Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер Советский патент 1992 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины изделий из различных материалов.

Известен ультразвуковой толщиномер, содержащий последовательно соединенные кварцевый генератор, синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, акустический преобразователь, усилитель, формирователь, второй вход которого связан с выходом синхронизатора, и ключ, а также задатчик кода, соединенный со вторым входом ключа, и индикатор, последовательно соединенные умножающий цифроаиалого- вый преобразователь и интегрирующий аналого-цифровой преобразователь, включенные между выходом ключа и входом индикатора.

Недостатком известного толщиномера является низкая точность измерений, вызванная дискретностью счета числа периодов тактовых импульсов кварцевого генератора.

Известен ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер, содержащий последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, акустический преобразователь и усилитель, последовательно соединенные первый одновибратор, входом подключенный к второму выходу синхронизатора, первый RS- триггер, схему совпадений, выходом подключенную к С-входу первого RS-трйгге- ра, вторые однопибратор, RS-триггер, схему совпадений, вторым входом подключенную к R-входу второго RS-триггера третьи одно- вибратор, RS-трипер, схему совпадений,

Х|

Ы 00

вторым входом подключенную к С-входу третьего RS-триггера, измеритель временных интервалов, вторым входом подключен- ный к первому выходу второй схемы совпадений и индикатор. Установочные R- входы RS-триггеров и третий вход измерителя временных интервалов подключены к второму входу синхронизатора. Первый компаратор Тфрвым входом подключен к выходу усйлйтел вторым входом - к источ- нику опррного напряжения, а выходом - к вторым входам схем совпадений (2).

Недостаткомтга ёстного толщиномера является низкая точность измерений, вызванная наличием методической погрешности, которая возникает вследствие того, что при неизменном уровне срабатывания первого компаратора и изменения амплитуды эхо-импульсов при изменении шероховатости или клиновидности поверхности изме- ряемого изделия, возможна потеря одного полупериода электрического импульса, что изменяет время срабатывания первого компаратора.

Наиболее близким к заявляемому является техническое решение, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор, акустический преобразователь, предварительный усилитель, усилитель-формирователь, первый триггер, первый умножитель временных интервалов, первый генератор линейно изменяющегося напряжения, первый пиковый детектор, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти и блок индикации, последовательно соединенные второй триггер, второй умножитель временных интервалов, второй генератор линейно изменяющегося напряжения и второй пиковый детектор, последовательно соединенные первый одновибратор и RS-триггер и второй одновибратор. Выход второго пикового детектора соединен со вторым входом сумматора, а вход второго триггера подключен к выходу усилителя-формирователя. Выход второго умножителя временных интервалов соединен со входом второго одновибрато- ра, а выход последнего соединен со вторыми входами аналого-цифрового преобразователя и блока памяти. Выход второго триггера соединен с входом первого одно- вибратора, выход RS-триггера соединен с вторыми входами триггеров, а выход синхронизатора соединен с вторыми входами RS-триггера и пиковых детекторов.

Недостатком данного технического решения является низкая точность измерений, вызванная тем, что первый эхо-сигнал отражается от поверхности контактной жидкости и временной интервал между первым и вторым эхо-импульсами пропорционален суммарной толщине изделия и контактной жидкости в месте установки преобразователя.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер, содержащий последовательно соединенные синхронизатор, генератор, акустический преобразователь, предварительный усилитель, усилитель-формирователь и первый триггер, последовательно соединенные первый генератор линейно изменяющегося напряжения, первый пиковый детектор, сумматор и аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные второй генератор линейно изменяющегося напряжения и второй пиковый

детектор, выходом соединенный с вторым входом сумматора, последовательно соединенные второй триггер, входом подключенный к выходу усилителя-формирователя, и первый одновибратор, а также RS-триггер,

первым входом подключенный к выходу синхронизатора, а входом соединенный с вторыми входами первого и второго RS- триггеров, второй одновибратор и блок индикации согласно изобретению, снабжен

