Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и перемещений
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в создании средств измерений и контроля различных объектов и параметров технологического оборудования, например в гибких производственных системах. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет устранения влияния нестабильности скорости распространения ультразвуковых волн в материале волновода и частоты генератора счетных импульсов. В измеритель введен канал автоматического масштабирования результата, который позволяет фиксировать статический результат измерений объемом из М выборок в регистре по импульсу, формируемому на выходе дешифратора и соответствующему постоянному числу счетных импульсов (L<SP POS="POST">.</SP>10<SP POS="POST">R</SP>)/2= M<SP POS="POST">.</SP>T<SB POS="POST">AD</SB><SP POS="POST">.</SP>F<SB POS="POST">0</SB>, где L - длина волновода F<SB POS="POST">0</SB> - частота следования счетных импульсов T<SB POS="POST">AD</SB>=2L/C C - скорость распространения ультразвука в волноводе R - целое число, определяющее цену деления младшего разряда результата измерения. Полученный таким образом результат не зависит от нестабильности скорости распространения ультразвука в волноводе и частоты следования счетных импульсов, что повышает точность измерения. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ÄÄSUÄÄ 50450
А1 (5!) 4 С О! В 17/00
Ц
i:ATt l:;;,, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
> > > /> 1ъ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ
ПРИ ГННТ СССР
К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4359821/25-28 (22) 06.01.88 (46) 30.08.89. Бюл. М - 32 (72) Д,Д.Балданов (53) 531.7(088.8) (56) Авторское снидетельстно СССР
11> 1158865, кл. G 01 В 17/00, 1985.
Авторское свидетельство СССР
Р 11 80690, кл . G 01 В 17/00, 1985. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ САМОКАЛИБРУ!ОЩИЙСЯ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ
И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в создании средств измерений и контроля различных объектов и параметров технологического оборудования, например в гибких производственных системах. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет устранения влияния нестабильности скорости распространения ультразвуковых волн в
Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольэовано при создании средств измерений и контроля различных объектов и параметров технологического оборудования, например в гибких производственных системах.
Цель изобретения — повышение точности измерения за счет устранения влияния нестабильногти скорости распространения ультразвуковых волн в материале нолнонода и частоты генератора счетных имиульсон. материале нолио вода и час тоты генератора счетных импульсов, В измеритель введен канал автоматического масштабирования результата, который позволяет фиксиронать статический результат измерений объемом иэ М выборок в регистре по импульсу, формируемому на выходе дешифратора и соответствующему постоянному числу счетных импульсов (1. !О )/2 = М Т,>! Fo где L — длина волновода; F, — частота следования счетных импульсов; Т„,!
2L/С; С вЂ” скорость распространения ультразвука в нолноноде; R целое число, определяющее цену деления младшего разряда результата измерения. Полученный таким образом результат не зависит от нестабильности скорости распространения ультразнука в волноводе и частоты следования счетных импульсов, что повышает точность измерения. 2 ил.
На фиг. 1 изображена структурная схема ультразвукового самокалибрующегося измерителя линейных размеров и перемещений; на фиг. 2 — нременные диаграммы, поясняющие его работу, Измеритель содержит синхрогенератор 1, последовательно соединенные генератор 2 зондирующих импульсов и подвижный злектроакустический преобразователь 3, акустически связанный с ним ул| тразвуконои в лновол 4, последовательно соединенные усилитель 5> первый э>1емен1 6 И и правый
45
3 1504509 триггер 7, первый счетчик 8, селектор 9, вход которого подключен к подвижному электрическому преобразователю 3, последовательно соединенные второй элемент 10 И, первый вход
5 которого подключен к выходу синхрогенератора 1, второй триггер 11, второй счетчик 12, дешифратор 13 и первый одновибратор 14, последовательно соединенные регистр 15, информационный вход которого подключен к выходу первого счетчика 8, и цифровое отсчетное устройство 16, последовательно соединенные второй одновибратор 17 и третий элемент 18 И, выход которого подключен к К-входу второго триггера 11, и генератор 19 счетных импульсов, выход которого подключен к счетным входам первого и второго счетчиков 8 и 12, выход первого одновибратора 14 подключен к R-входам первого и второго счетчиков 8 и 12 и второму входу второго элемента 10, выход дешифратора 13 25 подключен к второму входу регистра
15, выход первого триггера 7 подключен к управляющему входу первого счетчика 8, выход второго элемента
10 И подключен к входу генератора 30
2 зондирующих импульсов, входу второго одновибратора 17 и Р-входу пернс го триггера 7, выход усилителя 5 подключен к второму входу третье элемента 18 И, а вход — к выходу селектора 9.
Позициями 20-22 обозначены выходы сигналов с блоков измерителя, позициями à-f обозначены импульсы на временной оси (фиг. 2-22).
Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и перемещений работает следующим образом.
