DE3429409C2

DE3429409C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Dickenmessung an Prüflingen mittels Ultraschalles

Info

Publication number: DE3429409C2
Application number: DE3429409A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.-Ing. 5620 Velbert Roddeck; Heinz-Peter 5600 Wuppertal Schäfer
Original assignee: Karl Deutsch Pruef- und Messgeraetebau and Co Kg 5600 Wuppertal De GmbH
Current assignee: Karl Deutsch Pruef- und Messgeraetebau and Co Kg 5600 Wuppertal De GmbH
Priority date: 1984-08-09
Filing date: 1984-08-09
Publication date: 1986-09-11
Also published as: DE3429409A1; GB2162948B; IT8521902A0; GB8519631D0; IT1200710B; GB2162948A; US4658648A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dickenmessung an Prüflingen mittels Ultraschalles im Impuls-Reflexions-Verfahren, bei dem die Länge eines Zeittores, das von dem Ultraschallsendezündsignal und einem am Ende der Meßlänge reflektierten Ultraschallsignal gesetzt wird, als Kriterium für die vom Ultraschall zurückgelegte Weglänge ausgenutzt wird. Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, eine hohe Meßgenauigkeit bei Vermeidung der Nachteile analoger Schaltungen und unter Verwendung einer Auszählfrequenz zu ermöglichen, die von sehr stromsparenden CMOS-Bauteilen verarbeitet werden kann, die auch in tragbaren, batteriebetriebenen Geräten verwendbar sind. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird das Zündsignal für den Ultraschallsender phasengleich mit einer Meßschwingung hoher, bekannter Frequenz erzeugt, sodann wird die in ein der Meßlänge entsprechendes Zeittorsignal passende ganzzahlige Anzahl von Meßschwingungs-Impulsen bzw. -Wellen ausgezählt, wonach die Meßschwingung so verstimmt wird, daß die im Zeittor noch darüber hinaus ermittelte Rest-Meßschwingung bzw. -Welle auf den Wert NULL gebracht wird, und aus dem Maß der Frequenzverstimmung wird ein Korrekturwert abgeleitet für die sich aus der ganzzahligen Anzahl von Meßschwingungs-Impulsen bzw. -Wellen ergebende Meßlänge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dickenmessung an Prüflingen mittels Ultraschalles im Impulsreflexionsverfahren, bei dem die Länge eines Zeittores, das von dem Ultraschallsendezündsignal und einem am Ende der Meßlänge reflektierten Ultraschallsignal gesetzt wird, als Kriterium für die vom Ultraschall zurückgelegte Wegiänge ausgewertet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens.

Die Messung der Materialdicke mittels Ultraschalles im Impuls-Reflexions-Verfahren geht im Prinzip wie folgt vor sich:

Ein auf die Materialoberfläche direkt oder über eine Vorlaufstrecke angekoppelter Prüfkopf leitet einen Ultraschall-Impuls in das Material ein. Die an den Materialoberflächen reflektierten Impulse werden entsprechend den Schall-Laufwegen in zeitlichen Abständen vom Prüfkopf empfangen. Diese zeitlichen Abstände werden gemessen als Kriterium für die Länge des in ihnen zurückgelegten Weges des Schalles, die anhand der Schallgeschwindigkeit zu ermitteln ist Die Zeitzählung wird bei direkter Schall-Einleitung zwischen Sende-lmpuls und Rückwandecho durchgeführt, bei Betrieb mit Vorlaufstrecke wird das Oberflächenecho in die Messung einbezogen. Damit die Höhe der Spannung der zu bewertenden Ultraschall-Impulse einen ausreichenden Abstand vom Grundrauschen besitzt, wird bei einem bekannten Meßverfahren, wie es in? Wanddikkenmonitor 1214-1 der Fa. Karl Deutsch Prüf- und Meßgerätebau, Wuppertal, angewandt ist, für jedes zu bewertende Ultraschall-Signal eine einstellbare, feste, analoge Vergleichsschwelle gesetzt, bei deren Oberschreiten durch das Ultraschall-Signal der Meßvorgang gestartet und gestoppt wird. Dabei gilt als Meßwert für die Materialdicke die zwischen dem Starten und Stoppen des Meßvorganges abgelaufene Zeit (vergl. Seite 8, 3. Spalte des Prospektes P 1140 vom Mai 1973 der Fa. Karl Deutsch Prüf- und Meßgerätebau betr. ECHOGRAPH 1140).

