Ультразвуковой бесконтактный толщиномер Советский патент 1991 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля и может быть использовано для автоматического измерения толщины движущихся изделий бесконтактным ультразвуковым методом.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения систематической ошибки, возникающей при изменении задержек сигналов в измерительных каналах.

На фиг. 1 изображена структурная схема ультразвукового бесконтактного толщиномера; на фиг. 2 - функциональная схема измерительного канала; на фиг. 3 -функциональная схема блока коррекции результатов измерения.

Ультразвуковой бесконтактный толщиномер содержит синхронизатор 1, первый 2 и второй 3 измерительные и компенсационный 4 каналы, выполненные каждый из последовательно электроакустически соединенных генератора 5 зондирующих импульсов, передающего преобразователя 6, приемного преобразователя 7 и усилителя-формирователя 8, и времяизмеритель- ный блок 9, выполненный из первого 10, второго 11 и третьего 12 преобразователей длительность - код, счетчика 13 циклов, генератора 14 счетных импульсов и последовательно соединенных сумматора 15, вычитателя 16, счетчика 17 результатов, регистра 18 и индикатора 19 результатов, и

о го ю

XI

СП

блока 20 коррекции результатов измерения, первый вход которого подключен к выходу сумматора 15, выход синхронизатора 1 подключен к входам генераторов 5 зондирующих импульсов и к первым входам первого 5 10, второго 11 и третьего 12 преобразователей длительность - код, выходы усилителей- формирователе&8 каналов 2-4 подключены к вторым входа первого 10, второго 11 и третьего 12 преобразователей длитель- 10 ность - код, второй вход блока 20 коррекции результатов измерения подключен к второму входу вычйтателя 16 и к выходу третьего преобразователя 12 длительность - код, третий вход - к третьим входам первого 10, 15 второго 11 и третьего 12 преобразователей длительность - код и к выходу генератора 14 счетных импульсов, четвертый вход - к выходу вычйтателя 16, пятый вход предназначен для механической связи с 20 контролируемым изделием, шестой вход подключен к четвертым входам первого 10, второго 11 и третьего 13 преобразователей длительность - код и выходу счетчика 13 циклов, первый выход - к пятым входам 25 первого 10, второго 11 и третьего 12 преобразователей длительность - код, второй вы- од - к входу Запись регистра 18, третий выход - к входу Запись счетчика 17 результатов, четвертый выход -- к управляю- 30 щему входу синхронизатора 1, пятый шестой и седьмой выходы - к входам Сброс, вычитающий и суммирующий счетчик 17 результатов соответственно, первый и второй входы сумматора 15 подключены к 35 выходам первого 10 и второго 12 преобразователей длительность - код, а выход счетчика 13 циклов - к выходу усилителя- формирователя 8 и к второму входу преобразователя 12 компенсационного канала 4. 40

Обозначены также контролируемое изделие 21 и рефлектор 22 компенсационного канала 4,

Блок 20 коррекции результатов измерения выполнен из последовательно 45 соединенных счетчика 23 ошибок, преобразователя 24 параллельного кода в последова вльный и схемы 25 реверсирования счета, 1.з последовательно соединенных схемы 26 сброса в О и первого 50 элемента ИЛИ-НЕ 27, выход которого является первым выходом блока 20 коррекции результатов измерения, из последовательно соединенных датчика 28 наличия контролируемого издепмя, псрпого элемента И-НЕ 55 29 и первого многофазного генератора 30, из последовательно соединенных второго элемента М-НЕ 3 и второго многофазного генератора 32, второго 33 и третьего 34 элементов ИЛИ-НЕ, первые входы которых

объединены и подключены к первому выходу схемы 26 сброса в О, выходы являются вторым и пятым выходами блока 20 коррекции результатов измерения соответственно, второй и третий входы схемы 25 реверсирования счета являются вторым и первым входами блока 20 коррекции результатов измерения соответственно, четвертый вход подключен к входу Сброс счетчика 23 ошибок, к второму входу первого элемента ИЛИ-НЕ 27 и к второму выходу датчика 28 наличия контролируемого изделия, первый и второй выходы являются шестым и седьмым выходом блока 20 коррекции результатов измерения, первый вход второго элемента И-НЕ 31 подключен к третьему выходу датчика 28 наличия контролируемого изделия, второй вход объединен с вторым входом первого элемента И-НЕ 29 и является шестым входом блока 20 коррекции результатов измерений, первый выход первого многофазного генератора 30 подключен к входу Запись счетчика

