Ультразвуковой эхоимпульсный толщиномер

Устройство относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий ультразвуковым методом. Технической задачей является создание устройства для измерения с высокой точностью в нескольких точках толщины объектов, в частности трубопроводов, имеющих односторонний доступ со стороны внутренней поверхности. Поставленная задача решается за счет использования N блоков первичной аналоговой обработки, обеспечивающих возбуждение ультразвуковой волны в измеряемом объекте, прием и усиление отраженных импульсов, основного усилителя, детектирующего и усиливающего огибающую принятого сигнала, аналого-цифрового преобразователя и блока цифровой обработки сигналов, осуществляющего выделение информативных максимумов огибающей сигнала, по которым и вычисляется толщина. В состав устройства входит также ЭВМ, служащая для обработки, хранения и представления в удобном для оператора виде значений измерения на дисплее и в виде твердой копии. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий ультразвуковым методом. Главным образом оно может быть использовано для автоматизированного измерения толщины.

Широко известны ультразвуковые одноканальные толщиномеры [1] для контроля изделий контактным эхо-методом. В таких толщиномерах используется раздельно-совмещенный или совмещенный электроакустический преобразователь, излучающий и принимающий ультразвуковые колебания. В процессе измерений преобразователь перемещается по поверхности изделия. Достоинством такого толщиномера является высокая точность измерений изделий с плоскими и гладкими поверхностями, принципиальным недостатком низкая помехоустойчивость и точность при работе по искривленной и шероховатой поверхности.

Известен иммерсионный толщиномер [2] для автоматизированного контроля листового проката, обеспечивающий высокую точность измерений при контроле по грубой поверхности. Недостатком такого толщиномера является необходимость доступа с двух сторон изделия.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является ультразвуковой толщиномер [3] для контроля толщины изделий эхо-методом.

В состав известного устройства входит блок первичной аналоговой обработки, основной усилитель, аналогово-цифровой преобразователь, блок обработки сигналов, микроконтроллер, блок связи с ЭВМ, причем блок обработки сигналов соединен с микроконтроллером и с последовательной цепью из основного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а блок первичной аналоговой обработки содержит ультразвуковой преобразователь, генератор зондирующих импульсов и предварительный усилитель, причем преобразователь соединен с выходом генератора зондирующих импульсов и входом предварительного усилителя (см. фиг.4).

Достоинством такого толщиномера является высокая достоверность результатов измерений толщины материалов, что обеспечивается корреляционной обработкой сигналов в блоке обработке сигналов. Недостатком известного толщиномера является относительно высокое время получения результатов измерений, невозможность применения в высокопроизводительных автоматизированных многоканальных системах измерения толщины изделий.

Технической задачей, решаемой изобретением, является разработка эхо-импульсного толщиномера, способного, как и известное устройство, производить измерение толщины с высокой помехоустойчивостью и возможностью использования в многоканальных автоматизированных системах.

Поставленная задача решается за счет того, что предложенное устройство содержит, как и известный ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер, блок первичной аналоговой обработки, основной усилитель, аналогово-цифровой преобразователь, блок обработки сигналов, микроконтроллер и блок связи с ЭВМ, причем блок обработки сигналов соединен с микроконтроллером и с последовательной цепью из основного усилителя и аналого-цифрового преобразователя, а блок первичной аналоговой обработки содержит ультразвуковой преобразователь, генератор зондирующих импульсов и предварительный усилитель, причем преобразователь соединен с выходом генератора зондирующих импульсов и входом предварительного усилителя. Но в отличие от известного устройства предлагаемый эхо-импульсный толщиномер содержит N блоков первичной аналоговой обработки и дополнительно введены тактовый генератор, электронный коммутатор, мультиплексор и ЭВМ, причем предварительный усилитель каждого из N каналов соединен с основным усилителем через электронный коммутатор, выходы мультиплексора соединены со входом каждого из N генераторов зондирующих импульсов, а выход микроконтроллера соединен с управляющими входами коммутатора, мультиплексора и тактового генератора, выход которого подключен к тактовому входу аналого-цифрового преобразователя и блоку обработки сигналов, причем блок обработки сигналов состоит из блока цифровых компараторов, блока регистров, цифрового коммутатора, цифрового мультиплексора, формирователя сигналов записи, цифрового сумматора - вычитателя, блока управления оперативным запоминающим устройством, оперативного запоминающего устройства и счетчика временных интервалов, блок цифровых компараторов содержит компаратор первого импульса, компаратор текущего максимума, компаратор пороговой разности, а блок регистров состоит из регистра первого импульса, регистра минимума, регистра максимума, регистра пороговой разности, причем выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первым цифровым входам сумматора-вычитателя, цифрового компаратора текущего максимума, цифрового компаратора первого импульса и к информационным входам значений амплитуды регистров минимума и максимума, а информационный вход значений временного интервала регистра максимума соединен с выходом счетчика временных интервалов, тактовый вход которого соединен с выходом тактового генератора, а вход запуска подключен к выходу цифрового компаратора первого импульса, второй вход которого соединен с информационным выходом регистра первого импульса, выход значения амплитуды регистра минимума подключен ко входу цифрового коммутатора, выход значения амплитуды регистра максимума соединен с первым входом блока управления оперативным запоминающим устройством и вторым входом цифрового коммутатора, выход которого подсоединен ко вторым цифровым входам компаратора пороговой разности и текущего максимума, выход которого соединен со входом цифрового мультиплексора, один выход которого подключен к входу разрешения записи регистра минимума, а второй ко входу разрешения записи регистра максимума, причем управляющие входы цифрового мультиплексора и цифрового коммутатора, вход формирователя сигналов записи, управляющий вход цифрового сумматора-вычитателя и управляющий вход блока управления оперативным запоминающим устройством соединены с выходом цифрового компаратора пороговой разности, один выход блока формирования сигналов записи соединен со входом разрешения записи регистра максимума, а другой со входом разрешения записи регистра минимума, первый вход компаратора пороговой разности подсоединен к выходу цифрового сумматора-вычитателя, второй цифровой вход которого подключен к выходу регистра пороговой разности, выход блока управления оперативным запоминающим устройством соединен с оперативным запоминающим устройством, к выходу которого подключен микроконтроллер.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема эхо-импульсного толщиномера, а на фиг.2 - диаграмма, поясняющая принцип работы. Обозначения на диаграмме: ЗИ - зондирующий импульс, I и II - соответственно первый и второй прошедшие через измеряемый объект эхо-импульсы.

