Ультразвуковой эхоимпульсный толщиномер Советский патент 1991 года по МПК G01B17/02 G01N29/00 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к ультразвуковой измерительной технике, и может быть использовано для измерения толщины изделий.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния вариаций уровня эхосигналов,

На фиг.1 представлена функциональная схема эхоимпульсного толщиномера; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Ультразвуковой эхоимпульсный толщиномер содержит(фиг.1)синхронизатор 1, генератор 2 зондирующих импульсов, приемопередающий преобразователь 3. усилитель 4, дифференциальный усилитель 5, эмиттерные повторители 6 и 7, делитель 8, коммутаторы 9 и 10, униполярные пороговые усилители 11 и 12. смеситель 13, резистор 14, фазосдвигающую RC-цепь, состоящую из резистора 15 и конденсатора 16, компаратор 17, измеритель 18 временных интервалов, индикатор 19, одновибратор 20, RC-триггер 21, элемент 22 совпадений, одновибратор 23, RS-триггер 24, элемент 25 совпадений, одновибратор 26, RS-триггер 27 и элемент 28 совпадений.

Синхронизатор 1 подключен первым выходом к входу генератора 2 зондирующих импульсов, выход которого подсоединен к входам приемопередающего преобразоваО

Ь

ы

Ю 4 СЛ

теля 3 и усилителя А, и вторым выходом к установочным R-входам Р5-триггеров21,24 и 27, к первому входу измерителя 18 временных интервалов и к входу одновибрато- ра 20, подсоединенного выходом к S-входу триггера 21, прямой выход которого соединен с первым входом элемента 22 совпадений, подсоединенного вторым входом к выходу компаратора 17 и выходом у С-входу RS-триггера 1 и к входу одновибратора 23, выход которого подключен к S-входу RS- триггера 24. Триггер 24 соединен прямым выходом с первым входом элемента 25 совпадений, подключенного вторым входом х выходу компаратора 17, выходом к С-входу RS-триггера 24 и к входу одновибратора 6, подсоединенного выходом к S-входу PS- триггера 27, прямой выход которого соединен с первым входом элемента 28 совпадений. Элемент 28 совпадений подключен вторым входом к выходу компаратора 17 и выходом к С-входу RS-триггера 27. Выход усилителя 4 соединен с входом дифференциального усилителя 5, подключенного пер- вым выходом через последовательно соединенные эмиттерный повторитель б и делитель 8 к первому входу коммутатора 9 и вторым выходом через эмиттерный повторитель 7 к первому входу коммутатора 10. Коммутатор 9 подсоединен вторым входом к прямому выходу RS-триггера 21 и выходом через униполярный пороговый усилитель 11 к первому входу смесителя 13. Коммутатор 10 подсоединен вторым входом к инверсному выходу RS-триггера 21 и выходом через униполярный пороговый усилитель 12 к другому входу смесителя 13, выход которого подключен через резистор 14 к одному входу компаратора 17 и через фазосдвигаю- щую RC-цепь, состоящую из резистора 15 и конденсатора 16, к другому входу компаратора 17. Выход измерителя 18 временных интервалов соединен с входом индикатора 19. Второй и третий входы измерителя 18 временных интервалов предназначены для подключения соответственно к первому выходу синхронизатора 1 и к выходу первого элемента 22 совпадений или соответственно к выходам второго и третьего ээлементов 25 и 28 совпадений.

Ультразвуковой эхоимпульсный толщиномер работает следующим образом.

Синхронизатор 1 передним фронтом импульса с первого выхода запускает генератор 2 зондирующих импульсов (фиг.2а), и импульс со второго выхода устанавливает RS-триггеры 21, 24, 27 по установочному R-входу и измеритель 18 временных интервалов по первому входу в исходное состояние и запускает одновибратор 20. Генератор 2 зондирующих импульсов возбуждает приемопередающий преобразователь 3. Ультразвуковой импульс, излученный приемопередающим преобразователем 3, вводится через согласующую среду в контролируемое изделие (на фиг.1 цифровой позицией не обозначено) и, распространяясь п нем, претерпевает многократные отражения от поверхностей. Ультразвуковые коле0 бания, возникающие при этом, принимаются приемопередающим преобразователем 3, преобразуются им в электрические сигналы, которые поступают, в усилитель 4. Усиленные усилителем 4 сигналы поступают на

5 вход дифференциального усилителя 5, который формирует на выходах две последовательности импульсов: на первом (прямом) выходе - импульсы без изменения фазы (фиг.2б), на втором (инверсном) выходе 0 импульсы с противоположной фазой (фиг.2в),

