Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет устранения влияния нестабильности скорости распространения ультразвуковых волн в материале волновода и частоты генератора счетных импульсов. В измеритель введены элементы, позволяющие сформировать калибровочный временной интервал и заполнить его в регистре на время основных измерений, сформировать измерительный интервал, в течение которого на выходе интегратора напряжение линейно нарастает, а по окончании уменьшается до нуля с крутизной, соответствующей значению хранимого калибровочного интервала. Временной интервал спада напряжения интегратора заполняется счетными импульсами, значения которых соответствуют измеряемой величине и не зависят от изменения скорости ультразвука в материале волновода и частоты следования счетных импульсов, что повышает точность измерения. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„80„„15О45ОВ А 1 (51) 4 G 01 В 17/00

3.1.

i:íi n n !. ° .-.. °

Е;Б.. i. ..4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ и перемещений; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Измеритель содержит последователь- СЛ но соединенные синхрогенератор I, ге- СР нератор 2 зондирующих импульсов и QO подвижный электроакустический преобразователь 3, акустически связанный с ним ультразвуковой (УЗ) волновод 4, последовательно соединенные усилитель 5, первый элемент 6 И и первый триггер 7, первый счетчик 8, селектор 9, вход которого подключен к подвижному электроакустическому преобразователю 3, последовательно соединенные делитель 10 частоты, второй триггер 11 второй счетчик

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 43598?О/25-28 (22) 06.01.88 (46) 30,08.89. Бюл. N - 32 (72) Д.Д.Балданов (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР У 1158865, кл. G 01 В 17/00, 1985.

Авторское свидетельство СССР

У 1180690, кл. С 01 В 17/00, 1985, (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ САМОКАЛИБРУЮ1Ц181СЯ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНЪ|Х РАЗМЕРОВ И

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности измерения за счет устранения влияния нестабильности скорости распространения ультразвуковых волн в материале волновода и частоты генератора счетных

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в создании средств измерений и контроля различных объектов ! и параметров технологического обору, дования, например, в гибких производственных системах.

Цель изобретения — повышение точности измерения за счет устранения влияния нестабильности скорости распространения ультразвуковых волн в материале волновода и частоты генератора счетных импульсов, На фиг. 1 изображена структурная схема ультразвукового самокалибрующегося измерителя линейных размеров

2 импульсов. В измеритель введены элементы, позволяющие сформировать калибровочный временной интервал и за.полнить его в регистре на время основных измерений, сформировать измерительный интервал, в течение которого на выходе интегратора напряжение линейно нарастает, а по окончании уменьшается до нуля с крутизной, соответствующей значению хра— нимого калибровочного интервала.

Временной интервал спада напряжения интегратора заполняется счетными импульсами, значения которых соответствуют измеряемой величине и не зависят от изменения скорости ультразвука в материале волновода и частоты следования счетных импульсов, что повышает точность измерения, 2 ил.

- (- — X) (1)

2 Ь

С 2

2 L

С 2 — (- + X), (2) Т аЬ

Т ас где С

Ь

3 150450

12, регистр 13, преобразователь 14 код-напряжение, первый ключ 15, интегратор 16, нуль-орган 17 и третий триггер 18, второй ключ 19, вход

5 которого предназначен для подключения к источнику опорного напряжения

Бд, выход подключен к входу интегратора 16, последовательно -.îåäèíåííûå одновибратор 20 и второй элемент

21 И, выход которого подключен к

R-входу второго триггера 11, цифровое отсчетное устройство 22, вход которого подключен к выходу первого счетчика 8, и генератор 23 счетных импульсов, выход котороГо подключен к счетным входам первого и второго счетчиков 8 и 12, выход синхронизатора 1 подключен к входам делителя 10 частоты и одновибрато- 20 ра 20, R-входам первого и третьего триггеров 7 и 18, R-входу первого счетчика 8 и второму входу второго элемента 21 И, выход селектора 9 подключен к входу усилителя 5, вы ход одновибратора 20 подключен к второму входу первого элемента 5 И, выход усилителя 5 подключен к третьему входу второго элемента 21 И, выход делителя 10 частоты подключен 30 к R-входу второго счетчика 12, выход первого триггера 7 подключен к управляющему входу второго ключа 19 и к Б-входу третьего триггера 18, инверсный выход второго триггера 11 подключен к третьему входу первого элемента 6 И, а выход третьего триггера 18 подключен к yr ðàâëÿþùåìó входу первого ключа 15, управляющему входу первого счетчика 8 и второ- 40 му входу регистра 13.

Позициями 24-33 обозначены выходы сигналов с блоков измерителя, позициями а — с обозначены импульсы на временной оси (фиг. 2,25), 45

Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и перемещений работает следующим образом.