Предлагаемое устройство состоит из N блоков первичной аналоговой обработки 1, каждый из которых состоит из ультразвукового совмещенного преобразователя 2, генератора высокочастотных импульсов 3, предварительного усилителя 4, электронного коммутатора 5, мультиплексора 6, микроконтроллера 7, основного усилителя 8, аналогово-цифрового преобразователя 9, тактового генератора 10, блока цифровой обработки сигналов 11, содержащего блок цифровых компараторов 12, блок регистров 13, цифровой коммутатор 14, цифровой мультиплексор 15, счетчик временных интервалов 16, блок формирования сигналов записи 17, цифрового сумматора-вычитателя 18, блока управления запоминающим устройством 19 и оперативное запоминающее устройство 20. Блок цифровых компараторов состоит из компаратора первого импульса 21, компаратора текущего максимума 22 и компаратора пороговой разности 23, а блок регистров содержит регистр первого импульса 24, регистр минимума 25, максимума 26 и пороговой разности 27. В предлагаемое устройство входит также блок связи с ЭВМ 28 и ЭВМ 29.

Ультразвуковой эхоимпульсный толщиномер работает следующим образом. Микроконтроллер МК 7 выбирает текущий канал и запускает через мультиплексор 6 соответствующий генератор зондирующих импульсов Г_i 3, возбуждающий пьезоэлектрический преобразователь ПЭП_i 2. Этот же преобразователь, работающий в совмещенном режиме, принимает отраженный от передней грани эхо-импульс и последовательность импульсов, отраженных от внутренней поверхности изделия, а также другие возможные импульсы, возникающие в зависимости от кривизны поверхностей изделия их состояния и состояния материала изделия. Усиленный предварительным усилителем ПУ_i 4 сигнал с ПЭП 2 через аналоговый коммутатор 5 поступает на основной усилитель ОУ 8, в котором осуществляется детектирование и усиление огибающей сигнала по логарифмическому закону. Усилитель реализован на основе ИМС AD8310 фирмы Analog Devices [4]. Этот сигнал через фильтр нижних частот (на структурной схеме не показан) подается на вход быстродействующего аналого-цифрового преобразователя АЦП 9 и далее уходит в блок цифровой обработки сигнала БЦОС 11. Этот блок реализован полностью на ИМС гибкой логики семейства АСЕХ1К фирмы Altera [6]. Задачей данного блока является фиксация первого импульса, отраженного от передней грани изделия, и далее выделение на ограниченном по времени интервале максимумов принятого сигнала, соответствующих первому и последующим отражениям от внутренней поверхности изделия. Амплитуды и времена прихода этих импульсов запоминаются в ОЗУ 20 и далее обрабатываются микроконтроллером 7. Рассмотрим более подробно работу БЦОС. Счетчик времени СчВ 16 начинает подсчет импульсов тактового генератора ТГ 10 одновременно с запуском генератора зондирующих импульсов. После истечения определенной длительности задержки, необходимой для исключения влияния мощного генераторного импульса, разрешается работа компаратора первого импульса КПИ 21, сравнивающего пропорциональный амплитуде сигнала код, снимаемый с АЦП, с определенной величиной порога для первого импульса, хранящейся в регистре порога РП 24. После превышения этого порога (найден импульс от передней грани точка А на диаграмме фиг. 2) начинается поиск максимумов отраженного сигнала. Для выделения этих максимумов БЦОС работает в двух режимах поиска максимума и поиска минимума. После нахождения импульса передней грани БЦОС переходит в режим поиска максимума, при этом текущее значение отсчета АЦП сравнивается компаратором текущего максимума КТМ 22 с величиной, записанной в регистре максимума Р_max 26, и в случае, если текущий отсчет превышает эту величину, происходит перезапись в регистр этого значения с одновременной фиксацией его времени прихода в ОЗУ. Параллельно происходит сравнение компаратором пороговой разности КПР 23 двух величин: значения найденного локального максимума А_max с суммой текущего отсчета АЦП (обозначим его как А_i) и величины пороговой разности Δ, хранящейся в регистре РПР 27. Операция сложения выполняется сумматором-вычитателем С/В 18, который в данном режиме при поиске максимума работает как сумматор. В случае справедливости неравенства А_i+Δ<А_max (т.