Ультразвуковой толщиномер

 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля толщины материалов ультразвуковым методом и может быть использовано в машиностроении , авиастроении и судостроении для автоматизированного контроля металлических конструкций. Целью изобретения является повышение точности и разрешающей способности измерения толщины материалов за счет использования интерполяционного измерителя временных интервалов . Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, передающий преобразователь и усилитель, генератор импульсов заполнения, цифровой индикатор, три высокоскоростных компаратора, три схемы стробирования, подключенных к выходу усилителя, состоящие из последовательно соединенных одновибратора, триггера и схемы совпадения, интерполяционный измеритель временных интервалов, состоящий из последовательно соединенных первого формирователя временных остатков, первого блока выделения дополнительных импульсов и дополнительного счетчика, из последовательно соединенных второго формирователя временных остатков и второго блока выделения дополнительных импульсов, блока выделения основных остатков и второго блока выделения дополнительных импульсов , блока выделения основных и.мпульсов и основного реверсивного счетчика. Работа устройства заключается в выделении измерительного временного интервала, формировании основного интервала и временных остатков. Измерение проводится методом последовательного счета основного интервала, расщиренных в 100 раз остатков и суммирования их значений. 3 ил. $ (Л |С 4 СО ОО кэ ;о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1249329 д1

yg 4 Й 01 В 17/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3799824/25-28 (22) . 26.07.84 (46) 07.08.86. Бюл. № 29 (72) В. А. Протопопов, Ю. К. Романовский и В. М. Ботько (53) 531.717 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 407189, кл. G 01 В 17/02, 1972.

Техническое описание толщиномера

«Металл — 6 м» (УТ вЂ” 30ПА), схема ЩЮ

2.048.154 ТО. Кишинев. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОЛЩИНОМЕР (57) «:зобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля толщины материалов ультразвуковым методом и может быть использовано в машиностроении, авиастроении и судостроении для автоматизированного контроля металлических конструкций. Целью изобретения является повышение точности и разрешающей способности измерения толщины материалов за счет использования интерполяционного измерителя временных интервалов. Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, передающий преобразователь и усилитель, генератор импульсов заполнения, цифровой индикатор, три высокоскоростных компаратора, три схемы стробирования, подключенных к выходу усилителя, состоящие из последовательно соединенных одновибратора, триггера и схемы совпадения, интерполяционный измеритель временных интервалов, состоящий из последовательно соединенных первого формирователя временных остатков, первого блока выделения дополнительных импульсов и дополнительного счетчика, из последовательно соединенных второго формирователя временных остатков и второго блока выделения дополнительных импульсов, блока выделения основных остатков и второго блока выделения дополнительных импульсов, блока выделения основных импульсов и основного реверсивного счетчика.

Работа устройства заключается в выделении измерительного временного интервала, формировании основного интервала и временных остатков. Измерение проводится методом последовательного счета основного интервала, расширенных в 100 раз остатков и суммирования их значений. 3 ил.

1249329

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

Цель изобретения — повышение точности и разрешаюгцей способности измерения толщины материалов за счет использования интерполяционного измерителя временных интервалов.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 — — функциональная схема формирователей временных остатков и схем выделения дополнительных и основных импульсов; на фиг. 3 — — временные диаграммы, поясняющие работу толщиномера.

Ультразвуковой толщиномер содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, генератор 2 зондирующих импульсов, приемопередающий пьезопреобразователь 3, излучающий ультразвуковые импульсы через иммерсионную жидкость 4 в контролируемое изделие 5 и принимающий отраженные сигналы, и усилитель 6, первый компаратор 7 первого отраженного эхо-импульса и схему его стробирования, состоящую из первого одновибратора 8, вход которого подключен к выходу синхронизатора 1, первого триггера 9, второй вход которого подключен к выходу первого одновибратора 8, и первой схемой 10 совпадения, первый вход которой соединен с первым входом первого триггера 9 и выходом компаратора 7, а второй вход — с выходом первого триггера 9, второй компаратор 11 второго отраженного импульса и аналогичную схему стробирования, состоящую из второго одновибратора 12, вход которого соединен с выходом первой схемы 10 совпадения, второго триггера 1.3 и второй схемы 14 совпадения, третий компаратор 15 третьего отраженного импульса и схему его стробирования, состоящую из третьего одновибратора 16, вход которого соединен с выходом второй схемы

