УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОЛЩИНОМЕР Российский патент 1999 года по МПК G01B17/02 

Предлагаемый ультразвуковой толщиномер относится к устройствам неразрушающего контроля и предназначен для измерения остаточной толщины стенок технологического оборудования в химической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности.

Известны аналогичные технические решения - см. , например, а.с. N 1064130, а.с. N 1108387, а.с. N 859811, а.с. N 407189, техническое описание серийного толщиномера типа УТ-93П и т.д.

Устройство, предлагаемое в а. с. N 1064130, относится к безэталонным ультра звуковым толщиномерам. Такие толщиномеры не нуждаются в операциях калибровки и тем самым позволяют упростить процесс измерения. Однако это преимущество может быть реализовано лишь при контроле изделий с гладкими стенками, поскольку датчик безэталонного толщиномера имеет значительно большую площадь акустического кон такта, чем у обычных искателей, при этом для контроля необходима значительно большая площадь зачистки корродированной поверхности реальных изделий, а это существенно увеличивает трудозатраты при проведении контроля. По этой же причине безэталонные толщиномеры практически непригодны для измерения остаточной толщины изделий криволинейной формы, а в промышленности чаще всего контролируются именно такие объекты. Кроме этого, в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, таких, например, как изменение температуры, влажности, механических воздействий, неизменность измерительных характеристик все равно приходится контролировать по эталонному образцу и при необходимости подстраивать толщиномер элементами регулировки, т.к. в ином случае при измерениях возможны грубые ошибки. Серьезным недостатком таких приборов является высокая сложность как датчика, так и самого толщиномера, предопределяющая низкую надежность приборов такого типа и их высокую стоимость.

Ультразвуковой толщиномер, предлагаемый в а.с. N 859811, позволяет измерять толщину изделий, используя произвольный по номеру отраженный импульс. Это позволяет обеспечить высокую точность измерения, поскольку при таком алгоритме в качестве результата измерения может использоваться разность результатов двух измерений для n- и (n+1)-го отраженных импульсов. При этом результат оказывается независимым от времени задержки ультразвука в призмах искателя и от нестабильности этой задержки. Калибровка такого толщиномера исключительно проста, т.к. включает всего лишь одну операцию установки равенства между показаниями толщиномера и реальной толщиной измеряемого эталона. Однако такому алгоритму измерения присущ принципиальный недостаток, практически исключающий применение приборов такого типа при контроле корродированных изделий, отражающие поверхности которых зачастую позволяют получить лишь один отраженный импульс.

Толщиномер по а. с. N 407189, как и предыдущий, требует для измерения наличия как минимум двух отраженных импульсов. Кроме этого, недостатками этого устройства являются аналоговый способ получения результата, а также необходимость априорного знания табличных значений скорости звука в контролируемых материалах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ультра звуковой толщиномер УТ-93П [1]. Это устройство содержит синхронизатор, подключенный выходами к генератору зондирующего импульса и к пусковому входу генератора задержки, выход которого соединен с первым входом сброса триггера разрешения счета, усилитель, цифровой измеритель длительности импульса с регулируемой частотой заполнения, вход управления которого соединен с соответствующим выходом триггера разрешения счета, а также кнопку управления.

Выход усилителя подключен к входу усилителя-дискриминатора с регулируемым порогом дискриминации, выход которого соединен с входом установки триггера разрешения счета. Кроме этого, в состав толщиномера входит генератор калибровочного импульса, который при нажатой кнопке управления позволяет установить частоту заполнения цифрового измерителя длительности импульса примерно пропорциональной скорости звука в исследуемом материале, которая должна быть априорно известна.

Достоинством этого устройства является применяемый алгоритм измерения, в соответствии с которым результатом измерения считается интервал времени между передними фронтами зондирующего и первого отраженного импульсов минус длительность импульса генератора задержки, которая выбирается при калибровке толщиномера равной времени распространения ультразвука в призмах искателя. Использование такого алгоритма позволяет контролировать изделия практически с любым качеством отражающей поверхности, при этом возможности толщиномера ограничиваются только его чувствительностью. Однако чувствительность прототипа невелика, т.к. усилитель выполнен однокаскадным, поэтому уровень дискриминации в сложных условиях контроля обычно не превышает нескольких десятков милливольт, а это приводит к необходимости частой перерегулировки порога порогового устройства (при изменении объектов контроля, смене искателей, изменении температуры и т.д.), что значительно ограничивает возможности толщиномера и усложняет его эксплуатацию.

