Устройство для автоматического измерения времени распространения ультразвука Советский патент 1989 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к акустическим изм л рениям и может быть использовано для исследования физико- механических свойств и контроля качества материалов по данным о скорости распространения в них ультразвука .

Цель изобретения - повышение точности измерении за счет формирования конца измерительных интервалов по MON(eHTy г.ерехода через нуль заднего фронта первой полуволны первого и п-го эхо-сигна.пов.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для автоматического измерения времени распространения У-. 1ьгразвука; на фиг, 2 - функциональная схема измерителя временногс интервала; на фиг, 3 - функциональная схема программируемого одн(5вибратора; на фиг , - функциональная схема се- лекгора; на фиг. 5 - временные диаграммы. поясняю1цие работу устройства; Ни .г 6 - блок-схема алгоритма стройки коэффициента передачи; на ф1,. . - блок-схема настройки

ел

IC

: ее rs:)

порога; на фиг. 8 - блок-схема измерения временного интервала Л(В); на фиг. 9 - блок-схема алгоритма измерения временного интервала Т при установленном уровне порога и настроенном коэффициенте передачи усилителя; на фиг. 10 - блок-схема алгоритма проверки устойчивости результата измерения временного интервала Т.

Устройство для автоматического измерения времени распространения ультразвука содержит последовательно электроакустически соединенные генератор 1 зондирующих импульсов, пьезо- преобразователь 2, устанавливаемый на исследуемом образце 3,,усилитель с регулируемым коэффициентом передачи и формирователь 5 с регулируемым порогом, последовательно соеди- ненные селектор 6 и измеритель 7 временного интервала, регистр 8 коэффициента передачи, выход которого подключен к входу регулирования коэффициента передачи усилителя регистр 9 порога, выход которого подключен к входу регулирования уровня порога формирователя 5, программируемый од- новибратор 10, выход которого подключен к стробирующему входу селек- тора 6, генератор 11 тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовым входам измерителя 7 временного интервала и программируемого од новибратора 10, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 12, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 13 блок индикации и микропроцессор 15, шина данных которого подключена к информационным входам регистра 8 коэффициента передачи, регистра 9 порога, программируемого одновибратора 10, ОЗУ 12, блока индикации и к информационным выходам измерителя 7 временного интервала и ПЗУ 13, шина адреса - к входам выбора регистра 8 коэффициента передачи, регистра 9 порога, программируемого одновибратора 10, измерителя 7 временного интервала, ОЗУ 12, ПЗУ 13 и блока Tt индикации, выход Запись - к входам Запись регистров 8 и 9 коэффициента передачи и порога, программируе- мого одновибоатора 10, блока 1 индикации и ОЗУ 12, выход Чтение - к входам Чтение измерителя 7 вре- менного интервала, ОЗУ 12 и ПЗУ 13, информационный вход селектора 6 под- лючен к выходу формирователя 5,

вход Сброс

к управляющему выходу

измерителя 7 временных интервалов, а выход - к входу запуска генерато - з 1 зондирующих импульсов.

Измеритель 7 временного интервала (фиг. 2) выполнен из последовательно соединенных схемы И 1б, первый вход которой является тактовым входом измерителя, счетчика 17 и трехстабиль- ного буфера 18, последовательно соединенных дешифратора 19, вход которого является выходом выбора измерителя 7, второй схемы И 20 и второго трехстабильного буфера 21, выход которого подключен к выходу первого буфера 18 и является выходом данных измерителя 7, третьей схемы И 22, первый вход которой подключен к второму выходу дешифратора 19, а выход - к второму входу первого буфера 18, четвертой схемы И 23, .первый вход которой подключен к второму входу второй схе- мы И 20, к второму входу третьей схемы И 22 и является входом Чтение измерителя 7, второй вход - к третьему выходу дешифратора 19, а выход - к R-входу счетчика 17 и является управляющим выходом измерителя 7, второй вход первой схемы И 1б соединен с вторым входом второго буфера 21 и является измерительным входом измерителя 7о

Программируемый одновибратор 10 (фиГо 3) выполнен из последовательно соединенных дешифратора , вход ко-- торого является входом выбора одно- вибратора 10, первой схемы И 25, счетчика 26, триггера 27, второй схемы И 28, второй вход которой является тактовым входом одновибратора 10, а выход подключен к тактовому входу счетчика 26, и- третьей схемы И 29 первый вход которой подключен к второму выходу дешифратора 2, второй - к второму входу первой схемы И 25 и является входом Запись одновибратора 10, а выход - к S-входу триггера 27, вход предварительной установки кода счетчика 26 является вхоом данных одновибратора 10, инверсный выход триггера 27 является выхоом программируемого одновибратора 10.

