Импульсно-фазовое устройство для контроля толщины
Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности за счет исключения мертвой зоны и непостоянства амплитуд излучаемого и принимаемого импульсов. Генерируют высокочастотные Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения и контроля толщины рулонных материалов (ткани, искусственной кожи, картона, линолеума и т.д.). Известно устройство для контроля толщины , содержащее излучатель ультразвуковых импульсов, приемник ультразвуковых импульсов и фазоизмерительное устройство , реализующее способ ультразвукового контроля толщины. колебания фиксированной частоты, которые разделяют на зондирующие и опорные. Из зондирующих колебаний формируют следующие с низкой частотой радиоимпульсы, возбуждают и принимают соответствующие акустические импульсы с помощью излучателя и приемника, установленных соосно на фиксированном расстоянии, усиливают принятые импульсы до постоянного уровня, перемножают усиленные импульсы с опорными колебаниями, выделяют видеоимпульсы, следующие с низкой частотой, размещают между излучателем и приемникЪм материал с номинальной толщиной, изменяют фазу зондирующих колебаний до исчезновения видеоимпульсов. Далее заменяют материал с номинальной толщиной на материал с контролируемой толщиной и фиксируют наличие видеоимпульсов, изменяют фазу опорных колебаний до исчезновения видеоимпульсов, по фазовому сдвигу опорных колебаний судят об отклонении контролируемой толщины от номинальной. 2 ил. СО С Недостатком данного устройства является невысокая точность контроля из-за больших погрешностей измеоения разности фаз между импульсными сигналами. Отсутствие серийно выпускаемых импульсных фазометров затрудняет использование данного устройств, при технологическом контроле. Известно также импульсно-фазовое устройство для контроля толщины, содержащее генератор импульсов, излучающий и vi Јь vi 00 о
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 В 17/02 709ф
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4853388/28 (22) 24,07.90 (46) 1,5.07.92, Бюл. N 26 (71) Киевский технологический институт легкой промышленности (72) Ю.А.Скрипник, В.Г,Здоренко. В.И.Водотовка и В,В.Клушин (53) 620,179.16 (088:8) (56) Авторское свидетельство СССР
Мт 270261, кл. G 01 В 17/00. 1968.
Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М,: Издательство иностранной литературы, 1957; с,444 — 453.
Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия, M „Э не ргия, 1968, с, 156. (54) ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике, Цель изобретения — повышение чувствительности и точности за счет исключения "мертвой зоны" и непостоянства амплитуд излучаемого и принимаемого импульсов. Генерируют высокочастотные
Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения . и контроля толщины рулонных материалов (ткани, искусственной кожи, картона. линолеума и т,д.).
Известно устройство для контроля тол. щины, содерЖащее излучатель ультразвуковых импульсов, приемник ультразвуковых импульсов и фазоизмерительное устройство, реализующее способ ультразвукового контроля толщины.
„„5U 1747894 А1 колебания фиксированной частоты, которые разделяют на зондирующие и опорные. Иэ зондирующих колебаний формируют следующие с низкой частотой радиоимпульсы, возбуждают и принимают соответствующие акустические импульсы с помощью излучателя и приемника, установленных соосно на фиксированном расстоянии, усиливают принятые импульсы до постоянного уровня, перемножают усиленные импульсы с опорными колебаниями. выделяют видеоимпульсы, следующие с низкой частотой, размещают между излучателем и приемником материал с номинальной толщиной, изменяют фазу зондирующих колебаний до исчезновения видеоимпульсов. Далее заменяют материал с номинальной толщиной на материал с контролируемой толщиной и фиксируют наличие видеоимпульсов, изменяют фазу опорных колебаний до исчезновения видеоимпульсов, по фазовому сдвигу опорных колебаний судят об отклонении контролируемой толщины от номинальной.
2 ил.
Недостатком данного устройства является невысокая точность контроля из-за больших погрешностей измеоения разности фаз между импульсными сигналами. Отсутствие серийно выпускаемых импульсных фазометров затрудняет использование данного устройства при технологическом контроле.
Известно также импульсно-фазовое устройство для контроля толщины, содержащее генератор импульсов, излучающий и
1747894 приемный пьеэопреобразователи. задерживающее устройство и осциллограф.
