Ультразвуковые способ измерения толщины изделий и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01B17/02 

Фиг 6

фронтами первого и второго эхо-импульсов, В ультразвуковом устройстве для измерения толщины изделий RS-триггер 21 обеспечивает работу триггеров 8 и 16 от момента появления первого эхо-импульса до момента окончания второго эхо-импульса для устранения ложных

срабатываний, а второй однов иатп 71 обеспечивает выборку напряжения на выходе сумматора 12, пропорционального г.опусу-тл временных интервалов соответственно меу;ду передними и задними фронтами первого и рого эхо-импульсов 2 с.п ф-лы, 1 ил

Изобретение относится к нерэзрушающе- му ультразвуковому контролю и может быть использовано при измерении толщины Цель изобретения - повышение точности измерений. Для этого излучают в измеряемое изделие ультразвуковые импульсы, принимают первый и второй эхо-импульсы и определяют временной интервал между передними фронтами первого и второго эхо-импульсов Дополнительно измеряют временной интервал между задними фронтами первого и второго эхо-импульсов, а о толщине изделия судят по полусумме измеренных временных интервалов между передними и задними

Изобретение относится к неразрушающему контролю ультразвуковым методом и может быть использовано для контроля толщины изделий.

Известен ультразвуковой способ определения толщины изделий, заключающийся в том, что искатель располагают на поверхности измеряемого изделия через контактный слой жидкости возбуждают ультразвуковые колебания, определяют разонансные частоты системы измеряемое изделие - жидкий контактный слой при различных толщинах двух контактных жидкостей с одинаковой ультразвуковой скоростью и по резонансным частотам определяют толщину изделия.

Недостатком известного способа является низкая производительность, связанная с необходимостью многократного определения резонансной частоты, и сложность подбора двух жидкостей с одинаковой ультразвуковой скоростью

Известен ультразвуковой спосоЕ контроля толщины изделий, заключающийся в том, что излучают в изделие ультразвуковые импульсы, принимают импульсы, отраженные от донной поверхности, измеряют время между ьими, дополнительно измеряют уоьтразвуковым эхсметодом толщину двух контрольных образцов, толщина которых соответствует верхнему и нижнему значениям диапазона толщин, по времени между донными импульсами судят о толщине изделия с учетом измерения толщины контооль- ных образцов

Недостатком известного способа является низкая производительность, вызванная необходимостью проведения дополнительных измерений толщин двух контрольных образцов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, по которому излучают а изделие ультразвуковые импульсы, принимают первый и второй эхо-импульсы и определяют на заданном уровне временной интервал между передними фронтами первого и второго эхо-импульсов и по нему судят о толщине измеряемого изделия

Недостатком способа является низкая точность измерений, которая обусловлена

изменением амплитуды агорого эхо-ммпуль- гз вследствие изменения шерохоеа1ос.ти v клиновиднпстл донной поверхности измеряемого изделия

Известен ультразвуковой axo- vnyrbc

ный толщиномер, содержащий последово ель- но соединенные синхронизатор генератор акустический преобразователь предварительный усилитель, усилигель-формирпчатель первого эхо-импульса формироззтель измерительных импульсов, формирователь управляющих импульсов, схему И бпок памяти цифровой фильтр и блок цифровой индикации, последоватрльно соединенные

ждущий мультивибратор и RS-триггер же аналого-цифровой преобразователь и усилитель второго эхо-импульса, причем вход последнего подключен к выходу предварительного усилителя, а перрый и второй

выходы RS-триггера соединены с вторыми входами схемы И и цифрового фильтра соответственно, Выход усилителя второго эхоси-хагсэ соединен с входом ждущего мультиеибра горп л втор&и входом фоомирователя изг/ерутелиных импульсов, выход последнего соединен с входом аналого-цифрового преобра эва е- ля, к выходу которого подключен етооой вход блока памяти, 3 выход си чхронизэгора соединен с вторым входом формирователя управляющих

импульсов, аналого-цифрового преобразователя, RS-триггера и усилителя-формирователя первого эхо-импульса.

Недостатком данного толщиномера является наличие методической погрешности,

появляющейся вследствие изменения амплитуды второго эхо-импульса, так как длительность интервала между моментами начала и конца отсчета формирователя измерительных импульсов при неизменном уровне измерений является функцией амплитуды второго эхо-импульса.

