Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и перемещений Советский патент 1989 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в создании средств измерений и контроля различных объектов и параметров технологического оборудования, например, в гибких производственных системах.

Цель изобретения - повьппение точности измерения за счет устранения влияния нестабильности скорости распространения ультразвуковых волн в материале волновода и частоты генератора счетных импульсов.

На фиг„ 1 изображена структурная схема ультразвукового самокалибруго- щегося измерителя линейных размеров

и перемещений; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Измеритель содержит последовательно соединенные синхрогенератор 1, генератор 2 зондирующих импульсов и подвижный электроакустический преобразователь 3, акустически связанный с ним ультразвуковой (УЗ) волновод 4, последовательно соединенные усилитель 5, первый элемент 6 И и первый триггер 7, первый счетчик 8, селектор 9, вход которого подключен к подвижному электроакустическому преобразователю 3, последовательно соединенные делитель 10 частоты, второй триггер 11, второй счетчик

СП

о

4 СП

О

00

315

12, регистр 13, преобразователь 14 код-напряжение, первый ключ 15, интегратор 16, нуль-орган 17 и третий триггер 18, второй ключ 19, вход которого предназначен для подключения к источнику опорного напряжения U(,, выход подключен к входу интегратора 16, последовательно соединенны одновибратор 20 и второй элемент 21 И, выход которого подключен к R-входу второго триггера 11, цифровое отсчетное устройство .2, вход которого подключен к выходу первого счетчика 8, и генератор 23 счетных импульсов, выход которого подключен к счетным входам первого и второго счетчиков 8 и 12, выход синхронизатора 1 подключен к входам делителя 10 частоты и одновибрато- ра 20, R-входам первого и третьего триггеров 7 и 18, R-входу первого счетчика 8 и второму входу второго элемента 21 И, выход селектора 9 подключен к входу усилителя 5, вы- ход одноиибратора 20 подключен к второму входу первого элемента 5 И, выход усилителя 5 подключен к третьему входу второго элемента 21 И, выход делителя 10 частоты подключен к R-входу второго счетчика 12, выхо первого триггера 7 подключен к управляющему входу второго ключа 19 и к S-входу третьего триггера 18, инверсный выход второго триггера 11 подключен к третьему входу первого элемента 6 И, а выход третьего триггера 18 подключен к управляющем входу первого ключа 15, управляющему входу первого счетчика 8 и второ му входу регистра 13.

Позициями 24-33 обозначены выходы сигналов с блоков измерителя, позициями а-с обозначены импульсы на временной оси (фиг. 2,25).

Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и пе- ремеп1ений работает следующим образом

Делитель 10 частоты производит

пульс синхрогенератора 1 (фиг, 2,24) вызвавший на выходе делителя 10 такой же импульс, поступает на входы генератора 2 зондирующих импульсов, одновибратора 20, триггеров 17 и 18 и счетчика 8, а импульс делителя 10 - на входы триггера 11 и счетчика 12. По переднему фронту импульса синхрогенератора 1 запускается генератор 2, .обнуляется счетчик 8 и подтверждается состояние О на выходах триггеров 17 и 18. Одновременно также по переднему фронту импульса делителя 10 обнуляется счё т- чик 12 и переключается триггер 11 в состояние 1 на первом выходе (фиг. 2,28). По заднему фронту импульса синхрогенератора 1 запускается одновибратор 20 (фиг. 2,26). I

Выходной импульс генератора 2 через электроакустический преобразователь 3 возбуждает в волноводе 4 короткий ультразвуковой импульс продольных волн. Ультразвуковой импульс распространяясь в обе стороны от места возбуждения, совершает многократные отражения от торцовых поверхностей волновода 4, вызывая на выходе преобразователя 3 последовательность импульсов считывания (фиг. 2,25). Импульс А соответствует импульсу возбуждения преобразователя 3 генератором 2. Следующие за.ним импульсы В и С образованы ультразвуковыми импульсами, отразившимися соответственно от ближней относительно преобразователя 3 и дальней торцовых поверхностей волновода 4. Временное положение этих импульсов зависит от положения преобразователя 3 относительно волновода 4 и определяется соответственно формулами

Тас i( 2)

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет устранения влияния нестабильности скорости распространения ультразвуковых волн в материале волновода и частоты генератора счетных импульсов. В измеритель введены элементы, позволяющие сформировать калибровочный временной интервал и заполнить его в регистре на время основных измерений, сформировать измерительный интервал, в течение которого на выходе интегратора напряжение линейно нарастает, а по окончании уменьшается до нуля с крутизной, соответствующей значению хранимого калибровочного интервала. Временной интервал спада напряжения интегратора заполняется счетными импульсами, значения которых соответствуют измеряемой величине и не зависят от изменения скорости ультразвука в материале волновода и частоты следования счетных импульсов, что повышает точность измерения. 2 ил.