е. текущая амплитуда сигнала относительно найденного локального максимума снизилась на величину, большую заданной пороговой разности) БЦОС переходит в режим поиска минимума (см. фиг.2). Задание определенной пороговой разницы позволяет исключить фиксацию как информативных максимумов флюктуации сигнала, меньших по величине установленной пороговой разности. В момент смены режима происходит запись амплитуды и времени прихода найденного максимума из регистров в ОЗУ 20. В режиме поиска минимума текущее значение отсчета АЦП сравнивается уже с величиной, записанной в регистре минимума Р_min, а запись отсчета в этот регистр происходит в случае, если текущее значение меньше по величине хранящегося в регистре. Компаратор пороговой разности при этом отслеживает соотношение текущего локального минимума A_min и разности между текущим отсчетом АЦП и величиной пороговой разности Δ (С/В работает как вычитатель в этом режиме). При выполнении неравенства А_i-Δ>А_min (соответствует преобразованному А_i-А_min>Δ, т.е. амплитуда сигнала относительно найденного локального минимума повысилась на величину, большую заданной пороговой разности) устройство вновь переходит в режим поиска максимума. В момент смены режима поиска увеличивается на единицу счетчик найденных максимумов и происходит запись в регистры максимума и минимума начальных величин для поиска (0 и равного максимальной величине при данной разрядности АЦП соответственно). Далее процесс повторяется, а условиями завершения поиска являются либо истечение заданного временного интервала, в котором осуществляется поиск, либо нахождение наибольшего числа локальных максимумов, ограниченное объемом ОЗУ (в описываемом приборе - 12). По завершению поиска БЦОС выставляет сигнал прерывания микроконтроллеру, осуществляющему последующий анализ найденных величин амплитуды и времени прихода максимумов. Из всех найденных максимумов отбираются три наибольших по амплитуде, производится их сортировка по времени прихода и вычисление разницы времен прихода второго и первого, а также третьего и второго максимумов. Эти два временных интервала сравниваются между собой, и в случае расхождения не более чем на 20% вычисляется их среднее значение. В противном случае микроконтроллер переходит к сравнению амплитуд найденных максимумов. Если один из максимумов меньше по амплитуде относительно наименьшего из двух оставшихся на величину более заданной пороговой величины, происходит объединение временных интервалов (для случая, если наименьший максимум по времени прихода является вторым), либо используется только один временной интервал между наибольшими из двух максимумом (для случаев первого и третьего по времени прихода наименьшего максимума). При невыполнении вышеописанных условий берется наименьший из двух интервалов, при этом в ЭВМ 29 посылается вместе с величиной временного интервала код возможной ошибки измерения. В случае, если БЦОС на заданном участке смог найти только два максимума, разница по времени между ними также отправляется вместе с соответствующим кодом. Код ошибки отправляется также при невозможности выделения хотя бы двух максимумов и в случае, если наибольший из максимумов имеет недостаточную амплитуду, соответствующую уровню шумов аналогового тракта прибора. Наличие кодов ошибки позволяет проводить программному обеспечению ЭВМ отбор среди значений, выделяя при необходимости заведомо безошибочные измерения. Значение толщины вычисляется по формуле:

,

где Δt - временной интервал, вычисленный по описанному выше алгоритму, сек; с - скорость распространения продольной волны в материале изделия, м/с. Точность подсчета временного интервала соответствует 50 нc.

