Ультразвуковой толщиномер

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для неразрушающего контроля при одностороннем доступе толщины изделий, изготовленных из материалов с высоким коэффициентом затухания ультразвука, а также имеющих большую кривизну поверхности. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет формирования последовательности временных интервалов, окончание которых осуществляется поочередно по переднему и заднему фронтам эхо-сигнала. Применение в схеме толщиномера формирователя фронта импульса, коммутатора, триггера и второго одновибратора с необходимыми функциональными связями позволяет фиксировать временной интервал прохождения ультразвуковых колебаний в изделии, окончание которого совпадает с вершиной приемного импульса, а также контролировать акустический контакт между преобразователем и изделием. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л G 01 В 17/02

ГО СУДА P СТВ Е ННЫ И КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTKPblTMHM

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (Ь V

О

Ф

О (21) 4724865/28 (22) 01.08.89 (46) 15.08.91. Бюл. М 30 (72) Д. Д. Балданов (53) 531.717(088,8) (56) Королев M. В. Эхо-импульсные толщиномеры. — М.: Машиностроение, 1980, с, 79-87.

Авторское свидетельство СССР

hL 1536203, кл. G 01 В 17/02, 1988, (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОЛЩИНОМЕР (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для нераэрушающего контроля при одностороннем доступе толщины иэделий, изготовленных иэ материалов с высоким коэффициентом затухания ультразвука, а также имеющих

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для нераэрушающего контроля при одностороннем доступе толщины изделий, изготовленн ых из материалов с высоким коэффициентом затухания ультразвука, а также имеющих большую кривизну поверхности.

Цель изобретения — повышение точности измерения за счет формирования последовательности временных интервалов, окончание которых осуществляется поочередно по переднему и заднему фронтам эхосигнала.

На фиг. 1 изображена структурная схема ультразвукового толщиномера: на фиг. 2 и 3 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Толщиномер содержит последовательно электроакустически соединенные синхронизатор 1, генератор 2 зондирующих импульсов, преобразователь 3 и усилитель

„„Я2,, 1670401 А1 большую кривизну поверхности. Цель изобретения — повышение точности измерения за счет формирования последовательности временных интервалов, окончание которых осуществляется поочередно по переднему и заднему фронтам эхо-сигнала.

Применение в схеме толщиномера формирователя фронта импульса, коммутатора, триггера и второго одновибратора с необходимыми функциональными связями позволяет фиксировать временной интервал прохождения ультразвуковых колебаний в изделии, окончание которого совпадает с вершиной приемного импульса, а также контролировать акустический контакт между преобразователем и иэделием. 3 ил.

4, последовательно соединенные первый счетчик 5 и индикатор 6, последовательно соединенные формирователь 7 интервалов времени, первый вход которого подключен к выходу синхронизатора 1, первый регулируемый одновибратор 8 и второй счетчик 9, генератор 10 счетных импульсов, выход которого подключен к счетным входам первого и второго счетчиков 5 и 9, последовательно соединенные формирователь 11 фронта импульса и коммутатор 12, триггер 13 и второй одновибратор 14, вход которого подключен к первому входу первого счетчика и выходу формирователя 7 интервалов времени, выход — к вторым входам первого и второго счетчиков 5 и

9 и входу "Сброс" триггера 13, второй вход коммутатора 12 подключен к входу формирователя 11 фронта импульса и к выходу усилителя 4, управляющий вход — к прямому выходу триггера 13, выход — к второму входу

1570401

15

25

35

45

55 формирователя 7 ингервалов времени, а счетный вход триггера 13 подключен к выходу синхронизатора 1, Позициями 15 — 30 обозначены выходы сигналов с блоков ультразвукового (Y3) толщиномера.

Толщиномер работает следующим образом, Перед началом измерения толщины, пока преобразователь 3 не установлен на поверхность контролируемого изделия, на выходе одновибратора 14 присутствует сигнал "0", а выходной сигнал счетчика 9 соответствует "1". В этом случае входы счетчиков 5 и 9 закрыты, а триггер 13 приведен в устойчивое начальное состояние с "0" на прямом выходе. Сигнал "1" с выхода счетчика 9 разрешает работу синхронизатора

1, который, в свою очередь, периодически генерирует короткие прямоугольные импульсы.