Die Zeitmessung erfolgt entweder analog oder digital. Bei analoger Messung wird eine zeitproportional ansteigende Spannung als Meßwert ausgegeben, die anschließend digitalisiert wird. Nach einem solchen Verfahren arbeitet z. B. das unter der Bezeichnung »General Purpose Thickness Gage MODEL 5222« vertriebene Dickenmeßgerät der Fa. PANAMETRICS Ine, aus Waltham, Massachusetts (USA). Diese Verfahren bieten den Vorteil einer unendlich feinen Auflösung, jedoch wird die Meßgenauigkeit durch die Instabilität der analogen Bausteine (Temperaturdrift, Offset usw.) begrenzt, so daß bei einer Einzelmessung eine Genauigkeit von nicht mehr als 0,1 mm erreicht werden kann. Außerdem wird die Meßjenauigkeit durch den auswertbaren Meßbereich begrenzt, da als zeitproportionales Signal höchstens ein Spannungsbereich von 15 Volt ausgenutzt werden kann. So arbeiten die üblichen WanddickenmeBgeräte mit analoger Zeittor-Messung meist nur bis zu einer maximalen Meßlänge von 100 mm.

Bei digitaler Laufzeitmessung wird ein digitaler Lauf-Zeitzähler verwendet, dessen Auflösung von der gewählten Zählfrequenz abhängig ist. Bei den meisten bekannten Meßsystemen werden Frequenzen von maximal 30 MHz verwendet, so daß die Auflösung bei einer Einzelmessung ebenfalls 0,1 mm beträgt. Eine feinere

ίο Auflösung der Zeittor-Meßeinrichtung bietet keine Vorteile mehr, da die Meßgenauigkeit entscheidend von der Amplitude und Frequenz des Ultraschall-Signals abhängt, denn das Starten und Stoppen der Meßeinrichtung hängt davon ab, wann die ansteigende Flanke der bewerteten Ultraschall-Schwingung die analoge Vergleichsschwelle überschreitet Da die Höhe der Impulsspannung nicht nur von den Ankopplungsbedingungen, sondern auch von der Materialdicke abhängt, kann nicht sichergestellt werden, daß die Phasenlage der Ultraschall-Schwingung beim Überschrencrai der festen Vergleichsschwelle immer gleich ist, so daß auch aus diesem Grunde eine höhere Meßgenauigkeit als 0,1 mm bei einer Einzelmessung, auch mit digitaler Laufzeitzählung wie bei dem eingangs erwähnten Wanddickenmonitor 1214-1, nicht möglich ist.

Um die durch die unterschiedlichen Phasenlagen bedingten Ungenauigkeiten der Messung herabzusetzen, wurden Meßverfahren für statische Ankopplung entwickelt, bei denen sich der Meßvorgang über mehrere Prüftakte erstreckt Bei diesen Verfahren wird die analoge oder digitale Laufzeit aus mehreren Prüftakten aufsummiert, so daß die Meßgenauigkeit statistisch entsprechend der verwendeten Prüftaktzahl erhöht wird. Das vorstehend erwähnte Dickenmeßgerät der PANA-METRICS INC. ist ein solches Gerät für die statische Wanddickenmessung mit analoger Zeitmessung. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß für ein Meßergebnis eine Vielzahl von Prüftakten benötigt wird, was den Meßvorgang verlangsamt Bei dynamischen Dickenme-3ungen, bei denen die Relativgeschwindigkeit zwischen Prüfkopf und Prüfling bis zu 3 m/sec betragen kann, lassen sich Messungen über mehrere Takte wegen der veränderlichen Ankopplungsbedingungen und wegen der durch die Schall-Laufzeit begrenzten Impulsfolgefrequenzen nicht durchführen.