23ошибок и второму входу преобразователя 24 параллельного кода в последовательный, второй выход - к третьему входу первого элемента ИЛИ-НЕ 27, первый выход второго многофазного генератора 32 является третьим выходом блока 20 коррекции результатов измерения второй выход подключен к третьему входу преобразователя

24параллельного кода в последовательный, третий выход - к второму входу второго элемента ИЛИ-НЕ 33, четвертый выход- к второму входу третьего элемента ИЛИ-НЕ 34 и четвертому входу первого элемента ИЛИ- НЕ 27, вход датчика 28 наличия контролируемого изделия предназначен для механической связи с контролируемым изделием и является пятым входом блока 20 коррекции результатов измерения, четвертый выход датчика 28 наличия контролируемого изделия подключен к пятому входу первого элемента ИЛИ-НЕ 27, информационный вход счетчика 23 ошибок является четвертым входом блока 20 коррекции результатов измерения, четвертый вход преобразователя 24 параллельного кода в последовательный - третьим входом блока 20 коррекции результатов измерения, а второй выход схемы 26 сброса в нуль - четвер- тым выходом блока 20 коррекции результатов измерения,

Преобразователь 24 параллельного кода в последовательный выполнен из последовательно соединенных первого триггера 35, третьего элемента И-НЕ 36, вычитающего счетчика 37, многовходового элемента ИЛИ 38 и первый одновибратор 39, выход которого подключен к R-входу первого тригrepa 35, информационный вход и вход Запись вычитающего счетчика 37 являются первым и вторым входами преобразователя 24 параллельного кода в последовательный, S-вход первого триггера 35 является третьим входом преобразователя 24 параллельного кода в последовательный, второй вход третьего элемента И-НЕ 36 является четвертым входом преобразователя 24 параллельного кода в последовательный, а выход является выходом преобразователя 24 параллельного кода в последовательный.

Схема 25 реверсирования счета выполнена из последовательно соединенных цифрового компаратора 40, второго триггеоа 41 и четвертого элемента И-НЕ 42, выход которой является вторым выходом схемы 25 реверсирования счета, и последовательно соединенных третьего триггера 43, S-вход которого подключен к второму выходу цифрового компаратора 40, и пятого элемента И-НЕ 44, выход которого является первым выходом схемы 25 реверсирования счета, вторые входы четвертого 42 и пятого 44 элементов И-НЕ объединены и являются первым входом схемы 25 реверсирования счета, R-входы второго 41 и третьего 43 триггеров объединены и являются четвертым входом схемы 25 реверсирования счета, а первый и второй входы цифрового компаратора 40 являются третьим и вторым входами схемы 25 реверсирования счета соответственно,

Схема 26 сброса в О выполнена из последовательно соединенных интегрирующего RC-элемента 45, первого инвертора 46 и второго инвертора 47, вход интегрирующего RC-элемента 45 подключен к источнику питания, а выходы первого 46 и второго 47 инверторов являются первым и вторым выходами схемы 26 сброса в О. Интегрирующий RC-элемент 45 состоит из последова- тельно соединенных резистора 48 и конденсатора 49.

Датчик 28 наличия контролируемого изделия выполнен из первого 50 и второго 51 путевых выключателей, четвертого триггера 52, второго 53 и третьего 54 одновибраторов и двух резисторов 55 и 56, первые входы которых объединены и подключены к источнику питания, вторые входы подключены к S- и R-входами четвертого триггера 52 и неподвижным контактам второго 51 и первого 50 путевых выключателей, входы второго 53 и третьего 54 одновибраторов подключены к прямому и инверсному входам четвертого триггера 52 и являются первым и третьим выходами датчика 28 наличия контролируемого изделия соответственно, выходы являются четвертым и вторым выходами датчика 28 наличия контролируемого изделия соответственно, а подвижные контакты путевых выключателей 50 и 51 подключены к шине Земля толщиномера,

механически связаны между собой и являются входом датчика 28 наличия контролируемого изделия.