14 совпадения, третьего триггера 17 и схемы 18 совпадения, интерполяционный измеритель временных интервалов (ИИВИ), состоящий из последовательно соеди ненных первого формирователя 19 временных остатков, первый вход которого соединен с выходом второй схемы 14 совпадения, первого блока 20 выделения дополнительных импульсов и дополнительного счетчика 21, из последовательно соединенных второго формирователя 22 временных остатков, первый вход которого соединен с выходом третьей схемы 18 совпадения, и вторым блоком 23 выделения дополнительных импульсов, блока 24 выделения основных импульсов, первый вход которой соединен с вторым выходом первого формирователя 19 временных остатков, второй вход — с выходом второго формирователя 22 временных остатков, третий вход — — с вторыми входами первого и второго блоков 20 и 23 выделения дополнительных импульсов, первым и вто о

ЗО

55 рым формирователями 19 и 22 временных остатков и выходом генератора 25 импульсов заполнения, и основного счетчика 26, суммируюгций вход первой декады которого соединен с выходом дополнительного счетчика 21, вычитающий вход первой декады— с выходом второго блока 23 выделения дополнительных импульсов, суммирующий вход третьей декады — с выходом блока 24 выделения основных импульсов, вход

«Сброс» с выходами «Установка О» дополнительного счетчика 21, первого и второго формирователей 19 и 22 временных интервалов и первого, второго и третьего триггеров 9, 13 и 17 соответственно и выходом синхронизатора 1, а выход — с входом цифрового индикатора 27.

Первый (второй) формирователь 19 (22) временных остатков состоит из последовательно соединенных четвертого (пятого) триггера 28 (29), четвертой (пятой) схемы

30 (31) совпадения, шестого (седьмого) триггера 32 (33), íà D-вход которого подается единичный уровень, шестой (седьмой) схемы 34 (35) совпадения, второй вход которой соединен с вторым входом четвертой (пятой) схемы 30 (31) совпадения и с выходом генератора 25 импульсов заполнения, и восьмого (девятого) триггера 36 (37), S-вход которого соединен с S-входом четвертого (пятого) триггера 28 (29) и выходом второй (третьей) схемы 14 (18) совпадения.

Первый (второй) блок 20 (23) выделения дополнительных импульсов состоит из последовательно соединенных генератора 38 (39) стабильного тока заряда, переключателя 40 (41) тока, четвертого (пятого) компаратора 42 (43) напряжения и восьмой (девятой) схемы 44 (45) совпадения, второй вход которой соединен с выходом генератора 25 импульсов заполнения, первой (второй) схемы 46 (47) стабильного тока разряда, выход которого соединен с вторым входом первого (второго) переключателя

40 (41) тока, и параллельно соединенных первого (второго) накопительного конденсатора 48 (49) и первого (второго) фиксирующего диода 50 (51), входы которых подключены к выходу первого (второго) переключателя 40 (41) тока.

Блок 24 выделения основных импульсов состоит из восьмой схемы 52 совпадения, первый вход которой подключен к (,)-выходу шестого триггера 32, второй вход к

Q-выходу седьмого триггера 33, третий вход — к выходу генератора 25 импульсов заполнения. Позициями 53 — 72 обозначены сигналы блоков ультразвукового толщиномера.

Ультразвуковой толщиномер работает сл еду ю щи м об р а зом.

Синхронизатор 1 запускает генератор 2 зондирующих импульсов и одновибратор 8, устанавливает триггеры 9, 13 и 17 в нулевое состояние и ИИВИ вЂ” — в исходное состояние. Генератор зондирующих импульсов

1249329 возбуждает пьезопреобразователь 3. Ультразвуковой импульс, излучаемый пьезопрсобразователем 3, вводится через слой иммерсионной жидкости 4 в измеряемое изделие 5 и, распространяясь в нем, претерпевает многократные отражения от поверхностей. УЗ-колебания, возникающие при этом, принимаются пьезопреобразователем 3 и преобразуются им в электрические сигналы, которые поступают на усилитель 6. Усиленные сигналы поступают на высокоскоростные компараторы 7, 11 и 15, каждый из которых имеет свое опорное напряжение и может работать как по положительным, так и по отрицательным полуволнам сигнала. Импульсы на выходах компараторов нормированы в уровнях эмиттерно-связанной логики и имеют фронты длительностью не более 3 нс.

Выделение импульсов СТАРТ и СТОП измерительного интервала производится следующим образом.

Одновибратор 8, длительность которого выбирается большей длительности переходных процессов в пьезопреобразователе, возникающих под воздействием зондирующего импульса, переводит задним фронтом триггер 9 в единичное состояние, разрешая прохождение импульсов от компаратора 7 через схему 10 совпадения. При этом первый импульс, отраженный от внешней поверхности изделия 5, сравнивается с опорным напряжением ((од„которое выбирается равным половине амплитуды первого отраженного импульса. На выходе компаратора 7 появляется импульс, который проходит через схему 10 совпадения. Задним фронтом этого импульса триггер 9 возвращается в исходное состояние, запрещая дальнейшее прохождение импульсов. Единственный импульс, прошедший через схему 10 совпадения и соответствующий первому отраженному эхо-импульсу, запускает одновибратор

12, длительность которого выбирается несколько меньшей времени, соответствующего минимальной измеряемой толщине. По заднему фронту импульса с одновибратора

12 триггер 13 переводится в единичное состояние, разрешая прохождение импульсов от компаратора 11 через схему 14 совпадения.

