Ультразвуковой толщиномер Советский патент 1991 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для неразрушающего контроля при одностороннем доступе толщины изделий, изготовленных из материалов с высоким коэффициентом затухания ультразвука, а также имеющих большую кривизну поверхности.

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет формирования после- довательности временных интервалов, окончание которых осуществляется поочередно по переднему и заднему фронтам эхо- сигнала.

На фиг. 1 изображена структурная схема ультразвукового толщиномера: на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Толщиномер содержит последовательно электроакустически соединенные синхронизатор 1, генератор 2 зондирующих импульсов, преобразователь 3 и усилитель

4, последовательно соединенные первый счетчик 5 и индикатор 6, последовательно соединенные формирователь 7 интервалов времени, первый вход которого подключен к выходу синхронизатора 1, первый регулируемый одновибратор 8 и второй счетчик 9, генератор 10 счетных импульсов, выход которого подключен к счетным входам первого и второго счетчиков 5 и 9, последовательно соединенные формирователь 11 фронта импульса и коммутатор 12, триггер 13 и второй одновибратор 14. вход которого подключен к первому входу первого счетчика и выходу формирователя 7 интервалов времени, выход - к вторым входам первого и второго счетчиков 5 и 9 и входу Сброс триггера 13, второй вход коммутатора 12 подключен к входу формирователя 11 фронта импульса и к выходу усилителя 4, управляющий вход- к прямому выходу триггера 13, выход-к второму входу

Ё

Os

VI о

Јь

о

формирователя 7 интервалов времени, а счетный вход триггера 13 подключен к выходу синхронизатора 1.

Позициями 15-30 обозначены выходы сигналов с блоков ультразвукового (УЗ) толщиномера.

Толщиномер работает следующим образом.

Перед началом измерения толщины, пока преобразователь 3 не установлен на поверхность контролируемого изделия, на выходе одновибратора 14 присутствует сигнал О, а выходной сигнал счетчика 9 соответствует 1. В этом случае входы счетчиков 5 и 9 закрыты, а триггер 13 приведен в устойчивое начальное состояние с О на прямом выходе. Сигнал 1 с выхода счетчика 9 разрешает работу синхронизатора 1, который, в свою очередь, периодически генерирует короткие прямоугольные импульсы.

Каждый импульс синхронизатора 1 запускает генератор 2 зондирующих импульсов и одновременно поступает на входы триггера 13 и формирователя 7 интервалов времени. Триггер 13, закрытый сигналом О от одновибратора 14, не реагирует на этот импульс. Импульс синхронизатора 1, являющийся старт-сигналом, своим передним фронтом переключает формирователь 7 интервалов времени в состояние 1 на выходе или подтверждает это состояние.

От первого импульса синхронизатора 1 (фиг. 2, 15), сформировавшегося после установки преобразователя 3 на поверхность изделия, также запускается генератор 2. Выходной импульс последнего через преобразователь 3 излучается в изделие в виде короткого ультразвукового импульса (фиг. 2, 16). Ультразвуковой импульс, отразившись от противоположной поверхности изделия, принимается преобразователем 3 и преобразуется в электрический сигнал (фиг. 2, 17; первый радиоимпульс соответствует измерению малой толщины, второй радиоимпульс - большой толщины, пунктирной линией показана кривая затухания ультразвука в контролируемом изделии).

Выходной сигнал преобразователя 3 поступает на вход усилителя 4, имеющего уровень отсечки входных сигналов Un. Наличие в усилителе 4 уровня отсечки повышает достоверность результатов измерений исключением ложных его срабатываний от постоянно присутствующих на выходе преобразователя 3 различных шумов (фиг. 2, 17),

Усилитель 4 усиливает входные сигналы уровень которых превышает Un, до стандартной для логических элементов амплитуды (фиг. 2, 18) На фиг 2, 17 точками показаны моменты включения и выключения усилителя 4.

Импульсы с усилителя 4 поступают на

входы формирователя 11 фронта импульса и коммутатора 12. Формирователь 11 вырабатывает на своем выходе прямоугольный импульс(фиг. 2, 19)от каждого отрицательного фронта входного импульса (фиг. 2,

0 18). Коммутатор 12 в зависимости от уровня сигнала на его управляющем входе соединяет второй вход формирователя 7 интервалов времени либо с выходом усилителя 4, либо с выходом формирователя

5 11 фронта импульса. При сигнале 1 на управляющем входе коммутатора 12 последний соединяет формирователь 7 с усилителем 4, д в противном случае - с формирователем 11 фронта импульса. При

0 этом любой импульс с выхода коммутатора 12 для формирователя 7 интервалов времени является стоп-сигналом.