последовательно соединенными запоминающим блоком, блоком сравнения, цифровым сумматором и цифровым делителем, выходом соединенным со входом блока индикации, счетчиком, выходом соединенным

с вторым входом цифрового делителя, а входом подключенный к выходу блок сравнения, и схемой ИЛИ, выходом соединенной с вторыми входами первого и второго пиковых детекторов, причем выход первого одновибратора соединен с входом второго одновибратора и вторым входом аналого- цифрового преобразователя, выход второго одновибратора соединен с первыми входами запоминающего блока и схемы ИЛИ и

вторым входом блока сравнения, выход синхронизатора соединен с вторыми входами схемы ИЛИ, счетчика, запоминающего блока и цифрового сумматора, выход первого триггера соединен с входом первого генератора линейно изменяющегося напряжения, выход второго триггера соединен с входом второго генератора линейно изменяющегося напряжения, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с четвертым входом блока сравнения и третьими входами запоминающего блока и сумматора, а второй вход RS-триггера подключен к второму выходу блока сравнения.

На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемого ультразвукового эхоимпульсного толщиномера; из фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу заявляемого ультразвукового эхо-импульсного толщиномера: на фиг. 3 - функциональная схема запоминающего блока; на фиг. 4 - функциональная схема блока сравнения.

Схема (фиг. 1) включает последовательно соединенные синхронизатор 1. генератор 2, акустический преобразователь 3, предварительный усилитель 4, усилитель- формирователь 5, триггер 6, генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) 7, пиковый детектор 8, сумматор 9 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10, последовательно соединенные триггер 11, ГЛИН 12 и пиковый детектор 13, последовательно соединенные запоминающий блок 14, блок 15 сравнения, цифровой сумматор 16, цифровой делитель 17 и блок 18 индикации, последовательно соединенные одно- вибратор 19, одновибратор 20 и схему 21 ИЛИ, а также счетчик 22 и RS-триггер 23. Выход одновибратора 20 соединен с первым входом запоминающего блока 14, выход схемы 21 ИЛИ соединен с вторыми входами пиковых детекторов 8, 13, первый вход счетчика 22 подключена к первому выходу блока 15 сравнения, а выход счетчика 22 соединен с вторым входом цифрового делителя 17. Выход синхронизатора 1 соединен с вторыми входами схемы 21 ИЛИ, счетчика 22, запоминающего блока 14 и цифрового сумматора 16, первым входом RS-триггера 23 и третьим входом блока 15 сравнения. Вход триггера 11 подключен к выходу усилителя-формирователя 5, а выход пикового детектора 13 соединен с вторым входом сумматора 9. Выход АЦП 10 соединен с четвертым входом блока 15 сравнения и третьими входами запоминающего блока 14 и цифрового сумматора 16. Выход первого одновибратора 9 соединен с вторым входом АЦП 10, второй вход RS-триггера 23 подключен к второму выходу блока 15 сравнения, выход RS-триггера 23 соединен с вторыми входами триггеров б, 11, а выход триггера 11 соединен с входом одновибратора 19, Акустический преобразователь 3 установлен на поверхность изделия 24,

Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер работает следующим образом.

Синхронизатор 1 запускает генератор 2, который вырабатывает прямоугольные импульсы (фиг. 2, а) и одновременно устанавливает RS-триггер 23 (фиг. 2, б), запоминающий блок 14, блок 15 сравнения, цифровой сумматор 16, счетчик 22 и, посредством схемы 21 ИЛИ. пиковые детекторы 8, 13 в нулевое состояние RS-триггер 23 выходным нулевым потенциалом, подаваемым на вторые входы триггеров б, 11, разрешает работу последних С выхода генератора 2 электрические импульсы подаются на акустический преобразователь 3, который