Измерение линейного размера или перемещения объекта начинается с приведения преобразователя 3 путем перемещения к началу отсчета. При этом в измерителе периодически производится определение положения преобразователя 3. р момент формирования на выходе одновибратора 14 пря50 моугольного положительного импульса, т.е. начала нового измерения, от воздействия переднего фронта этого импульса происходит сброс содержи55 мого счетчиков 8 и 12, при этом на время его действия закрывается второй элемент !0 И. Длительность выходного импульса одновибратора 14 определяет время между двумя измерениями.
После окончания импульса одновибратора 14 открывается элемент
10 И и начинается прохождение периодических импульсов синхронизатора 1 на выход элемента 10 И. Передний фронт каждого импульса синхрогенератора 1 (фиг. 2-29) устанавливает на выходе триггера 11 состояние "1", на выходе триггера 7 состояние "0" и запускает генератор 2 зондирующих импульсов (фиг. 2-22), а задний его фронт запускает одновибратор 17 (фиг. 2-21).
Выходной импульс генератора 2 через электроакустический преобразователь 3 возбуждает в волноводе 4 короткий ультразвуковой импульс продольных волн. Причем для правильной работы измерителя длительность импульса синхрогенератора 1 устанавливается большей, чем время, необходимое для полного успокоения возбуждающего импульса генератора 2.
Это требование необходимо для защиты триггеров 8 и 11 от ложного их срабатывания на время возбуждения ультразвукового импульса в волноводе 4.
Ультразвуковой импульс, распространяясь в обе стороны от места возбуждения, совершает многократное отражение от торцовых поверхностей волновода 4, вызывая на выходе преобразователя 3 последовательность импульсов считывания (фиг. 2-22).
Импульс А соответствует импульсу возбуждения преобразователя 3 генератором 2. Следующие эа ним импульсы
В и С образованы ультразвуковыми импульсами, отраженными 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 формулами т =-(--х), 1 L аЬн С 2 где С вЂ” скорость распространения продольных волн в материале волновода 4;
1504
L — длина волновода 4:
Х вЂ” координата начального положения преобразователя 3 относительно середины волновода 4, индексы при Т определяют номера импульсов, с помощью которых формируются интервалы времени и положение преобразователя 3 во время измерения (индекс Н определяет начальное, индекс К вЂ” конечное положение преобразователя 3).
Импульс d принятой последовательности вызван суммой двух импульсов, каждый из которых дважды отразился от торцовых поверхностей волновода
4. Временное положение этого импульса не зависит î- относительного размещения преобразователя 3 и волновода 4, а определяется только длиной
L последнего и скоростью С в используемом материале
509 6 вия импульса синхрогенератора 1 по приоритетному S-входу. Триггер II возвращается в исходное состояние
"0" при поступлении на его К-вход импульса d, Таким образом, от каждого импульса синхрогенератора 1, прошедшего через элемент 10 И, и 1 выходе триггера 11 формируется прямоугольный импульс с длительностью
T J
В то же время триггер 7 от воздействия импульса Ь переключается в состояние "1", а от воздействия импульса С возвращается в состояние
11 11
О . Поэтому при каждом формировании прямоугольного импульса с длит"льностью Т на выходе триггера 7 также формируется прямоугольный импульс С
20 длительностью
Т Т вЂ” Т вЂ” — —. (4)
4Хн
Вся ас" аЬн
2L
Т
ad С (3) 25
Импульсы ef и т.д. появляются на выходе преобразователя Э в результате многократных отражений ультразвуковых импульсов от торцовых поверхностей волновода 4. Эти импульсы в измерении не используются, Импульсы с выхода преобразователя
Э ограничиваются по уровню в селекторе 9, усиливаются усилителем 5 до стандартного для цифровой логики уровня и поступают на входы элементов 6 и 18 И. Селектор 9 в измерителе предназначен для защиты входных цепей усилителя 5 от перегрузки при воздействии мощного зондирующего импульса генератора 2.
Выходной импульс одновибратора 17 организует временные ворота для работы элементов 6 и 18 И. На время действия импульса одновибратора 17 элемент 6 И открывается, а элемент
И закрывается. При этом длительность импульса одновибратора 17 устанавливается такой, что его задний фронт должен находиться впереди импульса
d из последовательности, принимаемой преобразователем 3. Поэтому на выходе элемента 6 И формируются только импульсы b и с, а на выходе элемента 18 И вЂ” импульсы а, d и т.д.
Во время действия импульса ц на
К-вход триггер. 11 находится в устойчивом состоянии "1" от воздейст30
2L
Ы -т F, - — F, (5) а в счетчик 8—
"Ь ТЬ F F ° (6)
4х„
Ься сн о C о
Вьаиеописанньй процесс с периодическим формированием импульсов синхрогенератора 1 и прямоугольных импульсов с длительностями Т 1 и Т
aà Ься измерением этих длительностей с последующим суммированием в счетчиках
8 и 12. результатов продолжается до записи в счетчик 12 числа L 10 /2, я где R — целое число, определяющее цену деления младшего разряда результата измерения.