Каждый преобразователь 10-12 длительность - код выполнен из последователь0 но соединенных пятого триггера 57, шестого элемента И-НЕ 58 и суммирующего счетчика 59, выход которого является выходом преобразователя 10 (11. 12} длительность - код, a S- и R-входы пятого триггера

5 57, второй вход шестого элемента И Л И-НЕ 58, вход разрешения съема информации и вход Сброс суммирующего счетчика 59 являются первым, вторым, третьим, четвертым и пятым входами преобразователя 0

0 (11,12) длительность - код соответственно Ультразвуковой бесконтактный толщиномер работает следующим образом

При включении источника питания толщиномера схема 26 сброса в О вырабаты5 вает два парафазных коротких импульса. Импульс 1 с ее первого выхода чесез элементы ИЛИ-НЕ 27, 33 и 34 сбрасывает в нуль счетчики 17, 59 и регистр 18. Одновременно при отсутствии контролируемого из0 делия (КИ) триггер 52 устанавливается в 1 и запускает одновибратор 54, который сбрасывает в О счетчик 23 ошибок и триггеры 41 и 43. При этом индикатор 19 высвечивает нули. Импульс О с второго выхода схемы

5 26 сброса в О задерживает запуск синхронизатора 1 на время действия сбрасывающего импульса

После прихода импульса от синхронизатора 1 триггеры устанавливаются , про0 пуская через элемент И-НЕ 58 импульсы от генератора 14 счетных импульсов на суммирующие счетчики 59 до тех пор, пока вновь не установятся в О Это происходит после прихода эхоимпульса и формирования из

5 него импульса сброса усилителем-формирователем 8 (фиг. 2). В результате число импульсов, подсчитываемое каждым счетчиком 59 в измерительных каналах 2 и 3, пропорционально расстоянию от переда0 ющего 6 и приемного 7 преобразователей к КИ 21, а в компенсационном канале 4 - расстоянию от преобразователей 6 и 7 к рефлектору 22. Поскольку процесс зондирования периодический, то счетчики 59 or пе5 риода к периоду суммируют поступившие импульсы, Суммирование выполняется до тех пор, пока на входы R счетчиков 59 не поступят импульсы сброса. Это происходит через число периодов N, равное коэффициенту деления счетчика 13 циклов, на вход

которого поступают импульсы с выхода компенсационного канала 4. Импульс с выхода счетчика 13 циклов поступает на входы Z счетчиков 59, в результате чего информация последних поступает на входы сумматора 15 и вычитателя 16. По окончании съема информации импульсом с второго выхода многофазного генератора 30 сбрасываются счетчики 59 в О. Затем циклы повторяются.

Работа схемы при отсутствии КИ сводится к измерению и запоминанию ошибки установки нуля толщиномера.

Положение переключателей 50 и 51 для этого случая изображено на фиг. 3. При этом на первом выходе датчика 28 формируется 1, на третьем выходе О, элемент И-НЕ

29по первому входу открыт, а элемент И- НЕ 31 закрыт.

Импульсы с выхода компенсационного канала 4 запускают счетчик 13 циклов и через число периодов N с выхода последнего через элемент И-НЕ 29 проходят импульсы, которые запускают генератор 30. Импульс с первого выхода многофазного генератора

30разрешает запись информации в счетчик 23 ошибок и преобразователь 24 параллельного кода в последовательный. Длительность импульса на выходе счетчика 13 циклов выбирается такой, что его активная часть частично совпадает с первым импульсом генератора 30. При этом информация с выхода вычитателя 16 записана в счетчик 23 ошибок и преобразователь 24. Длительность импульса на выходе счетчика 13 циклов может быть отрегулирована RC-эле- ментами в усилителе-формирователе 8

Циклы перезаписи в счетчик 23 и преобразователь 24 повторяются, пока КИ отсутствует в зоне контроля.