преобразует электрические сигналы в ультразвуковые импульсы, которУе попадают в измеряемое изделие 24, при этом часть энергии ультразвукового импульса ется от внешней, контактирующей с акусти0 ческим преобразователем 3, поверхности измеряемого изделия 24 в сторону преобразователя 3, а часть энергии проходит внутрь изделия 24 и, отразившись от внутренней поверхности, также возвращается к преоб5 разователю 3, вновь пересекая границу раздела преобразователя 3 и изделия 24, На этой границе еще раз происходит частичное отражение энергии ультразвукового импульса, что приводит к многократным отра0 жеииям этих импульсов, постепенно убывающих по амплитуде, причем при каждом отражении от внешней поверхности изделия 24 часть энергии уходит в акустический преобразователь 3. Спустя не5 которое время, необходимое для прохода по линии задержки (не показано), на пьеяозле- мент агустического преобразователя 3, выполняющего функцию приемника, попадает серия ультразвуковых импульсов, преобра0 зуемая акустическим преобразователем 3 в электрические сигналы, которые поступают на вход предварительного усилителя 4 (фиг, 2, в). С выхода последнего электрические сигналы поступают на вход усилителя-фор5 мирователя 5, где происходит дополнительное усиление сигналов, превышающих по амплитуде заданный уровень U (фиг. 2, в), а также формирование крутых фронтов электрических сигналов (фиг. 2, г). С выхода уси0 лителя-формирователя 5 электрические сигналы подаются на первые входы триггеров б, 11. Первый триггер б срабатывает при появлении положительного перепада напряжения на входе, а второй триггер 11 сра5 батыоает при появлении отрицательного перепада напряжения на входе, т.е. при появлении переднего и заднего фронтов прр- вого эхо-импульса триггеры G, 11 переходят соответственно в единичное состояние, а

0 при появлении переднего и заднего фронтов второго эхо-импульса триггеры 6, 11 переходят соответственно в нулевое состояние. При появлении третьего и последующих эхо-импуль сов работа триггеров С,

5 11 повторяется соответствующим обраюм (фиг. 2, д е). При псяплемии импульсов на выходе триггеров 6, 11 ГЛИН 7, 12 соответственно вырабатывают линейно изменяющееся во времени напряжение (фиг. 2, ж, з), которые поступают на первые входы пиковых детекторов 8, 13 соответственно. Выходные напряжения пиковых детекторов 8, 13 (фиг. 2, и, к) подаются на соответствующие входы сумматора 9, где происходит их суммирование (фиг. 2, л) и с выхода сумматора 9 подаются на вход АЦП 10. По заднему фронту импульса на выходе второго триггера 11 срабатывает первый одновибратор 19 (фиг. 2, м). При появлении заднего фронта импульса на выходе последнего срабатывает второй одновибратор 20 (фиг. 2, н) и при появлении заднего фронта на выходе последнего АЦП 10 преобразует сигнал с выхода сумматора 9 в цифровой код, который подается на второй вход блока 15 сравнения и третьи входы запоминающего блока 14 и цифрового сумматора 16. После срабатывания одновибратора 20 импульс с выхода по- следнего поступает на первый вход запоминающего блока 14 и цифровой код с выхода АЦП 10 записывается в запоминающий блок 14. Импульс с выхода второго одновибратора 20 через схему 21 ИЛИ поступает на вторые входы пиковых детекторов 8, 13 и напряжение на выходе последних устанавливается в ноль Цифровой код с выхода запоминающего блока 14 поступает на первый вход блока 15 сравнения, где данный цифровой код сравнивается с цифровым кодом на выходе АЦП 10, который поступает на второй вход блока 15 сравнения, и в случае выполнения неравенства UBxi UBx2 ивхл - А (где UBxi - цифровой код па первом входе блока 15 сравнения, UBx2 цифровой код на втором входе блока 15 сравнения А- заданная величина цифрового кода, характеризующего, точность измерений), на выходе блока 15 сравнения и появляется импульс, по которому цифровой код на выходе АЦП 10 записывается в цифровом сумматоре 16. Счетчик 22 подсчитывает число импульсов по их заднему фронту на выходе блока 15 сравнения. При появлении третьего и четвертого, пятого и шестого и т.д. эхо-импульсов соответственно, амплитуда которых превышает задан- ныйуровень U, работа триггеров 6,11 ГЛИН 7, 12, пиковых детекторов 8, 13, сумматора 9, АЦП 10, блока 15 сравнения, счетчика 22, цифрового сумматора 16s и одновибраторов 19, 20 повторяется, при этом в цифровом сумматоре 16 записывается цифровой код, пропорциональный сумме временных интервалов между передними и задними фронтами первого и второго, третьего и четвертого и т.д. эхо-импульсов соответственно, и на выходе счетчика 22 появляется цифровой код, соответствующий числу пар эхо-импульсов. По заднему фронту первого