Наличие эталонного преобразователя с излучателем и подвижным приемником повышает точность контроля толстостенных 5 изделий.
Однако при койтроле тонкостенных изделий и рулонных материалов практически невозможно перемещением приемника кбмпенсировать изменения толщины конт- 10 ролируемого изделия.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является импульсно-фазовое устройство контроля толщины, содержащее последовательно соединен- 15 ные задающий высокочастотный генератор регулируемой частоты, селекторный блокинг-генератор, модулирующий блокинг-генератор, регулятор глубины модуляции и модулятор, включенный между задающим 20 генератором и излучающим пьезоэлементом, а также последовательно соединенные селекторный усилитель детектор и измерительный прибор. -.oäêë. ченные к пьезоэлементу. 25
Недостатком данного устройства является невысокая точность контроля толщины, Так. при изменении частоты высокочастотных колебаний. заполняющих радиоимпульс, возникают дополнительные 30 фазовые сдвиги в пьезоэлементе и усилителе из-за нелинейности и неравномерности их частотных характеристик. Для повышения эффективности и помехозащищенности преобразования электрических колебаний в 35 ультразвуковые и наоборот необходимо сужение полосы пропускания этих элементов.
Однако с сужением полосы пропускания увеличиваются неконтролируемые дополнительные фазовые сдвиги при изменении 40 частоты. При иэменении толщины контролируемого изделия меняется амплитуда отраженных импульсов, что затрудняет . индикацию минимума амплитуды суммарных колебаний, а следовательно, снижает 45 точность измерения второй частоты и толщины контролируемого изделия.
При использовании совмещенного пьезопреобразователя диапазон контроля толщины ограничен наличием "мертвой зоны", 50 которая длится с момента начала зондирующего импульса до его окончания, когда прием отраженных сигналов невозможен.
Поэтому контроль изделий малой толщины. к которым относятся рулонные материалы. 55 производится данным устройством с невысокой точностью и чувствительностью.
Цель изобретения — повышение чувствительности и точности контроля толщины рулонных материалов путем исключения
"мертвой зоны" и непостоянства амплитуд излучаемых и принимаемых импульсов.
Поставленная цель достигается тем, что, е импульсно-фазовое устройство для контроля толщины, содержащее генератор. последовательное соединенные усилитель мощности и излучающий пьезоэлектрический преобразователь. последовательно соединенные приемный пьезоэлектрический преобразователь, усилитель с автоматической регулировкой усиления и фазовый детектор, индикатор и регистратор, введены последовательно соединенные первый фазовращатель, вход которого подсоединен к выходу генератора, и первый ключ. выход которого связан с входом усилителя мощности, последовательно соединенные делитель частоты, вход которого подключен к выходу генератора, формирователь прямоугольных имаульсов и одновибратор, выход которого связан с управляющим входом первого ключа. и последовательно соединенные фильтр нижних частот. вход которого подключен к выходу фазового детектора. избирательный усилитель; синхронный детектор, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты. а выход — к индикатору, исполнительный узел и второй фазовращатель, информационный вход которого связан с выходом генератора, а выход -. с вторым входом фазового детектора, а регистратор подключен к выходу исполнительного узла.
На фиг.1 представлена блок-схема импульсно-фазового устройства для контроля толщины; на фиг,2 — эпюры напряжений на выходах блоков устройства, Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 высокочастотных колебаний фиксированной частоты, первый фазовращатель 2, первый ключ 3, усилитель
4 мощности и излучающий пьезоэлектрический преобразователь 5, последовательно соединенные приемный пьезоэлектрический преобразователь 6, усилитель 7 с автоматической регулировкой усиления, фазовый детектор 8, фильтр 9 нижних частот, избирательный усилитель 10. синхронный детектор 11 и индикатор 12, последовательно соединенные второй ключ
13. вход которого соединен с-выходом синхронного детектора 11, исполнительный узел 14. регистратор 15, вход которого соединен также с управляющим входом второго фаэовращателя 16, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора 8, а вход — с выходом генератора 1 и последовательно соединенными делителем
17 частоты, выход которого соединен с вторым входом синхронного детектора 11, фор1747894 мирователем Я прямоугольных импульсов и одновибратором,1 9, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа
3. Позицией 20 обозначен контролируемый рулонный материал, имеющий толщину h.