Es ist bereits in Fachkreisen vorgeschlagen worden, den Phasenfehler durch folgende Maßnahmen zu kompensieren: die ansteigende Flanke des Ultraschall-Signals startet bei Überschreitung der analogen Vergleichsschwelle einen ersten Laufzeitzähler. Die abfallende Flanke derselben Halbwelle startet bei Überschreiten derselben Vergleichsschwelle einen zweiten Laufzeitzähler. In gleicher Weise wird der erste Zähler von der ansteigenden Flanke des nächsten LJltraschall-Signals und der zweite von der abfallenden Flanke gestoppt. Aus beiden Zähler-Meßwerten wird ein Mittelwert gebildet und als Meßwert ausgegeben. Bei einer Zählfrequenz des .digitalen Laufzeitzählers von mehr als 300 MHz soll bei diesem Verfahren eine Meßgenauigkeit von mehr als 0,01 mm erreichbar sein. Eine entscheidende Unsicherheit des Verfahrens liegt jedoch darin begründet, daß bei Ultraschall-Impulsen mit mehr als einer Schwingung infolge von Schwankungen der Impulshöhen die feste analoge Vergleichsschwelle nicht

(j5 sicher von der ersten Halbwelle, sondern unter Umständen von der höheren zweiten Halbwelle überschritten wird, so daß als Meßfehler die halbe Wellenlänge oder ein Mehrfaches davon aultreten kann. Ein weiterer

Nachteil besteht in dem größeren Aufwand an Zähleinrichtungen, da für jeden Wanddickenmeßwert zwei Zähleinrichtungen mit einer nachträglichen Mittelwertbildung erforderlich sind.

In der DE-OS 28 53 170 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dickenmessung beschrieben, das bzw. die sowohl bei statischer als auch bei dynamischer Prüfung Meßgenauigkeiten größer als 0,01 mm erreichen Iä3t, auch bei schwankenden Höhen der Ultraschall-Signale, d. h. für stark bedämpfte Breitbandschwinger mit einer Schwingung als auch für weniger stark bedämpfte Schmalbandschwinger mit mehreren Schwingungen, ohne daß Meßwertverfälschungen durch Phasenungenauigkeiten und Phasensprünge auftreten. Bei diesem Verfahren werden die Schwellenwerte als um einen voreinstellbaren Bruchteil niedrigere Referenzspannung von dem jeweiligen Spitzenwert der ersten positiven oder negativen Halbwelle der beiden Ultraschall-Impulse, zwischen denen die Zeitmessung erfolgen soll, automatisch abgeleitet, und diese Impulse werden verzögert und mit dem jeweils von ihnen abgeleiteten Schwellenwert verglichen unter Erzeugung von Steuersignalen für das Setzen der Meßtore für die Laufzeitmessung.

Da bei diesem bekannten Verfahren nur die ganzzahlig ins Zeittor passenden Impulse gezählt werden, muß zum Erreichen der geforderten Meßgenauigkeit mit einer Zählfrequenz im Bereich von 300 MHz ausgezählt werden. Schaltungen, die so hohe Frequenzen verarbeiten, sind wegen ihres hohen Stromverbrauches für tragbare, batteriebetriebene Geräte ungeeignet.

Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, eine hohe Meßgenauigkeit von 0,01 mm bei Aufhebung der bislang vorhandenen Kopplung an die maximale Meßlänge und Vermeidung der Nachteile analoger Schaltungen (Temperaturdrift. Abhängigkeit von der Versorgungsspannung) und unter Verwendung einer Auszä'nlfrequenz im Bereich von 10 MHz zu ermöglichen, die selbst von den sehr stromsparenden CMOS-Bauelementen verarbeitet werden kann, so daß eine Meßgenauigkeit von 0,01 mm bei Meßlängen von weit über 100 mm erreichbar ist, auch mit tragbaren, batteriebetriebenen Geräten.

