Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер Советский патент 1991 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля толщины материала ультразвуковым методом и может быть использовано в машиностроении, авиастроении и других отраслях промышленности.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет циф- рояой системы коррекции результатов измерений.

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

Ультразвуковой (УЗ) эхоимпульсный толщиномер i одержит последовательно соединенные синхронизатор 1, генератор 2 зондируюгчих импульсов, усилитель 3, первый к -шаратор 4, формирователь 5 измерительного импульса, схему ИЛИ 6, первый триггер 7, генератор 8 импульсов заполнения, блок 9 выделения основных импульсов и реверсивный счетчик 10, последовательно соединенные формирователь 11 временного остатка, блок 12 выделения до- полнительш-rx импульсов, вычитающий счетчик 13 и второй триггер 14, выход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика 10, приемопередающий преобразователь 15, подключенный к выходу генератора 2 зондирующих импульсов, второй компаратор 16, вход которого соединен с выходом усилителя 3, выход - г вторым входом формирователя 5 измерительного импульса,

о ел ю

00

фэрмировагель 17 калибровочного импульса, выход которого соединен с вто рым входом схемы ИЛИ 6, шинные формирователи 18 и блок 19 цифровой обработки, выполненный из соединенных шинами данных и управления регистра 20 скорости, регистра 21 данных, первого и второго регистров 22 и 23 сомножителей, регистра 24 произведения, арифметического блока 25, бпока 26 программного управления и умножителя 27, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго регистров 22 и 23 сомножителей со- ответственно, выход - с входом регистра 24 произведения, вход блока 26 программного vnpanneiinn является входом синхронизации блока 19 цифровой обработки и соединен с третьим вхо- дом формирователя 5 измерительного импульса и первым выходом синхронизатора 1, входы шинных формирователей 13 соединены с информационными выходами реверсивного и вычитающего счетчи- ков 10 и 13, вход управления - с шиной управления блока 19 цифровой обработки, выход - с шиной данных блока 19 цифровой обработки, второй выход синхронизатора 1 соединен с входами Сброс реверсивного и вычитающего счетчиков 10 и 13, с входами Установка первого и второго триггеров 7 и 14 и первым входом формирователя 11 временного остатка, второй вход последнего соединен с выходом схемы ИЛИ 6, третий и четвертый входы - с вторым и первым выходами блока 9 выделения основных импульсов соответственно, второй выход - с вторым вхо- дом блока 9 выделения основных импульсов, второй выход вычитающего счетчика 13 соединен с третьим входом блока Ч выделения основных импульсов, а второй вход блока 12 выделения до- полнительных импульсов соединен с выходом генератора 8 импульсов заполнения.

Позициями 23-40 обозначены выходы сигналов с блоков УЗ толщиномера.

Ультразвуковой эхоимпульсиый толщиномер работает следующим образом.

Синхронизатор 1 вырабатывает импульсы 28, определяющие частоту повторения циклов измерения толщиномера, импульсы 29, управляющее Формирователем 17 калибровочного импульса, и импульсы 30, осуществляющие сброс реверсивного 10 и вычитающего 13

Q г

0

5

счетчикон, а также vor-шоику перпого и второго триггеров 7 и 14 и формирователи 11 времен юго остатка. Импульсы генератора 2 зондирующих импульсов возбуждают приемопередающий пьезопре- обрачонатель 15, излучающий ультразвуковой импульс по нормали к передней грани контролируемого изделия в слой промежуточной жидкости. Ультразвуковой импульс претерпевает отражение от передней грани изделия и многократные отражения от грачей стенки контролируемого изделия, после чего принимается приемопередающим пьезо- преобразователем 15. преобразуется им в электрические охоимнульсы, которые усиливаются усилителем 3 и поступают на входы первого компаратора 4 и второго компаратора 16. Импульсы 31 и 32 с выходов первого компаратора 4 и второго компаратора 16, соот- ветствугар ие отрахениям ультразвукового импульса от передней грани и многократным отражениям внутри контролируемого изделия, поступают на входы формирователя 5 измерительного импульса.