Устройство работает следующим образом, В исходном состоянии между излучающим 5 и приемным 6 пьезоэлектрическими преобразователями размещают контролируемое изделие известной или номинальной толщины и размыкают второй ключ 13.
Пьезоэлектрические преобразователи 5 и 6 установлены один против другого соосно на фиксированном расстоянии. Между пьезопреобразователями 5 и 6 находится иммерсионная среда. Высокочастотные электрические колебания фиксированной частоты в с выхода генератора 1 поступают через первый фазовращатель 2 на вход ключа 3 (фиг.2а)
01 = 0m) cos (o) t + p1 ) и через второй фазовращатель 16-на один из входов фазового детектора 8 (фиг.2б).
02 = 0 cos (AJ t +
Одновременно электрические колебания с выхода генератора 1 с помощью делителя 17 частоты понижают до низкой частоты Й (фиг.2в); Из низкочастотных колебаний. формирователем 18 прямоугольных импульсов и одновибратором 19, формируют прямоугольные импульсы длительностью ru, следующие с частотой Q которыми управляется первый ключ 3 (фиг.2г).
На выходе первого ключа 3 образуются следующие с низкой частотой радиоимпульсы (фиг.2д).
U3 = Um) сов (мt + p> ) при 0 < t 0з =0 при т, Радиоимпульсы с выхода первого ключа 3 усиливаются усилителем 4 мощности и поступают на излучающий пьезоэлектрический преобразователь 5. При помощи пьезопреобразователя 5 элекгрические импульсы преобразуются в акустические, которые проходят иммерсионную среду, контролируемое изделие 20 и поступают на пьезопреобразаватель 6, при помощи которого акустические импульсы преобразуются в электрические. При этом разность фаз между излучаемыми и принимаемыми колебаниями можно представить в виде (4) где 3 — расстояние между пьезоэлектрическими преобразователями 5 и 6 (акустическая база); 10 с и со — скорости распространения акустических колебаний соответственно в материале контролируемого иэделия и иммерсионной среде. После преобразований выражение (4) 15 можно представить в виде (4) Акустические импульсы, прошедшие иммерсионную среду и контролируемое изделие 20, преобразуются в электрические при помощи приемного пьезоэлектрического преобразователя 6 и нормируются па амплитуде (усиливается до постоянного по уровню значения напряжения) при помощи усилителя 7 с автоматической регулировкой усиления, выходное напряжение которого можно представить в виде 04 = Uo cos (co t + pl + у1+ lips) при 0 < t Оа = 0 при
2л 05 = Uo С0$ (2 в t + Р1 + 1Щ + 55 + Ь P + Л Щ } + саз (У)1 — P2 + %Aped + A pz ) при 0 < т < т„; (6) Us = 0 при т„< t < - - 2 т где Оо — уровень стабилизации амплитуды; Лу — дополнительные фазавые сдвиги, 40 возникающие в процессе преобразования электрических колебаний в акустические и обратно. Нормированные по амплитуде радиоимпульсы (5) поступают на первый вход фазово45 ro детектора, на второй вход которого поступают непрерывные опорные колебания U2 (фиг.2б) через второй фазовращатель 16. B качестве фазового детектора 16 использован перемножитель. В результате перемноже50 ний входных напряжений фазового детектора . 16 на его выходе образуются импульсы, которые можно представить в виде 1747894 где Uo -= U,Um2 — произведение амплитуд сравниваемых напряжений. Из выходных импульсов фазового детектора 8 фильтром 9 нижних частот выделяются видеоимпульсы (фиг,2ж) (12) = 1- U„Umq з1п а Л h Со С (7) + Л р2 ) и ри 0 < t < ru, 2л Ug = 0 и-ри ru < с < -1- при 0 2 тг U 7 = 0 при tu < t < -1-которые усиливаются избирательным усилителем 10, настроенным на низкую частоту Q Усиленное напряжение частоты следования импульсов (фиг2з) выпрямляется синхронным детектором 11, который управляется выходным прямоугольным напряжением делителя 17 частоты (фиг,2в). Выпрямленное напряжение поступает на индикатор 12, При помощи первого фазовращателя 2 изменяют фазовый сдвиг зонди-. рующих колебаний на величину Лфз до получения нулевого пОказания индикатора 12. При этом Дт Р1 Р+ЛЮ1+ДР ЛР 2 (8) Затем в акустический канал между пьезопреобразователями 5 и 6 вводят иэделие с контролируемой толщиной, которое вно.