Die Erfindung besteht darin, daß das Zündsignal für den Ultraschallsender (1, 2) phasengleich mit einer mittels eines spannungsgesteuerten Meßoszillators (6) erzeugten (ImpuIs-)Schwingung hoher, bekannter Frequenz (im Bereich von ca. 10 MHz) erzeugt wird, die

— in einem ersten Meßschritt mit dem der Meßlänge entsprechenden Zeittor-Signal (A) verknüpft wird unter Erfassung und Auszählung der in dieses Meß-Zeittor (A) passenden ganzzahligen Anzahl von Meßschwingungs-Impulsen bzw. -Wellen, wonach

— in einem zweiten Meßschritt die Phasendifferenz zwischen negativer Meß-Zeittorflanke und darauf nächstfolgender Impuls- bzw. Wellenflanke der Meß-Schwingung erfaßt und als Stelle für eine diese Phasendifferenz auf den Wert »NULL« bringende Verstimmung des Meßoszillators (6) ausgenutzt wird und diese frequenzverstimmte Meßschwingung mit einem zweiten Torsignal fest vorgegebener zeitlicher Länge verknüpft wird unter Erfassung der in dieses Torsigna! passenden ganzzahligen Anzahl von Impulsen bzw. Wellen der verstimmten Meßschwingung

worauf hieraus die Verstimmungsfrequenz ermittelt und aus deren Abweichung von der Ausgangsfrequenz des Meßoszillators (6) ein Korrekturwert abgeleitet wird für die sich aus der beim ersten Meßschritt erfaßten Anzahl von Impulsen bzw. Wellen ergebende Meßlänge, der mit dieser Meßlänge verrechnet wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend aufgrund eines Ausführungsbeispieles, das in den Zeichnungen veranschaulicht ist, erläutert. Es zeigt

ίο F i g. 1 eine graphische Darstellung von Ultraschallsignalen, Meß-Zeittorsignal A, Meßoszillatorschwingung B und Phasendifferenz zwischen den Signalen A und B und F i g. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Die dargestellte Vorrichtung arbeitet im Impuls-Reflexionsbetrieb mit einem breitbandigen Ultraschallprüfkopf 1. Zur Anregung von dessen Wandler dient ein Sender 2, der bei Eingang eines Sendezündsignals von einer Steuerung 3 einen kurzen elektrischen Impuls hoher Spannung erzeugt. Der Prüfkopf 1 sendet demzufolge Ultraschallschwingungen 51 aus, die in das Meßobjekt eingeleitet werden und nach dessen Durchlaufen an der Rückwand reflektiert werden. Das reflektierte Ul traschallrignal kehrt zum Prüfkopf 1 zurück und wird von desser» Wandler aufgrund des piezoelektrischen Effektes in ein elektrisches Signal 52 zurückgewandelt. Die Zeit, die zwischen Aussendung des Ultraschallimpulses 51 und Eintreffen des reflektierten Impulses im Prüfkopf 1 verstreicht, (Schall-Laufzeit), entspricht der doppelten Wanddicke des Prüflings (Meßlänge). Der Impuls 52 wird in einem Empfänger 4 verstärkt und einem diesem nachgeschalteten Komparator 5 zugeführt, in welchem er mit einem vorgegebenen Schwell- wert verglichen wird. Bei Überschreiten dieses Schwellwertes durch den Impuls S'2 kippt der Ausgang des Komparators 5 und erzeugt damit ein Signal, dessen Verwertung später erläutert werden wird.

