Ультразвуковой толщиномер Советский патент 1986 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля толщины материала ультразвуковым методом и может быть использовано в машиностроении, авиастроении и судостроении.

Цель изобретения - повышение точности и разрешающей способности измерения толщины материалов за счет использования интерполяционного измерителя временных интервалов.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - функциональная схема формирователей временных остатков и схем выделения дополнительных и основных импульсов; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу толщиномера.

Ультразвуковой толщиномер содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, генератор 2 зондирующих импульсов, приемопередающий пьезопреобразователь 3, излучающий ультразвуковые импульсы через иммерсионную жидкость 4 в контролируемое изделие 5 и принимающий отраженные сигналы, и усилитель 6, первый компаратор 7 первого отраженного эхо-импульса и схему его стробирования, состоящую из первого одновибратора 8, вход которого подключен к выходу синхронизатора 1, первого триггера 9, второй вход которого подключен к выходу первого одновибратора 8, и первой схемой 10 совпадения, первый вход которой соединен с первым входом первого триггера 9 и выходом компаратора 7, а второй вход - с выходом первого триггера 9, второй компаратор 11 второго отраженного импульса и аналогичную схему стробирования, состоящую из второго одновибратора 12, вход которого соединен с выходом первой схемы 10 совпадения, второго триггера 1.3 и второй схемы 14 совпадения, третий компаратор 15 третьего отраженного импульса и схему его стробирования, состоящую из третьего одновибратора 16, вход которого соединен с выходом второй схемы 14 совпадения, третьего триггера 17 и схемы 18 совпадения, интерполяционный измеритель временных интервалов (ИИВИ), состоящий из последовательно соединенных первого формирователя 19 временных остатков, первый вход которого соединен с выходом второй схемы 14 совпадения, первого блока 20 выделения дополнительных импульсов и дополнительного счетчика 21, из последовательно соединенных второго формирователя. 22 временных остатков, первый вход которого соединен с выходом третьей схемы 18 совпадения, и вторым блоком 23 выделения дополнительных импульсов, блока 24 выделения основных импульсов, первый вход которой соединен с вторым выходом первого формирователя 19 временных остатков, второй вход - с выходом второго формирователя 22 временных остатков, третий вход - с вторыми входами первого и второго блоков 20 и 23 выделения дополнительных импульсов, первым и вто0

5

0

5

0

0

5

0

5

рым формирователями 19 и 22 временных остатков и выходом генератора 25 импульсов заполнения, и основного счетчика 26, суммирующий вход первой декады которого соединен с выходом дополнительного счетчика 21, вычитающий вход первой декады - с выходом второго блока 23 выделения дополнительных импульсов, суммирующий вход третьей декады - с выходом блока 24 выделения основных импульсов, вход «Сброс - с выходами «Установка О дополнительного счетчика 21, первого и второго формирователей 19 и 22 временных интервалов и первого, второго и третьего триггеров 9, 13 и 17 соответственно и выходом синхронизатора 1, а выход - с входом цифрового индикатора 27.

Первый (второй) формирователь 19 (22) временных остатков состоит из последовательно соединенных четвертого (пятого) триггера 28 (29), четвертой (пятой) схемы 30 (31) совпадения, шестого (седьмого) триггера 32 (33), на D-вход которого подается единичный уровень, шестой (седьмой) схемы 34 (35) совпадения, второй вход которой соединен с вторым входом четвертой (пятой) схемы 30 (31) совпадения и с выходом генератора 25 импульсов заполнения, и восьмого (девятого) триггера 36 (37), S-вход которого соединен с S-входом четвертого (пятого) триггера 28 (29) и выходом второй (третьей) схемы 14 (18) совпадения.