В формирователе 5 измерительного импульса из импульсов 31 и 32 вырабатывается измерительный 33, длительность которого пропорциональна толщине стенки изделия. Затем осуществляется преобразование длительности измерительного импульса в цифровой измерительный код. С этой иелью импульс 33, пройдя схему ИЛИ 6, запускает первый триггер 7, на выходе которого формируется импульс 34. Далее импульсом 34 запускается генератор 8 импульсов заполнения, который вырабатывает счетные импульсы 35, привязанные по фазе к положительному фронту импупьса 34. Импульс 33 поступает также на формирователь 11 временного остатка и устанавливает в состояние 1 его внутренний регистр. Последний выдает на выход формирователя 11 импульс 36, который разрешает прохождение импульсов 35 через блок 9 выделения основных импульсон на счетный вход реверсивного счетчика 10. Направление счета реверсивного летчика 10 определяется вторым триггером 14,

который импульсом 50 синхронизатора 1 устанавливается в положение, соответствующее режиму суммирования реверсивного счетчика 10. Кон г ц им -iv н,га 36 определяется отрицательным перепадом

s|f 5

второго ИМПУЛЬС л посчецрпатепьнопм 3 после окончания измерительного импульса 31. Из импульс on 31 и 4ft ; л формирователе 11 временного кл выделяется импупьс 37, чли пм;.- ность KOTOPOI ) соотвстстгуи интервалу времени от момента окончания измерительного имнутьса 33 до второго импульса заполнения. 37, TI свою очередь, поступает на вход О ю- ка 12 выделения допотигельных импульсов, который осуществпяет его линейное расширение л k рая (Упе k - емкость вЕ-гштающего счетчика 11) и запопнение счетными импульсами 35. Импульсы 39 с выхода блока 12 выделения дополнительней импульсов поступают на вход вычитающего счетчика 13.

С приходом четвертого импульса 39 на вход вычитающего счетчика 13 происходит установка второго триггера 14 в положение, когда его выходной импульс переводит реверсивный счетчик 10 в режим вычитания. При обнулении вычитающего счетчика 13 импульсы Заем с его выхода поступают на вход реверсивного счетчика 10 через блок 9 выделения основных импупьсов.

Полученный в вычитающем и реверсивном счетчиках 13 и 10 код результата измерения длительности измери- тельного импулься (младшие разряды в вы штающем счетчике 13, а старине - в реверсивном счетчике 10) поступает на шинные формирователи 18, предназначенные для связи выходов счетчиков с трехстабильной ииной данных, Далее цифровой код обрабатывается согласно программе, записанной в блоке 26 про- граммног о управления.

Корректировка результатов измерений толнлны изделия основана на учете измеренного в каждом такте зондирования коэффициента отличия результата измерения длительности высокостабильного (кварцованного) калибровочного импульса от чожтяльного числа X. Последнее получают в результате измерения длительности калибровочного импульса при номинальной частоте генератора импульсов тлполчьния и нальном значении ко ,фоип;иента расширения расширителя временных интервалов. Черсс (XiАХ) обозначим число, получение0 в результате реального измерения длигечьностп калибровочного импульса, Тогда коэффициент отличия измеренной длительности кллнбровочпо .8176

го импульса от заданной выражается Лормулон

V - - - - -

х+дх

m

Получение точного значения измеряемой толщины S изделия определяют по

формуле

10

S-I.C

к,

(2)

5

0

С где Т - значение времени распространения ультразвука в материале (длительность измерительного импульса), измеренное в том же канале, что и длительность калибровочного импульса;

известное значение скорости распространения ультразвука в материале контролируемого изделия, используемое в качестве одного из исходных данных контроля.

Однако вычисление коэффициента К - по формуле (1) связано с большими затратами времени для реализации операции деления, что приводит к значительному снижению производительности контроля. Поскольку практическая аппарат- 0 пая реализация генератора 8 импульсов заполнения и расширителя временных интервалов обеспечивают отличие значения vX+iX) от X не более чем на единицы процентов, то формулу (1) для 5 коэффициента К представим в более удобной для вычисления форме с помощью разложетш в ряд Наклорена. Записав формулу Маклорена в общем виде

. .тао)-/1

0

f(X)f(0).(нО

-х+. . .+

(Г)

1

mi

(п+1)

(3)

и применив формулу (3) при к функ45 дни Ш)---,

где ДX const, получаем

1 АХ Х1 Х+ДХ Ч X2

.