Для компаратора 11 опорное напряжение

Vonq выбирается равным половине амплитуды второго, отраженного от внутренней поверхности изделия 5, импульса. Импульс от компаратора 11, соответствующий второму отраженному, проходит через схему 14 совпадения и, кроме того, своим задним фронтом возвращает триггер 13 в исходное состояние, запрещающее прохождение импульсов через схему 14 совпадения. Единственный импульс, прошедший через схему 14 совпадения, является импульсом СТАРТ для ИИВИ. Кроме того, он запускает схему стробирования и выделения импульса СТОП, которая работает аналогично предыдугцим.

Опорное напряжение Vpn, для компаратора 15 устанавливается равным половине амплитуды третьего, отраженного от внешней поверхности изделия 5, импульса. Импульсы СТАРТ и СТОП, временной интервал между которыми соответствует измеряемой толщине, поступают на ИИВИ. Выбор второго и третьего отраженных импульсов в качестве импульсов СТАРТ и СТОП обусловлен тем, что при различных изменениях условий измерения толщины — различная шероховатость изделий, отклонения вертикали датчика при измерении. наличие кривизны и клиновидности изделий. Эти импульсы изменяются по амплитуде синхронно, в отличие от первого и второго импульсов.

Это позволяет значительно уменьшить погрешность измерения, связанную с изменением амплитуды отраженных импульсов в процессе автоматизированного контроля.

Принцип работы ИИВИ заключается в измерении методом последовательного счета основного интервала, расширенных в 100 раз остатков первоначального измерения и суммирования их значений.

Формирование интервала 1,, соответствующего времени от переднего фронта импульса СТАРТ до заднего фронта первого из импульсов заполнения, попавших в измерительный интервал, осуществляется в формирователе 19 врсменных остатков. По сигналу с синхронизатора 1 (фиг. 3) триггеры

28 и 32 устанавливаются в исходное состояние. Появление импульса 54 СТАРТ на

S-входах переводит эти триггеры в единичное состояние. На С)-выходе триггера 28 появляется сш.нал 57, разрешающий прохождение импульсов 56 заполнения через cxcMv 30 совпадения, после которой импульсы 58 поступают на С-вход триггера 32.

Задним фронтом первого из этой серии импульса триггер 36 устанавливается в единичное состояние. Сигнал 57 с Я-выхода разрeшает прохождение импульсов 56 заполнения через схему 34 совпадения. На R-вход триггера 36 поступает серия импульсов 60, первый из которой передним фронтом возвращает его в исходное состояние.

Таким образом, на выходах триггера 36 формируются парафазные импульсы 61 и 62, длительность которых меняется от

0,5t, до 1,51 в зависимости от времени прихода импульса СТАРТ относительно импульсов заполнения, где tg — период импульсов заполнения.

Формирование интервала t,, соответствующего времени от переднего импульса

СТОП до заднего фронта первого из импульсов заполнения, не попавших в измеряемый интервал, осуществляется в формирователе 22 временных остатков аналогично формированию интервала t,. Работа формирователя 22 иллюстрируется сигналами

63 — 69 (фиг. 3) .

Блок 24 выделения основных импульсов реализован на схеме 52 совпадения, управ1249329

Формула изобретения ляемой сигналом 59 с Q-выхода триггера 32 и сигналом 66 с Q-выхода триггера 33. На его выходе выделяется целочисленное значение N импульсов 70.

Блоки 20 и 23 выделения дополнительных импульсов производят расширение интервалов 1, и t и выделение импульсов заполH0HHH, lHc. o которых .х, и 1х1 сооТ сТсТВ ют 100 1 и t 00 t .

Блок 20 работает следуюгцим образом.

