt. Die Austastimpulse haben alle die gleiche
Dauer und die Breite kann durch die Austastimpuls-Steuerstufe
zwischen etwa.100 η see und 1,0y see eingestellt werden.

Aus Zweckmäßigkeitsgründen sollte der GATE-PULSE-Ausgang auf dem Schirm des Fehlstellendetektors 62 zusammen mit den Ultraschallsignalen dargestellt werden, so daß (a) festgestellt werden
kann, ob die Gatterimpulse beim Auftreffen des Oberflächenechos anlaufen und (b) die gleichförmige Breite so eingestellt wird,
daß die Austastimpulsfolge alle Ultraschallechos, die von Interesse sind , einschließt und daß die Austastbreite einen Wert
aufweist, der für eine Tiefeneichung geeignet ist. Statt dessen

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können die VIDEO OUT und die GATE-PULSE-Ausgänge auf einem Oszilloskop 64 dargestellt werden, so daß die Möglichkeiten (a) und (b) durchgeführt werden können.

Der Eingangsverstärkerschalter wird benutzt, um die VIDEO-OUT-Signale innerhalb des dynamischen Bereichs des Analysators zu halten. Die Drehzahl des Werkstückes 68 wird so eingestellt, daß die Breite der Wiederholimpulsfrequenz des Fehlstellendetektors eine Fehlstelle wenigstens dreimal erkennt, wenn diese unter der Sonde durchläuft.

Die Größe des Fehlstellenechos wird als dB über dem Durchschnittnrau.schpegel angezeigt, vorausgesetzt, daß dieser Wert die Einstellung des Schwellwertschalters überschreitet. Jedes Mal, wenn eine Fehlstelle festgestellt wird, dann wird die entsprechende Fehlstellentiefe dargestellt und bei dieser gleichförmigen Arbeitsweise wird die Tiefe in Ausdrücken von Zeitschlitzen entsprechend den Austastimpulsen gemessen. Diese

] Fehlstellen werden ebenfalls der Fehlstellenzählung hinzuge-

fügt.

} Im Normalbetrieb kann die Austastimpulstriggerung verzögert

j werden, so daß der erste Austastimpuls nach einer Verzögerung

getriggert v/ird, die dem TRIG-IN-Triggerimpuls folgt. Die Länge der Verzögerung wird durch die Verzögerungssteuerung eingestellt und der Start der Austastimpulse kann wie oben gegen die Ultraschallsignale überprüft v/erden.

• Auch bei der normalen Betriebsart kann die Austastimpulsbreite durch die Echogröße gesteuert werden, wobei der durch die Echogröße gesteuerte Taktgeber 58 Anwendung findet. Auf welche Weise auch immer der erste Austastimpuls getriggert wird, wird die Austastimpulsbreite dann durch die durch Echogröße gesteuerte Breitensteuerstufe in den Grenzen zwischen 100 η see und

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1,0/tsec eingestellt. Die Breite wird auch durch die Amplitude der Ultraschallsignale beeinfüußt, wobei große Signale bewirken, daß die Breite verringert wird, während die minimal mögliche Breite immer noch 100 η see beträgt.

Die Empfindlichkeitssteuerung und die zugeordnete Breitensteuerung werden benutzt, um die Taktimpulsfolge so einzustellen, daß alle interessierenden Ultraschallsignale erfaßt werden, wobei gleichzeitig.gewährleistet wird, daß schmale Austastimpulse immer dann erzeugt werden, wenn relativ große Geometrieechos auftreten.

Die Tiefe der Fehlstellen wird wiederum in Ausdrücken der Impulszahl von den gleichförmigen Taktimpulsen gemessen.

Der Analysator kann benutzt werden, um die Ultraschallsignale innerhalb-einer gewählten Austastspanne bzw. eines Zeitschlitzes zu überprüfen und dies wird erreicht durch Einstellung des Modenschalters auf Echosignale und indem die gewünschte Austastzahl bzw. der gewünschte Zeitschlitz gewählt wird. Der Analysator stellt nunmehr nur Fehlstellen dar, die in einer gewählten Austastlücke vorhanden sind. Wenn die Austastimpulsbreite gleich ist, dann sind die Austastlücken identisch der Zahl der Gatter, so daß beide wählbar sind.

Wenn die Austastimpulsbreite durch die Echogröße beeinflußt wird, dann kann die Austastzahlschaltung benutzt werden, um die .f Austastzahl der darzustellenden Fehlstellen zu wählen. Bei einer Fehlstelle gegebener Tiefe hängt die Austastzahl von der Größe der durch die Echogröße gesteuerten Breite und der Empfindlichkeitssteuerung ab. Wenn in dieser Austastlücke eine Fehlstelle auftritt, dann wird deren Tiefe wiederum in Ausdrücken von Austastlücken der gleichförmigen Taktimpulse dargestellt.