импульса на выходе триггера 11 последовательно срабатывают одновибраторы 19, 20 и при появлении на выходе последнего импульса, который поступает на первые входы

схемы 21 ИЛИ и запоминающего блока 14, последнее запоминает цифровой код с выхода АЦП 10, соответствующий сумме временных интервалов между передними и задними фронтами первого и второго эхоимпульсов. Блок 15 сравнения сравнивает цифровые коды на выходах запоминающего блока 14 и АЦП 10. В случае, когда цифровой код на выходе запоминающего блока 14 равен или меньше на величину, не превышающую заданную, цифрового кода на выходе АЦП 10 (или, что то же самое, когда сумма временных интервалов между передними и задними фронтами первого и второго, третьего и четвертого и т.д. эхо-импульсов

равна или меньше на величину, не превышающую заданную, суммы временных интервалов между передними и задними фронтами первого и второго эхо-импульсов), на первом выходе блока 15 сравнения

появляются импульсы (фиг. 2, п), по которым цифровой сумматор суммирует и записывает цифровые коды с выхода АЦП 10, а счетчик 22 подсчитывает число этих импульсов. В случае, когда временной интервал между

эхо-импульсами, амплитуда которых превышает заданный уровень, становится больше или отличается в меньшую сторону на величину, превышающую заданную, по сравнению с временным интервалом между

первым и вторым эхо-импульсами, на втором выходе блока 15 сравнения появляется высокий потенциал, при этом на выходе RS- триггера 23 также появляется высокий потенциал (фиг. 2, о), по которому триггеры 6,

11 переходят в нулевое состояние и работа ГЛИН 7, 12, пиковых детекторов 8, 13, сумматора 9, АЦП 10 прекращается (до прихода нового импульса с выхода синхронизатора 1). Цифровой делитель 17 с переменным коэффициентом деления производит деление цифрового кода на выходе цифрового сумматора 16, соответствующего сумме временных интервалов между передними и задними фронтами первого и второго,

третьего и четвертого и т.д. эхо-импульсов, на число, хранящееся в памяти счетчика 22, и с выхода цифрового делителя 17 результат деления передается на вход блока 18 индикации.

При появлении заднего фронта импульсов на выходе второго триггера 11 последовательно срабатывают одновибраторы 19, 20 и импульсы с выхода последнего через схему 21 ИЛИ поступают на вторые входы

пиковых детекторов 8, 13 и последние устанавливаются в ноль. Таким образом, на выходе пиковых детекторов 8,13 по окончании импульсов на выходе триггеров б, 11 соответственно появляются напряжения, пропорциональное длительности этих импульсов и через определенное время, равное длительности импульсов одновибра- тора 19, 20 (что необходимо для записи выходного напряжения сумматора 9 в АЦП 10 и устранения ложных срабатываний). Следовательно, в цифровом сумматоре 16 цифровой код, соответствующий сумме временных интервалов между передними и задними фронтами эхо-импульсов, амплитуда которых превышает заданный уровень и интервал времени между которыми входит в заданный интервал.

Функциональная схема запоминающего блока 14 представлена на фиг. 3.

Запоминающий блок 14 содержит последовательно соединенные RS-триггер 25, одновибратор 26 и оперативно-запоминающий блок (03Б) 27. Первый и второй входы RS-триггера 25 и второй вход 03 Б 27 соединены с первым, вторым и третьим входами запоминающего блока 14 соответственно, а выход 03Б 27 соединен с выходом последнего.