При правильной настройке толщиномера и при отсутствгм КИ сумма расстояний от передающих преобразователей 6 к приемным преобразователям 7 в измерительных каналах равна расстоянию от передающего преобразователя к приемному в компенсационном канале, поэтому код числа на выходе вычитателя 16 равен нулю. Однако, если произошла расстройка (например, от смещения датчиков, вызванных вибрацией, не точной их установкой после ремонта или под влиянием разного нагрева датчиков контролируемым изделием), то на выходе вычитателя появляется и в счетчик 23 ошибок записывается код. не равный нулю,

Компенсационный кгнал 4 используется для запуска сметчика 13 циклов и выдачи информации из следующих соображений. По принцип-/ действия толщиномера эхоим- пульс в компенсационном канале 4 приходит позже эхоимпульсов в измерительных

каналах 2 и 3. Поэтому к моменту появления N-ro эхоимпульса и запуска счетчика 13 (к приходу импульсов на входы разрешения съема информации счетчиков 59) информация во всех суммирующих счетчиках 59 уже записана за все N периодов.

Работа схемы в режиме измерения толщины сводится к измерению толщины КИ с учетом ошибки установки нуля толщиноме0 ра, определенной при отсутствии КИ. При входе КИ в зону контроля оно переключает путевые выключатели 50 и 51, триггер 52 устанавливается в О, на первом и третьем выходах датчика 28 устанавливаются О и

5 1 соответственно, а второй одновибратор 53 отрицательным перепадом запускается и выдает одиночный импульс. Последний через элемент ИЛИ-НЕ 27 сбрасывает суммирующее счетчики 59, которые с прихо0 дом первого (после появления КИ в зоне контроля) импульса синхронизатора 1 начинают подсчет числа импульсов, как это описано.

Через N циклов работы синхронизатора

5 1 от счетчика 13 циклов через второй элемент И-НЕ 31 запускается второй многофазный генератор 32 и выдает последовательно четыре импульса. Все они по времени появляются в N-м периоде, в

0 промежутке от N-ro эхоимпульса, сформированного компенсационным каналом 4, или до конца N-ro периода. Первый импульс с первого выхода второго многофазного генератора 32 производит запись в счетчик 17

5 результатов, второй импульс с второго выхода запускает преобразователь 24. Последний преобразует параллельный код, записанный в счетчике 23 ошибок в пропорциональное коду число импульсов, которые

0 поступают через схему 25 реверсирования счета на суммирующий и вычитающий входы счетчика 17 результатов и складывается с записанным ранее кодом (или вычитается из него). В результате на выходе счетчика 17

5 образуется код, пропорциональный толщине КИ с учетом ошибки установки нуля толщиномера. Третий импульс с выхода второго многофазного генератора 32 записывает информацию в регистр 18. а индика0 тор 19 высвечивает ее. Четвертый импульс многофазного генератора 32 сбрасывает счетчик результатов 17 и суммирующий счетчик 57 в нуль. Код числа ошибки в счетчике 23 в режиме измерения толщины не

5 изменяется до выхода КИ из зоны контроля. Сброс кода в О происходит только при переходе в режим измерения ошибки установки нуля. Осуществляется эта операция так: четвертый триггер 52 при переходе в режим измерения ошибки устанавливается

в 1 (фиг. 3). Отрицательный перепад с его инверсного выхода запускает третий одно- вибратор 54, а импульс с выхода последнего через элемент ИЛ И-НЕ 27 сбрасывает счетчики 59 в О.

Работа схемы 25 реверсирования счета сводится к следующему. Цифровой компаратор 40 сравнивает коды чисел по первому и второму входам, а результат сравнения в виде 1 или О (или О и 1)с его выходов поступает на четвертый 42 и пятый 44 элементы И-НЕ через второй 41 и третий 43 триггеры. После поступления на второй вход преобразователя 24 параллельною кода в последовательный импульс с втооого выхода многофазного генератора 32, разрешающего преобразование кода, импульсы генератора 14 через третий вход блока 20 коррекции результатов измерения и элемент И-НЕ 36 поступают на вторые входы элементов И-НЕ 42 и 44 В результате на выходе одного из элементов И-НЕ 42 и 44 образуется 1, на выходе другого - та же последовательность импульсов, что и на первом входе преобразователя 24 Если на суммирующий вход счетчика 17 поступает последовательность импульсов, а на вычитающем входе присутствует 1, счетчик работает в режиме сложения числа, записанного по информационному входу D с чис- лом импульсов, поступающих на суммирующий вход Если знак ошибки изменяется, счетчик 17 работает в режиме вычитания, Таким образом, на выходе счетчика 17 появляется, а индикатор 19 отражает ое- зультат измерения толщины без ошибки установки нуля толщиномера.