Другим недостатком прототипа является используемый способ калибровки, содержащий операции установки ориентировочного значения скорости звука в исследуемом материале (которое необходимо предварительно определить по таблице), измерения двух эталонов с существенно отличающимися толщинами, причем при измерении эталона большей толщины регулируется частота генератора заполнения, а при измерении эталона меньшей толщины - длительность импульса генератора задержки, и путем последовательных приближений на табло прибора получают отсчеты, численно совпадающие с толщиной эталонов. Применение такого способа калибровки определяет не только эксплуатационные, но и целый ряд конструктивных недостатков, в том числе сложность структуры толщиномера, а соответственно его неэкономичность, невысокую надежность и высокую стоимость, а также узость функциональных возможностей. Существенным недостатком прототипа является также невозможность его калибровки и недостоверность контроля измерительной характеристики по встроенному эталону.

Задачей настоящего изобретения является упрощение эксплуатации толщиномера при одновременном упрощении его конструкции и повышении чувствительности.

С этой целью в ультразвуковой толщиномер, содержащий синхронизатор, подключенный выходом к генератору зондирующего импульса и к пусковому входу генератора задержки, выход которого соединен с первым входом сброса триггера разрешения счета, усилитель, цифровой измеритель длительности импульса с регулируемой частотой заполнения, вход управления которого соединен с соответствующим выходом триггера разрешения счета, а также кнопку управления, введены дополнительно преобразователь импульсов, включенный последовательно с усилителем, второй триггер, двухвходовый логический элемент ИЛИ и дифференцирующая цепь, причем триггер разрешения счета выполнен счетным, его соответствующий выход подключен к счетному входу второго триггера, выход которого соединен с вторым входом сброса триггера разрешения счета, первый вход сброса которого объединен с входом сброса второго триггера, выход преобразователя импульсов через элемент ИЛИ подключен к счетному входу триггера разрешения счета, причем второй вход этого элемента через кнопку управления и дифференцирующую цепь подключен к выходу генератора задержки.

Постоянная времени восстановления преобразователя импульсов выбрана большей постоянной времени затухания выходных сигналов ультразвукового датчика.

Функциональная схема возможного варианта реализации ультразвукового толщиномера представлена на фиг. 1. Возможные варианты выполнения преобразователя импульсов 8 представлены на фиг. 2, 3.

Толщиномер содержит синхронизатор 1, генератор зондирующего импульса 2, генератор задержки 3, триггер разрешения счета 4, усилитель 5, цифровой измеритель длительности импульса 6 с регулируемой частотой заполнения, кнопку управления 7, преобразователь импульсов 8, второй триггер 9, двухвходовый элемент ИЛИ 10 и дифференцирующую цепь 11. Преобразователь импульсов 8 содержит диод 12, RC-цепь 13 и разделительный конденсатор 14.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Сигнал с выхода синхронизатора 1 запускает одновременно генератор зондирующего импульса 2 и генератор задержки 3. Генератор зондирующего импульса 2 возбуждает ультразвуковой импульс в объекте контроля, который отражается от его задней стенки, преобразуется приемной секцией ультразвукового искателя в электрический сигнал, поступающий на вход преобразователя импульсов 8. Генератор задержки 3 формирует отрицательный импульс, длительность которого можно установить равной времени распространения ультразвука в звукопроводящих призмах датчика. Этот импульс подается на входы сброса триггера разрешения счета 4 и второго триггера 9, устанавливая уровень логического нуля на их неинверсных выходах. При ненажатой кнопке управления 7 задний фронт этого импульса, выделенный дифференцирующей цепью 11 и прошедший через логический элемент ИЛИ 10, изменяет состояние триггера разрешения счета 4 на обратное, при этом разрешается работа цифрового измерителя длительности импульса 6. При появлении сигнала о первом отраженном ультразвуковом импульсе на воде преобразователя импульсов 8 он преобразуется в соответствии с диаграммами, представленными на фиг. 2, 3, усиливается усилителем 5 и через элемент ИЛИ 10 поступает на вход триггера разрешения счета 4, возвращая его в исходное состояние. Это прекращает работу цифрового измерителя длительности импульса 6, а также изменяет состояние на выходе второго триггера 9, который по второму входу сброса запрещает дальнейшую работу триггера разрешения счета 4. Переключение второго триггера 9 соответствует окончанию цикла измерения, результат которого, пропорциональный сумме задержек ультразвука в призмах искателя и в контролируемом изделии, выводится на табло цифрового измерителя длительности импульса 6.

