Устройство для автоматического измерения времени распространения ультразвука

 

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для исследования физико-механических свойств и контроля качества материалов по данным о скорости распространения в них ультразвука. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет формирования конца измерительных интервалов по моменту перехода через нуль заднего фронта первой полуволны, первого и N-го эхо-сигналов. В устройстве применены усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, формирователь с перестраиваемым порогом, регистры коэффициента передачи и порога, оперативное и постоянное запоминающие устройства и микропроцессор, осуществляющие выделение на фоне помех первой полуволны эхо-сигналов и формирование сигналов конца измерительных интервалов автоматически микропроцессорным блоком по программе, хранимой в постоянном запоминающем устройстве, путем поэтапной настройки коэффициента передачи усилителя и уровня порога формирователя, что позволяет измерять с минимальной погрешностью временные интервалы от момента пуска генератора зондирующих импульсов до момента окончания первой полуволны первого эхо-сигнала T<SB POS="POST">а</SB> и N-го эхо-сигнала T<SB POS="POST">в</SB>. Время распространения ультразвука рассчитывается микропроцессорным блоком. 10 ил.

СОЮЗ ССВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК!

q1),1,: "1 П 5/ОО

8,.ЕСОИЗИАЯ

ОПИСАНИЕ Иж)БРЕт „ ЛИЯ

И ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСВ ИУ

) т„ н ь* (. . t .г . Г1г л ГО ЭХО СИГНаПОВ, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМИ . И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ CCCP

1 (21) 4394101/?5-28 (?2) 21.03 88 (4e) 23,11.89. Бюл. 1 3 (72) О,.Г.Бондарь, В З.Дос йзин, С.А,Як,;;:еви I, R,Й,Ив;. 1ов, В.A.Куд11нОВ, А С Ру такoR u B.A Адр ан (53) 534.?? (088,81 (56) ABTОрское свидетельстго СССР

N" 74e? 7"-,, <П О 01 " 2ст/ОП, 1980, ABтop" к е гвидетельcòво СССР

1t 1000jt", кл, О 01 Н 5/00 1083 (54 "C p .БУЙСТВО Д11Я АВТОМАТИЧЕСКО1 О

ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

УЛЬТРАЗВУКА (57) Изобретение Относится к акустическим измерениям и может быть использовано дпя исследования физикомеханическиx свойств и контроля каLtpcTs з ма сериалОв пО даннь м о скорос ти распространения в них ультразвука . Цель изобретен я — повышение точности измерения за счет формирования конца измерительных интервалов

ПО -К:ICI-ITy ПЕРЕХОДа ЧЕРЕЗ НУЛЬ ЗаДИзобретение относится к акусти«еским изм рениям и может быть использова 1о для исследования физикомеханических свойств и контроля качества материалов по данным о корости ра:пространения в них ультразвуI a

Цепь изобретения — повышение точности измерения за счет формирования конца измерительных интервалов по моменту с ерехода через нуль заднего фронта первой полуволны первого и

„„SU„„>523924 А1

2 не .: q, онта перв- 1 полуволны, первого I и-Гс эхо.сигналов. В устройстве

: О»: не th! Ус;11! II1 се пь с регyпиpyемы t

- ::о. I ци "нтом переда-ll), формиров т. ль и:.. естраиваемы, порогом. ре -I cTры

Ко-., . tlt 1ЕН;Га ПСРЕДаЧИ И ПОРО;d Orts—

pOTИВЧ - И ПО -.тОяНнОЕ ЗапОмИнаЮцие

УС Гой ца И миКрОПрОцЕССОр, ОсущЕСтап.- ж,ие выделение на фо 1е помех пер: ом ПС tySOJIHII ЭХО-СИГННГОВ,: фОРМИро..hhlис с.t1illanr s конца измеритегьных ин-с:раппов автоматически микропроцес-с p: ым блоком по программе, кран«мо. в н;;стоянном запоминающем yr TpoécTRp, пу; ".и п .этапной настройки коэнов ф.t t«tet-,1а передачи усилителя и урс внг

llop", а ;:Ормирователя, что позволяет из. pRTb с м11нимальнОИ пОГрешнОС ьto

Гое,ctlHltt. интервалы от момента пус.ка г.=нера гора зсчдируюцих импульсов до момента Ок:" l..э-:ния первОЙ пОлувогны первого эхо сигнага Т> и и-го эхо,-сигнала TB. Воемя распространения ультразвука рассчитывается микропроцессорным блокОм. 10 ил, Иа фиг. 1 представлена структурная схема устройства для автоматического измерения времени распространения vJIhтразвука; ча фиг, 2 - функциональная cYåìs измерителя временногс интервала; ча фиг, 3 — функциональная схема программируемого одновибратора; на фиг 4 - функциональная схема селектора; на фи . 5 — временные диаграммы. поясняюшие работу устройства; н,т ф I 6 - блок-схема алгоритма I,;— стрг 1ки коэффициента перед". и; на фи . " - блок-схема настр; йки уровн:

3 15239 порога; на фиг. 8 - блок-схема измерения временного интервала A(B); на фиг. 9 - блок-схема алгоритма измерения временного интервала Т при установленном уровне порога и настроенном коэффициенте передачи усилителя; на фиг. 10 — блок-схема алгоритма провер. ки устойчивости результата измерения

1 временного интервала Т4.

Устройство для автрматического измерения времени распространения ультразвука содержит последовательно электроакустически соединенные генератор 1 зондирующих импульсов, пьеэо- 15 преобразователь 2, устанавливаемый на исследуемом образце 3,,усилитель

4 с регулируемым коэффициентом передачи и формирователь 5 с регулируемым порогом, последовательно соеди- 20 ненные селектор 6 и измеритель 7 временного интервала, регистр 8 коэффициента передачи, выход которого подключен к входу регулирования коэффициента передачи усилителя 4, регистр

9 порога, выход которого подключен к входу регулирования уровня порога формирователя 5, программируемый одновибратор 10, выход которого подключен к стробирующему входу селектора 6, генератор 11 тактовых импульсов, выход которого подключен к тактовым входам измерителя 7 временного интервала и программируемого од" новибратора 10, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 12, постоян35 ное запоминающее устройство (ПЗУ) 13, блок 14 индикации и микропроцессор

15, шина данных которого подключена к информационным входам регистра 8 коэффициента передачи, регистра 9 порога, программируемого одновибратора

10, ОЗУ 12, блока 14 индикации и к информационным выходам измерителя 7 временного интервала и ПЗУ 13, шина

45 адреса - к входам выбора регистра 8 коэффициента передачи, регистра 9 порога, программируемого одновибра" тора 10, измерителя 7 временного интервала, ОЗУ 12, ПЗУ 13 и блока 14 индикации, выход "Запись! — к входам

"Запись" регистров 8 и 9 коэффициента передачи и порога, программируемого одновибратора 10, блока 14 индикации и ОЗУ 12, выход "Чтение"к входам "Чтение" измерителя 7 вре- 55 менного интервала, ОЗУ 12 и ПЗУ 13, информационный вход селектора 6 подлючен к выходу формирователя 5, 24 вход "Сброс" — к управляющему выходу измерителя 7 временных интервалов, а выход — к входу запуска генерато .:

1 зондирующих импульсов.

Измеритель 7 временного интервала (фиг. 2) выполнен из последовательно соединенных схемы И 16, первый вход которой является тактовым входом измерителя, счетчика 17 и трехстабильного буфера 18, последовательно соединенных дешифратора 19, вход которого является выходом выбора измерителя 7, второй схемы И 20 и второго трехстабильного буфера 21, выход которого подключен к выходу первого буфера 18 и является выходом данных измерителя 7, третьей схемы И 22, первый вход которой подключен к второму выходу дешифратора 19, а выход - к второму входу первого буфера 18, четвертой схемы И 23, первый вход которой подключен к второму входу второ" схе мы И 20, к второму входу третьей схе" мы И 22 и является входом "Чтение" измерителя 7, второй вход — к третьему выходу дешифратора 19, а выходк К-входу счетчика 17 и является управляющим выходом измерителя 7, второй вход первой схемы И 16 соединен с вторым входом второго буфера 21 и является измерительным входом измерителя 7.

Программируемый одновибратор 10 (фиг. 3) выполнен из последовательно соединенных дешифратора 24, вход ко-торого является входом выбора одновибратора 10, первой схемы И 25, счетчика 26, триггера 27, второй схемы И 28, второй вход. которой является тактовым входом одновибратора 10, а выход подключен к тактовому входу счетчика 26, и третьей скемы И 29, первый вход которой подключен к второму выходу дешифратора 24, второй к второму входу первой схемы И 25 и является входом "Запись" одновибратора 10, а выход - к S-входу триггера 27, вход предварительной установки кода счетчика 26 является входом данных одновибратора 10, инверсный выход триггера 27 является выходом программируемого одновибратора 10.