Делитель 10 частоты производит деление частоты следования импульсов синхрогенератора 1 с коэффициентом порядка М = 100 — 200, т.е„ при вырабатывании синхрогенератором 1 каждого м-го импульса на выходе делителя 10 одновРеменно фоРмируется прямоугольный импульс, аналогичный входному, по которому в измерителе производится цикл подготовки для самокалибруюшегося измерения. При этом им8 4 пульс синхрогенератора 1 (фиг. 2, 24), вызвавший на выходе делителя 10 такой же импульс, поступает на входы генератора 2 зондирующих импульсов, одновибратора 20, триггеров 17 и 18 и счетчика 8, а импульс делителя

10 — на входы триггера 11 и счетчика 12. По переднему фронту импульса синхрогенератора 1 запускается генератор 2, .обнуляется счетчик 8 и подтверждается состояние "0" на выходах триггеров 17 и 18. Одновременно также по переднему фронту импульса делителя 10 обнуляется счетчик 12 и переключается триггер 11 в состояние "1" на первом выходе (фиг. 2,28). По заднему фронту импульса синхрогенератора 1 запускается одновибратор ?О (фиг. 2,26). !

Выходной импульс генератора 2 через электроакустический преобразователь 3 возбуждает в волноводе 4 короткий ультразвуковой импульс продольных волн. Ультразвуковой импульс, распространяясь в обе стороны от места возбуждения, совершает многократные отражения от торцовых поверхностен волновода 4, вызывая на выходе преобразователя 3 последовательность импульсов считывания (фиг. 2,25). Импульс А соответствует импульсу возбуждения преобразователя 3 генератором 2. Следующие за.ним импульсы Н и С образованы ультразвуковыми импульсами, отразившимися соответственно от ближней относительно преобразователя 3 и дальней торцовых поверхностей волновода 4. Временное положение этих импульсов зависит от положения преобразователя 3 относительно волновода 4 и определяется соответственно формулами скорость распространения продольных волн в материале волновода 4; длина волновода 4; координата положения преобразователя 3 относительно середины волновода 4 (индексы при Т определяют длительности интервалов време1504508 записывается в счетчике 12, где V ! частота следования счетных импульсов генератора 28, на этом подготовка к самокалибруюшемуся измерению заканчивается.

Измерение начального положения преобразователя 3, приведенного к началу отсчета перемещения или линейного размера объекта, начинается новым формированием импульса синхрогенератора 1. Аналогично вышеописанному на выходе усилителя 5 вырабатываются импульсы а, Ъ, с и т.д., !

5 в этом случае элемент б И открыт сигналом "1" со второго выхода триггера 11, находящегося в статическом состоянии из-за отсутствия сигнала по его S-входу. Импульс одновибратора 20 организует временные ворота для работы элементов 5 И и на выход последнего проходят только импульсы

В и С считывания. От воздействия этих импульсов триггер 7 переключается два раза, в результате чего на выходе формируется прямоугольный импульс (фиг. 2,30) с длительностью

2L

С (3) Импульсы е и т.д. появляются на выходе преобразователя 3 в результате многократных отражений ультразвуковых импульсов от торцовых поверхностей волновода .4, 3ТН импульсы в измерениях не используются.

Импульсы с выхода преобразователя 3 ограничиваются по уровню в селекторе 9, усиливаются усилителем 5 до стандартного для цифровой логики уровня (фиг. 2,27) и поступают на входы элементов 6 и 21 И, селектор

9 в измерителе защищает усилитель 5 3Р от перегрузки при воздействии мощного возбуждающего импульса генератора 2.

При этом длительность импульса синхрогенератора 1 устанавливается такой, что в течение него полностью затухает возбуждающий преобразователь 3 импульс (фиг. 2,24 и 2,25 импульса), а длительность импульса одновибратора 20 устанавливается та- 4Р кой, чтобы импульс d преобоазователя

3 находился на временной оси за этим импульсом (фиг. 2,25 импульс d u

2,26). Поэтому в цикле подготовки самокалибруюшегося измерения эле- 45 мент 6 И закрыт сигналом "0" со второго выхода триггера 11, а элемент 21 И пропускает только импульс

Й на свой выход.

Триггер ll с помощью импульсов 5р делителя 10 и элемента 21 И переключается и формирует прямоугольный импульс (фиг. 2,28) с длительностью

Т. Последняя изменяется квантованием счетными импульсами генератора 23 55 и результат (5) ни между соответствующими импульсами считывания).

Импульс d принятой последовательности вызван суммой двух ультразвуковых импульсов, каждый из которых дважды отразился от торцовых поверхностей волновода 4. Временное положение этого импульса не зависит от относительного размещения преобразователя 3 и волновода 4, а определяется только линией L последнего и скоростью в используемом материале

Т = Т вЂ” Т = — Х

bc ac ab G н где Х вЂ” координата начального положения преобразователя 3.

На время Т действия импульса триггера 7 открывается ключ 19, и на вход интегратора 16 подается опорное напряжение U, которое интегрируется. Выходное напряжение интегратора 16 изменяется по закону (фиг. 2,31).

Тъ, U =- Vde=-т И и A J o A Ь о где А — постоянная интегрирования интегратора 21.

