Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер

 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля толщины материала и может быть использовано в машиностроении, авиастроении и других отраслях промышленности . Целью изобретения является повышение точности измерений за счет цифровой системы коррекции результатов измерений. Использование в толщиномере блока цифровой обработки с аппаратным умножителем позволяет осуществить быстрое вычисление приведенной скорости распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии в каждом цикле измерения и скорректировать значение толщины изделия. Такая коррекция результата повышает точность измерений и снижает требования к стабильности напряжения питания и температурной стабильности генератора импульсов заполнения и расширителя временных интервал ол. 3 ил. S (Г)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 " 01 В 17/02

orl Caav ) кткния

К A BTOPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4701185/28 (22) 05.06.89 (46) 30.05.91. Ьюл. Р 20 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт по разработке неразрушающих методов, средств контроля качества материалов (72) В.А.Калинин, А.А.Костин и Г, Г. Бурдила (53) 531.717(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1249329, кл. О 01 В 17/02, 1986.

Авторское свидетельство СССР

N- 1490475, кл . С 01 В 17/02, 1987. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОИМПУЛЬСНЫЙ1

ТОЛЦИНОИЕР (57) Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля толщины материала и может

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля толщины материала ультразвуковым методом и может быть использовано в машиностроении, авиастроении и других отраслях промышленности.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет циАровой системы коррекции результатов измерений.

На Лиг. 1 представлена структурная схема толщиномера; на Лиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Ультразвуковой (УЗ) эхоимпульсный толщиномер содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, генератор 2 зондирующих импульсов, уси.з0„„1652817 А1

2 быть использовано в машиностроении, авиастроении и других отраслях промышленности. Целью изобретения является повышение точности измерений эа счет цифровой системы коррекции результатов измерений. Использование в толщиномере блока цифровой обработки с аппаратным умножителем позволяет осуществить быстрое вычисление приведенной скорости распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии в каждом цикле измерения и скорректировать значение толщины иэделия. Такая коррекция результата повышает точность измерений и снижает требования к стабильности напряжения питания и температурной стабильности генератора импульсов заполнения и расширителя временных интервалол, 3 ил. литель 3, первый к мпаратор 4, формирователь 5 измерительного импульса, >„, схему ИЛИ 6, первый триггер 7, гене- ф ратор 8 импульсов заполнения, блок 9 р выделения основных импульсов и реверсивный счетчик 10, последовательно соединенные формирователь 11 временного остатка, блок 12 выделения дополнительных импульсов, вычитающий счетчик 13 и второй триггер 14, выход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика 10, приемопередающий преобразователь 15, подклю- и ченный к выходу генератора 2 зондирующих импульсов, второй компаратор 16, вход которого соединен с выходом усилителя 3, выход — с вторым входом формирователя 5 измерительного импульса, 3 1652817

40 формирователь 17 калибровочного импульса, выход которого соединен с вторым входом схемы ИЛИ 6, шинные Аормиронятели 18 и блок 19 циАровой обра5 ботки, выполненный из соединенных шинами данных и управления регистра 20 скорости, регистра 21 данных, первого и второго регистров ?2 и 23 сомножителей, регистра ?4 произведения, Арифметического блока 25, блока 26 программного управления и умножителя

27, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второ-.

f о регистров 22 и 23 сомножителей со- 15

Ответственно, выход — с входом регистра 24 произведения, вход блока 26

Программного управления является входом синхронизя|нли блока 19 циАровой обработки и соединен с третьим входом формирователя 5 измерительного имЙульса и первым выходом синхрониза1 оря 1, входы шинных Аормирователей

18 соединены с инАормационными выходами реверсивного и вычитающего счетчи- 25 ков 10 и 13, вход управления — с шиной управления блока 19 циАровой обра(отки, выход — с шиной данных блока 19 циАровой обработки, второй выход синхронизатора 1 соединен с входами

"Сброс" реверсивного и вычитающего счетчиков l0 и 13, с входами "Установка" первого и второго триггеров 7 и 14 и первым входом Аормиронателя 11 временного остатка, второй вход по35

Следнего соединен с вь|ходом схемы

ИЛИ 6, третий и четвертый входы — с вторым и первым выходами блока 9 выф еления основных импульсов соответственно, второй выход — с вторым входом блока 9 выделения основных имПульсов, второй выход вычитающего четчикя 13 соединен с третьим входом блока 9 выделения основных импульсов, а второй вход блока t2 выделения до- 45

Шолнительных импульсов соединен с вы:кодом. генератора 8 импульсов заполнения.