Селектор 6 (фиг. 4) выполнен в виде D-триггера 30, D-вход и R-вход . которого объединены и являются его стробирующим входом, С-вход является информационным входом, S-вход - входом "Сброс", à Q-выход - выходом се-.

5 1523 лектора 6. Кроме того, обозначены выходы сигналов 31-40 с блоков устройства.

Устройство работает следующим образом.

Время Т распространения ультразвука в образце определяется путем измерения двух временных интервалов: временного интервала Я между моментом пуска генератора 1 зондирующих импульсов и моментом перехода через ноль заднего фронта первой полуволны первого эхо- 1мпульса и временного интервала В между моментом пуска генератора 1 зондирующих импульсов и моментом перехода через ноль заднего фронта первой полуволны п-го и эхо-сигнала и рассчитывается по формуле

1О

l5 тз — тА

Т

Р (n-1) где Т вЂ” значение временного интерр вала В; 25

Т вЂ” значение временного интерваА ла A.

Измерению временного интервала

Я(В) предшествуют настройка коэффициента передачи усилителя 4, настройка уровня порога формирователя 5 и определение длительности временного строба, выдаваемого программируемым одновибратором 10, Все операции по настройке, определению длительности временного стро- З5 ба и измерению интервала A(Â) происходят под управлением микропроцессора по программе, хранимой в ПЗУ.

Настройка коэффициента передачи

10 усилителя 4 (фиг, 6) заключается в подборе такого коэффициента передачи, который обеспечивает надежную регистрацию максимальной полуволны эхо-сигнала формирователем 5, имеющим мак45 симальный порог.

Последний срабатывает при перехо- де заднего фронта эхо-сигнала через установленный уровень порога. Момент срабатывания фиксируется селектором

6, который возвращается в единичное состояние при отсутствии запрещающего временного строба, поступающего с программируемого одновибратора 10.

Длительность временного строба при настройке устанавливается такая, что к моменту поступления надлежащего эхо-импульса селектор 6 разблокирован. Так при настройке коэффициента

924 6 передачи усилителя 4 для приема первого эхо-сигнала длительность 7,, временного строба выбирается немногим больше длительности зондирующего сигнала 33. Величина временного строба задается кодом начальной установки счетчика 26. Вес единицы кода равен периоду тактовых импульсов с,, Микропроцессор 15 заносит данный код командой "Запись" с адресом A „, Дешифратор 24 получая адрес А разрешает через схему И 25 поступление сигнала Запись" на вход предварит-гьный установки счетчика 26. В резуль1ате код с шины данных заносится в счетчик 26, Установив длительность временного строба, микропроцессор 15 записывает в регистр 9 порога код максимального порога формирователя 5, а в регистр 8 коэффициента передачи - код среднего значения коэффициента передачи усилителя 4.

При восьмиразрядном регистре 8 лгачальный код коэффициента передачи равен 80 Н (Н - обозначает, что код зап11сан в шестнадцатиричной системе), а его шаг изменения - 40 Н, т.е, л:зловине среднего значения коэффициента передачи. Настройка коэффициента передачи усилителя 4 начинается с выдачи с микропроцессора 15 yr.ðàвляющи; сиг.-капов "Начальная установка" и "Пуск". Начальная установка приводит в исходное состояние селектор 6 (фиг. 5, поз. 32) и измеритель 7 временного интервала, Для этого микропроцессор

15 выполняет команду "Чтение" по адресу A...>, Дешифратор 19 и схема И 23 формируют сигнал "Начальная установка", поступающий íà R-вход счетчика

17 и на вход "Сброс" селектора 6, устанавливая их в нулевое состояние, Микропроцессор 15 производит пуск генератора 1 зондирующих импульсов по команде "Запись" с адресом А.,„ .

Данный адрес дешифруется дешифратором 24 и совместно с сигналом "Записьн перебрасывает триггер 27 в единичное состояние. Одновибратор 10 выдает запрещаюций временной строб

31, блокирующий селектор 6 и переводящий его в единичное состояние, по которому и происходит запуск генератора 1 зондирующих импульсов. Зондирующий импульс 33 поступает на пьезопреобразователь 2. который вырабаты1523924 вает ультразвуковой импульс, распространяющийся в образце 3. Одновременно единичное состояние триггера 27 разрешает прохождение тактовых импульсов на счетчик 26 и через время, определяемое установленным в счетчике 26 кодом, триггер 27 возвращается в исходное состояние, временной строб кончается, селектор 6 разблокируется. Так как уровень порога формирователя 5 максимален, то он не реагирует на помехи и только поступление первого эхо-сигнала 34 может привести к его срабатыванию и формированию импульсов 35, возвращающих селектор