Цель изобретения - повышение точности измерений

Поставленная цепь достигается тем что

в ультразвуковом способе измерения гоя- щины излучают в изделие ультразвуковые импульсы, принимают первый и второй зхо- импульсы, измеряют на заданном уровне временной интервал между передним фронтом первого яхо-импульса и передним фронтом второго эхо-импульса, дополнительно измеряют временной интервал между задними фронтами первого и второго эхо-импульсов, а о толщине изделия судят по полусумме указанных временных интервалов, измеря- емых на указанном заданном уровне,

Кроме того, ультразвуковое устройство для измерения толщины изделий, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор, акустический преобразователь, предварительный усилитель, усилитель-формирователь и первый триггер, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, блок памяти и блок цифровой индикации, а также RS-триггер, первый вход которого подключен к выходу синхронизатора, снабжено последовательно соединенными первым умножителем временного интервала, первым генератором линейно изменяющегося напряжения, первым пиковым детектором и сумматором, последовательно соединенными вторым триггером, вторым умножителем временного интервала, вторым генератором линейно изменяющегося напряжения и вторым ПИКОЗУМ детектором, а также первым и вторым одновибраторами. причем вход второго триггера подключен к выходу усилителя-формирователя, выход первого триггера соединен с входом первого умножителя временных интервалов, вы- ход второго пикового детектора соединен с вторым входом сумматора, выход первого одновибратора соединен с вторым входом RS-триггера, вход первого одновибратора подключен к выходу второго триггера, вы- ход синхронизатора соединен с вторыми входами первого и второго пиковых детекторов, выход RS-триггера соединен с вторыми входами первого и второго триггеров, вход второго одновибратора подключен к выходу второй умножителя временных интервалов, выход второго одновибратора соединен с вторыми входами блока памяти и аналого- цифрового преобразователя, а вход последнего подключен к выходу сумматора.

Сравнение предлагаемого способа с прототипом позволяет установить соответствие его критерию новизна.

Признак измерения временного интервала между задними фронтами первого и второго эхо-импульсов на заданном уровне и определение полусуммы измеренных вре- гленных интервалов неизвестен. Признаки предлагаемого устройства широко известны, но их совокупность позволяет измерить вре- конной интервал между задними фронтами первого и второго эхо-импульсов и определить полусумму измеренных временных интервалов.

На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - эпюры электрических импульсов на пьезоэлементе совмещенного акустического преобразователя: на фиг. 3 - осциллограммы первого и второго эхо-импульсов; на фиг. 4 - эпюры первого и второго эхо-импульсов при различной амплитуде второго эхо-импульса; на фиг. 5 - эпюры второго эхо-импульса с различном крутизной переднего и заднего фронтов эхо- импульса; на фиг. 6 - функциональная схема предлагаемого устройства для измерения толщины изделий; на фиг. 7 - временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого устройства.

Устройство включает последовательно соединенные генератор 1, акустический преобразователь 2 и осциллограф 3. Пьезо- элемент акустического преобразователя 2 контактирует с внешней поверхностью измеряемого изделия 4 через ультразвуковую линию задержки. Пьезоэлемент попеременно выполняет функции излучателя и приемника ультразвуковых колебаний.

Способ реализуется следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает электрические импульсы И (фиг. 2 а), которые преобразуются акустическим преобразователем 2 в акустический сигнал. Часть энергии ультразвукового импульса, прошедшего линию задержки, отражается от внешней поверхности измеряемого изделия 4 обратно в сторону пьезозлемента, а часть энергии проходит внутрь изделия 4 и, отразившись от внутренней поверхности, возвращается к пьезоэлементу, претерпевая частичное отражение на границе раздела линии задержки и изделия 4. Эпюры электрических импульсов на пьезоэлементе представлены на фиг. 2, где И - импульс с генератора, возбуждающий пьезозлемент в режиме излучения, От и 02 - импульсы, отраженные от внешней и внутренней поверхностей изделия 4. Импульсы многократных отражений между поверхностями изделия 4 на фиг. 2 не показаны. Электрический сигнал с выхода акустического преобразователя 2 поступает на вход осциллографа 3, в котором для удобства наблюдения за осциллограммами первого и второго эхо-импульсов От и 02 осуществлена синхронизация от внешнего сигнала и введена временная задержка появления сигнала на экране осциллографа 3. Частота развертки и коэффициент усиления по вертикали выбираются такими, чтобы на экране воспроизводились только первый и второй эхо-импульсы в масштабе, удобном для наблюдения. Примерный вид осциллограммы представлен на

«inn 3, i це 11 - j rfMet Hjwi интервал между переднчми фронтами пзрг ого и второгоэхопмпу/.ьсоо на заданном уровне; Т2 - временной интервал между задними фронтами первого и второго эхо импульсов, измерен ныГ, на указанном зэдон.юм уровне; Тз-длительность первого охо импульса на заданном уровне; Т4 - временной интервал между за- фронюм первого зхсндарульса и передним 45Р|- нгом второго эхо-импульса на ладанном уровне, Ts - длительность второго dxo-импульсь и; заданном уровмо.