При нажатой кнопке 7 дифференцирующая цепь 11 отключается от входа логического элемента ИЛИ 10, поэтому триггер разрешения счета 4 изменяет состояние в первый раз при приходе сигнала от первого отраженного ультразвукового импульса, а второй раз - в момент прихода сигнала от второго отраженного импульса. Дальнейшие переключения триггера разрешения счета 4 запрещаются изменившим свое состояние вторым триггером 9. Интервал времени между этими импульсами измеряется цифровым измерителем длительности импульса 6, результат на табло которого пропорционален толщине измеряемого объекта.

Очевидно, что толщиномер предлагаемой структуры позволяет при минимальных аппаратурных затратах осуществлять измерение толщины двумя способами. Измерение по второму способу (кнопка управления 7 нажата) позволяет измерять гладкие изделия с наиболее высокой точностью, при этом толщиномер калибруется по единственному эталону изменением частоты заполнения измерителя длительности импульса 6. При измерении первым способом (кнопка 7 отжата) обеспечивается меньшая точность, однако можно контролировать объекты с плохим качеством поверхности (например, корродированных) и, если проведена калибровка при измерении по второму способу, толщиномер калибруется по тому же эталону путем изменения длительности выходного импульса генератора задержки. При операциях калибровки в обоих случаях на табло цифрового измерителя длительности импульса 6 должен быть получен отсчет, численно равный толщине используемого эталона. Никакой табличной информации, а также последовательных приближений при операциях калибровки по эталону не требуется.

Использование такого способа калибровки позволило не только упростить эксплуатацию толщиномера, но и радикально упростить его структуру, а следовательно снизить его стоимость, повысить надежность и экономичность, а также уменьшить массогабаритные показатели, поскольку по сравнению со структурой прототипа в предлагаемом толщиномере отсутствует целый ряд узлов, предназначенных для установки ориентировочного значения скорости звука в контролируемом изделии. При этом возможность работы толщиномера в двух различных режимах расширяет его функциональные возможности по сравнению с прототипом, поскольку оператор может выбирать режим измерения в зависимости от объекта контроля (например, второй режим дает более точные результаты при хорошем качестве поверхности контролируемых изделий, первый - при контроле изделий плохого качества и больших толщинах). Существенным преимуществом предлагаемого толщиномера перед прототипом является возможность перепроверки результатов контроля обоими способами, что, в конечном итоге, позволяет увеличить достоверность контроля.

Однако обеспечить правильное функционирование логических узлов предлагаемого толщиномера в режиме измерения толщины по двум соседним эхо-сигналам, используя линейные усилительные каскады, входящие в состав усилителя прототипа, не возможно. Это объясняется тем, что реальные сигналы, поступающие с приемной секции ультразвукового датчика, имеют вид радиоимпульсов с достаточно сложной формой огибающей, затухающих обычно в течение нескольких периодов колебаний с рабочей частотой используемого датчика. Это обстоятельство является несущественным для прототипа, завершающего измерение по фронту первого отраженного импульса, но оно исключает возможность калибровки предлагаемого толщиномера, так как при измерении по второму способу отсчет по шкале толщиномера будет соответствовать не измеряемой толщине, а рабочей частоте используемого преобразователя. Кроме того, между основными импульсами, соответствующими отражениям от задней стенки изделия, при высокой чувствительности наблюдаются импульсы меньшей амплитуды. Все эти мешающие факторы особенно сильно проявляются при калибровке предлагаемого толщиномера, когда условия приема ультразвука близки к идеальным и сигнал на входе высокочувствительного усилителя имеет максимальную величину, при этом выделить всплески сигнала, соответствующие отражениям от задней стенки изделия, становится невозможно, так как они маскируются помехами.