деление частоты следования импульсов

50

синхрогенератора 1 с коэффициентом порядка М 1QO - 200, Тов при вырабатывании синхрогенератором 1 каждого м-го импульса на выходе делителя 10 одновременно формируется пря- моугольный импульс,аналогичный входному, по которому в измерителе производится цикл подготовки для самокялиб- рующегося измерения. При этом им

где С - скорость распространения

продольных волн в материале волновода 4;

L - длина волновода 4;

X - координата положения преобразователя 3 относительно середины волновода 4 (индексы при Т определяют длительности интервалов времени между соответствующими импульсами считывания). Импульс d принятой последовательности вызван суммой двух ультразвуковых импульсов, каждый из которых дважды отразился от торцовых поверхностей волновода А. Временное положение этого импульса не зависит от относительного размещения преобразователя 3 и волновода 4, а определяется только линией L последнего и скоростью в используемом материале

Qd

2L С

(3)

Импульсы е и т.До появляются на выходе преобразователя 3 в результате многократных отражений ультразвуковых импульсов от торцовых поверхностей волновода .4 о Эти импульсы в измерениях не используются.

Импульсы с выхода преобразователя 3 ограничиваются по уровню в селекторе 9, усиливаются усилителем 5 до стандартного для цифровой логики уровня (фиг. 2,27) и поступают на входы элементов б и 21 И, селектор 9 в измерителе защищает усилитель 5 от перегрузки при воздействии мощного возбуждающего импульса генератора 2.

При этом длительность импульса си хрогенератора 1 устанавливается та- кой, что в течение него полностью затухает возбуждающий преобразователь 3 импульс (фиг. 2,24 и 2,25 импульса), а длительность импульса одновибратора 20 устанавливается такой, чтобы импульс d преобоазователя 3 находился на временной оси за этим импульсом (фиг. 2,25 импульс d и 2,26). Поэтому в цикле подготовки самокалибрующегося измерения эле- мент 6 И закрыт сигналом О со второго выхода триггера 11, а элемент 21 И пропускает только импульс d на свой выхоДо

Триггер I1 с помощью импульсов делителя 10 и элемента 21 И переключается и формирует прямоугольный импульс (фиг. 2,28) с длительностью Т. Последняя изменяется квантованием счетными импульсами генератора 23 и результат

2L р С о

(А)

- 20

25

30

045086

записывается в счетчике 12, где F - частота следования счетшзгх гмпульсов генератора 28, на этом подготовка к самокалибрующемуся измерению заканчивается .

Измерение начального положения преобразователя 3, приведенного к началу отсчета перемещения или

10 линейного размера объекта, начинается новым формированием импульса сии- хрогенератора 1. Аналогично вышеописанному на выходе усилителя 5 вырабатываются импульсы а, Ь, с и т.д.,

15 в этом случае элемент 6 И открыт

сигналом I со второго выхода триггера 11, находящегося в статическом состоянии отсутствия сигнала по его S-входуо Импульс одновибратора 20 организует временные ворота для работы элементов 5 И и на выход последнего проходят только импульсы В и С считывания. От воздействия этих импульсов триггер 7 переключается два раза, в результате чего на выходе формируется прямоугольный импульс (фиг. 2,30) с длительностью

Т - Т

ас

аЬ

X С Н

(5)

30

35 45

где X - координата начального положения преобразователя 3.

На время Т действия импульса триггера 7 открьгоается ключ 19, и на вход интегратора 16 подается опорное напряжение U, которое интегрируется. Выходное напряжение интегратора 16 изменяется по закону 40 (фиг. 2,31).

Ьс

и.

ij

45

50

где А - постоянная интегрирования

интегратора 21„

По окончанию импульса длительностью Т размыкается ключ 19, а от заднего фронта этого же импульса переключается триггер 18 в состояние 1. Передний фронт rfepeключeния триггера 18 переписывает код 1 со счетчика 12 в регистр 13, В резуль- 55 тате чего преобразователь 14 код- напряжение выдает напряжение

и, N,U

(4)

где - ступень квантования

преобразователя 14 код- напряжение.