Запоминающий блок 14 работает следующим образом.

При поступлении импульса с выхода синхронизатора 1 на второй вход RS-триггера 25 последний переходит в единичное состояние. После срабатывания одновибра- тора 19 АЦП 10 преобразует напряжение на входе последнего в цифровой код, который поступает на второй вход ОЗБ 27 и при появлении импульса на выходе второго од- новибратора 20 RS-триггера 25 переходит в нулевое состояние, при этом срабатывает одновибратор 26, выходной импульс которого поступает на первый вход ОЗБ 27 и в последнем записывается цифровой код, поступивший с выхода АЦП 10. Последующая работа одновибратора 20 не изменяет состояния второго RS-триггера 25 и цифровой код в ОЗБ 27 сохраняется до появления следующего импульса на выходе синхронизатора 1,

Функциональная схема блока 15 сравнения представлена на фиг. 4.

Блок 15 сравнения содержит последовательно соединенные сумматор 28, двух- пороговый компаратор 29 и схему 30 2И. Вход сумматора 28 и второй вход двухпоро- гового компаратора 29 соединены с первым входом блока 15 сравнения. Второй вход схемы 30 214, второй вход сумматора 28 и третий входдсухпорогового компаратора 29 соединены с вторым, третьим и четвертым

входами блока 15 сравнения соответственно, а выход схемы 30 2И и второй вход двух- порогового компаратора 29 соединены с первым и вторым выходами блока 15 срав- нения соответственно.

Блок 15сравнения работает следующим образом.

При появлении импульса на выходе синхронизатора 1 сумматор 28 устанавливается

0 в исходное состояние. Цифровой код с выхода АЦП 10 поступает на третий входдвух- порогового компаратора 29. Цифровой код с выхода запоминающего блока 14 подается на первый вход сумматора 28 и второй вход

5 двухпорогового компаратора 29. В сумматоре 28 производится вычитание данного цифрового кода на величину, пропорциональную времени прохождения эхо-импульсов по контактной жидкости. Таким образом, на

0 первом и втором входах двухпорогового компаратора 29 устанавливаются нижний и верхний пороги срабатывания (т.е. заданный интервал) соответственно. В том случае, когда цифровой код с выхода АЦП 10

5 входит в заданный интервал, на первом выходе двухпорогового компаратора 29 сохраняется высокий потенциал и триггеры 6, 11 продолжают работу, и импульсы с выхода одновибратора 20 через схему 30 2И посту0 пают на первый вход счетчика 22. В том случае, когда временной интервал между эхо-импульсами отличается от заданного, причем максимальная длительность определяется длительностью временного интер5 вала между первым и вторым эхо-импульсами, а минимальная длительность равна разности между последними интерсалом и интервалом, соответствующим времени прохождения эхо-импульсов по контактной

0 жидкости, потенциалы на выходах двухпорогового компаратора 29 изменяются, при этом RS-триггер 23, а вместе с последним триггеры 6, 11, переходят в нулевое состояние. Одновибраторы 19, 20 последователь5 но срабатывают как и в предыдущем случае, однако потенциал на выходе схемы 29 2И не изменяется и цифровой код, соответствующий последнему интервалу, отличающемуся от заданного интервала, в цифровой сумма0 тор не заносится и импульс на вход счетчика 22 не поступает.

Временной интерзал между первым и вторым эхо-импульсами несколько больше временных интервалов между вторым и

5 третьим и последующими эхо-импульсами, т.к. первый эхо-импульс отражается от наружной поверхности контактной жидкости, а второй и последующие эхо-импульсы отражаются от поверхности изделия 24. Следовательно, при измерении толщины изделий

прототипом результат измерения будет несколько выше (отличается на толщину контактной жидкости). При измерении толщины изделия 24 заявляемым ультразвуковым эхо-импульсным толщиномером ошибка измерений будет значительно ниже, т.к. временной интервал между третьим и четвертым и т.д. эхо-импульсами соответст- вуеттолщина изделия 24 и при делении цифрового кода, соответствующего суммарному временному интервалу на число соответствующих импульсов, результирующая ошибка снижается во столько раз, сколько пар превышает по амплитуде заданный уровень и этим достигается повышение точности из- мерений.