Смещают изображение но экране ос- цпллсгрйрг 3 по звншкали такиы образом, ,гобы горизонгя ыгя линия масштабной сетки с делениями пересекапа осциллограмму эхо-и П ьсов на уровне где OICYT- ствуют помех- , и было удглно произвести измерение временг х ин еовалов Ti и Г Толщина Д и теряемого изделия определяемся по poor упо

-

и

п

I + Т2Г 9 Ь

И фиг 2 еыр а i равенство

11 тТ2 , , (3 15

2 М 2 л., дольку 1 i Тз Р it ГБ -i T/

О.елочято чьно ич юрену;., полусуг ми редечных Ti i Та межд пере- 1,41 iMM и зао HHMvi фронтами lepsoro м второго о и йг/я -сов cooгзетсгвуеч iijnepff o 1 tfibi врс ir.reptiSjia T& чохду за ,. i cbpo «том пе зи о пульса и тепе- аним У Нrepeal я второго ХО-И ПУЛЬС с . усум.чой дл 1тел1 иооте Тз it Tj lepeoi s/ .я T, зхо-viyny/s coti Даннчг ( //ю Лек для .; далььейш ассуу дс- ,vai. ДЛР pace/ п,эний счмт ю йхо-импу.|ЬС треугольными Гчом триче- г, глестом ГС ек, между которыми пос зо ис-о яорзима nj одяагаемы спосгбом, являЮ|Ся i/едмагы проведенные ич верали- гы rpeysortbi «КОР чя нижчие оснсааиия.т.ь зг еренге nf оисзодлтг.я кэк бь1 К -сжд1, r-sp- ыинам i охо-кмпуяыор. Приречном игтсо- оал, соглре ствуощчй дейстзиг тьрому значению толщины пзделия 4, опрэ гяет- ся в случае равенства по агтиитуде и опи- тельносги первого и второго эхо-импульсов, Данное утверждение пояснялся н фиг. 4, где - эп Ора втоогго око импульса, змп- которого равна пеовогс ахо-импульса1 02 - эпюра второю зхо-ик- пульса, np /i изменении условий Те - временной интервал, измеренной пзве- С1ным способом; Т з времэнноп иитерврп, соответствующий действительному значение толщи г издели A: Ti - времечной

интервал, измеренный известным способом при изменении условий измерений

Таким образом, при измерении IOTJIH- ны изделия известным способом, сремеч- 5 ной интервал Те соответствует интервалу Т б с определенной степенью точности. При измерении предлагаемым способом в случае равенства длительности переднего и заднего фронтов эхо-импульсов

10 измеренный /.нтеовал равен дбйстви ельно- му независимо от амплитуды эхо-импульсов о эт уровня г. еде НУ г измерен П, та ьк геометркческиг местом ючеч вер иин равнобедренных треугольникчэв йвлчется пря 15 мая, поохпдящая через вершину м середину нижнего основания треугольников, (г.е. медиана, совпадающая с высотой). Возможно на- пи«ие более короткого передне о фронта или Солее /длинного переднего фроста по сравне20 ниго с садним рронтом эхоимпульсов. Когда длительность переднего фоонга равна нулю (ф/tr. 5 а) при измерении известным способом погреи.чость измерении равна нулю .форма сигняпа пергюго эхо-импульса на заданном

25 уровне является трямоугопьной), а при измерении предлагаемым способом погрешность Оспиа h (фиг с. а, где h - методическая погреы- ность ичглерем11й). При увеличение дл, но чл пеоеднего фронта до величины tn(tn . длительноегь импульса) ошибка измерений гто известному способу возрастает до значе- ни 2и, а при измерении предлагаемым сло- югпешкость рначапе снижается до нуля |рц D- гнои длительности переднего и заднего

35 о/ром то эхо-импульса и далее увеличизае 1 - ся до Е.в1 лчины L. Данныр рассуждений поо- аецены путем геометрических построений Го K;VKзависимости зелич ,1 погрешности комеречия от изменения длительности

40 фронтов поивецен на Фиг 5 5, где tn - дли- те/1ьност; переднего фронта эхо-импульса та - длительность заднего фронта зхо-им- г/льсч, R связи со значительным затуханием высокочастотных составляющих