Ein spannungsgesteuerter Meßoszillator 6 (VCO) er-

zeugt Impulse hoher Frequenz im Bereich von 10 MHz (Rechteckschwingung B), die der Steuerung 3 zugeleitet werden, welche das dem Sender 2 übermittelte Sendezündsignal synchron zu einer positiven Flanke des Ausgangssignals B des Meßoszillators 6 erzeugt und gleich- zeitig damit auch ein dem 5-Eingang (Set-Eingang) eines ÄS-Flip-Flops 7 zugeführtes Signal, welches dieses Flip-Flop 7 setzt Der Ä-Eingang (Reset-Eingang) des Flip-Flops 7 ist mit dem Ausgang des Komparators verbunden, so daß das Flip-Flop 7 beim Eintreffen e^Tnes Ausgangssignals vom Komparator 5 zurückgesetzt wird Am Ausgang Q (7) des Flip-Flops 7 steht demnach ein Signal A mit zum Signal B phasengleicher positiver Flanke an, welches der Zeit entspricht, die zwischen dem Aussenden des Impulses 51 und dem Auftreten des Impulses 52 verstreicht, also der Schall-Laufzeil und damit der (doppelten) Wanddicke des Prüflings und demzufolge ein Kriterium für diese Wanddicke ist Dieses Signal A wird im folgenden als Meß-Zeittor bezeichnet Durch Bestimmung der Länge dieses Meß-Zeittores

A kann die Dicke des Prüflings bestimmt werden.

Für die Auszählung dieses Zeittores A wird die Schwingung B des Meßoszillators 6 benützt Zu diesem Zweck wird diese zwei parallel geschalteten UND-Gattern 10 und 11 zugeführt, deren Ausgang mit einem ODER-Gatter 13 verbunden ist das die zugeführten Meßwerte einer Auswerteeinheit 14 zuleitet der eine Anzeige 16 (Display) angeschlossen ist

Dem Gatter 10 wird zusätzlich zum Schwingungs-Si-

gnal B das Ausgangssignal A (Meß-Zeittorsignal) des Flip-Flops 10 zugeleitet, und an das Gatter 11 ist noch ein Generator 12 angeschaltet, der ein Torsignal bekannter großer Zeitdauer (> 1 ms) erzeugt. Die beiden zugeleiteten Signale werden in den Gattern 10 und 11 miteinander verknüpft, so daß nur die im Meß-Zeittorsignal A bzw. im Torsignal des Generators 12 vorhandenen Zählimpulse der Auswerteeinheit 14 zugeführt werden.

Ein erster Meßschritt zur Bestimmung der Länge des Zeittores A wird mittels des Gatters 10 vollzogen, dessen Setzen diesen Meßschritt einleitet und dessen Rücksetzen ihn beendet. Im ersten Meßschritt wird die ganzzahlige Anzahl der Impulse der Schwingung A ausgezählt, die in das Meß-Zeittor A passen.

Der zweite Meßschritt vollzieht sich mittels des Gatters 11 und eines vom Ausgang O(7) des Flip-Flops 7 gesetzten, flankengesteuerten Flip-Flops 8, das von der der negativen Flanke des Signals A nächstfolgenden Flanke eines Impulses des Signals Bzurückgesetzt wird, so daß an seinem Ausgang Q(S) ein Signal C ansteht, das der Phasendifferenz φ zwischen Meß-Zeittorsignal A und dem Signal B am Meß-Zeittor-Ende entspricht. Dieses Signal C wird einem Integrator 9 zugeführt, in dem es in eine zu φ proportionale Spannung umgesetzt wird, die als Stellsignal dem Steuer-Eingang des Meßoszillators 6 zugeführt wird und die Ausgangsfrequenz des Meßoszillators so verstimmt, daß die Phasendifferenz gleic': NULL wird.

Die Steuerung der Meßvorgänge erfolgt mittels folgender Signale der Steuerung 3:

— einem Steuersignal, das als Signa! STi eine »Enable«-Funktion für das Gatter 10 und als Signal St 2 eine »Disable«-Funktion für das Gatter 11 während des ersten Meßabschnittes hat und dessen Funktionen sich im zweiten Meßabschnitt umkehren. Wenn im Direktkontakt gemessen wird, so ist das »Enable«-Signal im ersten Meßabschnitt für den Komparator 5 aktiv;

