Ультразвуковой толщиномер Советский патент 1982 года по МПК G01B17/02 

1

Изобретение относнтея к иеразрушаюн;ему контролю изделий.

Известны эхо-имнульсные ультразвуковые толщиномеры, работающие при одностороннем доступе к измеряемым объектам и способные измерять толщину изделий из металлов н твердых неметаллов 1.

Известно устройство, содержащее генератор, подключенный к нему датчик, возбул{даю1ций в контролнруемом изделия сдвиговые н поверхностные волны и прнннмающий эхо-импульсы сдвиговой волны, последовательно соединенные амплитудный ограничитель, вход которого нодключен к датчику, первый усилитель и измеритель временных интервалов, второй датчик, нрипимающий поверхностную волну, расположенный на фиксированном расстоянии от первого, подключенный через второй усилитель к второму входу измерителя временных интервалов, и индикатор 2.

Однако ДЛЯ измерения толшин1э1 толщиномеры ДОЛЖНЫ быть предварительно нрокалиброваны по изделию с известной толи;ино11, т. е. эталону.

Цель изобретения - обеспечение безэталонного контроля ТОЛЩИНЫ изделий.

Для этого измеритель временных пнтерЕалов выполнен в виде подключенных к генератору двух триггеров, входы которых

подключены еоответственно к выходам норного и второго усилителей, генератора пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом второго триггера, и

преобразователя масштаба времени, регистрирующий вход которого связан с выходом первого триггера, а вход обратно пропорционального унравления соединен с выходом генератора пилообразного напря ; :еиия.

На фиг. 1 представлена блок-схема толщиномера; па фиг. 2 - временная диаграмма его работы; на фиг. 3 - упрощенная схема преобразователя масштаба времени.

Блок-схема состоит пз двух электроакустических каналов и измерителя временных интервалов. Иервый канал нриема и излучения сдвиговых (иоиеречных) ультразвуковых колебаний состоит из генератора 1. датчика 2, амплнтудного ограничителя 3 и первого усилителя 4. Второй электроакустический канал состонт из того же генератора 1, того же датчика 2, датчика 5 и

второго усилителя 6. Измеритель временных интервалов состоит из триггеров 7, 8, подключенных к первому и второму усилителям, генератора 9 пилообразного напряжения и преобразователя 10 uacmiaCia

времени, регистрирующий в.ход которого

связан с выходом триггера 7, а вход обратно лропорциоиального управления соединен с выходом генератора 9.

Толщиномер работает следующим образом.

Генератор 1 короткими электрическими импульсами (фиг. 2, а) возбуждает датчик 2 (излучатель-приемник), излучающий через тонкий слой контактной жидкости, например машинного масла, имиульсы сдвиговых ультразвуковых колебаний в измеряемое изделие 11 толщиной di. Эти импульсы распространяются по изделию, как показано вертикальными стрелками на фиг. 1, отражаются от нижней поверхности изделия и возвращаются на датчик 2 через время

t, (1) где Ci - скорость сдвиговых колебаний в материале изделия (фиг. 2, б). Одновременно с возбуждением сдвиговых колебаний датчик 2 возбуждает н поверхностные волны Рэлея, которые, распространяясь в направлении, показанном горизонтальной стрелкой, по поверхности изделия, приннмаются вторым датчиком 5 (фиг. 2, г), расположенным на фиксированот датчика 2, через ном расстоянии di время распространения волны 35 скорость Рэлея для данного материала изделия. Генератор 1 одновременно с возбуждением датчика 2 запускает триггер 7 (фиг. 2, в). Импульсы (фиг. 2, б), отраженные or нижней поверхности изделия, пройдя амплитудный ограничитель 3 высоковольтн1 1Х импульсов генератора I, усиливаются усиллтелем 4. С выхода усилителя 4 они по- 45 ступают на другой вход триггера 7 и возвращают его в исходное состояние. Таким образом, на входе триггера 7 формируется прямоугольный импульс (фиг. 2, в), длительность которого для данной скорости 50 Ci пропорциональна толщине d контролируемого изделия. Этот импульс поступает на вход преобразователя 10 масштаба времени, длительность импульсов на выходе которого прямо пропорциональна длитель- 55 нести входных импульсов, а -значит, и толщине измеряемого изделия. Измеряя длительность этих импульсов любым известным радиотехническим способом при шкале, градуированной в единицах длины,60 получают значения толщины измеряемого изделия. Однако из вырал ения (1) видно, что npi: изменении скорости ci показания измсняются.65

Зависимость показаний прибора от -rsменений скорости Ci с высокой точноегыо иск.чючается в предлагаемом приборе следующим образом.

Известно, что отношение скоростей повер.чностных и сдвиговых ультразвуковых колебаний

0,87

К,

1 + .U

где ILI - коэффициент Пуассона материала измеряемого изделия. В реальных средах О ,).,5, а практически для всех иежидких металлов 0,,44. При значени15 их я 0,25-ьО,44 отношение ,933± ± 1,4%.

