Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер

 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля толщины материала ультразвуковым методом. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет использования фазируемого генератора импульсов заполнения и автоматической калибровки в каждом такте измерения. В толщиномере осуществляется формирование одного временного остатка в конце измерительного импульса за счет использования фазируемого генератора импульсов заполнения. В конце каждого такта измерения осуществляется калибровка толщиномера высокостабильным калибровочным интервалом. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 475 А1 (594 G О1 В 17 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ГРИ ГКНТ СССР

К A BTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 41 7 21 1 2/25-28 (22) 04. O l . 87 (46) 30. 06. 89. Бюл. Ф 24 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт по разработке нераэрушающих методов и средств контроля качества материалов (72) А.А.Костин и В.А.Калинин (53) 531.717(088.8) (56) Техническое описание толщиномера "Металл-6М" (УТ-ЗОПА), схема ЩЮ

2.048.154 ТО Кишинев, с.11 — 15.

Авторское свидетельство СССР

9 1249329, кл. С 01 В 17/02, 1986. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХО-ИМПУЛЬСНЫЙ

ТОЛЩИНОМЕР

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

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет использования фаэируемого генератора импульсов заполнения и автоматической калибровки в каждом такте измерения.

На фиг.1 представлена структурная схема толщиномера; на фиг.2 — принципиальная схема генератора импульсов заполнения; на фиг.3 — временные диаграммы, поясняющие работу толщиномера.

Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер содержит последовательно электроакустически соединенные синхрони2 (57) Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля толщины материала- ультразвуковым методом. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет использования фазируемого генератора импульсов заполнения и автоматической калибровки в каждом такте измерения. В толщиномере осуществляется формирование одного временного остатка в конце измерительного импульса за счет использования фаэируемого генератора импульсов заполнения.

В конце каждого такта измерения осуществляется калибровка толщиномера высокостабильным калибровочным интервалом. 2 э.п.ф-лы, 3 ил. затор 1, генератор 2 зондирующих импульсов, приемопередающий преобразователь 3, усилитель 4, первый компаратор 5 и формирователь 6 измерительного интервала, второй компаратор 7, вход которого соединен с выходом усилителя 4, а выход — с вторым входом формирователя 6 измерительного интервала, последовательно соединенные генератор 8 импульсов залолнения, блок

9 выделения основных импульсов, реверсивный счетчик 10 и блок 11 цифровой обработки, последовательно соединенные формирователь 12 временного остатка, блок 13 выделения дополнительных импульсов, второй вход которого соединен с выходом генератора 8 импульсов эапблнения, и вычитающий счетчик 14, выход которого соединен с вторым входом блока 11 цифровой обработки, а вход "Установка" соединен з 149 с входом Установка реверсивного счетчика 10, с первым входом формирователя 12 временного остатка и вторым выходом синхронизатора 1, последовательно соединенные формирователь 15 калибровочного интервала, вход которого соединен с первым выходом синхронизатора 1, первую логическую схему ИЛИ 16 и первый триггер 17, выход которого соединен с первым входом генератора 8 импульсов заполнения, второй триггер 18, выход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика 10, последовательно соединенные схему 19 сравнения кодов и формирователь 20 управляющего напряжения, второй вход которого соединен с вторым выходом формирователя 15 калибровочного интервала, а выход — с вторым входом генератора 8 импульсов заполнения, второй выход формирователя 12 временного остатка соединен с вторым входом блока 9 выделения основных импульсов, перрый выход синхронизатора 1 соединен с третьим входом формирователя 6 измерительного интервала, выход формирователя 6 измерительного интервала соединен с вторым входом первой логической схемы ИЛИ 16, второй вход формирователя

12 временного остатка соединен с выходом первой логической схемы ИЛИ 16, третий вход — с первым выходом блока

9 выделения основных импульсов, четвертый вход — с вторым выходом блока

9 выделения основных импульсов, второй выход вычитающего счетчика 14 соединен с третьми входом блока 9 выделения основных импульсов, а третий выход — с входом "Установка" второго триггера 18, первый вход схемы 19 сравнения кодов соединен с выходом реверсивного счетчика 10, второй вход — с первым выходом вычитающего счетчика 14, второй выход синхронизатора 1 соединен с входами "Сброс" первого и второго триггеров 17 и 18.