Каждый импульс синхронизатора 1 запускает генератор 2 зондирующих импульсов и одновременно поступает на входы триггера 13 и формирователя 7 интервалов времени. Триггер 13, закрытый сигналом "0" от одновибратора 14, не реагирует на этот импульс. Импульс синхронизатора 1, являющийся старт-сигналом, своим передним фронтом переключает формирователь 7 интервалов времени в состояние "1" на выходе или подтверждает это состояние.

От первого импульса синхронизатора 1 (фиг. 2, 15), сформировавшегося после установки преобразователя 3 на поверхность изделия, также запускается генератор 2.

Выходной импульс последнего через преобразователь 3 излучается в изделие в виде короткого ультразвукового импульса (фиг. 2, 16). Ультразвуковой импульс, отразившись от противоположной поверхности изделия, принимается преобразователем 3 и преобразуется в электрический сигнал (фиг. 2, 17; первый радиоимпульс соответствует измерению малой толщины, второй радиоимпульс — большой толщины, пунктирной линией показана кривая затухания ультразвука в контролируемом иэделии).

Выходной сигнал преобразователя 3 поступает на вход усилителя 4, имеющего уровень отсечки входных сигналов U>. Наличие в усилителе 4 уровня отсечки повышает достоверность результатов измерений исключением ложных его срабатываний от постоянно присутствующих на выходе преобразователя 3 различных шумов (фиг. 2, 17), Усилитель 4 усиливает входные сигналы уровень которых превышает U>, до стандартной для логических элементов амплитуды (фиг, 2, 18). На фиг. 2, 17 точками показаны моменты включения и выключения усилителя 4.

Импульсы с усилителя 4 поступают на входы формирователя 11 фронта импульса и коммутатора 12. Формирователь 11 вырабатывает на своем выходе прямоугольный импульс (фиг. 2, 19) от каждого отрицательного фронта входного импульса (фиг. 2, 18). Коммутатор 12 в зависимости от уровня сигнала на его управляющем входе соединяет второй вход формирователя 7 интервалов времени либо с выходом усилителя 4, либо с выходом формирователя

11 фронта импульса, При сигнале "1" на управляющем входе коммутатора 12 последний соединяет формирователь 7 с усилителем 4, а в противном случае — с формирователем 11 фронта импульса, При этом любой импульс с выхода коммутатора

12 для формирователя 7 интервалов времени является стоп-сигналом, В данном случае коммутатор 12 пропускает импульсы формирователя 11 на второй вход формирователя 7 интервалов времени, На выходе последнего устанавливается сигнал "0". Фронт переключения сигнала формирователя 7 с "1" на "0" запускает одновибратор 14. На выходе последнего устанавливается сигнал "1", который открывает входы счетчиков 5 и 9 и дает разрешение триггеру 13.

Таким образом. одновибратор 14 вырабатывает на выходе сигнал "1" только в том случае, когда преобразователь 3 принимает отраженный от противоположной поверхности изделия ультразвуковой импульс. При этом одновибратор 14 имеет следующую особенность в работе — при формировании с частотой генерации синхронизатора 1 импульсов формирователем 7 интервалов времени он постоянно поддерживает на своем выходе сигнал "1", т. е. одновибратор 14 в толщиномере служит блоком контроля качества акустического контакта между преобразователем 3 и изделием. В качестве одновибратора 14 может быть использован, например, одновибратор с повторным запуском типа К155АГЗ.

От импульса синхронизатора 1, сформировавшегося после установления на выходе одновибратора 14 сигнала "1", запускается генератор 2 и переключаются триггер 13 и формирователь 7. На выходах триггера 13 и формирователя 7 устанавливаются сигналы "1". Сигнал с выхода триггера 13, воздействуя на управляющий вход коммутатора 12, соединяет усилитель 4 с вторым входом формирователя 7. Отраженный от противоположной поверхности ульт1670401 продолжается до переполнения cчетчика 9, имеющего емкость 10, где R — целое поR ложительное число, определяющее вес л1ладшего разряда результата измерения

5 толщины изделия.