Напряжения U и U, имеют разные знаки. В результате переключения триггера 18 также открывается ключ 15 и вход счетчика 8, подсчитывающего импульсы генератора 28. Начинается второй такт интегрирования. Вы- ходное напряжение интегратора 16 линейно уменьшается (фиг. 2-31) и в момент времени Т становится равным нулю

и

« -rj 0. (7

Решение (7) относительно Т дает

и U--V Чс 8

пки с Начало и конец интегрирования фиксируются нуль-органами 17. Задний фронт импульса нуль-органа 17 переключает триггер 18 в исходное состояние, на его выходе устанавливается состояние О. Закрываются ключ 15 и вход счетчика 8. В результате в счетчик В записывается число

N,

Т F

(9)

совместное решение уравнений (3) - (9), определяющее значение ч

ла NJ,, дает

NH fu-- (10)

Если значение опорного напряже-

Т)

R

ния V установить равным

о Г п.ц. (Ч) то число, записанное в счетчик 8,

NH Х„. 10

(12)

где R - целое число, определяющее

цену деления результата из- мерения в десятичной позиционной системе счисления. Число N со счетчика 8 выводится на цифровое отсчетное устройство 22 для снятия результата начала отсче

та перемещения или размера измеряемого объекта.

Затем преобразователь 3 перемещается вдоль волновода А на контролируемую линейную величину аналогично вышеописанному, автоматически происходит определение положения преобразователя 3 в конечном его положении и на цифровое отсчетное устройство 22 в этом случае выводится число

N.

10

(13)

где X - координата конечного положения преобразователя 3. Результат измерения линейного размера или перемещения объекта определяется разностью (13) и (12):

ОБ

NK - NH ( Х„) 10 .

(14)

0

5

0

5

5

п

5

При этом для представления результата измерения в метрах запятая в устройстве 22 переключается на R-pas- рядов со стороны младших,в миллиметрах - на (R-3) разрядов и т.д. В этих случаях после запятой в устройстве 22 будут присутствовать соответственно R или (R-3) значащих цифровых разрядов.

Таким образом, использование в данном измерителе цикла подготовки для самокалибрующегося измерения позволяет получать результаты измерения, не зависящие от значения скорости ультразвука в материале волновода и ее дрейфового изменения при климатическом воздействии или старении материала, от значения частоты следования счетных импульсов, кроме того, результаты измерений автоматически масштабируются в заданных единицах, что обеспечивает единство измерений.

Формула изобретения

Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и перемещений, содержащий последователь-- но соединенные синхрогенератор, генератор зондирующих импульсов и под- вижный электроакустический преобразователь, акустически связанный с ним ультразвуковой волновод, последовательно соединенные усилитель, первый элемент И и первый триггер и первый счетчик, отличающийся тем, что, с цепью повышения точности измерения, он снабжен селектором, вход которого подключей к подвижному электроакустическому преобразователю, последовательно соединенными делителем частоты, вторым триггером, вторым счет чикон, регистром, преобразователем код - напряжения, первым ключом, интегратором, нуль-органом, и третьим триггером, вторым ключом, вход которого предназначен для подключения к источнику опорного напряжения, а выход подключен к входу интегратора последовательно соединенными одно- вибратором и вторым элементом И, выход кЬторого подключен к R-входу второго триггера, цифровым отсчет- ным устройством, вход которого подключен к выходу первого счетчика, и генератором-счетных импульсов, выход которого подключен к счетным входам первого и второго счетчиков, выход синхрогенератора подключен к

входам делителя частоты и одновиб- ратора, R-входам первого и третьего триггеров, R-входу первого счетчика и второму входу второго элемента И, выход селектора, подключен к входу усилителя, выход одновибратора подключен к второму входу первого элемента И, выход усилителя подключен к третьему входу второго элемента И, выход делителя частоты подключен к R-входу второго счетчика, выход первого триггера подключен к управляющему входу второго ключа и к S-входу третьего триггера, инверсны выход второго триггера подключен к третьему входу первого элемента И, а выход третьего триггера подключен к управляющему входу первого ключа, управляющему входу первого счетчика и второму входу регистра.

Фуе.;

ifc Vo

Фиа.2