По окончанию импульса длительностью Т размыкается ключ 19, а от заднего фронта этого же импульса переключается триггер 18 в состояние

t1 li

1 . Передний фронт переключения триггера 18 переписывает код 1 со счетчика 12 в регистр 13. В результате чего преобразователь 14 коднапряжение выдает напряжение (4) (4) N=ТF=--F

2L

C ag o (;

U(= NcUii„q °

1504508. ло (14) Nu = T„Fo (9) 40

45 где U« — ступень квантования

Пкя преобразователя 14 коднапряжение, Напряжения Ю и U, имеют разные знаки. В результате переключения триггера 18 также открывается ключ

15 и вход счетчика 8, подсчитынающего импульсы генератора 28. Начинается второй такт интегрирования. Вы- 10 ходкое напряжение интегратора 16 линейно уменьшается (фиг. 2-31) и в момент времени Т становится равным нулю

1 1 1с

l5

U =-Т U — -с U dt=0 (7)

bC A ПКК о

Решение (7) относительно Т„дает

Uo

Тя = — - Т ° (8)

Ц„„„ 1, Ь

Начало и конец интегрирования фиксируются нуль-органами 17. Задний фронт импульса нуль-органа 17 переключает триггер 18 в исходное состояние, на его выходе устанавливается состояние "0". Закрываются ключ 15 и вход счетчика 8. В результате в счетчик 8 записывается число совместное решение уравнений (3) — (9), определяющее значение чис- 35 ла N, дает

N=- — --UX (10)

Если значение опорного напряжения U установить равным о

U = ----- U

1 10

О 2 пкн э (11) то число, записанное в счетчик 8, NH XH 1О (12) где R — целое число, определяющее цену делЬния результата измерения в десятичной позиционной системе счисления.

Число N со счетчика 8 выводится на цифровое отсчетное устройство 22 для снятия результата начала отсчета перемещения или размера измеряемого объекта.

Затем преобразователь 3 перемещается вдоль волновода 4 на контролируемую линейную неличину аналогично вышеописанному, автоматически происходит определение положения преобразователя 3 н конечном его положении и на цифровое отсчетное устройство 22 н этом случае нынодится чисN„= X 10, (13) где Х вЂ” координата конечного положения преобразователя 3.

Результат измерения линейного размера или перемещения объекта определяется разностью (13) и (12):

К

Х =N -N= (Х вЂ” Х) 10

ОЯ К н K н

При этом для предстявления резульtn— та измерения н метрах запятая н устройстве 22 переключается на R-разрядов со стороны младших,в миллиметрах — на (R-3) разрядов и т.д.

В этих случаях после запятой н устройстве 22 будут присутствовать соответственно R или (R-3) значащих цифровых разрядов.

Таким образом, использование н данном измерителе цикла подготовки для самокалибрующегося измерения позволяет получать результаты измерения, не зависящие от значения скорости ультразвука н материале нолновода и ее дрейфового изменения при климатическом воздействии или старении материала, от значения частоты следования счетных импульсов, кроме того, результаты измерений автоматически масштабируются н заданных единицах, что обеспечивает единство измерений.

Формула изобретения

Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и перемещений, содержащий последователь1 но соединенные синхрогенератор, генератор зондирующих импульсов и под.вижный электроакустический преобразователь, акустически связанный с ним ультразвуковой волновод, последовательно соединенные усилитель, первый элемент И и первый триггер и первый счетчик, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен селектором, вход которого под1504508

10 ключен к подвижному электроакустическому преобразователю, последовательно соединенными делителем частоты, вторым триггером, вторым счетчиком, регистром, преобразователем код — напряжения, первым ключом, интегратором, нуль-органом, и третьим триггером, вторым ключом, вход которого предназначен для подключения к источнику опорного напряжения, а выход подключен к входу интегратора, последовательно соединенными одновибратором и вторым элементом И, выход кдторого подключен к R-входу второго триггера, цифровым отсчетным устройством, вход которого подключен к выходу первого счетчика, и генератором. счетных импульсов, выход которого подключен к счетным входам первого и второго счетчиков, выход синхрогенератора подключен к входам делителя частоты и одновибратора, R-входам первого и третьего триггеров, R-входу первого счетчика и второму входу второго элемента И, выход селектора, подключен к входу усилителя, выход одновибратора подключен к второму входу первого элемента И, выход усилителя подключен к третьему входу второго элемента

И, выход делителя частоты подключен к R-входу второго счетчика, выход первого триггера подключен к управляющему входу второго ключа и к

S-входу третьего триггера, инверсный выход второго триггера подключен к третьему входу первого элемента И, а выход третьего триггера подключен к управляющему входу первого ключа, управляющему входу первого счетчика и второму входу регистра.

1504508

% яд

Редактор A. Долинич

Заказ 5240/41 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауш=кая наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

2á

27

О

О

И

И

Составитель В. Белозеров

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M. Шароши