При достижении в счетчике 9 числа 10 им вырабатывается импульс переноса. соответс1вующий сигналу "0", который запрещает работу синхронизатора 1. Измерение

10 толщины изделия заканчивается. Содержимое счетчика 5, являющееся результатол1 измерения толщины, выводится на индикатор

6 для регистрации.

При измерении длительностей Тн1 и Тн2

15 в счетчике 5 толщиномера накапливается результат, равный измерению двух длиТН1 + ТН2 тельностей Т р1 = †----,окончание

2 которых на временной оси совпадает с

20 вершиной приемного симметричного импульса, соответствующего отраженному от противоположной поверхности изделия ультразвуковому импульсу (фиг. 2, 17; 2, 20;

2, 21).

25 2Н

При этом длительность Т р1 = с где Н вЂ” толщина контролируемого изделия.

Чтобы Длительность Н,р1 Действительно была равна отношению двойной толщины

30 иэделия к скорости ультразвука в материале, как обычно в ультразвуковой толщинометрии, вводят элемент задержки между выходом синхронизатора 1 и первым входом формирователя 7 интервалов време35 ни, Длительность задержки устанавливают равной времени, необходимому для прохождения ультразвуковым импульсом призм преобразователя 3. На фиг. 1 элемент задержки не показан.

40 Таким образом, в толщиномере решается система уравнений где N< — содержимое счетчика 9;

NH — содержимое счетчика 5, результат измерения толщины, 0 М вЂ” объем выборки измерения.

Решив первое уравнение системы относительно обьема выборки измерения получаем

10 10 А с в

5 М- = — — = 10

Nc ТсРо 2Е, Подставив значение М во второе уравнение системы, имеем

Ас 10R Тн1Fp + ТН2То

2Fo 2 развуковой импульс преобразуется преобразовагелем 3, усиливается усилителем 4 и поступает на второй вход формирователя 7, От переднего фронта выходного импульса усилителя 4 (фиг. 2, 18) последний возвращается в исходное состояние — на его выходе формируется прямоугольный импульс с длительностью Тн1 (фиг; 2, 20).

Длительность Тя1 измеряют квантованием счетными импульсами генератора 10, следующим с частотой Fo. Результат измерения Мн1=Тн1 Fo в режиме сложения записывается в счетчик 5.

Передний фронт импульса формирователя 7 запускает регулируемый одновибратор 8, а его задний фронт повторно запускает одновибратор 14.

Одновибратор 8 на своем выходе формирует прямоугольный импульс с длительностыю

Tc = —, Ас где А=/м — размерный коэффициент; с — скорость распространения ультразвукового импульса в материале контролируемого изделия.

Длительность Т, также измеряют квантованием счетными импульсами генератора

10 и результат измерения М,= Т, F< в режиме сложения записывается в счетчик 9.

От следующего импульса синхронизатора 1 вновь запускается генератор 2, переключаются триггер 13 и формирователь 7.

На выходе триггера 13 устанавливается сигнал "0", второй вход формирователя 7 соединяется с выходом формирователя 11. В этом случае на выходе формирователя 7 интервалов времени формируется прямоугольныйй импульс с длительностью Тн2 (фиг. 2, 21), которую также измеряют квантованием счетными импульсами генератора 10, а реЗультат иэмЕрЕния КН2= TH2 Fo Суммируется с содержимым в счетчике 5, Передним фронтом импульса с длительностью Тн2 также запускается одновибра- 45 тор 8. Длительность его выходного импульса Т2 измеряют квантованием с частотой Fo и суммируют с содержимым счетчика 9.