— einem Steuersigna! St 3, das einem dem Flip-Flop 8 eingangsseitig vorgeschalteten Gatter 15 zugeführt wird, dem auch die (verstimmte) Schwingung B zugeleitet wird, und das bestimmt, ob das Flip-Flop 8 von einer positiven oder einer negativen Flanke der (verstimmten) Oszillatorschwingung B zurückgesetzt wird, nachdem es von der negativen Flanke des Signals A gesetzt worden ist

Die Messung geht wie folgt vor sich:

Das phasengleich mit der Schwingung B erzeugte Ultraschallsignal, synchron mit dessen Erzeugung das Flip-Flop 7 gesetzt wird, durchläuft den Prüfling, wird an dessen Rückwand reflektiert und kehrt zum Prüfkopf 1 zurück, von dem es dem Empfänger 4 zugeleitet wird, in dem es verstärkt wird. Das verstärkte Signal gelangt in den Komparator 5 und bringt dessen Ausgang zum Kippen, wodurch das Flip-Flop 7 zurückgesetzt wird. An dessen Ausgang QfJ) steht demzufolge ein Meß-Zeittorsignal A an, das der Wanddicke des Prüflings entspricht und mittels der Schwingung B des Meßoszillators 6 auszumessen ist

Beim ersten Meßschritt wird, gesteuert vom Steuersigna! St 1, das Meß-Zeittorsignal A im UND-Gatter 10 mit der Meßoszillastorschwingung B verknüpft, und die im Tor A vorhandenen Impulse der Schwingung B werden über das ODER-Gatter 13 der Auswerteeinheit 14 zur Auszählung zugeleitet

Der zweite Meßschritt wird durch Setzen des Flip-Flops 8 mittels der negativen Flanke des Meß-Zeittorsignals A vom Ausgang Q(7) des Flip-Flops 7 eingeleitet. Gesteuert vom Signal Si 3 wird das Flip-Flop 8 von der der negativen Flanke des Signals A nächstfolgenden Flanke des Signals B zurückgesetzt, erzeugt damit ein Phasenstellsignal C, welches der Phasendifferenz zwischen den Signalen A und B am Meß-Zeittor-Ende entspricht und im Integrator 9 in eine Spannung umgewandelt wird, welche die Meßoszillatorfrequenz so verstimmt, daß die Phasendifferenz φ gleich NULL wird.

Dieses frequenzverstimmte Meßsignal B' wird, gesteuert vom Signal Sf 2, im Flip-Flop 11 mit dem vom Generator 12 erzeugten Torsignal bekannter Größe verknüpft, und die in diesem Signal vorhandenen Impulse des Signals B' werden über das Gatter 13 der Auswerteeinheit 14 zur Auszählung zugeleitet.

Die Auswerteeinheit umfaßt eine Zählvorrichtung zum Auszählen der ihr vom Gatter 13 zugeleiteten Impulse sowie Speicher, in denen die Frequenz des Meßsignals Bim ersten Meßschritt, die Dauer des vom Generator 12 erzeugten Torimpulses und der Wert für die Schallgeschwindigkeit als Festdaten gespeichert bzw. zu speichern sind. Durch Auszählung der im zweiten Meßschritt erfaßten Impulse und Verknüpfung des so erhaltenen Wertes mit der gespeicherten Torsignal-Dauer kann die Frequenz des verstimmten Meßoszillatorsignals ß'(zweiter Meßschritt) bestimmt werden. Ein Vergleich dieser Frequenz mit der Meßfrequenz im ersten Meßschritt ergibt die Größe der Phase φ. Das Gesamt-Meßergebnis setzt sich dann aus der im ersten Meßschritt gezählten Anzahl von Impulsen des Signals B und dem Wert für φ zusammen. Durch Verrechnung mit der Schallgeschwindigkeit kann daraus der Schall-Laufweg in mm erhalten werden, der auf dem Display 16 ausgegeben werden kann.

Sämtliche vorstehend beschriebenen Steuer- und Rechenvorgänge, die Speicherung der Festdaten und Schallgeschwindigkeiten und die Anzeigesteuerung können besonders vorteilhaft von einem Mikrocomputer ausgeführt werden.

