DE2925522A1

DE2925522A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur digitalen messung analoger messgroessen

Info

Publication number: DE2925522A1
Application number: DE19792925522
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Phys Dr Opara
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1979-06-25
Filing date: 1979-06-25
Publication date: 1981-01-08
Also published as: FR2459979A1; GB2054302B; DE2925522C2; GB2054302A; JPS5631603A; US4307611A; FR2459979B1

Description

Krautkrämer GmbH 12.6.1979

Luxemburger Str. 449 P/bdl

5ooo Köln 41 K-131

VERFAHREN UND SCHALTUNGSANORDNUNG ZUR DIGITALEN MESSUNG ANALOGER MESSGRÖSSEN.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur digitalen Messung analoger Meßgrößen, wobei die digitalisierte Meßgröße dadurch bestimmt wird, daß aufeinanderfolgende Zeitintervalle gebildet werden und die Anzahl der Impulse (Impulsrate) eines Taktgenerators hoher Frequenz, die jeweils in ein Zeitintervall fallen, gemessen werden. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Verwendung des Verfahrens zur Wanddickenmessung mit Hilfe des Ultraschall-Impuls-Echoverfahrens.

Verfahren und Schältungsanordnungen der erwähnten Art sind beispielsweise aus der DE-OS 26 25 162 bekannt. Dabei werden von der gleichen Meßgröße die Impulsraten mehrerer Zeitintervalle benötigt, um einen Mittelwert der Meßgröße zu bestimmen. Da die Zahl der zur Mittelwertbildung herangezogenen Zeitintervalle i.d.R. > 4oo ist, muß einerseits der Meßwert relativ lange anstehen. Andererseits dauert es relativ lange, bis eine Meßwertanzeige erfolgt. Schnelle dynamische Veränderungen der Meßgröße können daher nicht erfaßt werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Meßverfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem die Nachteile der bekannten Verfahren nicht auftreten, bei dem also insbesondere die Meßgröße schnell und dabei doch genau ermittelt werden kann.

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-A-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung beruht also darauf, daß nicht erst, wie bei den bekannten Verfahren nach Ermittlung der Impulsraten einer vorgegebenen Anzahl von Zeitintervallen eine
Meßwert-Anzeige erfolgt, sondern am Ende jedes Zeitintervalles wird bereits ein Wert angezeigt, der sich aus der
Beziehung

A₁₊₁ = A, ₊ (N₁₊₁ -Ai) (1)

ergibt, wobei N. . die um einen Mittelwert schwankende Anzahl der Impulse des i+1-ten Zeitintervalles und c eine
Konstante > 1 für die gilt:

C % (Genauigkeit des in einem Zeitintervall gemessenen MeßwertesN' ⁴^ ^gewünschte Genauigkeit des zu bestimmenden Meßwertes /

Besonders vorteilhaft läßt sich dieses Verfahren verwenden, wenn die Zeitintervalle in Bezug auf die Taktfrequenz relativ schmal gewählt werden. Zwar sind die ersten angezeigten Meßwerte A₁, Ap, ... relativ ungenaue Näherungen der Meßgröße, aber der Beobachter hat sofort einen Überblick über die
Größenordnung der Meßgröße. Je länger die Meßgröße ansteht, je genauer wird der angezeigte Wert, weil bei der jeweils neuen Meßwertermittlung die vorhergehenden Meßwerte berücksichtigt werden. Der Messende kann daher weitgehend selbst bestimmen, wie genau er die Meßgröße bestimmen will. Nach c-Messungen
erhält er dann einen Meßwert, der demjenigen herkömmlichen Mittelwertmeßverfahren entspricht (vgl. auch die eingangs zitierte DE-OS 26 25 162). . . ■

Die Konstante c hat die Bedeutung einer Dämpfungskonstanten, wie nach Umschreiben der Gl. (1) ersichtlich ist:.

** i ~ i+1 ~ i ~

näherungsweise folgt:

— 5 —

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mit der Lösung: -(t-t_o)

A = c · N (1 - e ^c )

Der angezeigte Meßwert A nähert sich also ähnlich wie bei einem Galvanometer exponentiell dem richtigen Ergebnis (Elektronisches Galvanometer). Die Dämpfung wird durch die Wahl von c vorgegeben.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand' von Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen .

Es zeigt:

Fig.1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig.2 ein Blockschaltbild eines Ultraschall-Wanddickenmeßgeräts, in dem die Schaltung nach Fig.1 verwendet wird; und

Fig.3 den zeitlichen Verlauf der angezeigten Wanddickenwerte A. des Geräts nach Fig.2.

Die in Fig.1 dargestellte Schaltung, die beispielsweise zur Messung von Frequenzen verwendet werden kann, besteht aus einer Anzeigeeinrichtung 1, einem Vorwärts-Rückwärtszähler 2, einem Zwischenspeicher 3 und einem Di'visionsglied 4. Die Verarbeitung der eintreffenden Impulsraten erfolgt taktweise mit Hilfe einer nicht dargestellten Taktsteuerung. Während eines 1. Taktes wird die neu eintreffende Impulsrate N. ., in den Vorwärts-Rückwärtszähler 2 eingeschrieben, so daß dieser Zähler den digitalen Wert A. + N.'.. besitzt. Während eines 2. Taktes erfolgt dann die Korrektur dieses Wertes, indem aus dem Speicher des Divisionsgliedes 4 der Wert Ai/c ausgelesen wird und ein Rückwärtszählen des Zählers 2 bewirkt. Während eines

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3. Taktes schließlich wird der Wert A. ₁ = A. +M. ₁ - Ai/c aus dem Zähler 2 ausgelesen und sowohl der Anzeigevorrichtung als auch über den Zwischenspeicher 3 dem Divisionsglied k zugeführt. Anschließend kann der nächste Wert Ί. „ in den Zähler 2 eingelesen werden.

Die Konstante c, durch die der jeweilige in das Divisionsglied k gelangene Wert geteilt wird, hat, wie bereits erwähnt, die Bedeutung einer Dämpjungskonstanten. Je größer ihr Wert ist, je langsamer konvergieren die jeweils angezeigten Werte A., A. ., ... in Richtung auf die tatsächlich anliegende Meßgröße. In der Regel wählt man daher c derart, daß der statistische Fehler des nach Gl. (1) gemittelten Meßwertes kleiner als die vorgegebene Genauigkeit ist und die Zeitdauer, bis dieser Meßwert angezeigt wird, möglichst klein gehalten wird.

Da es mit üblichen Divisionsgliedern mit vertretbarem Aufwand nicht möglich ist, den Ausdruck Ai/c mit beliebiger Genauigkeit zu realisieren, geht man in der Schaltungs-Praxis häufig auch von dem

Ausdruck — Int 1oⁿ — aus. Dabei bedeutet Int 1oⁿ — den i~^{n c c}

¹⁰ η Ai

Ganzzahlanteil des Quotienten ¹o — ; η wird so gewählt, daß die Anzahl der Stellen hinter dem Komma des Ausdrucks Ai/c im statistischen Mittel mit berücksichtigt wird.

Besonders vorteilhaft hat sich das neue Verfahren bei dem US-Wanddickenmeßgerät gem. Fig.2 bewährt. Diejenigen Baugruppen, die auch in Fig. 1 dargestellt sind, sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden. Die Konstante c hat in diesem Fall allerdings nicht nur die Bedeutung einer Dämpfungskonstanten, sondern wird auch so gewählt, daß sie proportional zur Schallgeschwindigkeit ν des Prüfstückes 6 ist. Dadurch wird erreicht, daß die Anzeige, im Gleichgewichtsfall (A. = A. .) unabhängig von der Schallgeschwindigkeit wird. Denn nach Gl. (1) gilt in diesem Fall: A. ^vN₁ und für N^ gilt allgemein: M. = 2df/v, wobei d die Dicke des Prüfstücks und f die Taktfrequenz des in Fig.2 mit 12 bezeichneten Taktgenerators bedeuten, so daß A.^"2df und damit unabhängig von ν ist. Wechselt man das

' — 7 —

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zu prüfende Material (z.B. Al statt Fe), so braucht lediglich beispielsweise mit Hilfe eines Sprossenschalters 5 ein dem Prüfstück entsprechender c-Wert eingestellt zu werden. Der in der DE-OS 26 25 162 zusätzlich vorhandene Kreis, um die Zahl der Zeitintervalle festzulegen, entfällt daher.