Если из выражения (3) выразить Cj через С2 40 и из выражения (2) получить cz - н подставить выражение (5) в (4), а результат затем подставить в выражение (1), получим новое выражение для толщины измеряемого изделия При фиксированном d2 и где В di в выражении (6) В зависит при смене материала контролируемых изделий только от величины К, т. е. изменяется для всех металлов всего на ±1,4%. Из выражения (6) видио, что если сделать длительность импульса на выходе преобразователя 10 масштаба времени обратно пропорциональной времени tz (времени ti она, как было показано, прямо пропорциональна), можно измерять толщину изделий, в частности, из металлов с любой скоростью распространения ультразвука без специальной калибровки прибора с принципиальной погрешностью не более ±1, В предлагаемом толщиномере это осуПлсствляют следующим образом. Генератор 1 одновременно с запуском триггера 7 запускает и триггер 8, который приводится в исходное, состояние импульсом сдвиговых колебаний (фиг. 2, г), принятым 5 и усиленным усилитедатчикомлем 6. На выходе триггера 8 формируется прямоугольный импульс (фиг. 2, д) длительностью 2, равной времени распространения волны Рэлея от датчика 2 к датчику 5 и не зависящей от толщины измеряемого изделия. Этим импульсом запускается генератор 9 пилообразного напряжения. iia выходе которого формируется импульс (фиг. 2, е) с амплитудой U, прямо пропорциональной времени t.

Этот импульс поступает иа второй (управляющий) вход преобразователя 10 масштаба Бремени, который выполпсн так, чти его коэффициент преобразования, как было показано выше, ирямо пропорционален времени 1, т. е. длительности импульса триггера 7, и обратно пронорцпоналеи времени /2, т. е. длительности импульса триггера 8.

Исходя из выражения (6), именно эту функцию и должеи выиолнять предлагаемый толщиномер.

На фиг. 3 показана прннцнпиальнач схема управляемого преобразователя временного масштаба - одного пз основных узлов предлагаемого толщиномера. Часть схемы, справа от пунктирной линии, нредставляет собой собственно преобразователь «время-время, часть схемы выполняет следуюихую функцию:

J. ВХ 11 tX/ -7

11 иЫХ .k /

где /„„к

-длительность импульса на

выходе схемы;

/I

-длительность импульса па

П ВХ ее нервом входе (вход 1);

- ток, создаваемый этим имI, пульсом в цепи первого входа (вход 1);

Io - ток, создаваемый генератором иостоянного тока на транзисторе Т.

Из выражения (7) видно, что ивых прямо пропорционально времени t.

Иа второй вход схемы (фиг. 3) поступают пилообразные импульсы генератора 9. затягиваются практически до иостоянного наиряжения U Л/2, где А - иостоянный коэффициент на цеиочке D. С, R, которое, поступая на базу Т, задает величину тока

io UKR + ) , + RZ).

Поставив это значение IQ п (7), иолучим

1„х- («2-(-«:.)

t,

- - В

/,

где В-г, + )/А В.

Совпадение выражеиий (6) и (8) говорит о том, что схема фиг. 3, а значит и прибор в целом, выполняет функцию (6).

Экспериментальный макет безэталонного толни1номера с цифровой индикацией нри измерении образцов изделий из нескольких марок стали и алюминиевых силаВОВ, латунн, вольфрама и органического стекла в диаиазоие толщин 2-50 мм имеет ногрешность не более 1,8-2% от измеряемой величины при частоте поверхности измеряемых изделий не хуже Г 4. Перестройки нрнбора при иереходе с одного материала иа другой не требуется.

Ф о р у л а и 3 о б р е т е и и я

Ультразвуковой толщииомер, содержащий генератор, подключенный к нему датчик, возбуждающий в коитролируемом изделии сдвиговые и поверхностные волны и ирииимающий эхо-импульсы сдвиговой волны, последовательно соедпненные амплитудный ограничитель, вход которого нодключен к датчику, первый усилитель и измеритель временных интервалов, второй датчик, иринимающий поверхностную волну, расположенный иа фпкснрованиом расстоянпп от первого, подключенный через второй усилитель к второму входу измерителя времениьтх интервалов, и индикатор, отличающийся тем, что, с целью обеспечения безэталонного контроля толщины изделий, измеритель временных интервалов выиолнен в виде иодключенных к генератору двух триггеров, входы которых иодклю чены соответственно к выходам иервого н

второго усилителей, генератора нилообразного напряжения, вход которого соедннен с выходом второго триггера, и иреобразователя масштаба времени, регистрирующий вход которого связан с выходом первого

триггера, а вход обратно пропорционального управления соединен с выходом генератора пилообразного напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гребенков В. С. Физические основы ультразвуковых методов измерения толщины. М., «Машиностроение. 1968.

2. Авторское свидетельство

СССР ЛЬ 169858, кл. G 01 N 29/04, 1962.

u.

xorf 2 0