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Bei dem Ausf ührungsbeisp.io I nach Figur 8 weist jeder Kanal 10 digitale Einrichtungen statt, analoge Einrichtungen auf und somit kann der Analog-Digital-Wandler 48 in jedem Kanal wegfallen. Die Eingangssignale vom Fehlstellendetektor durchlaufen einen Analog-Digital-Wandler 72, bevor sie nach jedem Kanal 10 gelangen, so daß die den Kanälen zugeführten Signale nunmehr in Digitalform vorliegen.

Die Bestandteile der Kanäle 10 umfassen nunmehr ein Digitalregister 74, welches die Spitzentastspeicherschaltung bildet, ein digitales Durchschnittsfilter 76, einen ersten Digitalkomparator 78 und einen zweiten Digitalkomparator 20.

Der erste Digitalkomparator entspricht dem Differentialverstärker 44 und empfängt Signale vom Register 74 und vom Durchschnittsfilter 76. Der Ausgang des ersten Komparators repräsentiert den · "dB-Überrauschon-Pegel", der dem zweiten Komparator 80 zugeführt wird, der dem Komparator 46 entspricht. Der Komparator empfängt außerdem das Schwellwertsignal der Vorrichtung 45.

Das "dB-^fJberrauschen"-Signal wird auch der Pufferstufe 50 mit drei Zuständen zugeführt, die nur durch den Ausgang des UND-GATTER 82 gesetzt wird, dessen Eingänge vom Ausgang des Schieberegisters und dem vorhergehenden Gatterkreis und dem Ausgang des zweiten Komparators 80 gebildet werden. Demgemäß schaltet das UND-GATTER den Dreizustandspuffer nur dann zum Empfang des "dB-Uborrausohen"-Signals, wenn ein Ausgang vom zweiten Komparator 80 vorliegt und dieser letztere Ausgang tritt nur auf, wenn das "dB-;Jberrauschen"-Signal den Schwellwert überschreitet. Im übrigen ist der Signalanalysator in gleicher Weise wie in Verbindung mit Figur 1 bis 7 beschrieben ausgebildet und arbeitet auf die gleiche Weise.

Der Signalanalysator v/urde vorstehend in Verbindung mit der Überprüfung einer ^urbinenseheibe eines Gasturbinentriebwerks

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beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung auch für andere Werkstücke in Betracht kommt, wo eine Änderung der Querschnittsfläche in Betracht zu ziehen ist.

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Claims

Patentanwälte .:..·.„· \,~ .:.. '-Dipl.-Ing. Curt WaI lach

-. u β ♦ ». ♦ . Dipl.-lng. Günther Koch

Europaische Patentvertreter i~ »

_ , , ... Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

European Patent Attorneys r j

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Rolls-Royce Limited Datum: 26. Januar 1983

Buckingham Gate unser Zeichen:

London SWlE 6AT/England

Ultraschall-Fehlstellen-Detektor-Signa!-Analysator

Patentansprüche:

f IJ Ultraschall-Fehlstellen-Detektor-Signal-Analysator mit mehreren Signalverarbeitungskanälen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal die zu analysierenden Signale über ein Gatter empfängt, daß die Gatter' durch eine Austaststeuerung betätigbar sind, um die zu analysierenden Signale für jeden Kanal nacheinander nach den Signalverarbeitungskanälen zu überführen, daß jeder Kanal eine Halteschaltung aufweist, die den Spitzenwert des Signals in der entsprechenden Zeitaustastlücke empfängt und hält, daß ein Durchschnittsfilter den Ausgang der Halteschaltung empfängt/ daß ein erster Komparator die Ausgänge von der Halteschaltung und dem Durchschnittsfilter empfängt, wobei der Ausgang des ersten Komparators einem zweiten Komparator zugeführt wird, der außerdem ein Schwellwertsignal empfängt und daß der Ausgang des zweiten Komparators benutzt wird, um zu bestimmen, ob das Signal des ersten Komparators bedeutungsvoll ist oder nicht und wenn es bedeutungsvoll ist, wird der Ausgang des ersten Komparators aufgezeichnet.
2. Signal-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zum Analysieren der vom Ultraschall-Fehlstellen-Detektor einer Werkstückprüfmaschine erzeugten Signale der Ausgang eines jeden Durchschnittsfilters den Durchschnittsrauschpegel der entsprechenden Verarbeitungskanäle darstellt, daß der Ausgang des ersten Komparators die Differenz zwischen dem letzten Signalpegel, der von der Haltestufe gehalten wird und den Durchschnittsrauschpegel repräsentiert und daß der Ausgang des zweiten Komparators bestimmt, ob der Ausgang des ersten Komparators den Schwellwert überschreitet oder nicht.
3. Signal-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Austaststeuerung wenigstens eine Taktgeberschaltung aufweist, die durch einen Triggerimpuls betätigt wird, daß der Taktgeber Austastimpulse einem Schieberegister zuführt, welches das Gatter eines jeden Behandlungskanals aufeinanderfolgend öffnet und daß die Zeit, während der ein jedes Gatter offengehalten wird, durch die Breite der Gatterimpulse bestimmt wird, die vom Taktgeber erzeugt werden.
4. Signal-Analysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens zwei Taktgeber vorgesehen sind, daß die Austastimpulslücke, die durch einen der Taktgeber erzeugt wird, für alle Kanalgatter gleich ist und zwischen Grenzwerten eingestellt werden kann je nach der Zahl der verfügbaren Kanäle und gemäß der Dicke des zu prüfenden Werkstücks und außerdem gemäß der kleinsten Breite des Signals, welches zu überprüfen ist.
5. Signal-Analysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Austastimpulslücke, die durch einen der Taktgeber erzeugt wird, durch die Echogröße gesteuert wird und sich von der Größe des Echosignals des Werkstücks derart ändert, daß im Bereich des Geometrieechos die Austastimpulslücke schmal wird, so daß jeder Verarbeitungskanal eine kürzere Zeitdauer des Echosignals im Bereich einer scharfen Querschnittsänderung des Werkstücks überprüfen kann, wobei die gleichförmige Taktgebung benutzt wird, um die Tiefe der Fehlstelle über eine Zählerschaltung zu messen.
6. Signal-Analysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Taktgeber so gesetzt werden, daß Triggerimpulse von den ausgestrahlten Signalen des Fehlerdetektors über eine Zeitverzögerung oder von den Echosignalen vom Fehlstellen-Detektor erhalten werden und daß der Eingang des Schieberegisters von den Ausgängen der beiden Taktgeber angesteuert wird.
7. Signal-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Signal von der Austaststeuerung nach dem Signalverarbeitungskanal so ausgebildet ist, daß das Signal gelöscht wird, welches in der Halteschaltung des nächstfolgenden Kanals gespeichert ist.
8. Signal-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Digitaldaten, die in jedem Kanal erzeugt werden, über einen Puffer mit drei Zuständen nach einem Sichtgerät und/oder einem Drucker und/oder einem Computer über eine oder mehrere Datenleitungen übermittelt werden.
9. Signal-Analysator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Signal der Gatter den Puffer mit drei Zuständen des nächstfolgenden Behandlungskanals freischaltet.
10. Signal-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteschaltung einen Kondensator umfaßt und daß der erste Komparator einen Differenzialverstärker aufweist und daß der zweite Komparator eine Analogkomparator ist.
11. Signal-Analysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Kondensatorkreis einen Kondensator und einen Puffer enthält.
12. Signal-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Signalverarbeitungskanal einen Analog-Digital-Wandler aufweist, der die Ausgangssignale von dem ersten Komparator empfängt, wenn der Wandler durch den Ausgang des zweiten Komparators freigeschaltet wird und daß das Signal vom Gatter nach dem einen Behandlungskanal so ausgebildet ist, daß der Analog-Digital-Wandler des gleichen Verarbeitungskanals freigeschaltet wird.
13. Signal-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zu analysierenden Signale durch einen einstellbaren Verstärker bzw. Abschwächer und eine logarithmischen Verstärker verarbeitet werden, bevor sie durch jeden Signalverarbeitungskanal geprüft werden.
14. Signal-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Tastspeicherschaltung ein Digitalregister aufweist und daß erster und zweiter Komparator jeweils ein Digitalkomparator ist.
15. Signal-Analysator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang des zweiten Komparators einer Logikschaltstufe zugeführt wird, deren Ausgang einen Puffer mit drei Zuständen freischaltet, um den Ausgang von dem ersten Komparator zu erhalten, wenn der Ausgang des ersten Komparators den Schwellwertpegel überschreitet.
16. Signal-Analysator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Logiksehaltstufe ein UND-Gatter aufweist, dessen einer Eingang von der Austaststeuerung des vorhergehenden Signalverarbeitüngskanals herrührt.
17. Signal-Analysator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die zu analysierenden Signale durch einen einstellbaren Verstärker bzw. Abschwächer und einen Analog-Digital-Wandler verarbeitet werden, bevor sie durch jeden Signalverarbeitungskanal· geprüft werden.