Хотя существует достаточно много способов преобразования выходного сигнала ультразвукового искателя для определения временного интервала, соответствующего задержке между эхо-сигналами (см. , например, справочник "Ультразвуковой контроль материалов", Й.Крауткремер, Г.Крауткремер), однако все они требуют больших аппаратных затрат для своей реализации и поэтому непригодны для экономичной переносной аппаратуры контроля. В предлагаемом толщиномере для преобразования эхо-сигналов из аналоговой формы в цифровую предлагается использовать преобразователь импульсов 8, включенный последовательно с усилителем 5. На фиг. 2, 3 приведены диаграммы электрических сигналов для возможных вариантов этого устройства.

Пока размах сигналов на выходе пьезопреобразователя в несколько раз меньше прямого смещения на диоде 12, преобразователь импульсов 8 представляет собой практически линейную цепь передачи сигнала. При этом чувствительность толщиномера существенно увеличена за счет увеличения числа усилительных каскадов в усилителе 5. Поэтому по сравнению с прототипом можно существенно увеличить порог дискриминации, который в предлагаемом устройстве определяется разностью между уровнем порогового напряжения логического элемента И 10 и напряжением на выходе усилителя 5 в режиме покоя. Возрастание порога до единиц вольт позволяет обеспечить практически полную независимость процесса отбора полезных сигналов от температуры. Поэтому предлагаемый толщиномер не нуждается в регулировке порога дискриминации во всем диапазоне рабочих температур и несмотря на возрастание порога дискриминации обладает значительно более высокой чувствительностью по сравнению с прототипом, что объясняется непропорциональным увеличением коэффициента усиления по сравнению с возрастанием порога дискриминации.

При увеличении амплитуд на входе преобразователя импульсов 8 сигнал начинает детектироваться. При этом конденсатор фильтра амплитудного детектора 8 каждый раз заряжается до максимальной амплитуды всплеска сигнала, после окончания которого выпрямляющий элемент запирается напряжением заряженного конденсатора фильтра и может быть открыт либо быстро, но следующим импульсом примерно такой же амплитуды, либо импульсом малой амплитуды, но после разряда конденсатора фильтра через резистор. Такой характер работы каскада позволяет выделить импульсы сигнала, соответствующие отраженным ультразвуковым импульсам, и эффективно подавить как спадающую часть эхо-сигнала, так и помехи между соседними эхо-сигналами при условии большей постоянной времени разряда RC цепи 13 по сравнению с постоянной времени затухания акустического эхо-сигнала. Для ограничения не линейности амплитудного детектора, которая может уменьшить чувствительность толщиномера к малым сигналам, выпрямительный элемент амплитудного детектора должен быть смещен постоянным током в прямом направлении, что осуществляется путем подключения резистора к источнику смещения. Чтобы удалить постоянную составляющую из выходного сигнала амплитудного детектора, способную при больших входных сигналах перегрузить усилитель, в рассматриваемом варианте преобразователя импульсов 8 установлен переходной конденсатор 14.

В другом варианте предлагаемого толщиномера в качестве преобразователя импульсов 8 применен параллельный детектор (фиг. 3). Выходным сигналом такого детектора являются импульсы тока через диод 12, соответствующие пиковым значениям входного сигнала. Постоянная времени τ детектора также определяется RC-цепью 13, при этом также должно выполняться условие τ > τ_a, где τ_a - постоянная времени затухания выходных сигналов ультразвукового датчика. В этом варианте толщиномера в качестве усилителя может использоваться усилитель постоянного тока с преобразованием тока в напряжение на входе. Если в передней части эхо-сигналов импульсы нарастают по амплитуде, выходные сигналы преобразователя импульсов такого типа представляют собой пачку импульсов, для объединения которых можно использовать устройство типа ждущего мультивибратора.