В исходном состоянии через фиксирующий диод 50 протекает ток от схемы 46 стабильного тока разряда и напряжение на конденсаторе 48 равно напряжению на диоде 50. Опорное напряжение компаратора 4? выбрано несколько выше, чем напряжение на фиксируюгцем диоде, и сигнал на выходе ком паратора запрещает прохождение импульсов заполнения через схему 44 совпадения. С момента прихода импульсов 61 и 62 конденсатор 48 начинает заряжаться от генератора 38 стабильного тока заряда через переключатель 40 тока. Как только напряжение на конденсаторе 48 превышает

Li«компаратор 42 срабатывает, разрешая прохождение импульсов через схему 44 совпадения. По окончанию импульса 61 переключатель 40 отключает генератор 38 стабильного тока заряда и конденсатор 48 начинает разряжаться схемой стабильного тока разряда. При снижении напряжения на конденсаторе 48 до уровня 1..1оп компаратор 42 возвращается в исходное состояние и запрещает прохождение импульсов через схему 44. Отношение токов заряда и разряда равно 100.

Таким образом, интервал t расширяется в 100 раз и на выходе схемы 44 появляется

N — 100 1,!1, импульсов.

Блок 23 выделения дополнительных импульсов Np, соответствуlolll,èx остатку работает аналогично блоку 20. Его работа иллюстрируется сигналами 68, 69 и 72.

Основные импульсы N поступают па суммирующий вход первого разряда третьей декады основного реверсивного счетчика 26.

Импульсы N поступают на вы читающий вход первого разряда первой декады того же счетчика. Число импульсов U записывается в дополнительный счетчик 21 в связи с тем, что время их появления может совпадать с импульсами N и N . После окончания счета всех импульсов в счетчиках 21 и 26 импульсы Nq переписываются по суммирующему входу первого разряда первой декады в счетчик 26. В результате счетчик 26 выполняет следующую операцию:

NX= N+ (Ni — N L) 102, где N — измеряемая толщина в мкм.

Измеренное значение толщины выводится на табло цифрового индикатора 27.

Для представления измеряемой толщины различных металлов в микрометрах частота заполнения может перестраиваться в диапазоне 22 — 37 мГц. Генератор 25 заполнения для достижения необходимой стабильности

55 частоты 10 " выполнен в термостатированном исполнении.

Таким образом, применение высокоскоростных компараторов со схемами стробирования и цифрового ИИВИ позволяет повысить точность и разрешающую способность устройства, что обеспечивает измерение толщины металлов с погрешностью

+ +10 мкм в диапазоне — 10 мм.

Ультразвуковой толщиномер, содержащий последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, приемно-передающий пьезопреобразователь и усилитель, первый триггер, первый одновибратор, вход которого соединен с выходом синхронизатора, второй одновибратор, первую и вторую схему совпадения, генератор импульсов заполнения и цифровой индикатор, отли чающий сн тем, что, с целью повышения точности и разрешающей способности измерения толщины материалов, он снабжен первым, вторым и третьим ком параторами, входы которых подключены к выходу усилителя, а выход первого компаратора к первому входу первого триггера и первому входу первой схемы совпадения, вторым триггером, первый вход которого соединен с первым входом второй схемы совпадения и выходом второго компаратора, второй вход -- с выходом второго oiI,Hîâèáðàòoðà, а выход— с вторым входом второй схемы совпадения, последовательно соединенными третьим одновибратором, третьим триггером и третьей схемой совпадения, второй вход которой соединен с вторым входом третьего триггера и с выходом третьего компаратора, и интерполяционным измерителем временных интервалов, состоящи vl из последовательпо соединенных первого формирователя временных остатков, первый вход которого соединен с входом третьего одновибратора и выходом второй схемы совпадения, первого блока выделения дополнительных импульсов и дополнительного счетчика, из»оследовательно соединенных второго формирователя временных остатков, первый вход которого соединен с выходом третьей схемы совпадения и второго блока выделения дополнительных импульсов, блока выделения основных импульсов, первый вход которого соединен с вторым выходом первого формирователя временных остатков, второй вход — с выходом второго формирователя временных остатков, третий вход с вторыми входами первого и второго блоков выделения дополнительных импульсов, первым и вторым формирователями временных остатков и выходом генератора импульсов заполнения, и основного счетчика, суммирующий вход первой декады которого соединен с выходом дополнительного

1249329 счетчика, вычитающий вход первой декады — с выходом второго блока выделения дополнительных импульсов, суммирующий вход третьей декады — с выходом блока выделения основных импульсов, вход

«Сброс» — с выходами «Установка 0» дополнительного счетчика, первого и второго формирователей временных интервалов и первого, второго и третьего триггеров и выходом синхронизатора, а выход — с входом цифрового индикатора, кроме того, второй вход первого триггера соединен с выходом первого одновибратора, вход вто5 рого одновибратора — с выходом первои схемы совпадения, второй вход первой схемы совпадения — с выходом первого триггера.

1249329

5d"

Я

56

57

58

59

Ю

67

Составитель В. Белозеров

Редактор М. Бланар Техред И. Верее Корректор В. Бутяга

Заказ 4223/40 Тираж 670 подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Рау шская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4