Первый (второй) блок 20 (23) выделения дополнительных импульсов состоит из последовательно соединенных генератора 38 (39) стабильного тока заряда, переключателя 40 (41) тока, четвертого (пятого) компаратора 42 (43) напряжения и восьмой (девятой) схемы 44 (45) совпадения, второй вход которой соединен с выходом генератора 25 импульсов заполнения, первой (второй) схемы 46 (47) стабильного тока разряда, выход которого соединен с вторым входом первого (второго) переключателя 40 (41) тока, и параллельно соединенных первого (второго) накопительного конденсатора 48 (49) и первого (второго) фиксирующего диода 50 (51), входы которых подключены к выходу первого (второго) переключателя 40 (41) тока.

Блок 24 выделения основных импульсов состоит из восьмой схемы 52 совпадения, первый вход которой подключен к Q-вы- ходу щестого триггера 32, второй вход к Q-выходу седьмого триггера 33, третий вход - к выходу генератора 25 импульсов заполнения. Позициями 53-72 обозначены сигналы блоков ультразвукового толщиномера.

Ультразвуковой толщиномер работает следующим образом.

Синхронизатор 1 запускает генератор 2 зондирующих импульсов и одновибратор 8, устанавливает триггеры 9, 13 и 17 в нулевое состояние и ИИВИ - в исходное состояние. Генератор зондирующих импульсов

возбуждает пьезопреобразователь 3. Ультразвуковой импульс, излучаемый пьезопре- образователем 3, вводится через слой иммерсионной жидкости 4 в измеряемое изделие 5 и, распространяясь в нем, претерпевает многократные отражения от поверхностей. УЗ-колебания, возникающие при этом, принимаются пьезопреобразователем 3 и преобразуются им в электрические сигналы, которые поступают на усилитель 6. Усиленные сигналы поступают на высокоскоростные компараторы 7, 11 и 15, каждый из которых имеет свое опорное напряжение Uon и может работать как по положительным, так и по отрицательным полуволнам сигнала. Импульсы на выходах компараторов нормированы в уровнях эмиттерно-связанной логики и имеют фронты длительностью не более 3 НС.

Выделение импульсов СТАРТ и СТОП измерительного интервала производится следующим образом.

Одновибратор 8, длительность которого выбирается большей длительности переходных процессов в пьезопреобразователе, возникающих под воздействием зондирующего импульса, переводит задним фронтом триггер 9 в единичное состояние, разрешая прохождение импульсов от компаратора 7 через схему 10 совпадения. При этом, первый импульс, отраженный от внешней поверхности изделия 5, сравнивается с опорным напряжением UoBi, которое выбирается равным половине амплитуды первого отраженного импульса. На выходе компаратора 7 появляется импульс, который проходит через схему 10 совпадения. Задним фронтом этого импульса триггер 9 возвращается в исходное состояние, запрещая дальнейшее прохождение импульсов. Единственный импульс, прошедший через схему 10 совпал е- ния и соответствующий первому отраженному эхо-импульсу, запускает одновибратор 12, длительность которого выбирается несколько меньшей времени, соответствующего минимальной измеряемой толщине. По заднему фронту импульса с одновибратора 12 триггер 13 переводится в единичное состояние, разрешая прохождение импульсов от компаратора 11 через схему 14 совпадения.

Для компаратора 11 опорное напряжение Uonj, выбирается равным половине амплитуды второго, отраженного от внутренней поверхности изделия 5, импульса. Импульс от компаратора 11, соответствующий второму отраженному, проходит через схему 14 совпадения и, кроме того, своим задним фронтом возвращает триггер 13 в исходное состояние, запрещающее прохождение импульсов через схему 14 совпадения. Единственный импульс, прошедший через схему 14 совпадения, является импульсом СТАРТ для ИИВИ. Кроме того, он запускает схему стробирования и выделения импульса СТОП, которая работает аналогично предыдущим.