Если помеха от возбуждающего импульса относительно велика, то при измерении по первому отраженному импульсу и слабом полезном сигнале в толщиномерах предлагаемой структуры возможно снижение чувствительности при малых толщинах контролируемых изделий, поскольку RC-цепь 13, заряженная мощной помехой, не успеет восстановиться к моменту прихода первого отраженного сигнала. Для устранения этого недостатка достаточно дополнительной секцией кнопки 7 при переходе к первому способу измерения существенно уменьшить постоянную времени преобразователя импульсов 8 (например, шунтируя резистор RC-цепи резистором меньшего номинала). Возможно также уменьшать τ с помощью электронного ключа, управляемого с выхода генератора задержки 3 или синхронизатора 1.

Следует отметить, что в случае малых сигналов на выходе пьезопреобразователя (например, при малой мощности возбуждения), перед преобразователем импульсов 8 может быть включен дополнительный усилитель. И наоборот, если в качестве детектора используется транзисторный каскад, включенный по схеме с ОЭ, совмещающий функции детектора и усилителя, то никакой дополнительный усилитель может не использоваться.

Поскольку начиная с уровня в несколько милливольт выходные импульсы усилителя 5 становятся практически независимыми от амплитуды сигналов на выходе ультразвукового преобразователя, в структуре предлагаемого толщиномера нет регулировки уровня дискриминации, что упрощает его эксплуатацию, поскольку нет необходимости в настройке толщиномера каждый раз при смене датчика или объекта контроля, как это имеет место в прототипе.

Таким образом, в предлагаемом толщиномере по сравнению с прототипом уменьшено число органов регулировки, упрощен процесс калибровки, существенно упрощена структура, увеличена чувствительность и расширены функциональные возможности за счет обеспечения двух режимов измерения толщины, а также обеспечена достоверность калибровки и контроля измерительной характеристики по встроенному эталону.

1. Толщиномер ультразвуковой УТ-93П. Руководство по эксплуатации ЩС2.787.011РЭ.

Изобретение относится к устройствам неразрушающего контроля и предназначено для измерения остаточной толщины стенок технологического оборудования в химической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности. Упрощение эксплуатации толщиномера при одновременном улучшении его конструктивных и эксплуатационных характеристик достигается за счет того, что толщиномер содержит синхронизатор, генератор зондирующего импульса, генератор задержки, триггер разрешения счета, усилитель, цифровой измеритель длительности импульса с регулируемой частотой заполнения, кнопку управления, преобразователь импульсов, второй триггер, двухвходовый элемент ИЛИ и дифференцирующую цепь. Преобразователь импульсов содержит диод и RC-цепь, образующие детектор с постоянной времени восстановления большей постоянной времени затухания акустического сигнала. Для удаления постоянной составляющей на выходе преобразователя импульсов используется конденсатор. Поставленная цель достигается тем, что толщиномер может осуществлять измерение толщины двумя способами - по времени задержки между зондирующим импульсом и первым отраженным или по интервалу времени между двумя отраженными импульсами. Это позволяет значительно упростить процедуру калибровки толщиномера и расширить его функциональные возможности. Преобразователь импульсов позволяет также увеличить чувствительность толщиномера. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Ультразвуковой толщиномер, содержащий синхронизатор, подключенный выходом к генератору зондирующего импульса и пусковому входу генератора задержки, выход которого соединен с первым входом сброса триггера разрешения счета, усилитель, цифровой измеритель длительности импульса с регулируемой частотой заполнения, вход управления которого соединен с соответствующим выходом триггера разрешения счета, а также кнопку управления, отличающийся тем, что в него введены дополнительно преобразователь импульсов, включенный последовательно с усилителем, второй триггер, двухвходовый логический элемент ИЛИ и дифференцирующая цепь, причем триггер разрешения счета выполнен счетным, его соответствующий выход подключен к счетному входу второго триггера, вход сброса и выход которого соединены соответственно с первым и вторым входами сброса триггера разрешения счета, выход последовательно соединенных преобразователя импульсов и усилителя через элемент ИЛИ подключен к счетному входу триггера разрешения счета, второй вход этого элемента через кнопку управления и дифференцирующую цепь подключен к выходу генератора задержки. 2. Толщиномер по п.1, отличающийся тем, что постоянная времени восстановления преобразователя импульсов τ выбирается по соотношению
τ>τ_a,
где τ_a - постоянная времени затухания выходных сигналов ультразвукового датчика.