Бесконтактный толщиномер позволяет исключить из результата измерений систематические ошибки, вызванные изменени ем базы между передающими и приемными преобразователями измерительных и компенсационного каналов в процессе измерений внешних факторов (вибрация, температура и т.д.).

Формула изобретения 1. Ультразвуковой бесконтактный толщиномер, содержащий синхронизатор, первый и второй измерительные и компеч- сационный каналы, выполненные каждый из последовательно электроакустически соединенных генератора зондирующих импульсов, передающего преобразователя, приемного преобразователя и усилителя- формирователя, и времяизмерительный блок, выполненный из первого, второго и третьего преобразователей длительность - код, счетчика результатов, индикатора результатов, счетчика циклов и генератора счетных

импульсов, выход синхронизатора подключен к входам генераторов зондирующих импульсов и к первым входам первого, второго и третьего преобразователей длительность - код, выходы усилителей-формирователей подключены к вторым входам первого, второго и третьего преобразователей длительность - код соответственно выход генератора счетных импульсов подключен к третьим входам первого, второго и третьего преобразователей длительность - код, отличающийся тем, что. с целью повышения точности, времяизмерительный блок снабжен последовательно соединенными сумматором и блоком коррекции результатов измерения, вычитателем, первый вход которого подключен к выходу сумматора, и регистром информационный вход которого подключен к выходу счетчика результатов, выход - к входу индикатора результатов, второй вход блока коррекции результатов измерения подключен к второму входу вы- читателя и выходу третьего преобразователя длительность - код третий вход - к выходу генератора счетных импульсов, четвертый вход - к информационному входу счетчика результатов и выходу вычитателя, пятый вход предназначен для механической связи с контролируемым изделием шестой вход подключен к четвертым входам перво го, второго и третьего преобразователей длительность - код и выходу счетчика циклов, первый выход - к пятым входам первого, второго и третьего преобразователей длительность - код второй выход - к входу Запись1 регистра, третий выход - к входу Запись счетчика результатов, четвертый выход - к управляющему входу синхрониза- чора пятый, шестой и седьмой выходы - к входам Сброс, вычитающему и суммирующему счетчикам результатов соответственно, первый и второй входы сумматора подключены к выходам первого и второго преобразователей длительность - код соответственно, а вход счетчика циклов - к ьыходу усилителя-формирователя компенсационного канала

2 Толщиномер по п. 1, о-т л и ч а ю щ и й- с я тем, что блок коррекции результатов измерения выполнен из последовательно соединенных счетчика ошибок, преобразователя параллельного кода в последовательный и схемы реверсирования счета, последовательно соединенных схемы сброса в О и первого элемента ИЛИ-НЕ, выход которого является первым выходом блока коррекции результатов измерения, последовательно соединенных датчика наличия контролируемого изделия, первого элемента И-ИЕ и первого многофазного генератоpa, последовательно соединенных второго элемента И-НЕ и второго многофазного генератора, второго и третьего элементов ИЛИ-НЕ, первые входы которых объединены и подключены к первому выходу схемы сброса в О, а выходы являются вторым и пятым выходом блока коррекции результатов измерения соответственно, второй и третий входы схемы реверсирования счета являются вторым и первым входами блока коррекции результатов измерения, четвертый вход подключен к входу Сброс счетчика ошибок, к второму входу первого элемента ИЛИ-НЕ и к второму выходу датчика наличия контролируемого изделия, .первый и второй выходы являются шестым и седьмым выходом блока коррекции результатов измерения, первый вход второго элемента И-НЕ подключен к третьему выходу датчика наличия контролируемого изделия, второй вход объединен со вторым входом первого элемента И-НЕ и является шестым входом блока коррекции результатов измерения, первый выход первого многофазного генератора подключен к входу Запись счетчика ошибок и второму входу преобразователя параллельного кода в последовательный, второй выход- к третьему входу первого элемента ИЛИ-НЕ, первый выход второго многофазного генератора является третьим выходом блока коррекции результатов измерения, второй выход подключен к третьему входу преобразователя параллельного кода в последовательный, третий выход - к второму входу второго элемента ИЛИ-НЕ, четвертый выход- к второму входу третьего элемента ИЛИ-НЕ и четвертому входу первого элемента ИЛИ- НЕ, вход датчика наличия контролируемого изделия предназначен для механической связи с контролируемым изделием и является пятым входом блока коррекции результатов измерения, четвертый выход датчика наличия контролируемого изделия подключен к пятому входу первого элемента ИЛИ- НЕ, информационный вход счетчика ошибок является четвертым входом блока коррекции результатов измерения, четвертый вход преобразователя параллельного кода в последовательный -третьим входом блока коррекции результатов измерения, а второй выход схемы сброса в О - четвертым выходом блока коррекции результатов измерения.