Селектор 6 (фиг. ) выполнен в вие D-триггера 30, D-вход и R-вход .. которого объединены и являются его стробирующим входом, С-вход является нформационным входом, S-вход - вхоом Сброс, а Q-выход - выходом се-.

лектора 6. Кроме того, обозначены выходы сигналов с блоков устройства.

Устройство работает следующим образом.

Время Тр распространения ультра- звука в образце определяется путем измерения двух временных интервалов: временного интервала А между момен- том пуска генератора 1 зондирующих импульсов и моментом перехода через ноль заднего фронта первой полуволны первого эхо-импульса и временного интервала В между моментом пуска генератора 1 зондирующих импульсов и моментом перехода через ноль заднего фронта первой полуволны п-го и эхо-сигнала и рассчитывается по формуле

Гр

р

ТА (п-Т)

где Тр - знамение временного интервала В;

Т - значение временного интервала А.

Измерению временного интервала А(в) предшествуют настройка коэффициента передачи усилителя i, настройка уровня порога формирователя 5 и определение длительности временного строба, выдаваемого программируемым одновибратором 10.

Все операции по настройке, определению длительности временного стро ба и измерению интервала А(В) происходят под управлением (микропроцессора по программе, хранимой в ПЗУ.

Настройка коэффициента передачи усилителя (фиг, 6) заключается в подборе такого коэффициента передачи который обеспечивает надежную регистрацию максимальной полуволны эхо-си|- нала формирователем 5, имеющим максимальный порог.

Последний срабатывает при перехо- де заднего фронта эхо-сигнала через установленный уровень порога. Момент срабатывания фиксируется селектором 6, который возвращается в единичное состояние при отсутствии запрещающего временного строба, поступающего с программируемого одновибратора 10. Длительность временного строба при настройке устанавливается такая, что к моменту поступления надлежащего эхо-импульса селектор 6 разблокирован. Так при настройке коэффициента

152392

5

Q 15 20

25

30

35

Ш

45

50

5

передачи усилителя 4 для приема первого эхо-сигнала длительность 7,- временного строба выбирается немногим больше длительности зондирующего сигнала 33. Величина временного строба задается кодом начальной установки счетчика 26. Вес единицы кода равен периоду тактовых импульсов t,, , Микро- процессор 15 заносит данный код ко мандой Запись с адресом АСГ- Дешифратор 2ч, получая адрес А,, , разрешает через схему И 25 поступление сигнала Запись на вход предварительный установки счетчика 26. В результате код с шины данных заносится в счетчик 2б, Установив длительность временного строба, микропроцессор 15 записывает в регистр 9 порога код максимального порога формирователя 5, а в регистр 8 коэффициента передачи - код среднего значения коэффициента передами усилителя т

При восьмиразрядном регистре 8 н-эчальный код коэффициента передачи равен 80 Н (Н - обозначает, что код записан в 1иестнадцатиричной системе) , а его шаг изменения - 0 Н, т.е, по/Бовине среднего значения коэффициента передачи. Настройка коэффициента передами усилителя начинается с выдачи с микропроцессора 15 управляющих си|-нйлов Начальная установка и Пуск.

Начальная установка приводит в исходное состояние селектор 6 (фиг. 5, поз. 32) и измеритель 7 временного интервала Для этого микропроцессор 15 выполняет команду Чтение по адресу А f.,, , Дешифратор 19 и схема И 23 формируют сигнал Начальная установка, поступающий на R-вход счетчика 17 и на аход Сброс селектора 6, устанавливая их в нулевое состояние. Микропроцессор 15 производит пуск генератора 1 зондирующих импульсс в по команде Запись с адресом Апуск Данный адрес дешифруется дешифратором 2А и совместно с сигналом Запись перебрасывает триггер 27 в единичное состояние. Одновибратор 10 выдает запрещающий временной строб 31, блок1г1рующий селектор 6 и переводящий его в единичное состояние, по которому и происходит запуск генератора 1 зондирующих импульсов. Зондирующий импульс 33 поступает на пьезо- преобразователь 2. который вырабаты

вает ультразвуковой импульс, распространяющийся в образце 3 Одновременно единичное состояние триггера 27 разрешает прохождение тактовых импульсов на счетчик 26 и через время, определяемое установленным в счетчике 2б кодом, триггер 27 возвращается в исходное состояние, временной строб кончается, селектор 6 разблокируется. Так как уровень порога формирователя 5 максимален, то он не реагирует на помехи и только поступление первого эхо-сигнала 3 может привести к его срабатыванию и формированию импульсов 35, возвращающих селектор нулевое состояние. Микропроцессор 15 циклически опрашивает состояние селектора 6, выставляя команду Чтение по адресу Аб«л, поступающему на измеритель 7 временного интервала. Дешифратор 19 разрешает прохождение сигнала Чтение через схему И 20 на буфер, который переводит его в режим усиления и передает состояние селектора 6 на соответствующий разряд шин данных. ЕсЛи по истечении времени заведомо превышающего, время распространения ультразвука в образце 3, селектор 6 остается в единичном состоянии, то это означает, что коэффициент передачи усилителя мал и его требуется увеличить. Нулевое же состояние селектора 6 требует уменьшения коэффициента передачи. В первом случае код коэффициента передачи станет равным СОН, во втором ЧОН. Шаг изменения кода уменьшается микропроцессором 15 в два раза, записывается в регистр 8 и описанная процедура повторяется, пока шаг с точностью до целого не станет равным нулю. В итоге, в регистре 8 окажется код коэффициента передачи усилителя k, обеспечивающий регистрацию максимальной полуволны первого эхо-сигнала.