Позициями 28-40 обозначены выходы сигналов с блоков УЗ толщиномера.

Ультразвуковой эхоимпульсный толщиномер работает следующим образом.

Синхронизатор 1 вырабатывает импульсы 28, определяющие частоту понто) ения циклов измерения толщиномера, 55 импульсы 29, упрянлякпчие АормироваГелем 17 калибровочного импульса, и импульсы 30, осуществляющие сброс реверсивного 10 и нычитяющего 13 счетчиков, я также установку первого и второго триггеров 7 и 14 и Аормировятеля 11 временного остатка. Импульсы генератора 2 зондирующих импульсон возбуждают приемопередяющий пьезопреобразователь 15, излучающий ультразвуковой импульс по нормали к передней грани контролируемого изделия н слой промежуточной жидкости. Ультразвуковой импульс претерпевает отражение от передней грани изделия и многократные отражения от граней стенки контролируемого изделия, после чего принимается приемопередающим пьезопреобразовятелем 15, преобразуется им в электрические эхоимпульсы, которые усиливаются усллителем 3 и поступают на входы первого компаратора

4 и второго компяратора 16. Импульсы

31 и 32 с выходов первого компаратора 4 и второго компяратора 16, соответствующие отражениям ультразвукового импульса от передней грани и мноFoKpcLTHbIM отражениям внутри контролируемого изделия, поступают на входы

Аормиронателя 5 измерительного импульса.

В Аормиронателе 5 измерительного импульса из импульсов 31 и 32 вырабатывается измерительный импульс 33, длительность которого пропорциональна толщине стенки изделия. Затем осуществляется преобразование длительности измерительного импульса в цифровой измерительный код. С этой целью импульс 33, пройдя схему ИЛИ 6, запускает первый триггер 7, на выходе которого Аормируется импульс 34. Далее импульсом 34 запускается генератор 8 импульсов заполнения, который вырабатывает счетные импульсы 35, привязанные по Аязе к положительному

Аронту импульса 34. Импульс 33 поступает также на Аормировятель 11 временного остатка и устанавливает в состояние "1" его внутренний регистр, Последьйй выдает на выход Аормирователя 11 импульс 36, который разрешает прохождение импульсов 35 через блок 9 выделения осноннь:х импульсон НВ, счетный вход реверсивного счетчика 10, Направление счета реверсивного счетчика 10 определяется вторым триггером 14 который импульсом 30 синхронизатора 1 устанавливается н положение, соответствующее режиму суммирования реверснв ного счетчика 10. Конец н fGv. ься 36 определяется отрипя гельным перепадом

1652817 второго импульса последовательности

35 после окончания измерительного импульса 33. Из импульсов 33 и 36 на формирователе 11 временного остат-.

5 ка выделяется импульс 37„длительность которого соответствует интервалу времени от момента окончания иэмерчтельного импульса 33 до второго импульса заполнения. Импульс 37, в свою очередь, поступает на вход блока 12 выделения дополнительных импульсов, который осуществляет его линейное расширение в 1с раз (где 1с— емкость вычитающего счетчика 13) и заполнение счетными импульсами 35.

Импульсы 39 с выхода блока 12 выделения дополнительных импульсов поступают на вход вычитающего счетчика 13.

С приходом четвертого импульса 39 20 на вход вычитающего счетчика 13 происходит установка второго триггера 14 в положеггие, когда его выходной импульс переводит реверсивный счетчик

10 в режим вычитаюгя. При обнулении 25 вычитающего счетчика 13 импульсы "Заем с его выхода поступают на вход реверсивного счетчика 10 через блок 9 выделения основных импульсов.

Полученный в вычитающем и ревер- 30 сивном счетчиках 13 и t0 код резуль-. тата измерения длительности измери-. тельного импульса (младшие разряды в вычитающем счетчике 13, а старшие— в реверсивном счетчике 10) поступает на шинные Аормирователи 18, предназначенные для связи выходов счетчиков с трехстабильной шиной данных, Далее цифровой код обрабатывается согласно программе, записанной в блоке 26 про- 40 граммного управления.