Der aus dem Impulsgeber 7, dem Prüfkopf 8, dem Empfänger 9 sowie dem Impulsfolgefrequenzgeber 1o, dem Flip-Flop-Kreis 11, ■ dem Taktgenerator 12. und dem UND-Glied 13 bestehenden Teil, des Dickenmeßgerätes ist hingegen auch in dem US-Wanddickenmeßgerät nach der DE-OS 26 25 162 vorhanden und braucht daher hier nicht näher beschrieben zu werden.

Fig.3 zeigt den zeitlichen Verlauf der angezeigten Dicken eines Wanddickenmeßgerätes-,. wie es in Fig.2 dargestellt ist (Kurve a). Die Frequenz des Taktgenerators 12 betrug 5 Mhz während die Frequenz, mit der die Zeitintervalle wiederholt werden, 2,5 KHz betrug. Bei dem Prüfstück 6 handelte:es sich um eine 6 mm dicke Stahlplatte (v = 592o ~- ) . Da die Genauigkeit des in einem Zeitintervall bestimmten Meßwertes etwa + o,1 mm betragen sollte, muß c > 9 sein. Wegen der Forderung c ~ ν sei

592 - - - -

beispielsweise c = -γ^— «*6o. Der Mittelungsprozess verläuft dann über ungefähr 6o Zeitintervalle und ergibt eine Wanddickengenauigkeit von <C ο, 1 mm. Für den Gleichgewichtsfall gilt dann die Beziehung A. = 1oo · d.

Während bei einem vergleichbaren Meßgerät nach der obenerwähnten Offenlegungsschrift erst nach o,25 bis o,5 see eine Anzeige (Kurve b) erfolgt (dieses ist'abhängig von der zeitlichen Lage des Aufsetzpunktes des Prüfkopfes zum Beginn des ersten voll erfaßten Mittelungsintervalls), erhält der Betrachter bei Verwendung der vorliegenden Erfindung bereits nach o,o5 see einen Wert, der bereits relativ gut mit der Meßgröße übereinstimmt.

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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die
beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern bezieht sich auch auf andere Verwendungsmöglichkeiten, die für einen Durchschnittsfachmann naheliegen, wie die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Spannungs- und
Strommessungen. Insbesondere sind auch solche Ausführungsformen eingeschlossen, die mit Hilfe von Mikroprozessoren
die Beziehung (1) realisieren.

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Bezeichnungsliste: (K-131)

1	Anzeigevorrichtung
2	Vorwärts-Rückwärtszähler 2
3	Zwischenspeicher
h	Divisionsglied
5	Sprossenschalter
6	Prüfstück
7	Impulsgeber
8	- Prüfkopf
9	Empfänger
1o	Impulsfrequenzgeber
11	Flip-Flop-Kreis
12	Taktgenerator
13	- UND-Glied

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r s e 11 e

Claims

Krautkrämer GmbH 12.6.79

Luxemburger Str. 449 P/bdl

5ooo Köln 41 ■ K-13T

Patentansprüche

Verfahren zur digitalen Messung analoger Meßgrößen, wobei die digitalisierte Meßgröße dadurch bestimmt wird, daß aufeinanderfolgende Zeitintervalle gebildet werden und die 'Anzahl der Impulse eines Taktgenerators hoher Frequenz, die jeweils in ein Zeitintervall fallen, gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende jedes Zeitintervalles ein Wert A., A. ., ... angezeigt wird, der durch folgende Beziehung bestimmt ist:

^Ai₊i = ^Ai ^{+ (N}i₊i - r^

wobei N.. ., die um einen Mittelwert schwankende Anzahl der Impulse des i+1-ten Zeitintervalles und c eine Konstante > 1, für die gilt:

^Genauigkeit des in einem Zeitintervall gemessenen Meßwertes^ vgewünschte Genauigkeit des zu bestimmenden Meßwertes /

bedeuten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen die Konstante c derart gewählt wird, daß ihr Zahlenwert proportional zur Schallgeschwindigkeit des Prüfstückes (6) ist. ·
3. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 bei der zerstörungsfreien Merkstoffprüfung nach der Impuls-Echomethode, insbesondere zur Bestimmung geometrischer Abmessungen der Prüfstücke (6).

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4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Vorwärts-Rückwärtszähler (2), eine mit diesem Zähler verbundene Anzeigevorrichtung (1), einem Zwischenspeicher (3) und einem Divisionsglied (4).

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