Блок 9 вьщеления основных импульсов состоит из последовательно соединенных логической схемы И-НЕ 21, первый и второй входы которой являются первым и вторым входами блока 9 выделения основных импульсов соответственно, инвертора 22 и второй логической схемы ИЛИ 23, второй вход которой является третьим входом блока

9 вьщеления основных импульсов, и

4 первой логической схемы И 24, первый вход которой соединен с выходом логи5

55 ческой схемы И-НЕ 21, второй — с выходом инвертора 22, а выход является вторым выходом блока 9 вьщеления основных импульсов, выход второй логической схемы ИЛИ 23 является первым выходом блока 9 вьщеления основных импульсов °

Формирователь 12 временного остатка состоит иэ последовательно соединенных второй логической схемы И 25, первый вход которой является четвертым входом формирователя 12 временного остатка, третьего триггера 26, вход "Сброс" которого является первым входом формирователя 12 временного остатка, регистра 27 и третьей логической схемы И 28, выход которой является первым выходом формирователя

12 временного остатка, иэ последовательно соединенных первой и второй схем 29 и 30 задержки соответственно, вход первой схемы 29 задержки соединен с вторым входом регистра 27 и является вторым входом формирователя 12 временного остатка;-выход первой схемы 29 задержки соединен с вторым входом второй логической схемы И 25, выход второй схемы 30 за" держки соединен с вторым входом третьей логической схемы И 28, третий вход регистра 27 является третьим входом формирователя 12 временно-. го остатка, а выход — вторым выходом формирователя 12 временного остатка.

Позициями 31-46 обозначены импуль". сы блоков ультразвуковых эхо-импульсного толщиномера.

Толщиномер работает следующим образом.

Синхронизатор 1 вырабатывает импульсы 31, определяющие частоту работы толщиномера и запускающие генератор 2 зондирующих импульсов, и импульсы 32, осуществляющие сброс триггеров 17, 18 и 26 и установку счетчиков 10 и 14 в "1". Импульсы генератора 2 зондирующих импульсов возбуждают приемопередающий пьезопреобразователь

3, излучающий ультразвуковой импульс по нормали к передней грани контролируемого изделия в слой промежуточной жидкости. Ультразвуковой импульс претерпевает отражение от передней грани и многократные отражения от стенок контролируемого изделия, после чего принимается приемопередающим пьезо475 6 в блоке 9 выделения основных импульсов и формирователя 12 временного остатка. Измерительный импульс 35, пройдя первую логическую схему ИЛИ

16, запускает первый триггер 17, на выходе которого формируется импульс

36. Импульсом 36 запускается генератор 8 импульсов заполнения, который вырабатывает счетные импульсы 37, привязанные по фазе к положительному фронту импульса 36, Один иэ вариантов принципиальной схемы фазируемого .управляемого !генератора 8 представлен на фиг.3 Импульсом 35 устанавливается "I" на выходе регистра 27 и его выходным импульсом 38 разрешается прохождение импульсов заполнения череэ логическую схему И-HE 21, Импуль сы 39 с выхода логической схемы И-HE

21, пройдя инвертор 22 и вторую логическую схему ИЛИ 23, поступают на вход реверсивного счетчика 10.éâïðàâ ление счета реверсивного счетчика 10 определяется вторым триггером 18. Импульсом 32 синхронизатора второй триггер 18 устанавливается в положение, соответствующее режиму суммирования реверсивного счетчика 10.

При формировании второго временного интервала 42 (остатка) для устранения систематической погрешности измерения, связанной с задержкой заднего фронта импульса 38 на выходе регистра 27, введены схемы 29 и 30 задержки с временами задержки.

5 преобразователем 3, преобразуется им в электрические эхо-импульсы, которые усиливаются усилителем 4 и поступают на входы первого 5 н второго 7 компараторов. Импульсы 33 и 34 с выходов первого 5 и второго 7 компараторов, соответствующие отражениям ультразвукового импульса от передней грани и многократным отражениям внутри контролируемого изделия, поступают на входы формирователя 6 измерительного интервала, В формирователе 6 измерительного интервала иэ 33 и 34 путем пересчета зхо-импульсов формируется импульс 35, длительность которого пропорциональна толщине стенки иэделия.

Принцип работы измерительной части толщиномера заключается в преобразо- 2р вании длительности измерительного импульса 35 в цифровой код с дискретностью в к раз, превышающей период следования счетных импульсов. Для этого формируется первый временной интервал (импульс 38) между началом измерительного импульса 35 и вторым счетным импульсом, следующим за концом измерительного импульса 35. При этом счетные импульсы сфаэированы 30 относительно переднего фронта импульса 35, Полученный временной интервал заполняется счетными импульсами и преобразуется в реверсивном счетчике в цифровой код с дискретностью, рав- З5 ной длительности периода счетных импульсов. Далее формируется второй временной интервал (импульс 42) между концом измерительного импульса 35 и вторым счетным импуЛьсом, следую- 40 щим за ним. Этот временной интервал (остаток) расширяется в k раз и заполняется счетными импульсами.