6 в нулевое состояние. Микропроцессор 15 циклически опрашивает состояние селектора 6, выставляя команду

"Чтение" по адресу Ас, поступающему на измеритель 7 временного интервала. Дешифратор 19 разрешает прохождение сигнала "Чтение" через схему

И 20 на буфер, который переводит его в режим усиления и передает состояние 2 селектора 6 на соответствующий разряд шин данных. Если по истечении времени, заведомо превышающего время распространения ультразвука в образце 3, селектор 6 остается в единичном состоя- 0 нии, то это означает, что коэффициент передачи усилителя мал и его требуется увеличить., Нулевое же состояние селектора 6 требует уменьшения коэффициента передачи. В первом случае код коэффициента передачи станет равным СОН, во втором ЧОН. Шаг изменения кода уменьшается микропроцессором 15 в два раза, записывается в регистр 8 и описанная процедура повторяется, пока шаг с точностью до целого не станет равным нулю. В итоге, в регистре

8 окажется код коэффициейта передачи усилителя 4, обеспечивающий регистрацию максимальной полуволны первого эхо-сигнала °

Настройка уровня порога формирователя 5 (фиг. 7) производится с целью надежной регистрации первой полуволны эхо-сигнала на фоне помех при настроенном коэффициенте передачи усили. теля 4„ Первоначально осуществляется измерение временного интервала Т„ между моментом пуска генератора 1 зондирующих импульсов и моментом срабатывания формирователя 5. Для этого микропроцессор 15 запускает генератор . 1 зондирующих импульсов и ожидает поступление эхо-сигнала, читая в цикле состояние селектора 6 по команде

"Чтение с адресом А-ь„ . Время, в течение которого селектор б находитс.s в единичном состоянии, определяет измеряемый временной интервал. Селектор 6 s данном состоянии разрешает прохождение тактовых импульсов на счетчик 17 через схему И 16. По заднему фронту полуволны, превышающей порог, срабатывает формирователь 5 и переводит селектор 6 в нулевое состояние, которое блокирует прохождение тактовых импульсов на счетчик 17.

В последнем запоминается код временного интервала Ти с дискретностью

Микропроцессор 15, зафиксировав нулевое состояние селектора 6, читает содержимое счетчика 17, переписывая

его e ОЗУ 12. Эта операция производится по команде "Чтение" с адресом

А >. Сигнал с дешифратора 19 совместно с сигналом "Чтение" микропроцессора 15 через схему И 22 переводит буфер 18 из высокоомного состояния в режим усиления и код.счетчика 17 передается на шину данных.Получив значение Т при максимальном пороге микропроцессор 15 уменьшает порог в два раза и заносит со ответствующий код в регистр 9 порога.

Производится измерение временного интервала T„ HoBo oooo|-e. Ec полученное значение временного интервала отличается от предыдущего на величину меньшую, чем 1/4 То,(ТО - период резонансных колебаний пьезопреобразователя 2), то это соответствует тому, что при двух уровнях порога регистрируется одна и та же полуволна эхо-сигнала. В этом случае уровень порога опять уменьшается вдвое и повторяется измерение интервала Т„ с последующим сравнением результатов.

При регистрации новой полуволны эхосигнала измеренное значение Т ц отличается от предыдущего на величину, большую 1/4 То. Новое значение Т должно пройти проверку на устойчивость, так как при уменьшении порога можно попасть в зону помех.

Проверка на устойчивость (фиг. 10) осуществляется путем многократного повтора измерения на данном уровне порога. Число повторов определяется заданной надежностью измерения времени распространения ультразвука и равно обычно 3-5. Если результат устойчив, то уровень порога снова уменьша.1523924 ется вдвое, повторяется измерение и сравнение результатов. В противном случае делается заключение, что уровень порога находится в зоне помех.

Микропроцессор 15 вычисляет разность между кодами предыдущего и текущего порога Ь Н, Далее, варьируя порогом в интервале <> Н, необходимо выйти на первую полуволну, не перескочив через

> 0 нее. Для этого устанавливается шаг изменения порога, равный 1/4 <уН, и исходное значение порога посередине интервала Ь Н„ Производится измерение временного интервала Т„ и проверка

1 5 его на устойчивость. Если результат устойчив, то порог уменьшается на шаг, в противном слу <ае поро; увег>ичивается на шаг Код шага изменения порога уменьшается вдвое и процесс и настройки повторяется до тех пор, пока код шага не станет равным нулю.