Настройка уровня порога формирователя 5 (фиг. 7) производится с целью надежной регистрации первой полуволны эхо-сигнала на фоне помех при настроенном коэффициенте передачи усили- теля Первоначально осуществляется измерение временного интервала Т между моментом пуска генератора 1 зондирующих импульсов и моментом срабатывания формирователя 5« Для этого микропроцессор 15 запускает генератор 1 зондирующих импульсов и ожидает поступление эхо-сигнала, читая в цикле

0

5

0

5

состояние селектора 6 по команде

0

5

0

5

Чтение с адресом А

dfen

Время, в течение которого селектор 6 находитсй в единичном состоянии, определяет измеряемый временной интервал,, Селектор 6 в данном состоянии разрешает прохождение тактовых импульсов на счетчик 17 через схему И 1б. По заднему фронту полуволны, превышающей порог, срабатывает формирователь 5 и переводит селектор 6 в нулевое состояние, которое блокирует прохождение тактовых импульсов на счетчик 17. В последнем запоминается код временного интервала Тц с дискретностью tg, Микропроцессор 15, зафиксировав нулевое состояние селектора 6, читает содержимое счетчика 17, переписывая его в ОЗУ 12. Эта операция производится по команде Чтение с адресом Аре. Сигнал с дешифратора 19 совместно с сигналом Чтение микропроцессора 15 через схему И 22 переводит буфер 18 из высокоомного состояния в режим усиления и код счетчика 17 передается на шину данных. Получив значение Ту при максимальном пороге микропроцессор 15 уменьшает порог в два раза и заносит со- ответствующий код в регистр 9 порога Производится измерение временного интервала Тц при новом пороге. Если полученное значение временного интервала отличается от предыдущего на величину меньшую, чем l/ t , - период резонансных колебаний пьезопреобра- зователя 2), то это соответствует тому, что при двух уровнях порога регистрируется одна и та же полуволна эхо-сигнала В этом случае уровень порога опять уменьшается вдвое и повторяется измерение интервала Tj, с последующим сравнением результатов. При регистрации новой полуволны эхо- сигнала измеренное значение Т ц отличается от предыдущего на величину, большую 1/4 TQо Новое значение Тц должно пройти проверку на устойчивость, так как при уменьшении порога можно попасть в зону помех.

Проверка на устойчивость (фиг. 10) осуществляется путем многократного повтора измерения на данном уровне порога Число повторов определяется заданной надежностью измерения времени распространения ультразвука и равно обычно 3-5. Если результат устойчив, то уровень порога снова уменьшается вдвое, повторяется измерение и сравнение результатов„ В противном случае делается заключение, что уровень порога находится в зоне помех. Микропроцессор 15 вычисляет разность между кодами предыдущего и текущего порога АН, Далее, варьируя порогом в интервале йН, необходимо выйти на первую полуволну, не перескочив чере нее. Для этого устанавливается шаг изменения порога, равный 1/ АН, и исходное значение порога посередине интервала ДН Производится измерени временного интервала Т и проверка его на устойчивость. Если результат устойчив, то порог уменьшается на uiar, в противном случае порог увеличивается на шаг. Код шага изменения порога уменьшается вдвое и процесс настройки повторяется до тех пор, пока код шага не станет равным нулю. В итоге устанавливается превышающий уровень помех и пересекающий первую полуволну эхо-си гнала о

Измерение временного интервала А (в) производится следующим образом (фиг. 8). Длительность временного строба определяется путем измерения временного интервала Тц для настроенного порога (фиг. 9). Полученное значение CCT TU микропроцессор 15 записывает в счетчик 26 программируемого одновибратора 10. При данном значении временного строба 36 селектор 6 разблокирован непосредственно перед переходом через ноль заднего фронта первой полуволны. Для измерения временного интервала А(В) устанавливается нулевой порог формирователя 5, который формирует сигнал 0 конца интервала измерения,.