Так как длительность измерительного импульса 35 равна разности дли- 4

5 тельностей первого и второго временных интервалов, то последний преобразуется в цифровой код в вычитающем счетчике. После окончания счета импульсов расширенного интервала в 50 реверсивном счетчике ("грубое" значение) и в вычитающем счетчике ("точное" значение) содержится цифровой код, соответствующий длительности измерительного импульса с дискретно стью, в раз превышающей период следования счетных импульсов.

Формирование первого и второго временного интервала осуществляется л л. л

t зад. т27 + Гб + "инЕ л л A

t ад,g 0 !!g < + "!!AH 23 фйй7 7 где !„— время задержки включения соответствующих блоков. Схема 29 sa;держки одновременно осуществляет и инверсию сигнала.

По окончании измерительного им" пульса 35, прошедшего первую схему

29 задержки, разрешается прохождение через вторую логическую схему И 25 импульсов 40 с выхода первой логической схемы И 24, соответствующих отрицательным фронтам импульсов 37 заполнения. По первому импульсу 40 с выхода второй логической схемы И 25 третий триггер 26 устанавливается в единичное состояние. Импульс 41 с выхода третьего триггера 26 поступает на ° первый вход регистра 27, на третий тактирующий вход которого подаются

1490475 импульсы заполнения с выхода второй логической схемы ИЛИ 23.

С приходом первого импульса заполнения на регистр 27 после срабатыва5 ния третьего триггера 26 сигнал на выходе регистра 27 устанавливается в ноль и запрещает дальнейшее прохождение счетных импульсов 37 через логическую схему И-НЕ 21. Импульс 38 и измерительный импульс с выхода второй схемы 30 задержки поступают на входы третьей логической схемы И 28.

На ее выходе формируется импульс 42, длительность которого соответствует интервалу времени от момента окончания измерительного .импульса 35 до следующего за ним второго импульса

37 заполнения. Импульс 42 поступает на вход блока 13 выделения дополнительных импульсов, который осуществляет его линейное расширение в k раз (где 1 — емкость вычитающего счетчика 14) и заполнение счетчными импульсами. 25

Использование интервала между концом измерительного импульса 35 и вторым, а не первым счетным импульсом

37 после окончания измерительного импульса, длительность которого изменя- 30 ется в пределах от Т до 2Т (где Т— период следования счетных импульсов), позволяет ограничить требования к динамическому диапазону длительности входных импульсов у расширителя временного интервала блока 13 выделения

35 дополнительных импульсов, равному двумИмпульсы 43 с выхода блока 13 выделения дополнительных импульсов поступают на вход вычитающего счетчика

14. Их количество может меняться от

К + 1 до 2К вЂ” 1 и превышает разрядность вычитающего счетчика 14, Поэтому после поступления к импульсов вы- 45 читающий счетчик 14 обнуляется и импульс "Заем" с его выхода через вторую логическую схему ИЛИ 23 поступает на вход реверсивного счетчика 10, в котором производится вычитание "лиш50 него" импульса, прошедшего на его вход в режиме суммирования.

Такое включение счетчиков позволяет устранить возможную неоднозначность измерения при длительностях импульса 42, близких к Т или 2Т.

Так, например, если длительность . близка к 2Т и после умножения и заполнения счетными импульсами в блоке 13 выделения дополнительных импульсов их количество станет больше 2к-l (например,,из-за изменения температуры или других причин) хотя бы на единицу, то зто не вызовет ошибку, равную цене младшего разряда реверсивного счетчика 10, так как иэ него автоматически вычитается один импульс сигналом "Заем" вычитающего счетчика 14. С приходом четвертого импульса на вход вычитающего счетчика 14 производится установка в единицу второго триггера

18, выходной сигнал 44 которого переводит реверсивный счетчик 10 в режим вычитания.

До прихода четвертого импульса реверсивный счетчик 10 был "занят" суммированием двух счетных импульсов, пришедших после окончания измерительного сигнала, Полученный в реверсивном счетчике

10 (старшие разряды) и вычитающим счетчике 14 (младшие разряды) код числа поступает для дальнейшей обработки (цифровой индикации, сравнения с предельно допустимыми значениями, выявления максимальных и минимальных значений и т.п.) в блок 11 цифровой обработки.