Корректировка результатов измерений толщины изделия основана на учете измеренного в каждом такте зондирования коэффициента отличия результата измерения длительности высокостабильного (кварцованного) калибровочного импульса от номинального числа Х. Последнее получают в результате измерения дггитепьностгг калибровочного им- 50 пульса при номинальной частоте генератора импульсов заполнения и номи. нальном значении коэААициента расширения расширителя временных интервалов. Через (Х+дХ) обозначим число, полученное в результате реального измерения длитечьности калибровочного импульса. Тогда коэААициент отличия измеренной длительности калибровочноro импульса от заданной выражается формулой

Х

К (1)

Х+Д X

Получение точного значения измеряемой толщины 8 изделия определяют по формуле

Т С

S- — -" К

2 (2) Х ЬХ jtx2 — — -=1- — + ——

Х+ЬХ Х Х

Ьх — ДХ+-—

Х X

К=-„— -=1+ — — — —. (4)

Х+ДХ Х

При отклонении значения (Х+йХ) от значения X менее чем на 2Х, hopMyла (4) обеспечивает вычисление коэф"

Аициента К с погрешностью около:

0,001Х, что достаточно для того, чтобы дополнительная погрешность измерения значения толщины S вноси-, где Т вЂ” значение времени распространения ультразвука в материале (длительность измерительного импульса), измеренное в том же канале, что и длительность калибровочного импульса;

С вЂ” известное значение скорости распространения ультразвука в материале контролируемого изделия, используемое в качестве одного из исходных данных контроля.

Однако вычисление коэффициента K по формуле (t) связано с большими затратами времени для реализации операции деления, что приводит к значительному снижению производительности контроля. Поскольку практическая аппаратная реализация генератора 8 импульсов заполнения и расширителя временных интервалов обеспечивают отличие значения (Х+дХ) от Х не более чем на единицы процентов, то Аормулу (1) для коэдкЪщиента К представим в более удобной для вычисления форме с помощью разложения в ряд Маклорена. 3аrzzcav Аормулу Маклорена в общем виде

f (0) f(nt(0) rt

f (Х) =f (0)+-- — x+...+- — — — х + (дн)

1 (I ) n+i (3) (n+i) и применив Аормулу (3) при п=2 к функХ ции f (X) =- — —, где а X=const, полуХ+Я чаем

1652817 (6) мая неточностью вычисления коэффициента К, была значительно меньше

Основной погрешности измерения. Длительность калибровочного импульса

Выбирают так, что ее измеренное значение Х=2, где m — максимальная разрядность представления обрабатываемых данных в двоичном коде. Тогда реализация вычисления коэфАициента К по фор- 10 муле (4) сводится к операциям сложения

foal и умножения. Деление же на 2 осуществляется путем простого отбрасывания.младших m разрядов, что значительно снижает время, затрачиваемое на вычисление коэффициента К.

Для расчета толщины по Аормуле (2)

Вначале значение скорости распространения ультразвуковых колебаний в материале корректируется по Аор- 20

С(-ДХ+ДХ

Х

Г =С+ — — — — -)

Х

У (5) а затем полученное значение С,1 используется для расчета толщины изде- 25 лия по Аормуле

Tip (1

2 Формирователь 17 калибровочного импульса запускается импульсом 29 30 синхронизатора 1 и вырабатывает импульс 40 стабильной (кварцованной) длительности. Этот импульс через схему ИЛИ 6 в каждом периоде формирования зондирующих импульсов поступа-. ет на тот же, что и измерительный импульс, преобразователь длительнос". ти импульса в циАровой код. В этом режиме, по результатам измерения длительности калибровочного импульса, 40 в блоке 19 циАровой обработки вычисляется значение приведенной скорости С, (то есть реализуется алгоритм вычисления С1 по формуле (5)}.

Для реализации алгоритма вычисления приведенной скорости С по формуле (5) с максимальным быстродействием длительность калибровочного импульса выбирается так, чтобы ее измеренное значение Х=2 где и — разрядность

У

50 реверсивного и вычитающего счетчиков, т.е. разрядность шины данных.

При этом m-й разряд. шины данных после измерения .,калибровочного импульса будет содержать информацию и знаке

55 отклонения величины ДХ (при QX)0

m-й разряд — ноль, при Ь Х<0 m-й разряд — единица). Выбор такой длительности калибровочного импульса позволяет легко решить задачу деления в двоичном коде на Х= 2 в Аор)т муле (5) путем отбрасывания m младших разрядов от полученного результата умножения 6,Х AX=AX и С(ЬХ+

ДХ

+ †-), Код значения скорости С, X хранится в первом регистре 22 до следующего такта и используется для корректировки результата измерения по.

Аормуле (6) .

Регистр 21 данных служит для хранения кода числа, полученного в результате измерения измерительного импульса в течение одного такта следования синхроимпульсов.

Первый и второй регистры 22 и 23 используются для временного хранения первого и второго сомножителей при перемножении на аппаратном умножителе 27. Результат умножения помещается в регистр 24 произведения.

