Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер Советский патент 1990 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике И может быть использовано для измерения толщины изделий с односторонним доступом к поверхности.

Целью изобретения является повы- , шение точности измерения толщины за счет кратного растягивания интервала времени, пропорционального толщине изделия,

На фиг.1 показана функциональная схема предлагаемого ультразвукового эхо-импульсного толщиномера; на - зависимости напряжений от времени в различных точках функциональной схемы толщиномера; на фиг.З- гфинципиальная электрическая схема )слючевого управляемого генератора импульсов (КУГИ)} на фиг,4 - принципиальная схема блока сравнения временного положения импульсов.

Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер содержи.т последовательно соединенные синхронизатор I, приеьг- но-передающий блок (ППБ) 2 и акустический блок 3, преобразователь 4 маалтаба времени, которьй состоит из последовательно coeдинeнlaJx счетчика 5 фиксированного числа, вход установки в исходное состояние которого соединен с выходом начала отсчета времени Ш1Б 2, первого ключевого управляемого генератора 6 импульсов (КУГИ), выход которого подсоединен к счетному входу счетчика 5 фиксированного числа, первого блока 7 сравнения временного положения импульсов- (БСВПИ), второй сравнивающий вход которого соединен с выходом конца от- счета времен ППБ .2, а вход установ ЕЙ в исзшдкое состояние соединен с синхронизатором 1, и хгергзого фильтра 8 нижних частот (ФНЧ), выход которо I O соединен с управляющим входом первого КУГИ 6 последовательно соединенные приемник 9 головных волн, ко торый устано1злен на фиксированном расстоянии от акустического блока 3, и усилитель 1.0, преобразователь 1 I время код из последовательно соединенных второго КУГИ 12, вход запуска которого соединен с выходом счетчика 5 фиксированного числа, и счетчика 13, вход установки в исходное состояние которого соединен с синхронизатором 1, последовательно

ливает выход счетчика 5 фиксироватг ного числа в единичное состояние, Вследствие этого первый и второй КУГИ 6 и 12 начинают генерировать импульсы соответственно. Первый пос ле начала генерировании положительный фронт первого КУГИ 6 поступает на первый вход первого БСВПИ 7. На второй вход, первого БСВПИ 7 поступает импульс с выхода конца отсчета времени. Вследствие времени рассогл сования между входными фронтами пер вого БСВПИ 7 вырабатывается импульс длительностью, равной этому временному рассогласованиюS и полярностью определяемой фазой рассогласования. Если время появления импульса конца отсчета отстает от времени появле-

1C

15

соединенные дешифратор 14 фиксирован- 20 первого положительного фронта ного числа, блок 15 за,чержки, второй БСВПИ 16, второй вход которого соединен с усилителем 10, а вход установки в исходное состоянив соединен с

после начала возбуждения первого КУГИ 6, тогда на выходе первого БСВПИ 7 формируется отрицательный импульс, который несколько снижает

синхронизатором 1, второй ФНЧ 17,, вы-25 напряжение на выходе первого ФНЧ 8 ход которого соединен с управляющим входом второго КУГИ 12 .преобразователя 11 время код, и последовательно соединенные буфер IB, входы которого соединены с выходами счетчика 13, и зО цифровой индикатор 19, при этом вход переноса буфера 18 соединен с выходом преобразователя 4 масштаба времениа Акустический блок 3 устанавливается на изделие

Ультразвуков.ой эхо-импульсный толщиномер работает следукяцим образом.

и частоту первого Ю ГИ 6. Поэтому рассогласование между сравниваемыми фронтами уменьшается. Если импульс конца отсчета времени опережает пер вый положительный фронт первого КУГ 6, тогда на выходе первого БСВПИ 7 формируется положительный импульс, который несколько увеличивает управ ляющее напряжение на выходе первого ФНЧ 8 и увеличивает частоту первого КУГИ 6, В конечном счете в системе слежения устанавливается равновесие и сравниваемые фронты совпадают во времени. Генерируемые первым КУГИ 6 импульсы поступают на счетный вход счетчика 5 фиксированного числа, и через п периодов на выходе счетчика 5 фиксированного числа устанавливается нуль. Таким образом, на выходе счетчика 5 формируется импульс, дли тельность которого в п раз превышае временной интервал между входными импульсами, В течение растянутого временного интервала второй КУГИ 12 генерирует синхронные заг уску иьшул сы. Эти импульсы поступают в счетчи 13, Когда на выходе счетчика 13 об- разуется код m числа импульсов, тог да на выходе дешифратора 14 фиксиро ванного числа появляется положитель ный фронт. Этот фронт задерживается в блоке 15 задержки на время распро странения ультразвукового импульса головных волн в акустическом блоке