В конце каждого такта измерения формирователь 15 калибровочного интервала осуществляет формирование импульса 45 стабильной (кварцованной1 длительности, который через логическую схему ИЛИ 16 поступает на измерительную часть толщиномера. Полученное в вычитающем счетчике 14 н реверсивном счетчике 10 число, соответствующее длительности калибровочного импульса 45, поступает на вход схемы

19 сравнения кодов, где сравнивается с калибровочным числом. Схема 19 сравнения кодов вырабатывает логические сигналы "больше" и "меньше", которые поступают на вход формирователя 20 управляющего напряжения, который в соответствии с ними формирует напряжение, изменяющее частоту генератора 8 импульсов заполнения.

Таким образом, применение фазируемого управляемого генератора импульсов заполнения, автоматической калибровкй толщиномера в каждом цикле измерений и исключение второго формирователя остатков и второго блока выделения дополнительных импульсов позволяет повысить точность измерений.

1490475

10

20 торого соединен с вторым входом блока25 цифровой обработки, а вход "Установка" соединен с входом "Установка" реформирователя временного остатка и вторым выходом синхронизатора, второй З0

Формула изобретения

1. Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер, содержащий последовательно электроакустически соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, приемопередающий преобразователь, усилитель, первый компаратор и формирователь измерительного интервала, второй компаратор, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход — с вторым входом формирователя измерительного интервала, последовательно соединенные генератор импульсов заполнения, блок выделения основных импульсов, ренерсивный счетчик и блок цифровой обработки, последовательно соединенные формирователь временного остатка, блок выделения дополнительных импульсов, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов заполнения, и вычитающий счетчик, выход конерсинного счетчика, с первым входом выход формирователя временного остатка соединен с вторым входом блока выделения основных импульсов, первый выход синхронизатора соединен с третьим входом формирователя измерительного интервала, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью поньппения точности, он снабжен последовательно соединенными формирователем калибровочного интервала, вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, первой логической схемой ИЛИ и первым триггером, выход которого соединен с первым входом генератора импульсов заполнения, вторым триггером, выход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика, последовательно соединенными схемой сравнения кодов и формирователем управляющего напряжения, второй вход которого соединен с вторым выходом формирователя калибровочного интервала, а ныход — с вторым входом генератора импульсов заполнения, ныход формирователя измерительного интервала соединен с вторым входом первой логической схемы ИЛИ, второй вход формирователя временного остатка соединен с выходом первой логической

40 схемы ИЛИ, третий вход — с первым выходом блока выделения основных.импульсов, четвертый — с вторым выходом блока вьщеления основных импульсов, второй выход вычитающего счетчи" ка соединен с третьим входом выделения основных импульсов, а третий выход — с входом "Установка" второго триггера, первый вход схемы сравне" ния кодов соединен с выходом реверсивного счетчика, второй вход - с первым выходом вычитающего счетчика, второй выход синхронизатора соединен с входами "Сброс" первого и второго триггеров, 2, Толщиномер по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что блок выделения основных импульсов выполнен из последовательно соединенных логической схемы И-НЕ, перный и второй входы которого являются первым и вторым входами блока выделения основных импульсов соответственно, инвертора и второй логической схемы ИЛИ, второй вход которой является третьим входом блока выделения основных импульсов, и первой логической схемы

И, первый вход которой соединен с выходом логической схемы И-НЕ, второй— с выходом инвертора, а выход является вторым выходом блока выделения основных импульсов, выход второй логической схемы ИЩИ является первым выходом блока выделения основных импульсов.

3. Толщиномер по пп.1 и 2, о тл и ч а ю шийся тем, что формирователь временного остатка выполнен из последовательно соединенных второй логической схемы И, первый вход которой является четвертым входом формирователя временного остатка, третьего триггера, вход "Сброс" которого является первым входом формирователя временного остатка, регистра и третьей логической схемы И, выход которой является первым выходом формировате" ля временного остатка, последовательно соединенных первой и второй схем задержки, вход первой схемы задержки соединен с вторым входом регистра и является вторым входом формирователя временного остатка, выход первой схемы задержки соединен с вторым входом 1 второй логической схемы И, выход вто рой схемы задержки соединен с вторым входом третьей логической схемы И, l2 ,1490475 третий вход регистра является третьим татка, а выход - вторым выходом форвход м формирователя временного ос- мнрователя временного остатка, Фиг 2

Составитель В. Белозеров

Редактор О.Спесивых Техред Л.Сердюкова Корректор М.Самборская

Заказ 3740/45 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", г. ужгород, ул. Гагарина, 101