Регистр 20 скорости служит для хранения действительного значения скорости С ультразвуковых колебаний в материале контролируемого изделия.

Арифметический блок 25 служит для приема операндов из пины данных, их обработки (сравнение кодов результатов измерения толщины в каждом такте работы синхронизатора с предельно допустимыми значениями, определение их минимального и максимального значения согласно программе, генерируемой бло" ком 26 программного управления, а также выдачи результатов арифметичес,ких и логических операций над операндами в шину данных).

Блок 26 программного управления осуществляет хранение текста про" .. грамм, их генерацию н зависимости от режима работы талщиномера, выдачу н шину управления сигналов, осуществляющих управление режимами. работы регистра 20 скорости, регистра 21 данных, первого 22 и второго 23 регистров, регистра 24 произведения, шинных формирователей 18, вырабатывает последовательность микрокоманд, управляющих работой ариАметического блока 25, а также отображает результаты обработки на световых и пиАровых индикаторах.

При измерении длительности измерительного импульса н на але такта работы синхронизатора 1 согласно программе, генерируемой блоком 26 про-, граммного управления, абеспе;инает1652817

Формула и з обретения

Ультразвуковой эхоимпульсный толщиномер, содержащий последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, усилитель, первый компаратор, формирователь измерительного импульса, схему ИЛИ, первый триггер, генератор импульсов заполнения, блок выделения основных импульсов и реверсивный счетчик, последовательно соединенные Аормирователь временного остатка, блок вьделения дополнительных импульсов, вычитающий счетчик и второй триггер, выход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика, приемопередающий преобразователь, подключенный к вы40

50

55 ся; перезапись циАрового кода длительности измерительного импульса, хранящегося в регистре ? 1 данных, во второй регистр 23, перемножение в аппа-. ратном умножителе 27 записанного в первый регистр 22 кода приведенной скорости С, вычисленного в предыдущем такте синхронизатора, и содержащегося во втором регистре 23 кода, 10 полученного в результате измерения длительности измерительного импульса в данном такте синхронизатора, размещение кода результата умножения в регистре 24 произведения; считывание 15 цифрового кода из регистра 24 произведения в арифметическое блок 25, его обработка согласно программе и выдача результатов обработки в шину данных; перезапись кода числа с выхода 20 вычитающего 13 и реверсивного 10 счетчиков через шинные формирователи 18.

Таким образом, использование в УЗ толщиномере вместо системы автоматической подстройки частоты re-. 25 нератора импульсов заполнения цифровой коррекции результатов измерения путем вычисления приведенной скорости распространения УЗ колебаний в контролируемом изделии повьппает точность измерений, а также снижает требования к стабильности напряжения питания и температурной стабильности генератора импульсов заполнения и расширителя временных интер35 валов, ходу генератора зондирующих импуль iсов, второй компаратор, вход которого соединен с выходом усилителя, выход — с вторым входом Аормирователя измерительного импульса, Аормирователь калибровочного импульса, выход которого соединен с вторым входом схемы ИЛИ, и блок циАровой обработки, первый выход синхронизатора соединен с третьим входом Аормирователя измерительного импульсь, второй выход синхронизатора — с входами

"Сброс реверсивного и вычитающего счетчиков, с входами "Установка" первого и второго триггеров и с первым входом Аормирователя временного остатка, вторым входом соединенного с выходом схемы ИЛИ, третьим и четвертым входами — с вторым и первым выхо-, дами блока выделения основных импульсов соответственно, вторым выходом— с вторым входом блока выделения основных импульсов, второй выход вычитающего счетчика соединен с третьим входом блока выделения основных им пульсов, а второй вход блока выделения дополнительных импульсов соединен с выходом генератора импульсов заполнения, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности, он снабжен шинными Аормирователями, а блок циАровой обработки выполнен из соединенных шинами данных и управления регистра скорости, регистра данных, первого и второго регистров сомножителей, регистра произведения, ариАметического блока и блока программного управления и умножителя, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго pe"" гистров сомножителей соответственно, выход — с входом регистра произведения, вход блока программного управления является входом синхронизации блока циАровой обработки и соединен с первым выходом синхронизатора, входы шинных формирователей соединены с инАормационными выходами реверсивного и вычитающего счетчиков, вход управления — с шиной управления блока циАровой обработки, выход — с шиной данных блока цифровой обработки, а третий выход синхронизатора соединен с входом Аормирователя калибровочного импульса.

6528 l i

1 6528! l

Фиг.2