0

Опорное напряжение Uonj для компаратора 15 устанавливается равным половине амплитуды третьего, отраженного от внешней поверхности изделия 5, имнульса. Импульсы СТ. ХРТ и СТОП, временной интервал между которыми соответствует измеряемой толщине, поступают на ИИВИ. Выбор второго и третьего отраженных импульсов в качестве р.мгпльсов СТАРТ и СТОП обусловлен тем, что при различных изменениях условий измерения толщины - различная шероховатость изделий, отклонения вертикали датчика при измерении, наличие кривизны и клиновидности изделий. Эти импульсы изменяются по амплитуде синхронно, в отличие от первого и второго импульсов. Это позволяет значительно уменьшить погрешность измерения, связанную с изменением амплитуды отраженных импульсов в процессе автоматизированного контроля.

Принцип работы ИИВИ заключается в измерении методом последовательного счета основного интервала, расширенных в 100 раз остатков первоначального измерения и суммирования их значений.

Формирование интервала t.,, соответствующего времени от переднего фронта им- 5 пульса СТАРТ до заднего фронта первого из импульсов заполнения, попавших в измерительный интервал, осуществляется в формирователе 19 временных оста тков. По сигналу с синхронизатора 1 (фиг. 3) триггеры 28 и 32 устанавливаются в исходное состояние. Появление импульса 54 СТАРТ на S-входах переводит эти триггеры в единичное состояние. На Q-выходе триггера 28 появляется сигнал 57, разрешающий прохождение импульсов 56 заполнения через схему 30 совпадения, после которой импульсы 58 поступают на С-вход триггера 32. Задним первого из этой серии импульса триггер 36 устанавливается в единичное состояние. Сигнал 57 с Q-выхода разре- П1ает прохождение импульсов 56 заполнения через схему 34 совпадения. На R-вход триггера 36 поступает серия импульсов 60, первый из которой передним фронтом возвращает его в исходное состояние.

Таким образом, на выходах триггера 36 формируются парафазные импульсы 61 и 62, длительность которых меняется от 0,5to до 1.5to в зависимости от времени прихода импульса СТАРТ относительно импульсов запол 1ения, где to- период импульсов заполнения.

Формирование интервала to, соответствующего времени от переднего импульса СТОП до заднего фронта первого из импульсов заполнения, не попавших в измеряемый интервал, осуществляется в формирователе 22 временных остатков аналогично формированию интервала ti. Работа формирователя 22 иллюстрируется сигналами 63-69 (фиг. 3).

Блок 24 выделения основных импульсов реализован на схеме 52 совпадения, управ0

5

0

5

0

5

ляемой сигналом 59 с Q-выхода триггера 32 и сигналом 66 с Q-выхода триггера 33. На его выходе выделяется целочисленное значение N импульсов 70.

Блоки 20 и 23 выделения дополнительных импульсов производят расширение интервалов ti и ta и выделение импульсов заполнения, число которых NI и N соответству- ют lOOti и lOOti.

Блок 20 работает следуюпдим образом.

В исходпо.м состоянии через фиксирующий диод 50 протекает ток от схемы 46 стабильного тока разряда и напряжение на конденсаторе 48 равно напряжению на диоде 50. Опорное напряжение компаратора 42 выбрано несколько вып1е, чем напряжение на фиксирующем диоде, и сигнал на выходе компаратора запреп1.ает прохождение импульсов заполнения через схему 44 совпадения. С момента прихода импульсов 61 и 62 конденсатор 48 начинает заряжаться

10

15

частоты 10 выполнен в термостатированном исполнении.

Таким образом, применение BE LCOKOCKO- ростных компараторов со схемами строби- рования и цифрового ИИВИ позволяет повысить точность и разрещающую способность устройства, что обеспечивает измерение толщины металлов с погрешностью ± 0 мкм в диапазоне 1-10 мм.