Eine weitere mögliche Betriebsart der Vorrichtung ist die Wanddickenmessung mit einem breitbandigen UI-traschallprüfkopf mit Vorlaufstrecke. Die Vorlaufstrekke kann aus einer Flüssigkeit (Tauchtechnik) oder aus einem Festkörper bestehen. Diese Technik wird vor allem zur Wanddickenmessung bei dünnwandigen Prüfteilen verwendet. Dabei tritt ein erstes Echo von der Grenzfläche zwischen Vorlaufstrecke und Prüfling auf und ein zweites Echo von der Rückwand des Prüflings. Die gesuchte Schall-Laufzeit zwischen Oberfläche des Prüflings und Rückwand ergibt sich als Differenz der Schall-Laufzeiten zwischen der Zündung des ausgesandten Ultraschallimpulses S1 und dem Eintreffen des zweiten Echo's S 2 (Rückwandecho) und der Zündung von Sl und dem Eintreffen des ersten Echo's. Diese beiden Schall-Laufwege können einzeln mittels des Verfahrens gemäß der Erfindung und der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ausgemessen werden. Dazu muß bei der Messung der durch das Rückwandecho begrenzten Schallaufstrecke im ersten Meßschritt der Komparator 5 mittels der Steuerung 3 über den Enable-Eingang bis nach dem Eintreffen des ersten Echo's deaktiviert werden, damit das Meßtor A erst vom zweiten Echo zurückgesetzt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Pateritansprüche:

1. Verfahren zur Dickenmessung an Prüflingen mittels Ultraschalles im Impuls-Reflexions-Verfahren, bei dem die Länge eines Zeittores, das von dem Ultraschallsendezündsignal und einem am Ende der Meßlänge reflektierten Ultraschallsignal gesetzt wird, als Kriterium für die vom Ultraschall zurückgelegte Weglänge ausgenutzt wird, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß das Zündsignal für den Ultraschallsender (2) phasengleich mit einer mittels eines spannungsgesteuerten Meßoszillators (6) erzeugten (Impuls-)Meßschwingung (B) hoher, bekannter Frequenz (im Bereich von ca. 10 MHz) erzeugt wird, die

— in einem ersten Meßschritt mit dem der Meßlänge entsprechenden Zeittorsignal (A) verknüpft wird unter Erfassung und Auszählung der in dieses Meß-Zeittor (A) passenden ganzzahligen Anzahl von Meßschwingungs-Impulsen bzw. -Wellen, wonach

— in einem zweiten Meßschritt die Phasendifferenz zwischen der negativen Meß-Zeittorflanke und der darauf nächstfolgenden Impuls- bzw. Wellenflanke der Meßschwingung (B) erfaßt und als Stellsignal (C) für eine diese Phasendifferenz auf den Wert NULL bringende Verstimmung des fcfeßoszillators (6) ausgenutzt wird und diese frequenzverstimmte Meßschwingung (B') mit einem zweiten Torsignal fest vorgegebener zeitlicher Länge verknüpft wird unter Erfassung und Auszählung der m dieses Torsignal passenden ganzzahligen Anzahl von Impulsen bzw. Wellen der verstimmten Meßschwingung (Β¹),

worauf hieraus die Verstimmungsfrequenz ermittelt und aus deren Abweichung von der Ausgangsfrequenz des Meßoszillators (6) ein Korrekturwert abgeleitet wird für die sich aus der beim ersten Meßschritt ermittelten Anzahl vom Impulsen bzw. Wellen ergebende Meßlänge, der mit dieser Meßlänge verrechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Arbeiten mit Vorlaufstrecke zunächst mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 die Laufzeit für das Rückwandecho ermittelt wird und danach mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 die Laufzeit für das Oberflächenecho, und daß diese beiden Laufzeiten voneinander subtrahiert werden.

