Ультразвуковое устройство для контроля толщины изделий

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля ультразвуковым методом и может быть использовано для бесконтактного измерения толщины изделий . Цель изобретения - повышение точности измерений за счет автоматической компенсации влияния изменений скорости звука. Устройство содержит два измерительных канала и компенсационный канал. После того, как в компенсационном канале устанавливается автоколебательный процесс , генератор 11 периодического сигнала отключается от преобразователя 9. В компенсационном канале осуществляется преобразование скорости звука в частоту электрического сигнала. При внесении контролируемого изделия 29 между преобразователями 2 и 5 на выходе триггера 17 формируется импульс, который при помощи элементов И 18, реверсивного счетчика 19 и генератора 21 импульсов преобразуется в цифровой код. Триггер 24 открывает элемент И 26 по сигналу с выхода реверсивного счетчика 19, и на счетный вход счетчика 27 импульсов поступают импульсы с выхода усилителя 10 компенсационного канала. Это обеспечивает автоматическую компенсацию влияния изменений скорости звука, 2 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 17/02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ..;

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4625221/28 (22) 26.12.88 (46) 07.04.91. Бюл. hh 13 (71) Институт прикладной физики АН БССР (72) В. Г, Карсеко и В, Я. Зенин (53) 620.179.16(088.8) (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ

КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к области неразрушающего контроля ультразвуковым методом и может быть использовано для бесконтактного измерения толщины изделий. Цель изобретения — повышение точности измерений за счет автоматической компенсации влияния изменений скорости звука, Устройство содержит два измерительных канала и компенсационный канал.

После того, как в компенсационном канале.Я) 1640547 А1 устанавливается автоколебательный процесс,генератор 11 периодического сигнала отключается от преобразователя 9. В компенсационном канале осуществляется преобразование скорости звука в частоту электрического сигнала. При внесении контролируемого изделия 29 между преобразователями 2 и 5 на выходе триггера 17 формируется импульс, который при помощи элементов И 18. реверсивного счетчика 19 и генератора 21 импульсов преобразуется в цифровой код. Триггер 24 открывает элемент И 26 по сигналу с выхода реверсивного счетчика 19, и на счетный вход счетчика 27 импульсов поступают импульсы с выхода усилителя 10 компенсационного канала.

Это обеспечивает автоматическую компенсацию влияния изменений скорости звука, 2 ил.

1640547

Изобретение относится к области неразрушающего контроля ультразвуковым методом и может быть использовано для бесконтактного измерения толщины изделий.

Цель изобретения — повышение точности измерений за счет автоматической компенсации влияния изменений скорости звука.

На фиг, 1 представлена функциональная схема ультразвукового устройства для контроля толщины изделий; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Ультразвуковое устройство для контроля толщины изделий содержит (фиг. 1) первый измерительный канал, состоящий из последовательно соединенных генератора

1 зондирующих импульсов, преобразователя 2 и усилителя 3, второй измерительный канал, состоящий из последовательно соединенных генератора 4 зондирующих импульсов, преобразователя 5 и усилителя 6, компенсационный канал, состоящий из рефлектора 7, и последовательно соединенных генератора 8 зондирующих импульсов, преобразователя 9 и усилителя 10, генератор 11 периодического сигнала, элемент И

12, элемент ИЛИ 13, детектор 14, пороговый элемент 15, первый делитель 16 частоты, триггер 17, элемент И 18, реверсивный счетчик 19, дешифратор 20, генератор 21 импульсов, делитель 22 частоты, элемент И 23, триггер 24, элементы И 25 и 26, счетчик 27 импульсов и регистратор 28, Контролируемое изделие 29 размещается между преобразователями 2 и 5 первого и второго измерительных каналов.

Преобразователь 9 компенсационного канала подсоединен входом к выходу генератора 8 зондирующих импульсов, а выходом — к входу третьего усилителя 10. Первый пороговый элемент 15 подключен входом к выходу детектора 14, а выходом — к первому входу первого элемента И 12, вторым входом соединенного с выходом генератора 11 периодического сигнала, а выходом — с первым входом элемента ИЛИ 13, выход которого соединен с входом третьего генератора 8 зондирующих импульсов. Выход третьего усилителя 10 подключен к второму входу элемента ИЛИ 13, входу детектора 14, к первому входу второго элемента И 26 и входу первого делителя 16 частоты, соединенного с первым входом первого триггера 17 и входом генератора 1 зондирующих импульсов первого измерительного канала.