уY

к хТй-х 1+ (4)

ПРИ отклонении значения (Х+ДХ)

5

от

значения X менее чем на 2%, формула (4) обеспечивает вычисление коэффициента К с погрешностью около 0,001%, что достаточно для того, чтобы дополнительная погрешность измерения значения толщины S, вноси-.

мая неточностью вычисления коэффициента К, была значительно меньше основной погрешности измерения. Длительность калибровочного импульса выбирают так, что ее измеренное значение , где тп - максимальная разрядность представления обрабатываемых данных в двоичном коде. Тогда реализация вычисления коэффициента К по фор- муле (А) сводится к операциям сложени и умножения. Деление же на 2 осуществляется путем простого отбрасывания младших m разрядов, что значительно снижает время, затрачивав- мое на вычисление коэффициента К.

Для расчета толщины по формуле (2) вначале значение скорости распространения ультразвуковых колебаний в материале корректируется по фор-

муле с(-йхДЈ

с(с+X

),

(5)

а затем полученное значение С используется для расчета толщины изде- 25 лия по формуле

S 2

(6)

Формирователь 17 калибровочного импульса запускается импульсом 29 синхронизатора 1 и вырабатывает импульс 40 стабильной (кварцованной) длительности. Этот импульс через схему ИЛИ 6 в каждом периоде формирования зондирующих импульсов поступ ет на тот же, что и измерительный импульс, преобразователь длительносг ти импульса в цифровой код. В этом режиме, по результатам измерения длительности калибровочного импульса, в блоке 19 цифровой обработки вычисляется значение приведенной скорости С, (то есть реализуется алгоритм вычисления С, по формуле (5)). Для реализации алгоритма вычисления приведенной скорости С4 по формуле ( с максимальным быстродействием длительность калибровочного импульса выбирается так, чтобы ее измеренное

значение , где m - разрядность реверсивного и вычитающего счетчиков, т.е. разрядность шины данных. При этом n-й разряд шины данных после измерения .калибровочного импульса будет содержать информацию о знаке отклонения величины &Х (при го-й разряд - ноль, при щ-й разряд - единица). Выбор такой длительности калибровочного импульса

0

5

0 п 5

0

5

позволяет легко решить задачу деления в двоичном коде на формуле (5) путем отбрасывания m младших разрядов от полученного результата умножения U Х- и С(&Х+

1 у2

+--). Код значения скорости С,

X

хранится в первом регистре 22 до следующего такта и используется для корректировки результата измерения по. формуле (6).

Регистр 21 данных служит для хранения кода числа, полученного в результате измерения измерительного импульса в течение одного такта следования синхроимпульсов.

Первый и второй регистры 22 и 23 используются для временного хранения первого и второго сомножителей при перемножении на аппаратном умножителе 27. Результат умножения помещается в регистр 24 произведения.

Регистр 20 скорости служит для хранения действительного значения скорости С ультразвуковых колебаний в материале контролируемого изделия.

Арифметический блок 25 служит для приема операндов из мины данных, их обработки (сравнение кодов результатов измерения толщины в каждом такте работы синхронизатора с предельно допустимыми значениями, определение их минимального и максимального значения согласно программе, генерируемой блоком 26 программного управления, а также выдачи результатов арифметических и логических операций над операндами в шину данных).

Блок 26 программного управления осуществляет хранение текста про- грамм, их генерацию в зависимости от режима работы толщиномера, выдачу в шину управления сигналов, осуществляющих управление режимами.работы регистра 20 скорости, регистра 21 данных, первого 22 и второго 23 регистров, регистра 24 произведения, шинных формирователей 18, вырабатывает поел едовательность микрокоманд, управляющих работой арифметического блока 25, а также отображает результаты обработки на световых и цифровых индикаторах.