ЛЦ гиектра импульса образующих его пеоедний Фронт, происходит отклонение формы эхо-импульса от прямоугольной, реальный эхо-им- путос имеет колоколообоазную форму, которая может несколько отличаться отсиммет50 ричной Достичь симметричности зхо-импульса можно введением в состав устройства для реализации способа усилителя-ограничителя или триггера, котсоые преобразуют поступающий на их вхол си( о ал от преобразователя в прямо55 угсльньгй. Как видно из графика (Фиг. 5 6} при незначительном отклонении формы эхо-импульса г т С1л.мметоичной методическая по- г ешность при мзнерзчии предлагаемым „ особом значительно меньше, следовательно, данный способ позволяет повысить точность измерений.

Устройство (фиг. 6) содержит последовательно соединенные синхронизатор 5, генератор 1, акустический преобразователь 2, предварительный усилитель 6, усилитель- формирователь 7, первый триггер 8, первый умножитель временного интервала (УВИ) 9, первый генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) 10, первый пиковый детектор 11, сумматор 12, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13, блок 14 памяти и блок 15 индикации, последовательно соединенные второй триггер 16, второй УВИ 17, второй ГЛИН 18 и второй пиков ый детектор

19,последовательно соединенные первый одновибратор 20 и RS-триггер 21, а также второй одновибратор 22. Выход второго пикового детектора соединен с вторым входом сумматора 12, а вход второго триггера 16 подключен к выходу усилителя-формирователя 7. Выход второго УВИ 17 соединен с входом второго одновибратора 22, а выход последнего соединен с вторыми входами АЦП 13 и блока 14 памяти. Выход второго триггера 16 соединен с входом первого одновибратора

20,выход RS-триггера 21 соединен с вторыми входами первого и второго триггеров 8, to, a выход синхронизатора 5 соединен с вторыми входами RS-триггера 21 и пиковых детекторов 11, 19. Пьезоэлемент преобразователя 2 контактирует с внешней поверхностью измеряемого изделия 4 через ультразвуковую линию задержки (на фиг. 6 условно показано, что пьезоэлемент акустического преобразователя 2 установлен на внешнюю поверхность измеряемого изделия 4).

Устройство работает следующим образом.

Синхронизатор 5 запускает генератор 1, который вырабатывает прямоугольные импульсы (фиг. 7 а) и одновременно переводит RS-триггер 20 в нулевое состояние (фиг. 7, б) и сбрасывает до нуля выходные напряжения пиковых детекторов 11, 18. RS-триггер 20 .выходным нулевым потенциалом, подаваемым на вторые входы триггеров 6, 13, разрешает работу последних. С выхода генератора 1 электрические импульсы подаются на акустический преобразователь 2, который преобразует электрический сигнал в ультразвуковые импульсы, которые попа- дзют в измеряемое изделие 4, при этом часть энергии ультразвукового импульса отражается ст внешней контактирующей с акустическим преобразователем 2 поверхности измеряемого изделия 4 в сторону преобразователя 2, а часть энергии проходит внутрь изделия. 4 и, отразившись от внутренней поверхности, также возвращается к

преобразователю 2, вновь пересекая границу раздела преобразователя 2 и изделия 4, На этой границе еще раз происходит частичное отражение энергии ультразвукового импуль- са, что приводит к многократным отражениям этих импульсов, постепенно убывающих по амплитуде, причем при каждом отражении от внешней поверхности изделия 4 часть энергии уходит в акустический преобразова0 тель 2. Спустя некоторое время, необходимое для прохода по линии задержки, на пьезоэлемент акустического преобразователя 2, выполняющего функцию приемника, попадает серия ультразвуковых импульсов, преобра5 зуемая акустическим преобразователем 2 в электрические сигналы, которые поступают на вход предварительного усилителя 6 (фиг. 7 в). С выхода последнего электрические сигналы поступают на вход усилителя-фор0 мировзтеля 7, где происходит дополнительное усиление сигналов, превышающих по амплитуде заданный уровень (фиг. 7 в), а также формирование крутых фронтов электрических сигналов (фиг. 7 г). С выхода усили5 теля-формирователя 7 электрические сшнал.ь; подаются на первые входы триггеров 8, 15. Первый триггер 8 срабатывает при . появлении положительного перепада напряжения на его входе, а второй триггер 16 сра0 батывает при появлении отрицательного перепада напряжения на входе, т.е. при появлении переднего и заднего фронта первого эхе-импульса триггеры 3, 16 переходят соответственно в единичное состояние, а при по5 явлении переднего и заднего фронтов второго эхо-импульса триггеры 8, 16 переходят соответственно е нулевое состояние (фиг. 7 д, е). УБИ 9. 17 увеличивают длительность выходных импульсов триггеров 8, 16 соответствен0 но в заданное число раз (фиг. 7 ж, з).