Выход усилителя 3 соединен с входом генератора 4 зондирующих импульсов вто30

35 д — напряжение Оф) на выходе порогового элемента 15; е — напряжение Us(t) на выходе делителя 16 частоты; ж — напряжение Uz(t) на выходе усилителя 6; з — нагчяжение Ve(t)

40 на первом выходе триггера 17; и — напряжение Оф) на выходе генератора импульсов

21; к — напряжение U>o(t) на выходе элемента И 18; л — напряжение U>>(t) на выходе делителя 22 частоты; м — напряжение U

45 на выходе триггера 24; н — напряжение О1ф) на выходе элемента И 23; о — напряжение

- U14(t) на выходе элемента И 26; и — напряжение U>s(t) на выходе дешифторатора 20. На фиг. 2 также обозначены: Ол — порогово®

50 напряжение элемента 15; г — длительност импульса.

Частота сигнала U (t) выбрана равно®

Сн

ftl = - —,где CH — скорость распростране55 ния акустических волн в нормальных условиях; 1 — длина волн, выраженная в метрических единицах(например, приА =1 см для воздуха 1 =34 кГц). Частота сигнала Ug(t) до момента времени t> прихода акустиче5

25 рого измерительного канала. а выход усилителя 6 соединен с первым входом третьего элемента И 25, подключенного вторым входом к выходу дешифратора 20, подключенного к первому входу второго триггера 24, выход третьего элемента И 25 и соединен с входом первого триггера 17, Выход генератора 21 импульсов соединен с первым входом четвертого элемента И 18 и вторым делителем 22 частоты, подключенным к первому входу пятого элемента И 23, вторым входом соединенного с выходом второго триггера 24, подключенного к второму входу второго элемента И 26, а выход пятого элемента И 23 подключен к вычитающему входу реверсивного счетчика 19. Первый триггер

17 подсоединен одним выходом к второму входу четвертого элемента И 18, вторым выходом — к второму входу второго триггера

24. Выход четвертого элемента И 18 соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика 19, выходы которого подключены к входам дешиф ратора 20. В ыход второго элемента И 26 соединен со счетным входом счетчика 27 импульсов, выход которого подсоединен ко входу регистратора 28, На фиг, 2 обозначены временные диаграммы напряжений U(t) на выходах соответствующих блоков устройства: а— напряжение О (т) на выходе элемента И 12; б — напряжение Uz(t) на выходе генератора

8 зондирующего сигнала; в — напряжение

Ua(t) на выходе усилителя 10; г — напряжение

О (1) на выходе амплитудного детектора 14;

1640547 ского сигнала на приемник преобразователя 9 равна fH, а затем быстро устанавливается равной f в .соответствии с реальной скоростью звука С. Период сигнала Ue(t) равен Т = . Период сигнала 0»(t) в

21

10п раз больше периода сигнала Ug(t), На диаграммах показаны момент времени to, когда включается электрическое питание устройства; момент ti, когда на преобразователь 9 приходит отраженный от рефлектора 7 акустический сигнал; момент tz, когда сигнал на выходе детектора 14 достигает порога срабатывания порогового элемента

15; момент 1з, когда на преобразователь 5 приходит отраженный от поверхности контролируемого изделия акустический сигнал; момент 14,когда цикл измерений завершается.

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства начинают работать в автоколебательном режиме генератор 11 периодического сигнала и генератор 21 импульсов, Частота генерации 01(1) (фиг.2а) выбрана такой, чтобы длина волны ультразвука в среде была равна

А = 10 h h, где hh — допустимая погрешность (дискретность отсчета толщины h); е — целое число. На выходе порового элемента 15 в момент включения устройства присутствует (фиг. 2п) высокий уровень напряжений 05(т), так как входной потенциал равен нулю. Элементы И 12 и ИЛИ 13 разрешают поступление сигнала с выхода генератора 11 периодического сигнала на вход генератора 8 зондирующих импульсов. который возбуждает (фиг. 2д) ультразвуковые колебания

0 (t) в преобразователе 9, излучающем в среду непрерывные акустические колебания. Ультразвуковые колебания отражаются от рефлектора 7, преобразуются в приемнике преобразователя 9 в электрические, усиливаются и преобразуются усилителем 10 в импульсный сигнал 0з(с) типа меандр (фиг. 2в), поступающий на вход детектора 14. Через некоторое время после момента t> прихода отраженного сигнала к преобразователю 9 на выходе детектора 14 устанавливается уровень напряжения (фиг.2г) Up(t), достаточный для переключения порогового элемента 15 (превышающий

L4, см. 0ф) и Us(t)),логический элемент И 12 закрывается и отключает генератор 11 периодического сигнала от генератора 8 зондирующих импульсов. С момента времен@ tp включения устройства в среду излучаются

2L =а — =тА, (1)

С где L- расстояние между преобразователем

9 компенсационного канала и рефлектором 7.