В итоге устанавливае гся превышающий уровень помех и пересекающий первую полуволну эхо-сигнала. 5

Измерение временного интерваг>а

A(B) производится следующим образом (фиг. 8) . Длительность временного строба определяг-.тся путем измерения временного интервала Т„ для настроенного порога (фиг. 9). Полученное эна30

fX ист = Т и м кропроцессор 15 записывает н счетчик 26 программируемого одновибратора 10. При данном значении временного строба 36 селектор 6 разблокирован непосредственно перед переходом через ноль заднего фронта первой полуволны, Для измерения временного интервала А(В) устанавливается нулевой порог формирователя 5, который формирует сигнал 40 конца интервала измерения.

Все операции, связанные с измерением временных интервалов Д и В, а»алогичны. Единственное отличие состоит в том, что при настройке коэффициента передачи усилителя 4 при измерении интервала В значение длительности временного строба устанавливается равным 50

„И

<- ст < ст (и 1) + < ст

Временные интервалы А и В содержат паразитные задерн<ки: электронную 55 задержку появления зондирующего сигнзла и задержку распространения ультразвука в среде.

При вычитании величин Т<, и Тд эти задержки взаимно компенсируются. Таким образом, формула, рассчитанная микропроцессором 15, дает величину времени распространения ультразвука я пбразце 3, которая выводится на бл- к 14 индикации в удобной для дальней» ей работы форме.

T; †:êèì образом, применение в устройстве дополнительных блоков и новых связей позволяет повысить точ <ость измерений эа счет поэтапной автомат>-.;еской настройки коэффициента переусилитегя и уровня порога формирг.ватег>я при выделении первой полуводны эхо-сигналов, которая в наимень<>ей степени подверн<ена интерференции, - г. практически исключает погрешность, u5у<ловленную волноводным эффектом .>ои распространении ультразвука в изд". »ях с небольшим сечением.

Ф о р м и л а и з о б р е т е н и я

Устройство для автоматического иэм рс-<ия времени распространения ульт— разаук->, содержащее последовательно . лектроакустически соединенные гене— р .гр зондирующих импульсов, пьезопреобразователь, усилитель и формировагель„ последовательно соединенные селзктoë и измер»тель временного интсовал;:, о г л и ч а ю щ е е с я тем, чт.>, с целью повышения точности иэ ерения, усилитель выполнен с рег >;.<ðóåìûì коэффициентом передачи, а Формирователь - с регулируемым порогом, устройство снабжено регистром коэффициента передачи, выход которого подключен к входу регулирования коэффициента передачи усилителя, регистром порога, выход которого подключен к входу регулирования уровня порога формирователя, программируемым сд «>,>.>братором, выход которого подключен к стробирующему входу селектора, генератором тактовых импульсов, ьыход которого подключен к тактовым входам измерителя временного интервала и программируемого одновибратора, оперативным запоминающим устройством, постоянным запоминающим устройством, блоком индикации и микропроцесcQpoH, шина данных KQTopBl подключена к,.:>.Формационным входам регистра коэффициента передачи, p<:гистра порога, программируемого однви<>ратора, опе;.,: <вногQ запоминающегс устройст1523924

)2 ва, блока индикации и к информационным выходам измерителя временного интервала и постоянного запоминающего устройства, шина адреса - к входам выбора регистра коэффициента переда5 чи, регистра порога, программируемого одновибратора, измерителя временного интервала, оперативного запоминающего устройства, постоянного запоминающего 1О устройства и блока индикации, выход Запись - к входам "Запись" регистров коэффициента передачи и порога, программируемого одновибратора, блока и нди ка ции и оперативного за км1:: ающего устройства, выход "Чтение" к входам "Чтение" измерителя временного интервала, оперативного и постоянного запоминающих устройств, информационныйй вход селектора подключен к выходу формирователя, вход "Сброс"— к управляющему выходу измерителя временных интервалов, а выход — к входу запуска генератора зондиоующих импульсов.

1523924

Х измершпелю

3523924

1523924 фие. 7

1523924

Составитель В,Белозеров

Техред М.Ходвви Корректор J1. Áåñêèä

Редактор !!.Бобкова

Заказ 7033/44 Тираж 511 Подписное

ИНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при П .I!7 ССС!

113035, Москва, Ж-35, Раувская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, уп.

ГаI ариiaа, 1 IJ