При измерении длительности измерительного импулься в начале такта работы синхронизатора 1 согтлсно программе, генерируемой блоком 2Ь про-, граммного управления, оОггпочивает25

)2Ч

ся: перезапись цифрового кода длитгль- иости измерительного импульса, хранящегося п регистре 21 данных, во нто- рой регистр 23; перемножение в аппп- 5 ратном умножителе 27 записанного в первый регистр 22 кода приведенной скорости С(, вычисленного и предыдУ щем такте синхронизатора, и содержащегося во втором регистре 23 кода, 10 полученного в результате измерения длительности измерительного импульса в данном такте синхронизатора, размещение кода результата умножения в регистре 24 произведения; считывание 15 цифрового кода из регистра 24 ведения в арифметическое блок 25, его обработка согласно программе и выдача результатов обработки в шину данных; перезапись кода чиспа с выхода 20 вычитающего 13 и реверсивного 10 счетчиков через шинные формирователи 18. Таким образом, использование в УЗ толщиномере вместо системы автоматической подстройки частоты генератора импульсов -заполнения цифровой коррекции результатов измерения путем вычисления приведенной скорости распространешя УЗ колебаний в контролируемом изделии повышает точность измерений, а также снижает требования к стабильности напряжения питания и температурной стабиль- ногти генератора импульсов заполнения и расширителя временных интервалов ,

30

35

Формула изобретения

Ультразвуковой эхоимпульсный толщиномер, содержащий последоватеттьно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, усилитель, первый компаратор, формирователь измерительного импульса, схему ИЛИ, нерв;и триггер, генератор импульсов заполнения, блок выделения основных импупьсов и реверсивный счетчик, последовательно соединенные формирователь временного остатка, блок RI,деления дополнительных импульсов, вычитающий счетчик и второй триггер, ньгход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика, приемопередающий преобразователь, подключенный к вы5

Ч

0 5 0

0

5

0

5

0

5

7Ю

ход генератора зондирующих импульсов, второй компаратор, вход которого соединен с выходом усилителя, выход - с вторым входом формировате- ня измерительного импульса, формирователь калибровочного импульса, выход которого соединен с вторым входом схемы IUIH, и блок цифровой обработки, первый выход синхронизатора соединен с третьим входом формирователя измерительного импульса, второй выход синхронизатора - с входами Сброс 1 реверсивного и вычитающего сче-тчиков, с входами Установка первого и второго триггеров и с первым входом формирователя временного остатка, вторым входом соединенного с выходом схемы ИЛИ, третьим и четвертым входами - с вторым и первым выходами блока выделения основных импульсов соответственно, вторым выходом - с вторым входом блока выделения основных импульсов, второй выход вычитающего счетчика соединен с третьим входом блока выделения основных им пульсов, а второй вход блока выделения дополнительных импульсов соединен с выходом генератора импульсов заполнения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен шинными формирователями, а блок цифровой обработки выполнен из соединенных шинами данных и управления регистра скорости, регистра данных, первого и второго регистров сомножителей, регистра произведения, арифметического блока и блока программного управления и умножителя, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго регистров сомножителей соответственно, выход - с входом регистра произведения, вход блока программного управления является входом синхронизации блока цифровой обработки и соединен с первым выходом синхронизатора, входы шинных формирователей соединены с информационными выходами реверсивного и вычитающего счегчиксв, вход управления - с ииной управления блока цифровой обработки, выход - с шиной данных блока цифровой обработки, а третий выход синхронизатора соединен с входом формирователя калибровочного импульса.

Фиг.1

Т

Q

П

JLJLJL J I

ЖЖ

ЖЖШШШУШ

1IL

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля толщины материала и может быть использовано в машиностроении, авиастроении и других отраслях промышленности. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет цифровой системы коррекции результатов измерений. Использование в толщиномере блока цифровой обработки с аппаратным умножителем позволяет осуществить быстрое вычисление приведенной скорости распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии в каждом цикле измерения и скорректировать значение тол- щины изделия. Такая коррекция результата повышает точность измерений и снижает требования к стабильности напряжения питания и температурной стабильности генератора импульсов заполнения и расширителя временных интервал ол. 3 ил. S (Г)

П

n

Ui

шина управления

шина данны

Фиг. 2

26

ТП

шина данных ГЧ