Учитывая условие 2L=10 А, получают

55 m=10 . Полоса пропускания усилителя 10 к выбирается такой, чтобы в компенсационном канале возникли колебания именно той частоты (либо близкой к ней), при которой выполняется условие 2L=10 Я, 5

45 акустические волны длиной А =, Поfí скольку расстояние между преобразователем 9 и рефлектором 7 равно

Л

m —,отраженный сигнал, в момент времени t> достигающий чувствительной поверхности приемника преобразователя 9, приходит на вход элемента ИЛИ 13 практи-. чески синфаэно.

Действительно, всегда можно выбрать такую длину волны М, когда при изменениях физических параметров среды в заданном диапазоне задержки сигнала на базе 2 изменяется на величину, меньшую периода сигнала Ugt). В результате в цепи, образованной генератором 8 зондиоующих импульсов, преобразователем 9, усилителем

10 и элементом ИЛИ 13 и замкнутой по акустическому тракту через рефлектор 7, начинается автоколебательный процесс, Этот процесс обусловлен тем, что цепь. охвачена положительной обратной связью с выхода на вход (обеспечено условие баланса фаэ), э также тем, что величина обратной связи с помощью усилителя 10 и генератора 8 зондирующих импульсов выбрана такой, которая является достаточной для поддержания в схеме изменений напряжений и токов по закону, свойственному этой схеме, сколь угодно длительное время, т. е. выполнено условие баланса амплитуд, После захвата частоты fH, навязанной этой цепи генератором 11 периодического сигнала, в цепи начинается переходный процесс, в результате которого частота автогенерации устанавливается равной f =- -, где С вЂ” реальное

С значение скорости распространения акустических волн в данный момент, а затемчастота постоянно меняется в соответствии с измеенниями скорости распространения акустических волн.

Условие баланса фаз запишется в следующем виде:

4л(— -2_#_е, f.

С или

1640547 расстоянию между преобразователями 2 40

50

Электрический сигнал Ugt) с выхода усилителя 10 (фиг. 2в) поступает на вход делителя 16 частоты, коэффициент деления которого равен 10", и на его выходе возникает частота f/10, период которой равен суммарному времени распространения акустических волн в измерительной трассе при условии, что толщина изделия равна нулю.

По фронту импульсной последовательности

Us(t) генератор 1 зондирующих импульсов возбуждает в преобразователе 2 первого измерительного канала ультразвуковые колебания, которые после отражения от одной поверхности контролируемого иэделия 29 преобразуются преобразователем 2 в электрические, усиливаются в усилителе 3 и поступают на вход генератора 4 зондирующих импульсов второго измерительного канала, Генератор зондирующих импульсов возбуждает в преобразователе 5 ультразвуковые колебания, которые, отразившись от другой поверхности контролируемого изделия 29, преобразовываются преобразователем 5 в электрические. После усиления усилителем 6 электрические колебания поступают на один вход элемента И 25. Так как в момент включения устройства содержимое реверсивного счетчика 19 равно нулю, то на выходе дешифратора 20 присутствует (фиг, 2п) высокий логический уровень U>g(t), который держит открытым элемент И 25, Импульсы с выхода усилителя 6 через элемент И 25 поступают на вход установки в состояние "1" триггера 17, который срабатывает по фронту. Электрические импульсы с выхода делителя 16 частоты поступают на вход установки в логическое состояние "0" триггера 17. Так как расстояние L между преобразователем 9 и рефлектором 7 равно и 5 -(L1+L2+h); где Lt и .2 — расстояние от преобразователей 2 и 5 до двух поверхностей контролируемого изделия. 29 соответственно, h — толщина контролируемого изделия 29, то на выходе триггера 17 формируется импульс Ов(т) (фиг. 2з) длительностью

10к 2 L< + Lz

z=

f С . Значение f задается выражением (1), тогда

10" 2I. (Ь1+М} 2Ь

10" ° С

На время z триггер 17 открывает элемент И 18, на другой вход которого поступают высокочастотные импульсы с выхода генератора 21 импульсов. Импульсы U>o(t) с выхода элемента И 18(фиг. 2к) поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика 19, в который заносится число N 2h

-zfo =-,— fo, где fo — частота импульсов на выходе генератора 21, Инверсный выход триггера 17 подключен к входу установки в состояние "1" триггера 24, Момент переключения триггера 17 в нулевое состояние (фиг. 2з) является одновременно моментом переключения триггера 24 в логическое состояние "1" (фиг. 2м).