Такой периодический процесс запуска 5 генератора 2 зондирующих импульсов, переключения триггера 13. поочередного формирования на выходе формирователя 7 интервалов времени прямоугольных импульсов с длительностями Тн1и Тн2, формирования 5 на выходе одновибратора 8 прямоугольного импульса с длительностью Т,, измерения длительностей Тн1, Тн2 и Т, суммирования результатов в соответствующих счетчиках

N g=-MN =1 0

R, — Ì 1 + — 1н1+ 1н2

1670401

А (., ((TI I I + 1I(2 Ас Т 10Р

2 2 . / Г . - " 10Р АН10Я

2 с

Требуемая раз«.р <ость результата изМЕрЕНИя flII (rnrn И т. д.) ОбЕСПЕЧИВаЕтея ПЕperIororn ээплтпй в индикаторе 6 со стороны младших разрядов. Например для представления результата измерения в мм запятая переносится íà (R 3) разряда.

Необходимую длительность выходного импульса одновибратора 8 устанавливают псред измерением толщины при калибровке тилщиномера с помощью эталонного образца, изготовленного из материала контролируемого иэделия. Для этого преобразователь 4 устанавливают на поверхность эталон (ого образца, имеющего толщину Нс и регулировкой длительности выходного импульса одновибратора 8 добиваются покая зания на индикаторе 6 числа АНс10, т.е,i. осуL(åс fåëÿåòñÿ традиционная методика калибровки ультразвукового толщиномера. В этом случае длительность Тс=2/А с.

На фиг. 2 и 3 также иллюстрируется отличительная особенность толщиномера, которая заключается в том, что момент окончания длительности Т,>, соответствующей любой измеряемой толщине, на временной оси всегда совпадает с вершиной приемного импульса, отраженного от противоположной поверхности изделия, независимо от затухания ультразвука в материале или кривизны поверхности контролируемого обьекта. На фиг. 2, 17: 2, 22 и

2, 23 приведены диаграммы измерения большой толщины изделия с высоким коэффициентом затухания ультразвука. На фиг. 3 для сравнения показаны случаи измерения одинаковой толщины плоско, го и выпуклого изделий. Импульс синхронизатора 1, определяющий начало Тср, представлен на фиг. 3, 24. При этом импульсы, приведенные на фиг. 2, 26 и 2, 29, сформированы от переднего фронта, а импуль, ы, приведенные на фиг. 2, 27 и 2, 30,— от заднего фронта приемного импульса пре20

45 образователя 3. Отсюда видно совпадение окончания длительности Тср с вершинами приемных импульсов (фиг, 3, 25. 2, 28).

Таким образом, введение в схему толщиномера формирователя фронта импульса, коммутатора, триггера и второго одновибратора с необходимыми функциональными связями между блоками позволяет фиксировать временной интервал прохождения ультразвуковых колебаний в изделии, окончание которого совпадает с вершиной приемного импульса, а также контролировать акустический контакт между преобразователем и изделием.

Формула изобретения

Ультразвуковой толшиномер, содержащий последовательно электроакустически соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, преобразователь и усилитель, последовэгельно соединенные первый счетчик и индикатор, последовательно соединенные формирователь интервалов времени, первый вход которого подключен к выходу синхронизатора, первый регулируемый одновибратор и второй счетчик и генератор счетных импульсов. выход которого подключен к счетным входам первого и второго счетчиков, а выход формирователя интервалов времени подключен к первому входу первого счетчика, о тл и ч а ю шийся, тем, что, с целью повышения точности измерения. он снабжен последовательно соединенными формирователем фронта импульса и коммутатором, триггером и вторым одновибратором, вход которого подключен к выкоду формирователя интервалов времени, выход — к вторым входам первого и второго счетчиков и входу "Сброс" триггера, второй вход коммутатора подключен к входу формирователя фронта импульса и к выходу усилителя, управляющий вход — к прямому выходу триггера, выход — к второму входу формирователя интервалов времени, а счетный вход триггера подключен к выходу синхронизатора.

Ut

15 ю

22

23

Фиг. 2

1670401

Составитель В, Белозеров

Редактор М. Кобылянская Техред М.Моргентал Корректор О. Кундрик

Заказ 2738 Тираж 357 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

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