Сигналы с выходов дифференциального усилителя 5 поступают через эмитгерные повторитепи 6 и 7 на входы коммутаторов 9

5 и 10, причем сигналы с его первого (прямого) выхода поступают на один вход коммутатора 9 через делитель 8,что позволяет снизить амплитуду сигнала в последовательности эхоимпульсов (фиг.2б) до уровня амплитуды

0 сигналов на втором (инверсном) выходе дифференциального усилителя 5 (фиг.2в). С выходов коммутаторов 9 и 10 сигналы поступают на входы униполярных пороговых усилителей 11 и 12 соответственно, которые

5 осуществляют усилие полезного сигнала и отсечку шума. Сигналы с выходов усилителей 11 и 12 (фиг.2г,д) поступают на входы смесителя 13, в котором осуществляется объединение сигналов с выходов усилите0 лей 11 и 12 (фиг.2е). На выходе смесителя 13 получается последовательность импульсов, в которой информационные полуволны имеют одинаковую полярность и близкие по значениям амплитуды и на временной раз5 вертке эхоимпульсов отсутствуют шумы. Сигнал с выхода смесителя 13 подается на входы компаратора 17, причем на первый (прямой) вход сигнал подается через резистор 14, а на второй (инвертирующий) вход

0 сигнал подается с задержкой, обусловленной наличием фазосдвигающей RC-цепи в виде резистора 15 и конденсатора 16 (фиг.2е,ж).

При этом компаратором 17 фиксируют5 ся моменты пересечения фронта сдвинутых импульсов со спадом исходных (фиг.Зз) и передний фронт каждого сформированного импульса отстает от истинной временной координаты пиковой амплитуды эхосигнала на время, равное половине постоянной времени фазосдвигающей цепи, состоящей из резистора 15 и конденсатора 16.

При такой привязке информационных импульсов к вершинам эхоимпульсов применение отсечки шумов с помощью усилителей 11 и 12 не вносит дополнительной погрешности в отличие от привязки к опре- деленном - уровню. Компенсируется погрешность, возникающая от вариации уровня эхоимпульсов в широком диапазоне толщин, при измерении материалов с разным коэффициентом затухания, кривизной, качеством поверхности и т.п.

Для выделения информационных сигналов из серии импульсов служат одновиб- раторы 20, 23 и 26, RS-триггеры 21, 24 и 27, элементы 22, 25 и 28 совпадения.

Длительность выходного импульса од- Новибратора 20 определяется временем переходных процессов в усилителях 4 и 5 и толщиной и скоростью ультразвуковых колебаний в согласующем материале. По заднему фронту импульса (фиг.2и) с выхода одновибратора 20 взводится по S-входу RS- триггер 21. На его прямом выходе устанавливается потенциал, разрешающий прохождение импульсов с выхода компаратора 17 через элемент 22 совпадений (фиг.2к). Первый импульс, соответствующий импульсу от поверхности ввода, пройдя через элемент 22 совпадений (фиг.2л), своим задним фронтом по С-входу сбрасывает RS-триггер 21, который запрещает дальнейшее прохождение импульсов через элемент 22 совпадений.

Импульс с выхода элемента 22 совпадений запускает одновибратор 23, по заднему фронту его импульсов (фиг.2и) взводится RS-триггер 24 по S-входу, на прямом выходе которого устанавливается потенциал (фиг.2н). разрешающий прохождение импульса, соответствующего первому донному импульсу, через элемент 25 совпадений, который, пройдя через последний (фиг.2о), своим задним фронтом сбрасывает RS-триггер 24 по С-входу и запрещает дальнейшее прохождение импульсов через элемент 25 совпадений.

Импульс с выхода элемента 25 совпадений запускает одновибратор 26, по заднему фронту его импульса взводится RS-триггер

27по S-входу, на выходе которого устанавливается потенциал, разрешающий прохождение импульса, соответствующего второму донному импульсу, через элемент

28совпадений (фиг.2п). Импульс, соответствующий второму донному импульсу, пройдя через элемент 28 совпадений, своим задним фронтом по С-входу сбрасывает RS- триггер 27, выходной сигнал которого

запрещает дальнейшее прохождение эхоимпульсов через элемент 28 совпадений.

Информационные импульсы поступают на второй и третий входы измерителя 18, где 5 длительность временного интервала, формируемого по передним фронтам этих импульсов, преобразуется в метрические единицы, соответствующие измеряемой толщине, которая высвечивается индикато0 ром 19.