Формула изобретения

Ультразвуковой толщиномер, содержащий последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, приемно-передающий пьезопреобразова- тель и усилитель, первый триггер, первый одновибратор, вход которого соединен с выходом синхронизатора, второй одно- вибратор, первую и вторую схему совпаот генератора 38 стабильного тока заряда JQ дения, генератор импульсов заполнения через переключатель 40 тока. Как толькои цифровой индикатор, отличающийся тем,

что, с целью гювь Ц1ения точности и разрешающей способности измерения толщины материалов, он снабжен первым, вторым и третьим компараторами, входы которых

напряжение на конденсаторе 48 превышает Uon, компаратор 42 срабатывает, разрешая прохождение импульсов через схему 44 совпадения. По окончанию импульса 61

переключатель 40 отключает генератор 38 25 подключены к выходу усилителя, а выход

30

стабильного тока заряда и конденсатор 48 начинает разряжаться схемой стабильного тока разряда. При снижении напряжения на конденсаторе 48 до уровня Uon компаратор 42 возвращается в исходное состояние и запрещает прохождение импульсов через схему 44. Отношение токов заряда и разряда равно 100.

Таким образом, интервал t расщиряетея в 100 раз и на выходе схемы 44 появляется NI 100 ti/to импульсов.

Блок 23 выделения дополнительных им- пульсов N 2,, соответствующих остатку 1, работает аналогично блоку 20. Его работа иллюстрируется сигнала.ми 68, 69 и 72.

Основные импульсы N поступают на суммирующий вход первого разряда третьей декады основного реверсивного счетчика 26. Импульсы Nj. поступают на вычитающий вход первого разряда первой декады того же ечетчика. Число импульсов NI записывается в дополнительный счетчик 21 в связи с тем.

первого компаратора - к первому входу первого триггера и первому входу первой схемы совпадения, вторым триггером, первый вход которого соединен с первым вхо- до.м второй схемы совпадения и выходом второго компаратора, второй вход - с выходом второго одновибратора, а выход - с вторым входом второй схемы совпадения, последовательно соединенными третьим од- новибраторо.м, третьим триггеро.м и третьей схемой совпадения, второй вход которой соединен с вторым входом третьего триггера и с выходом третьего компаратора, и интерполяционным измерителем временных интервалов, состоящим из последовательно соединенных первого формирователя 4Q временных остатков, первый вход которого соединен с входом третьего одновибратора и выходом второй схемы совпадения, первого блока выделения дополнительных импульсов и дополнительного ечетчика, из последовательно соединенных второго формипервого компаратора - к первому входу первого триггера и первому входу первой схемы совпадения, вторым триггером, первый вход которого соединен с первым вхо- до.м второй схемы совпадения и выходом второго компаратора, второй вход - с выходом второго одновибратора, а выход - с вторым входом второй схемы совпадения, последовательно соединенными третьим од- новибраторо.м, третьим триггеро.м и третьей схемой совпадения, второй вход которой соединен с вторым входом третьего триггера и с выходом третьего компаратора, и интерполяционным измерителем временных интервалов, состоящим из последовательно соединенных первого формирователя 4Q временных остатков, первый вход которого соединен с входом третьего одновибратора и выходом второй схемы совпадения, первого блока выделения дополнительных импульсов и дополнительного ечетчика, из последовательно соединенных второго формичто время их появления может совпадать 45 рователя временных остатков, первый вход

с импульсами N и N. После окончания счета всех импульсов в счетчиках 21 и 26 импульсы NI переписываются по суммирующему входу первого разряда первой декады в счетчик 26. В результате счетчик 26 выполняет следующую операцию:

NX: N-f (Ni-- Nj -102, где N - измеряемая толщина в мкм.

Измеренное значение толщины выводится на табло цифрового индикатора 27.

которого соединен с выходом третьей схемы совпадения и второго блока выделения дополнительных импульсов, блока выделения основных импульсов, первый вход которого соединен с вторым выходо.м первого форми- 50 рователя временных остатков, второй вход - с выходом второго формирователя временных остатков, третий вход - с вторыми входами первого и второго блоков выделения дополнительных импульДля представления измеряемой толщинысов, первым и вторым формирователями

различных металлов в микрометрах частота заполнения может перестраиваться в диапазоне 22-37 мГц. Генератор 25 заполнения для достижения необ.ходимой стабильности

временных остатков и выходом генератора импульсов заполнения, и основного счетчи- ка, суммирующий вход первой декады которого соединен с выходом дополнительного

частоты 10 выполнен в термостатированном исполнении.