При появлении импульсов на выходе УВИ 9,17 в соответствующее время действия импульсов ГЛИН 10, 18 вырабатывают линейно изменяющиеся во времени напряжения

5 (фиг. 7 и, к), которые поступают на входы пиковых детекторов 11, 19 соответственно. Выходные напряжения пиковых детекторов 11, 19 (фиг. 7 л, м) подаются на соответствующие входы сумматора 12, где происходит их

0 суммирование (фиг, 7 н), а с выхода сумматора 12 подаются на вход АЦП 13. При появлении заднего фронта импульса на выходе второго триггера 16 срабатывает одновибратор 20 (фиг, 7 о), который переводит RS-триг5 гер 21 в единичное состояние. Высокий потенциал на вторых входах триггеров 8, 16 удерживает в нулевом состоянии триггеры 8, 16 и запрещает дальнейшую работу последних до срабатывания синхронизатора 5, При появлении заднего фронта на выходе

УВИ 1 7 срабатывает одновмбратор 22 и при появлении импульса на выходе последнего вчходное напряжение сумматора 12 преобразуется АЦП 13 а цифровой код, который записывается з аифровси 1иде в блоке 14 памяти С выхода последнего цифровой код подается нэ аход блока 15 индикации.

Поскольку скорость изменения напряжений на выходах ГЛИН 10, 18 одинакова, причем данные напряжения линейно изменяются во времени, а УВИ 9, Г7 имеют одинаковые коэффициенты умножения соответствующих временных интервалов, го напряжение на выходе сумматора 12 о момент срабзшвания одновибратора 22 пропорционально сумме временных интервалов соответственно между передними и задними фронтами первогг и второго эхо- импульсов Необходимей коэффициент преобразования выходною напряхонмя сл/мматооа 12 а цифровой код, соотвегству юииий толщине измеряемого изделия 4, уславливается ь А11П 3

При измерении известным устрсисгзом существует методическая погрешность измерений, которая зависит от значения заданного уровня, поскольку прЕл изменении ар лпитуды лорого эхо-импульса изменяются длительность и крутизна переднего фронта эхсч м- пульсз выше заданного уровня.

При измерении предлагаемым ус ройсг- вом за счет формирования крутых фронтов хо-м пульсса форме последних С ановигсг симметричной, ч о позволяет ьмгчитерьчо снизит, мелодическою погрешыччь,

Использование прешла способа позволяет говысп|Ь точность измерений за с снижений стод ч еской погие иност, дополнительно повысить бысфлд-зйсгзие (мызить энергопотребление зз счет IQIV, что для выполнения одного измерения на зку стический преобразователь достаточно пода, ь один электрический импульс с выхода генератора, а тзсжз повышается помсхо- устойчивосгь вследствие незачисимостм по- казаний от уровня срабатысгния усилителя-формирователя.

Формула изобретения

суд г по полусум е измеренных ьремонных илервапоа пр- цяими v задними фронтами гхг-i г пульсов

ичтррвэпэ, первым генератором линейно иьр яю цегосч напряжения, первым пикс- зч ло«ектором и c/MMdTOpoM, псслецоь э гельно соединенными вторым триггером,

вторым умножителем временного интервала, вторым генератором линейно-изменяю- напряжения и вторым ПИКОРЫ дгтек ором а гакхе первыми втором олно- еибраг оами выход первого одновибочтооэ соединен с вторым входо 1 RS-триггера, охол пеовогоод O j i&pafopa подключен w вы ходу второго трИ1 Юа, г второго трлггеоз ч эдьл У зн 1C выходу i сил пелй-форм1,пойате- лч, вь«ходвторого пикочо ектора соединен

еюпыи , вы/од последнего соединен с первым входом аналого-цифрового преооразогателр, РЫХСД второго /множителя временного интервала соединен с входом второго одновибратора, выход последнего с вторыми входами аналого-цифоового преобразователе и блока памяти, выход синхронизатора соединен с установочными входами первого и второго пиковых детекторов выход RS-триггера соединен с вторыми входами первого и второго триггеров, а выход первого триггеоа соединен с входом первого умножителя временных интервалов

Физ. 2

Р«г.З

JL

9и$Л

Фиг. 5

фиг7