Внутритрубный ультразвуковой толщиномер изготовлен, прошел производственные испытания при измерении толщины стенки трубопровода диаметром 250 мм с номинальной толщиной стенки 6 мм и с участками разной толщины от 2,5 мм до 5,5 мм, изготовленными искусственно. Результаты контроля представлены на дефектограмме (фиг.3), где по оси ординат в масштабе 1:20 приводится длина трубопровода, а по оси абсцисс развертка трубы с номерами используемых преобразователей. В данной конструкции используется 36 преобразователей. Черным цветом на дефектограмме указаны места изменения толщины ниже заданного порога. Порог задается в процентах к номинальному значению толщины, составляющим в данном случае 10%.

Толщиномер прошел сертификацию и включен в реестр средств измерений Госстандарта.

Литература

1. Королев М.В. Эхо-импульсные ультразвуковые толщиномеры. М., Машиностроение, 1980, 112 с.

2. Аббакумов К.Е., Добротин Д.Д., Паврос С.К., Топунов А.В. Устройство для измерения толщины движущихся изделий. АС СССР № 1481585, БИ № 19, 1989.

3. Самокрутов А.А., Бобров В.Т., Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Алехин С.Г., Жуков А.В. Применение ЭМА толщиномера А1270 для контроля проката из алюминиевых сплавов.// В мире неразрушающего контроля, № 4, 2002, с.24-27.

4. http://www.analog.com/Analog Root/productPage/productHome/0%2C2121%2CAD8310%2C00.html - описание ИМС AD8310, сайт фирмы Аnаlog Devices.

5. Шило В.Л. Линейные интегральные микросхемы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: "Советское радио", 1979.

6. http://www.altera.com/products/devices/acex/acx-index.html - описание семейства ИМС АСЕХ 1К, сайт фирмы Altera.

Ультразвуковой эхоимпульсный толщиномер, содержащий блок первичной аналоговой обработки, состоящий из генератора, ультразвукового преобразователя и предварительного усилителя, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок цифровой обработки сигналов, микроконтроллер, блок связи с ЭВМ, причем блок обработки сигналов соединен с микроконтроллером и аналого-цифровым преобразователем, вход которого соединен с выходом основного усилителя, блок первичной аналоговой обработки содержит ультразвуковой преобразователь, генератор зондирующих импульсов и предварительный усилитель, причем преобразователь соединен с выходом генератора зондирующих импульсов и входом предварительного усилителя, отличающийся тем, что он содержит N блоков первичной аналоговой обработки и дополнительно введены тактовый генератор, электронный коммутатор, мультиплексор и ЭВМ, причем предварительный усилитель каждого из N каналов соединен с основным усилителем через электронный коммутатор, выходы мультиплексора соединены со входом каждого из N генераторов зондирующих импульсов, а выход микроконтроллера соединен с управляющими входами коммутатора, мультиплексора и тактового генератора, выход которого подключен к тактовому входу аналого-цифрового преобразователя и блоку обработки сигналов, причем блок цифровой обработки сигналов состоит из блока компараторов, блока регистров, коммутатора, мультиплексора, формирователя сигналов записи, сумматора-вычитателя, блока управления оперативным запоминающим устройством, оперативного запоминающего устройства и счетчика временных интервалов, блок компараторов содержит компаратор первого импульса, компаратор текущего максимума, компаратор пороговой разности, а блок регистров состоит из регистра первого импульса, регистра минимума, регистра максимума, регистра пороговой разности, причем выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первым входам сумматора-вычитателя, компаратора текущего максимума, компаратора первого импульса и к информационным входам значений амплитуды регистров минимума и максимума, а информационный вход значений временного интервала регистра максимума соединен с выходом счетчика временных интервалов, тактовый вход которого соединен с выходом тактового генератора, а вход запуска подключен к выходу компаратора первого импульса, второй вход которого соединен с информационным выходом регистра первого импульса, выход значения амплитуды регистра минимума подключен ко входу коммутатора, выход значения амплитуды регистра максимума соединен с первым входом блока управления оперативным запоминающим устройством и вторым входом коммутатора, выход которого подсоединен ко вторым входам компаратора пороговой разности и текущего максимума, выход которого соединен со входом мультиплексора, один выход которого подключен к входу разрешения записи регистра минимума, а второй - ко входу разрешения записи регистра максимума, причем управляющие входы мультиплексора и коммутатора, вход формирователя сигналов записи, управляющий вход сумматора-вычитателя и управляющий вход блока управления оперативным запоминающим устройством соединены с выходом компаратора пороговой разности, один выход блока формирования сигналов записи соединен со входом разрешения записи регистра максимума, а другой - со входом разрешения записи регистра минимума, первый вход компаратора пороговой разности подсоединен к выходу сумматора-вычитателя, второй вход которого подключен к выходу регистра пороговой разности, выход блока управления оперативным запоминающим устройством соединен с оперативным запоминающим устройством, к выходу которого подключен микроконтроллер.