Таким образом, применение BE LCOKOCKO- ростных компараторов со схемами строби- рования и цифрового ИИВИ позволяет повысить точность и разрещающую способность устройства, что обеспечивает измерение толщины металлов с погрешностью ± 0 мкм в диапазоне 1-10 мм.

Формула изобретения

Ультразвуковой толщиномер, содержащий последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, приемно-передающий пьезопреобразова- тель и усилитель, первый триггер, первый одновибратор, вход которого соединен с выходом синхронизатора, второй одно- вибратор, первую и вторую схему совпадения, генератор импульсов заполнения и цифровой индикатор, отличающийся тем,

первого компаратора - к первому входу первого триггера и первому входу первой схемы совпадения, вторым триггером, первый вход которого соединен с первым вхо- до.м второй схемы совпадения и выходом второго компаратора, второй вход - с выходом второго одновибратора, а выход - с вторым входом второй схемы совпадения, последовательно соединенными третьим од- новибраторо.м, третьим триггеро.м и третьей схемой совпадения, второй вход которой соединен с вторым входом третьего триггера и с выходом третьего компаратора, и интерполяционным измерителем временных интервалов, состоящим из последовательно соединенных первого формирователя временных остатков, первый вход которого соединен с входом третьего одновибратора и выходом второй схемы совпадения, первого блока выделения дополнительных импульсов и дополнительного ечетчика, из последовательно соединенных второго формирователя временных остатков, первый вход

которого соединен с выходом третьей схемы совпадения и второго блока выделения дополнительных импульсов, блока выделения основных импульсов, первый вход которого соединен с вторым выходо.м первого форми- рователя временных остатков, второй вход - с выходом второго формирователя временных остатков, третий вход - с вторыми входами первого и второго блоков выделения дополнительных импульвременных остатков и выходом генератора импульсов заполнения, и основного счетчи- ка, суммирующий вход первой декады которого соединен с выходом дополнительного

счетчика, вычитающий вход первой декады - с выходом второго блока выделения дополнительных нмпульсов, суммирующий вход третьей декады - с выходом блока выделения основных импульсов, вход «Сброс - с выходами «Установка О дополнительного счетчика, первого и второго формирователей временных интервалов и

первого, второго и третьего триггеров и выходом синхронизатора, а выход - с входом цифрового индикатора, кроме того, второй вход нервого триггера соединен с выходом первого одновибратора, вход второго одновибратора - с выходом первой схемы совпадения, второй вход первой схемы совпадения - с выходом первого триггера.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля толщины материалов ультразвуковым методом и может быть использовано в машиностроении, авиастроении и судостроении для автоматизированного контроля металлических конструкций. Целью изобретения является повышение точности и разрешающей способности измерения толщины материалов за счет использования интерполяционного измерителя временных интервалов. Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, передающий преобразователь и усилитель, генератор импульсов заполнения, цифровой индикатор, три высокоскоростных компаратора, три схемы стробирования, подключенных к выходу усилителя, состоящие из последовательно соединенных одновибратора, триггера и схемы совпадения, интерполяционный измеритель временных интервалов, состоящий из последовательно соединенных первого формирователя временных остатков, первого блока выделения дополнительных импульсов и дополнительного счетчика, из последовательно соединенных второго формирователя временных остатков и второго блока выделения дополнительных импульсов, блока выделения основных остатков и второго блока выделения дополнительных импульсов, блока выделения основных и.м- пульсов и основного реверсивного счетчика. Работа устройства заключается в выделении измерительного временного интервала, формировании основного интервала и временных остатков. Измерение проводится методом последовательного счета основного интервала, расщиренных в 100 раз остатков и суммирования их значений. 3 ил. $ (Л |С 4 СО ОО кэ ;о

фиг.З