Запись в счетчик 12 числа L- IОЯ/2 фиксируется дешифратором формированием импульса, который запускает одновибратор 14 и переписывает содержимое счетчика 8 в регистр 15.
Одновибратор 14 вырабатывает прямоугольный импульс, который закрывает элемент 10 И и своим задним фронтои обнуляет счетчики 8 и 12. Процесс определения положения преобразователя 3 в измерителе завершается. НоДлительности Т g и Т1 измеряа ся ются квантованием импульсов генератора 19, и результаты записываются в счетчики 8 и 12. В результате каждого измерения в счетчик 12 в режиме сложения записывается число
1504509
Т =Т -Т =-(-+Х)
2 Ь
Ьсн аск аЬк
2 Ь
10 -(2 — Х„) = 4Х
С (9) где Х вЂ” координата конечного положения преобразователя 3.
В результате измерения конечного
15 положения преобразователя 3 в регистр 18 хранения от счетчика 13 записывается число
Nk Х„10
20 (10) 30 показывающее, что измерение производится с самокалибровкой,результат 35 измерения не зависит от акустических свойств волновода 4 и автоматически масштабирует в узаконенных единицах.
Результат измерения N переписанный в регистр 15, выводится на циф- 40 ровое отсчетное устройство 16. При этом для представления результата в метрах запятая в устройстве 16 переключается на Е-разрядов со стороны младших, что является аналогом деле- 45 ния на 10, в этом случае после запятой будут присутствовать К значащих цифровых разрядов. Например, если нужно фиксировать результат с ценой
Ъ деления 1 мкм, то необходимо выбрать R-б, при К-3 цена деления будет
1 мм и т.д.
На втором этапе измерения преобразователь 3 переводится на вторую точку измеряемого объекта или орга п зуется необходимое линейное перемещение, т.е. преобразователь 3 устанавливается в конечное положение.
В этом случае измерения положение вый цикл в измерителе начинается после окончания импульса одновибратора 14.
В результате одного измерения положения преобразователя 3 (в данном случае начального) в измерителе решается система уравнений
L{OK
И =Ив =МТ„F àï а 1 а 1 о (7) где М вЂ” объем выборки статистического измерения интервалов времени, т.е. целое число, автоматически устанавливаемое в измерителе в зависимости от скорости С распространения продольных волн в материале волновода 4 в момент измерения положения преобразователя 3, N кц — число импульсов, записанных в счетчик 12 за одно измерение положения преобразователя 3, И н — результат измерения начального положения преобразователя 3.
Совместное решение уравнений (7) с учетом уравнений (1) — (6) дает выражение
Т 10 1 10
N ------N =- — — --,-Т Г
2N„y Ьсн 2Т Р Ьсн аа
= Х,10
R (8) преобразователя 3 осуществляется так же, как при начальном его положении, но с тем отличием, что на выходе триггера 7 формируется прямоугольный импульс с длительностью
Результат измерения размера контролируемого объекта нли линейного перемещения определяется с помощью формул (8) и ()0) 1 N 11 (Х Х ) 10 (11)
Таким образом, использование в данном измерителе канала автоматического масштабирования результата, состоящего из второго триггера, второго счетчика, дешифрамора и однозибратора, позволяет получать результаты измерений, не зависящие от значения скорости ультразвука в материале волновода и ее дрейфового изменения при климатическом воздействии или старении материала, от значения частоты следования счетных импульсов, кроме того, результаты измерений автоматически масштабируются в заданных единицах, что обеспечивает единство измерения.
Формула изобретения
Ультразвуковой самокалибрующийся измеритель линейных размеров и перемещений, содержащий синхрогенератор, последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов и подвижный 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 щ и й— с я тем, что, с целью повышения
Составитель Б. Белозеров
Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М. Шароши
Редактор А. Долинич
Заказ 5240/41 Тираж 683 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101
9 !5 точности измерения, он снабжен селектором, вход которого подключен к подвижному электроакустическому преобразователю, последовательно соединенными вторым элементом И, первый вход которого подключен к выходу синхрогенератора, вторым триггером, вторым счетчиком, дешифратором и первым одновибратором, последовательно соединенными регистром, информационный вход которого подключен к выходу первого счетчика, и цифровым отсчетным устройством, последовательно соединенными вторым одновибратором и третьим элементом
И, выход которого подключен к К-входу второго триггера, и генератором
04509 10 счетных импульсов, выход которого
1 подключен к счетным входам первого и второго счетчиков, выход первого
5 одновибратора подключен к R-входам первого и второго счетчиков и второму входу второго элемента И, выход дешифратора подключен к второму входу регистра, выход первого триггера подключен к управляющему входу первого счетчика, выход второго элемента И подключен к входу генератора зондирующих импульсов, входу второго одновибратора и R-входу первого триггера, выход усилителя подключен к второму входу третьего элемента И, а вход — к выходу селектора.