Электрический сигнал Ug(t) с выхода генератора 21 импульсов (фиг. 2и) преобразуется делителем 22 частоты в сигнал (фиг, 2л)

U1>(t), который, пройдя открытый выходным сигналом триггера 24 элемент И 23, поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика 19, содержимое которого равно Np.

С этого момента времени содержимое реверсивного счетчика 19 начинает уменьшаться с частотой 24/10".

Выход дешифратора 20 в момент t3 прихода отраженного акустического сигнала на преобразователь 5 переключается в нулевое состояние, при этом закрывается элемент И 25, тем самым исключаются реверберационные помехи в измерительных каналах. Высокий логический уровень на выходе дешифратора 20 появляется тогда, когда содержимое реверсивного счетчика 19 будет равно нулю. Переключение дешифратора 20 в высокое логическое состояние (фиг. 2п) одновременно переводит триггер 24 (фиг. 2м) в нулевое состояние в момент времени t4, так как выход дешифратора 20 подключен к входу установки в "0" триггера 24. Сигналом с выхода триггера 24 закрывается элемент И 23 и поступление электрических импульсов частотой fo/10" на вычитающий вход реверсивного счетчика 19 прекращается, На выходе триггера 24 формируется (фиг. 2м) импульс О ц(т) длительно Nо 10" стью х — .. С выхода триггера 24

fî 2

I электрический импульс длительностью z поступает на один вход элемента И 26, на другой вход которого поступает выходной сигнал Оз(1) усилителя 10 (фиг. 2в) и этой час1 . тотой заполняется интервал времени z, а в счетчик 27 импульсов записывается число

I 10"

N4=z "f=z2

2h, 10" 2h

С 2 С

10" mC hm

2 21 21

Так как 2Lл10" 4,и m-10к, h - 1O „ Ь 10" то Й4= 10

10к А

10

1б40547

Л =10 Ah, тогда Й4 = 10 " кih

Таким образом. результат измерения не зависит от скорости ультразвука в среде, причем показания счетчика 27 импульсов дают отсчет непосредственно в метрических единицах Л h, Использование изобретения позволяет повысить точность измерений более, чем на порядок за счет автоматической компенсации влияния измерений скорости звука.

Слг. 2

Составитель Ы.Кастюхин

Техред М.Моргентал Корректор ".Шевкун

Редактор Е,Папп

Заказ 1013 Тираж 376 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

Формула изобретения

Ультразвуковое устройство для контроля толщины изделий, содержащее два измерительных качала, каждый из которых включает последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, преобразователь и усилитель, компенсационный канал, состоящий из рефлектора и последовательно соединенных третьего генератора зондирующих импульсов, третьего преобразователя и третьего усилителя, генератор периодического сигнала и регистратор, о тл и ч а ю ще есятем, что, с целью повышения точности измерений эа счет автоматической компенсации влияния изменений скорости звука, в него введены два делителя частоты, элемент ИЛИ, пять элементов И, генератор импульсов, два триггера, детектор, реверсивный счетчик, дешифратор, счетчик импульсов и пороговый элемент, подключенный входом K выходу детектора, а выходом — к первому входу первого элемента И, вторым входом соединенного с выходом генератора периодического сигнала, а выходом — с первым входом элемента ИЛИ, вы- - ход которого соединен с входом третьего генератора эанд1лру ащих импульсов, выход третьего усилителя подключен к второму

5 входу элемента ИЛИ, входу детектора, к первому входу второго элемента И и входу первого делителя частоты, сае,иненного с первым Входам rIBpBol o триггера и входОм генератора зондирующих импульсов перво-.

10 ro измерительного канала, выход усилителя которого соединен с Входам генератора зондирующих импульсов, Второго измерительного канала, выход усилителя которого соединен с первым входам третьего элемен15 та И, подключенного вторым входом к выходу дешифратора, подключенного к первому входу второго триггера, выход третьего элемента И соединен с вторым входам пепвого триггера, выход генератора импульсов сое20 динен с первым входам четвертага элемента И и вторым делителем частоты, подключенным к первому входу пятого элемента И, вторым входам соединенного с выхОдОм второго триГГера, подключенного к

25 второму входу второго элемента И, а выход пятого элемента И подклю .ен к вычитающему входу реверсивного счет гика, первый триггер подсоединен одним выхадсм i(второму входу четвертога элемента ;, вторым

30 в IxopoM — K aTooo y bxo roporo -:o rrapa, выход четвертого элемента И соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, выходы которого подключены к входам дешифратора, выход егоporo элемента И со35 единен со счетным входом счетчика импульсов, выход которого подсоединен к входу регистратора.