В данном случае коммутатор 12 пропускает импульсы формирователя 11 на вто5 рой вход формирователя 7 интервалов времени. На выходе последнего устанавливается сигнал О. Фронт переключения сигнала формирователя 7 с 1 на О запускает одновибратор 14. На выходе последнего ус0 танавливается сигнал 1, который открывает входы счетчиков 5 и 9 и дает разрешение триггеру 13.

Таким образом, одновибратор 14 вырабатывает на выходе сигнал 1 только в том

5 случае, когда преобразователь 3 принимает отраженный от противоположной поверхности изделия ультразвуковой импульс. При этом одновибратор 14 имеет следующую особенность в работе - при формировании

0 с частотой генерации синхронизатора 1 импульсов формирователем 7 интервалов времени он постоянно поддерживает на своем выходе сигнал 1, т, е. одновибратор 14 в толщиномере служит блоком контроля каче5 ства акустического контакта между преобразователем 3 и изделием. В качестве одновибратора 14 может быть использован, например, одновибратор с повторным запуском типа К155АГЗ.

0 От импульса синхронизатора 1, сформи- ровавшегося после установления на выходе одновибратора 14 сигнала 1, запускается генератор 2 и переключаются триггер 13 и формирователь 7. На выходах

5 триггера 13 и формирователя 7 устанавливаются сигналы Г. Сигнал с выхода триггера 13, воздействуя на управляющий вход коммутатора 12, соединяет усилитель 4 с вторым входом формирователя 7. Отраженный от противоположной поверхности ультразвуковой импульс преобразуется преобразователем 3, усиливается усилителем 4 и поступает на второй вход формирователя 7. От переднего фронта выходного импульса усилителя 4 (фиг. 2, 18) последний возораща- ется в исходное состояние - на его выходе формируется прямоугольный импульс с длительностью THI (фиг; 2, 20)

Длительность ТИ1 измеряют квантованием счетными импульсами генератора 10, следующим с частотой F0. Результат измерения - Fo в режиме сложения записывается в счетчик 5.

Передний фронт импульса формирователя 7 запускает регулируемый одновиб- ратор 8, а его задний фронт повторно запускает одновибратор 14.

Одновибратор 8 на своем выходе формирует прямоугольный импульс с длительностью

Т Тс Ас

где - размерный коэффициент;

с - скорость распространения ультразвукового импульса в материале контроли- руемого изделия.

Длительность Тс также измеряют квантованием счетными импульсами генератора 10 и результат измерения Nc Tc -Fc в режиме сложения записывается в счетчик 9.

От следующего импульса синхронизатора 1 вновь запускается генератор 2, переключаются триггер 13 и формирователь 7. На выходе триггера 13 устанавливается сигнал О, второй вход формирователя 7 соединяется с выходом формирователя 11. В этом случае на выходе формирователя 7 интервалов времени формируется прямоуголь- ныйимпульссдлительностьюТн2(фиг. 2, 21), которую также измеряют квантованием счетными импульсами генератора 10, а результат измерения Мн2 Тн2 F0 суммируется с содержимым в счетчике 5.

Передним фронтом импульса с длительностью Тц2 также запускается одновибра- тор 8. Длительность его выходного импульса Тг измеряют квантованием с частотой FO и суммируют с содержимым счетчика 9.

Такой периодический процесс запуска генератора 2 зондирующих импульсов, переключения триггера 13. поочередного формирования на выходе формирователя 7 интервалов времени прямоугольных импуль- совсдлительностямиТнтиТн2.формирования на выходе одновибратора 8 прямоугольного импульса с длительностью Тс, измерения длительностей Тщ. Тн2 и Тс, суммирования результатов в соответствующих счетчиках

продолжается до Юреполнения счетчика 9, имеющего емкость 10 , где R - целое положительное число, определяющее вес младшего разряда результата измерения толщины изделия.

При достижении в счетчике 9 числа 10 им вырабатывается импульс переноса, соот- ветст сующий сигналу О, который запрещает работу синхронизатора 1. Измерение толщины изделия заканчивается. Содержимое счетчика 5, являющееся результатом измерения толщины, выводится на индикатор б для регистрации

При измерении длительностей THI иТн2 в счетчике 5 толщиномера накапливается результат, равный измерению двух длительностей Тср1 л- Окончание

которых на временной оси совпадает с вершиной приемного симметричного импульса, соответствующего отраженному от противоположной поверхности изделия ультразвуковому импульсу (фиг. 2, 17; 2, 20; 2, 21).

п -г 2 н При этом длительность ТСр1 - ,

L

где Н - толщина контролируемого изделия.