3. Vorrichtung für die Wanddickenmessung an Prüflingen mittels Ultraschalles im Impuls-Reflexions-Verfahren unter Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung einen Ultraschallsender und einen Ultraschall-Empfänger mit Verstärker und einen diesem nachgeschalteten Komparator für den Vergleich der Ultraschall-Echoimpulse mit einem vorgegebenen Schwellenwert aufweist, der bei Überschreiten dieses Schwellenwertes ein Steuersignal für eine ihm nachgeschaltete Vorrichtung zum Setzen eines der Meßlänge entsprechenden Meß-Zeittores erzeugt, die mitteis seines mit dem Uitraschallsendezündsignal synchronen Steuersignals aktiviert wird, sowie eine in einer Auswerteeinheit enthaltene Vorrichtung zum Bestimmen der Länge dieses Zeittores, gekennzeichnet durch

— einen spannungsgesteuerten Meßoszillator (6) für die Erzeugung von Meßschwingungen (B, B') hoher Frequenz, vorzugsweise im Bereich von Ϊ0 MHz,

— zwei nacheinander aktivierbare, parallel zwischen den Meßoszillator-Schwingungsausgang und die Auswerteeinheit (14) geschaltete Verknüpfungseinheiten (10,11), von denen eine (10) eingangsseitig zusätzlich an die Vorrichtung (7) zur Erzeugung des Meß-Zeittorsignals (A) und die andere (11) eingangsseitig zusätzlich an den Ausgang eines Generators (12) für die Erzeugung eines bekannten Torsignals großer Länge angeschaltet ist,

— eine zwischen den Meßoszillator-Schwingungsausgang und den Meßoszillator-Steuereingang geschaltete, mittels der negativen Flanke des Meß-Zeittorsignals setzbare und mittels der darauf nächstfolgenden Flanke der Meßschwingung (B) zurücksetzbare Tor- und Integratorschaltung (8,9) zum Erzeugen eines der Phasendifferenz zwischen Zeittor-Signal (A) und Meßschwingung (SS) am Zeittor-Ende entsprechenden Stellsignals (C) zum Verstimmen des Meßoszillators (6) auf eine die Phasendifferenz auf den Wert NULL bringende Schwingungsfrequenz (B'),

— eine Steuerung (3) für die Zündung des Senders (2) und das Setzen der Meß-Zeittor-Vorrichtung (7) phasengleich mit der Meßoszillatorschwingung (B), für die alternative Aktivierung der Verknüpfungseinheiten (10,11) und für die Bestimmung, ob das Phasen-Signal (C) durch eine positive oder negative Flanke der Meßschwingung (B) zu beenden ist,

— eine in der Auswerteeinheit (14) vorhandene Zählvorrichtung zum Zählen der von den Verknüpfungseinheiten (10,11) erhaltenen Impulse, ferner durch Speichervorrichtungen zum Speichern der Meßfrequenz (B) des unverstimmten Meßoszillators (6), der Länge des Generator-Torsignals und der Schallgeschwindigkeit sowie durch Vorrichtungen zum Verknüpfen der gespeicherten Werte und der Meßwerte zwecks Bestimmung der Meßlänge und

— eine Anzeige (16) für die Ausgabe der Meßlängenwerte.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Steuerung (3) ein Signal erzeugbar ist, durch welches der Komparator (5) bis nach dem Eintreffen eines ersten Ultraschall-Echosignals deaktiviert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, gekennzeichnet durch ein ÄS-Flip-Flop (7) zum Erzeugen des Meß-Zeittorsignals (A), das von der Steuerung (3) synchron mit der Zündung des Senders (2) setzbar und durch den Komparator (5) zurücksetzbar ist und dessen Ausgang (Q(J)) auf die Verknüpfungseinheit (10) sowie die Vorrichtung zur Erzeugung des Phasenstellsignals (8) geschaltet ist.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungseinheiten zwei UND-Gatter (10, 11)

sind, deren Ausgang auf ein ODER-Gatter (13) geschaltet ist

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch ein flankengesteuertes Flip-Flop (8) für die Erzeugung des Phasenstellsignals (C).

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch einen. Mikrorechner zum Ausüben der Funktionen der Steuerung (3) und der Auswerteeinheit (14).