40

Синхронизатор 1 формирует сингхро импульс, который запускает ППБ 2 и устанавливает в исходное состояние первый БСВПИ 7, счетчик 13 и второй БСВПИ 16, ППБ 2 форш1рует ;5лектричес- кий возбуждающий импульс, который

поступает на акустический блок 3, д5 Акустический блок 3 излучает ультразвуковые имп:ульсы в изделие 20 и принимает отраженные от Е1Нешней и внутренней стенок И1 01ульсы« В ППБ 2 эти иьшульсы усиливаются, формируются и разделяются на.разные выходы. На од-

ном выходе ППБ 2 форьзируется и шульс начала отсчета времени, на другом - импульс конца отсчета времени, ВреМя между этими импульсами равно времени распространения ультразвукового им пульса от внешней до внутренней поверхности изделия 20 и обратно. Импульс начала отсчета времени устанав

50

55

890524

ливает выход счетчика 5 фиксироватг ного числа в единичное состояние, Вследствие этого первый и второй КУГИ 6 и 12 начинают генерировать импульсы соответственно. Первый после начала генерировании положительный фронт первого КУГИ 6 поступает на первый вход первого БСВПИ 7. На второй вход, первого БСВПИ 7 поступает импульс с выхода конца отсчета времени. Вследствие времени рассогласования между входными фронтами первого БСВПИ 7 вырабатывается импульс длительностью, равной этому временному рассогласованиюS и полярностью, определяемой фазой рассогласования. Если время появления импульса конца отсчета отстает от времени появле-

1C

15

первого положительного фронта

после начала возбуждения первого КУГИ 6, тогда на выходе первого БСВПИ 7 формируется отрицательный импульс, который несколько снижает

напряжение на выходе первого ФНЧ 8 О 5

0

5

0

5

и частоту первого Ю ГИ 6. Поэтому рассогласование между сравниваемыми фронтами уменьшается. Если импульс конца отсчета времени опережает первый положительный фронт первого КУГИ 6, тогда на выходе первого БСВПИ 7 формируется положительный импульс, который несколько увеличивает управляющее напряжение на выходе первого ФНЧ 8 и увеличивает частоту первого КУГИ 6, В конечном счете в системе слежения устанавливается равновесие, и сравниваемые фронты совпадают во времени. Генерируемые первым КУГИ 6 импульсы поступают на счетный вход счетчика 5 фиксированного числа, и через п периодов на выходе счетчика 5 фиксированного числа устанавливается нуль. Таким образом, на выходе счетчика 5 формируется импульс, длительность которого в п раз превышает временной интервал между входными импульсами, В течение растянутого временного интервала второй КУГИ 12 генерирует синхронные заг уску иьшуль- сы. Эти импульсы поступают в счетчик- 13, Когда на выходе счетчика 13 об- разуется код m числа импульсов, тог да на выходе дешифратора 14 фиксированного числа появляется положительный фронт. Этот фронт задерживается в блоке 15 задержки на время распространения ультразвукового импульса головных волн в акустическом блоке

3, в призме приемника 9 головных волн и в электрических цепях. Этот задержанный фронт поступает на первый вход второго БСВПИ 16, На второй вход второго БСВПИ 16 поступает при нятый приемником 9 головных волн ультразвуковой импульс. Таким обра зом, обеспечивается равенство времени m периодов импульсов второго КУГИ 2 и времени распространения головных волн от точки их ввода до точки их вывода.из изделия 20, Если это равенство нарушается, тогда на выходе второго БСВПИ 16 формируется им- .пульс, полярность и длительность которого определяются фазой и величиной рассогласования сравниваемых фронтов. Этот импульс через второй ФНЧ 17 уменьшает рассогласование увеличением или уменьшением частоты второго УШ 12, Скорость головных волн равна скорости продольных ультразвуковых волн. Поэтому на выходе второго КУГИ 12 в течение растянутого временного интервала формируются импульсы, частота которых прямо пропорциональна скорости распространения продольных волн. Количество импульсов, сосчитанное счетчиком 13, пропорционально тол;цине изделия 20, Эта информация с счетчика 13 по окончании растянутого интервала времени переносится через буфер 18 на цифровой индикатор 19.,

Особенность схемы Ю ГИ (фиг.З) состоит в том, что она генерирует импульсы, синхронные с входным запускающим импульсом. В предлагаемом ,решении это позволяет реализовать следящие системы с разрешающей способностью по временному рассогласованию намного меньше времени между импульсами, т.е. a-iaMiioro меньше периода поступающих на вход БСВПИ импульсов. Это происходит потому, что всегда известны фазовые соотношения генерируемых КУГИ импульсов с запускающим его импульсом,.