Все операции, связанные с измерением временных интервалов А и В, аналогичны, Единственное отличие состо- ит в том, что при настройке коэффициента передачи усилителя k при измерении интервала В значение длительности временного строба устанавливается равным50

ст

(п - 1)

+ с

.(

ст

Временные интервалы А и В содержат паразитные задержки: электронную задержку появления зондирующего сигнала и задержку распространения ультразвука в среде.

5

При вычитании величин Т;., и Тд эти- задержки взаимно компенсируются. Таким образом, формула, рассчитанная микропроцессором 15, дает величину времени распространения ультразвука образце 3, которая выводится на Слгк 1 индикации в удобной для даль- нейп ей работы форме.

Таким образом, применение в уст- роистве дополнительных блоков и новых связей позволяет повысить точность измерений за счет поэтапной автома- ти1;сской настройки коэффициента пере- HrTuvi усилителя и уровня порога Фор- мироватег1Я при выделении первой полу- пслны эхо-сигналов, которая в наименьшей степени подверм(енл интерференции, практически исключает погрешность, оОу(ловленную волноводным эффектом пои распространении ультразвука в из- д | 1ях с небольшим сечением.

Ф

рмула изобретения

Устройство для автоматического измерения вр емени распространения уяьт- Ргэздука, содержащее последовательно электроакустически соединенные гене- рпгор зондирующих импульсов, пьезо- преобразователь, усилитель и формирователь, последовательно соединенные селакто: и измеритель временного ин- т о п е а л гЭ, о г л и н а ю щ е е с я тем, чт:), с целью повышения точности и. мереник, усилитель выполнен с ре- г у|:ируемым коэффициентом гередачи, а формирователь - с регулируемым порогом, устройство снабжено регистром коэффициента передачи, выход которого подключен к входу регулирования коэффициента передачи усилителя, регистром порога, выход которого подключен к входу регулирования уровня nopcjra формирователя, программируемым од 1с;оибратором, выход которого подключен к стробирующему входу селектора, генератором тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовым входам измерителя време ниого интервала и программируемого одновибратора, оперативным запоминающим устройством, постоянным запоминающим устройством, блоком индикации и микропроцессором, шина данных которого подключена к И1;формационным входам регистра коэффициента передачи, регистра порога, программируемого одновибратора, : 1ВНОГО запоминаюи1его устройства, блока индикации и к информационным выходам измерителя временного интервала и постоянного запоминающего устройства, шина адреса - к входам выбора регистра Коэффициента передачи, регистра порога, программируемого одновибратора, измерителя временного интервала, оперативного запоминающего устройства, постоянного запоминающего устройства и блока индикации, выход Запись - к входам Запись регистров коэффициента передачи и порога.

программируемого одновибратора, блока индикации и оперативного запом.-маю- щего устройства, выход Чтение - к входам Чтение измерителя временного интервала, оперативного и постоянного запоминающих устройств, информационный вход селектора подключен к выходу формирователя, вход Сброс - к управляющему выходу измерителя временных интервалов, а выход - к входу Запуска генератора зондирующих импульсов.

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для исследования физико-механических свойств и контроля качества материалов по данным о скорости распространения в них ультразвука. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет формирования конца измерительных интервалов по моменту перехода через нуль заднего фронта первой полуволны, первого и N-го эхо-сигналов. В устройстве применены усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, формирователь с перестраиваемым порогом, регистры коэффициента передачи и порога, оперативное и постоянное запоминающие устройства и микропроцессор, осуществляющие выделение на фоне помех первой полуволны эхо-сигналов и формирование сигналов конца измерительных интервалов автоматически микропроцессорным блоком по программе, хранимой в постоянном запоминающем устройстве, путем поэтапной настройки коэффициента передачи усилителя и уровня порога формирователя, что позволяет измерять с минимальной погрешностью временные интервалы от момента пуска генератора зондирующих импульсов до момента окончания первой полуволны первого эхо-сигнала T_а и N-го эхо-сигнала T_в. Время распространения ультразвука рассчитывается микропроцессорным блоком. 10 ил.

к б1лоду ce eкmopa

ff генератору так- i rnoSun. иппум о

К Siiifoey Чтглие (

микропроцксор- Hofo 5/(ока

К шине адреса

фие.1

17

Содержапое счет- К шине

чика.

Сосгщймие селектора.

С

н I

Устанодха длительности, вре- менного строба fc/n(7;

Ксэ(Щ)икиент передачи t/Se- ичиваетсл на шаг

I

Ша ша раз

i

Остановка кода коэсрсрици- ента передачи

Выдача сигна- лов Начальная устаноЗка Г Пуск

Чтение

состояния

селектора

{коэффициент передачи

дмен шается на. шаг

I

I

Шаг умень - шается 8 дЗа раза

Фиг. 6

УстаноЗкакодщ порога Н орг- еистр порка

j/cmaHo8f(i кода пороги Н о р гистр порога

Да

нет

8f( по

Фи.е.1