З.Толщинрмер по пп. 1и2,отличаю- щ и и с я тем, что преобразователь параллельного кода в последовательный выполнен из последовательно соединенных первого триггера, третьего элемента И-НЕ, вычитающего счетчика, многовходового

элемента ИЛИ и первого одновибратора, выход которого подключен к R-входу первого триггера, информационный вход и вход Запись вычитающего счетчика являются

первым и вторым входами преобразователя параллельного кода в последовательный, S- вход первого триггера является третьим входом преобразователя параллельного кода в последовательный, второй входтретье0 го элемента И-НЕ является четвертым входом преобразователя параллельного кода в последовательный, а выход - выходом преобразователя параллельного кода в последовательный,

5 4, Толщиномер по пп, 1 и 2, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что схема реверсирования счета выполнена из последовательно соединенных цифрового компаратора, второго триггера и четвертого элемента И-НЕ, вы0 ход которого является вторым выходом схемы реверсирования счета, и последовательно соединенных третьего триггера, S- вход которого подключен ко второму выходу цифрового компаратора, и пятого элемента

5 И-НЕ, выход которого является первым выходом схемы реверсирования счета, вторые входы четвертого и пятого элементов И-НЕ объединены и являются первым входом схемы реверсирования счета, R-входы второго

0 и третьего триггеров объединены и являются четвертым входом схемы реверсирования счета, а первый и второй входы цифрового компаратора являются третьим и вторым входами схемы реверсирования

5 счета соответственно.

5.Толщиномер по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что схема сброса в О выполнена из последовательно соединенных интегрирующего RC-элемента, первого

0 инвертора и второго инвертора, вход интегрирующего RC-элемента подключен к источнику питания, а выходы первого и второго инверторов являются первым и вторым вы% ходами схемы сброса в О соответственно.

5

6.Толщиномер по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что датчик наличия контролируемого изделия выполнен из первого и второго путевых выключателей, четвертого

0 триггера, второго и третьего одновибрато- ров и двух резисторов, первые входы которых объединены и подключены к источнику питания, вторые входы подключены к S- и R-входам четвертого триггера и неподвиж5 ным контактам второго и первого путевых выключателей соответственно, входы второго и третьего одновибраторов подключены к прямому л инверсному выходам четвертого триггера и являются первым и третьим выходом датчика наличия контролируемого изделия соответственно, выходы являются четвертым и вторым выходом датчика наличия контролируемого изделия, а подвижные контакты путевых выключателей подключены к корпусу толщиномера, механически связаны между собой и являются входом датчика наличия контролируемого изделия

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля и может быть использовано для автоматического измерения размеров различных объектов. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет исключения систематической ошибки, возникающей при изменении задержек сигналов в каком-либо акустическом канале. Использование в толщиномере блока коррекции результатов измерения позволяет при отсутствии контролируемого изделия в зоне контроля измерять в процессе контроля начального отсчета (нуля) величину систематической ошибки, равную разности между суммой расстояний от передающих преобразователей до приемных в измерительных каналах и расстояния от передающего преобразователя до приемного в компенсационном канале, запоминать ее, а в процессе измерения толщины контролируемого изделия суммировать с результатом измерения или вычитать из него в зависимости от знака ошибки, что повышает точность контроля при воздействии внешних факторов. 5 з.п. ф-лы, 3 ил. со

Фив. 1

«о.

fr CNJ «