БСВПИ перед каждым зондированием устанавливается в исходное состояние импульсом от синхронизатора 1,.Тогда в точке между резисторами напряжение между резисторами равно приблизительно половине питающего микросхему напряжения;, оба транзистора закрыты (фиг,4), Если первым положительный фронт проходит в Вх1, тогда на выхо052

де верхнего триггера формируется отрицательный фронт, в результате .-- нижний транзисторг открывается. Когда приходит второй положительный фронт в Вх2, тогда инвертированный выход нижнего триггера приобретает состояние логической единицы, и нижний транзистор закрывается. После воз- 1Q действия синхроимпульса схема опять готова к работе. Если первым-положительный фронт приходит в Вх2,. тогда в течение времени рассогласования входных фроктол открыт верхний трак- ,5 зистор. Таким образом- обеспечиваемся изменение напряжения на выходе тч только в течение времени рассогласования входных положительных фронтов. Это позволяет с высокой точностью осуществить слежение фиксированного числа периодов КУШ за принимаемыми ультразвуковыми импульсами.

Первый БСВПИ 7 не срабатывает от положительного фронта импульсов первого КУШ 6, совпадающего по времени с и тульсом начала отсчета времени, потому что синхроимпульс заканчивается позже, чем появляется импульс начала отсчета времени ППБ 2,

20

25

30

35

I

Предлагаемый ультразвуковой эхоимпульсньй толщиномер имеет повьпиен- ную точность измерения, так как позволяет осуществить кратное растяпг- вание интервала времени, пропорцио- напьного толщине изделия, с высокой точностью.

40

Формула

изобретения

1. Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер, содержащий последовательно соединенные синхронизатор, приемно-передающий блок и акустический блок, преобразователь масштаба времени, соединенный с приемно-пере- дающим блоком, и преобразователь время - код, который состоит из по- следовательно соединенных первого ключевого управляемого генератора импульсов ключа, управляющий вход которого соединен с. преобразователем масштаба времени, и счетчика, соединенного с синхронизатором, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности измерения, преобразователь масштаба времени выполнен из последовательно соединенных счет0

5

, 1

чика фиксированного числа, вход кр- торого соединен с .выходом начала отсчета временного интервала приемно- передающего блока, первого ключенюго управляемого генератора импульсов, выход которого соединен со счетнь1м входом счетчика фиксированного числа первого блока сравнения временного положения и a yльcoв, второй вход которого соединен с выходом конца отсчета временного интервала прйемно- передающего блока, а его вход установки в исходное состояние соединен с синхронизатором, и первого фильтра нижних частот, выход которого соединен с управляющим входом первого ключевого управляемого генератора импульсов.

2« Толщиномер по , о т ли - чающийся тем, что он снабжен последовательно соединенными приемни8

ком головных волн, установленным на фиксированном расстоянии от акусти ческого блока, и усилителем, и после довательно соединенными дешифратором фиксированного числа, входы которого соединены с выхрдами счетчика преобразователя время - код, блоком задержки, вторым блоком сравнения временного положения импульсов, второй вход которого соединен с усилителем, а вход установки в исходное состояние соединен с синхронизатором, и вторым фильтром нижних частот, а преобразователь время код состоит из последовательно соединенных второго клйчевого управляемого генератора импульсов, один вход которого соединен с выходом счетчика фиксированного числа преобразователя масштаба времени, а его управляющий вход соединен с вторым фильтром нижних частот, и счетчика.

Изобретение относится к ультразвуковой толщинометрии. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет кратного растягивания интервала времени, пропорционального толщине изделия. Кратность растягивания временного интервала определяется коэффициентом пересчета счетчика фиксированного числа и не зависит от нелинейностей и нестабильностей генераторов тока. Кроме того, толщиномер снабжен каналом калибровки, учитывающим изменения скорости распространения звука в изделии. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Фиё. 1

д

и

ruiUл

г

.П

пл

1

Фаг.З

omcuHxp.1

ФигЛ