Формула изобретения 1. Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер, содержащий последовательно со- единенные синхронизатор, генератор, акустический преобразователь, предварительный усилитель, усилитель-формирователь и первый триггер, последовательно соединенный первый генератор линейно Изменяющегося напряжения, первый пиковый детектор, сумматор и аналого-цифровой преобразователь, последовательно соединенные второй генератор линейно изменяющегося напряжения и второй пико- вый детектор, выходом соединенный с вторым входом сумматора, последовательно соединенные второй триггер, первым входом подключенный к выходу усилителя- формирователя, и первый одновибратор, RS-триггер, R-входом подключенный к выходу синхронизатора, а выходом соединенный с вторыми входами первого и второго триггеров, второй одновибратор и блок индикации, отличающийся тем, что, С целью повышения точности, он снабжён последовательно соединенными запоминающим блоком, блоком сравнения, цифровым сумматором и цифровым делителем, выходом соединенным с входом блока индикации, счетчиком, выходом соединенным с вторым входом цифрового делителя, а первым входом подключенным к выходу устройства сравнения, и схемой ИЛИ, выходом соединенной с вторыми входами первого и второго пиковых детекторов, выход первого одновибратора соединен с входим второго одновибратора и с вторым входом аналого- цифрового преобразователя, выход второго одновибратбра соединен с первыми входами запоминающего блока и схемы ИЛИ и вторым входом блока сравнения, выход синхронизатора соединен с вторыми входами схемы ИЛИ, счетчика, запоминающего блока и цифрового сумматора и с третьим входом блока сравнения, выход первого триггера соединен с входом первого генератора линейно изменяющегося напряжения, выход второго триггера соединен с входом второго генератора линейно изменяющегося напряжения, выход аналого-цифрового преобразователя соединен счетвертым входом блока сравнения и с третьими входами запоминающего блока и сумматора, a S- вход RS-триггера подключен к второму выходу блока сравнения.

2.Толщиномер по п. 1, о т л и ч а ю щ и- й с я тем, что запоминающий блок выполнен из последовательно соединенных RS-триггера, одновибратора, оперативно-запоминающего блока, а R-вход и S-вход RS-триггера и второй вход и выход оперативно-запоминающего блока являются соответственно первым, вторым и третьим входами и выходом запоминающего блока

3.Толщиномер по п. 1, о т л и ч а ю щ и- й с я тем, что блок сравнения выполнен из последовательно соединенных сумматора, двухпорогового компаратора и схемы 2И, вход сумматора и второй вход дчухпорого- вого компаратора являются первым входом блока сравнения, второй вход схемы И, второй вход сумматора и третий вход двухпорогового компаратора являются соответственно вторым, третьим и четвёртым входами блока сравнения, а выход схемы И и второй выход двухпорогового компаратора являются соответственно первым и вторым выходами блока сравнения.

и-Д -Д -А-А-А л /у4

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений. Запоминающий блок и блок сравнения обеспечивают выборку импульсов на выходе триггеров, имеющих длительность, соответствующую толщине измеряемого изделия, и амплитуду, превышающую заданн ггГур6вепь. Точность измерений повышается за счет деления разнос™ длйтел ыГостеГГимпульса между первым и вторым эхо-импульсами с длительностью импульсов между третьим и j четвертым и последующими эхо-импульса- ми на число пар эхо-импульсов, амплитуда которых превышает заданный уровень. 2 з.п. ф-лы, А ил.

П П П П П

3 I1

УЛ

л л л Л

л л Л /л

Риг.2

Л

I-I (-I

Драм я

1

Фиг. Ь

3$х0Э

fЈxod

Рс/г4

4faod

2&соб

ЬыкоЬ