Чтобы длительность HCpi действительно была равна отношению двойной толщины изделия к скорости ультразвука в материале, как обычно в ультразвуковой толщино- метрии, вводят элемент задержки между выходом синхронизатора 1 и первым входом формирователя 7 интервалов времени. Длительность задержки устанавливают равной времени, необходимому для прохождения ультразвуковым импульсом призм преобразователя 3. На фиг. 1 элемент задержки не показан.

Таким образом, в толщиномере решается система уравнений

Nk

М

М

2 Nm+y -

Nm + Мн2

где NC - содержимое счетчика 9;

NH - содержимое счетчика 5, результат измерения толщины,

М - объем выборки измерения.

Решив первое уравнение системы относительно объема выборки измерения получаем

М

10

R

1°

TcFo

А С 10R.

Nc TcFo 2F0 Подставив значение М во второе уравение системы, имеем м Ac 10R TmFo + Тн2Т0 Н 2F02

Требуемая разг арность результата измерения Мц (мм и т. д) обеспечивается переносом Т)ПЛТРЙ в индикаторе 6 со стороны разрядов. Например для представления результата измерения в мм запятая переносится на (R-3) разряда.

Необходимую длительность выходного импульса одновибратора 8 устанавливают перед измерением толщины при калибровке толщиномера с помощью эталонного образца, изготовленного из материала контролируемого изделия. Для этого преобразователь 4 устанавливают на поверхность эталонного образца, имеющего толщину Нс и регулировкой длительности выходного им- пупьса одновибратора 8 добиваются показания на индикаторе 6 числа АНсЮ , т е I, осуществляется традиционная методика калибровки ультразвукового толщиномера. В этом случае длительность -с.

На фиг. 2 и 3 также иллюстрируется от- л гштельмая особенность толщиномера, которая заключается в том, что момент окончания длительности ТСр, соответствующей любой измеряемой толщине, на временной оси всегда совпадает с вершиной приемного импульса, отраженного от противоположной поверхности изделия, независимо от затухания ультразвука в материале или кривизны поверхности контролируемого объекта. На фиг. 2, 17: 2, 22 и 2, 23 приведены диаграммы измерения большой толщины изделия с высоким коэффициентом затухания ультразвука. На фиг. 3 Для сравнения показаны случаи измерения одинаковой толщины плоско- . гс и выпуклого изделий Импульс синхронизатора 1, определяющий начало ТСр, представлен на фиг 3, 24. При этом импульсы, приведенные на фиг. 2, 26 и 2 29, сформированы от переднего фронта, а им- пумьгы, приведенные на фиг. 2, 27 и 2, 30, - от заднего фронта приемного импульса преобразователя 3. Отсюда видно совпадение окончания длительности Тер с вершинами приемных импульсов (фиг. 3. 25. 2, 28)

Таким образом, введение в схему толщиномера формирователя фронта импульса, коммутатора, триггера и второго одновибратора с необходимыми функциональными связями между блоками позволяет фиксировать временной интервал

прохождения ультразвуковых колебаний в изделии, окончание которого совпадает с вершиной приемного импульса, а также контролировать акустический контакт между преобразователем и изделием.

Формула изобретения Ультразвуковой толщиномер, содержащий последовательно электроакустически соединенные синхронизатор, генератор

зондирующих импульсов, преобразователь и усилитель, последов: ельно соединенные первый счетчик и индикатор, последовательно соединенные формирователь интервалов времени, первый вход которого

подключен к выходу синхронизатора, первый регулируемый одновибратор и второй счетчик и генератор счетных цмпульсов, выход которого подключен к счетным входам первого и второго счетчиков, а выход формирователя интервалов времени подключен к первому входу первого счетчика, о т- личающийся, тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен последовательно соединенными формирователем фронта импульса и коммутатором, триггером и вторым одно- вибратором, вход которого подключен к выходу формирователя интервалов времени, выход - к вторым входам первого и второго

счетчиков и входу Сброс триггера, второй вход коммутатора подключен к входу формирователя фронта импульса и к выходу усилителя, управляющий вход - к прямому выходу триггера, выход - к второму входу

5 формирователя интервалов времени, а счетный вход триггера подключен к выходу синхронизатора.

f

is Ln.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для неразрушающего контроля при одностороннем доступе толщины изделий, изготовленных из материалов с высоким коэффициентом затухания ультразвука, а также имеющих большую кривизну поверхности. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет формирования последовательности временных интервалов, окончание которых осуществляется поочередно по переднему и заднему фронтам эхо-сигнала. Применение в схеме толщиномера формирователя фронта импульса, коммутатора, триггера и второго одновибратора с необходимыми функциональными связями позволяет фиксировать временной интервал прохождения ультразвуковых колебаний в изделии, окончание которого совпадает с вершиной приемного импульса, а также контролировать акустический контакт между преобразователем и изделием. 3 ил.

-J-.

Фиг.З