В качестве информационных выбираются различные пары эхоимпульсов в зависимости от диапазона контролируемой толщины, формы поверхности и т.д. контролируе5 мого изделия.

Второй и третий входы измерителя 18 подключаются в зависимости от режима работы толщиномера соответственно а) к первому выходу синхронизатора 1 и к выходу

0 элемента 22 совпадений для работы с совмещенным контактным преобразователем без линии задержки на больших толщинах ( 100 мм); б) к выходам элементов 22 и 25 совпадений для работы с преобразователем

5 с линией задержки (толщина 40 мм); в) к выходам элементов 25 и 28 совпадений для работы с контактным преобразователем на малых толщинах ( 100 мм).

Использование изобретения позволяет

0 повысить точность измерений за счет привязки к временному центру, то есть временной координате пика информационной полуволны ка донных эхоимпульсов, так и импульса от поверхности ввода, формиро5 вания измеритзльного интервала между любой парой импульсов из нижеперечисленных: синхронизирующий импульс - первый донный импульс (контактный пьезопреоб- разователь без линии задержки), импульс от

0 поверхности ввода - донные эхоимпульсы между донными эхоимпульсами. Формула изобретения Ультразвуковой эхоимпульсный толщиномер, содержащий последовательно элек5 троакустически соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, приемопередающий преобразователь и усилитель, первый резистор, фазосдвигаю- щую RC-цепь из второго резистора и кон0 денсатора, компаратор, измеритель временных интервалов с тремя входами, три одновибратора, три элемента совпадений, три RS-триггера и индикатор, подключенный входом к выходу измерителя времен5 ных интервалов, синхронизатор подсоединен вторым выходом к R-входам всех RS-триг- геров, к первому входу измерителя временных интервалов и к входу первого одновибратора, выход которого подключен к S-входу первого триггера, прямой выход которого

соединен с первым входом первого элемента совпадений, подсоединенного выходом к С-входу первого RS-триггера и к входу второго одновибратора, выход которого подключен к S-входу второго RS-триггера. при- мой выход которого соединен с первым входом второго элемента совпадений, подсоединенного другим входом к выходу компаратора, а выходом к С-входу второго RS- триггера и к входу третьего одновибратора, выход которого подсоединен к S-входу третьего RS-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом третьего элемента совпадений, подключенного другим входом к выходу компаратора, выходом к С-входу третьего RS-триггера, а компаратор подключен входами соответственно к одним выводам первого резистора и фазосд- вигающейRC-цепи,отличающийся тем, что, с целью повышения точности измере- ний, оно снабжено двумя эмиттерными повторителями, делителем, двумя коммутаторами, двумя униполярными пороговыми усилителями, смесителем и дифференциальным усилителем, подключенным входом к выходу усилителя, первым выходом к последовательно соединенным первому эмит- терному повторителю и делителю, подключенному выходом к первому входу первого коммутатора, вторым выходом к входу второго эмиттерного повторителя, выход которого подключен к первому входу вторсго коммутатора, первый коммутатор подключен вторым входом к инверсному выходу первого триггера и выходом к входу первого униполярного порогового усилителя, выход которого подсоединен к первому входу смесителя, второй коммутатор подсоединен вторым входом к прямому выходу первого триггера и выходом к входу второго униполярного порогового усилителя, выход которого подключен к другому входу смесителя, выход которого соединен со вторыми выводами первого резистора и фазосдвигающей RC-цепи, второй и третий входы измерителя временных интервалов предназначены для подключения соответственно к первому выходу синхронизатора и выходу первого элемента совладений, или к выходам первого и второго элементов совпадений, или к выходам второго и третьего элементов совпадений.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к ультразвуковой измерительной технике, и может быть использовано для измерения толщины изделий. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет исключения влияния вариаций уровня эхосигналов. Компаратором 17 фиксируются моменты пересечения фронта сдвинутых импульсов со спадом исходных, и передний фронт каждого сформированного импульса отстает от истинной временной координаты пиковой амплитуды эхосигнала на время, равное половине постоянной времени фазосдвигаю- щей цепи из резистора 15 и конденсатора 16. При такой привязке информационных импульсов к вершинам эхоимпульсов применение отсечки шумов с помощью униполярных пороговых усилителей 11 и 12 не вносит дополнительной погрешности в отличие от привязки к определенному у ровню, что позволяет компенсировать погрешность, возникающую от вариации уровня эхоимпульсов в широком диапазоне толщин, при измерении материала с разными параметрами. 2 ил. w Ё