сит фазовый сдвиг, равный „)с,— с+ (9) где hh — отклонение толщины контролируемого изделия от номинальной. При этом на выходе фильтра 9 нижних частот образуются видеоимпульсы 40 или (10) 2л 07 = 0 np14 ru < t < — Г50 Учитывая, что имеем Ов = — U„ СОЗ(р1-рг+Лр1 U7 = Uo Umg COS (P 1 — P2 + Л Р1 + Л 1 2 — A P3 пРи 0 < t < Zu .. hÐ4 =В(ho + Л| + Со С Со С + — ) =Л 1 аЛЬ Со с,с U7 = U, Umm2 COS (р1 — р + Л p1 + th - A + @ Ah ) =.с,с Uo Umg cos (— +аЛh ) Л Со C 2 с,с В идеоимпульсы (12) усиливаются усилителем 10 и выпрямляются синхронным детектором 11. Постоянное напряжение с выхода детектора 11, амплитуда которого 20 пропорциональна величине sin в Л и со — с со с поступает на исполнительный узел 14, в качестве которого может быть использован электродвигатель, интегратор электриче25 ского напряжения, аналого-цифровой преоб разовател ь (АЦП). В ыходной сигнал исполнительного узла 14 (угол поворота вала, электрическое напряжение или цифровой код) поступает на регистратор 15 и 30 второй фазовращатель 16. Под воздействием управляющего сигнала фазовращатель 16 изменяет фазовый сдвиг опорного напряжения на величину, при которой выпрямленное напряжение на выходе синхронного 35 детектора 11 ста11овится рав1-дым нулю. т е. выполняется соотношение з п (eЛh «+pÚ) =0 (13) +NAB + ТЛфо =О, со с 45 где Ago — регистрируемый фазовый сдвиг, вносимый в опорные колебания вторым фазовращателем 16. Откуда получаем Ah= Щ- -Лр =kьр,, О41 со с 55 где k = коэффициент пропорСо — с в циональности. При выполнении соотношения (13) исполнительный узел 14 переходит в устано1747894 10 вившийся режим, а фазовый сдвиг hrp, вносимый вторым фаэовращателем 16 в опорные колебания, фиксируется регистратором 15. Таким образом, регистратором 15 фиксируется отклонение hh толщины контроли- 5. руемого изделия от номинальной. В предлагаемом устройстве отсутствует "мертвая зона", так как измеряется разность фаз несущих колебаний радиоимпульсов относительно непрерывных опорных 10 колебаний независимо от длительности зондирующих, При эгом изменение амплитуды ультразвуковых колебаний, связанное с изменением толщины контролируемого изделия, не влияет на результат контроля. 15 так как выходной сигнал фазового детектора 8. пропорциональный произведению перемножаемых сигналов, обращает в нуль при установке между ними сдвига фаз 90 фазовращателями 12 и 16 независимо от 20 соотношения амплитуд перемножаемых сигналов. Поскольку устройство работает на фиксированной частоте. m отсутствуют фазочастотные искажения от неравномерности и нелинейности частотных 25 характеристик злектроакустического тракта. Макет данного устройства использован для контроля отклонений толщины линолеума, имеющего номинальную толщину 3 — 5 30 мм. при этом погрешность не превышала + 3% Формула изобретения Импульсно-фаэовое устройство для контроля толщины, содержащее генератор. последовательно соединенные усилитель мощности и излучающий пьезоэлектрический преобразователь, последовательно соединенные пьезоэлектрический преобразователь, усилитель с автоматической регулировкой усиления и фазовый детектор, индикатор и регистратор, о т л и ч а ю щ е е ся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности, оно снабжено последовательно соединенными первыми фазовращателем, вход которого подключен к выходу генератора, и ключом, выход которого связан с входом усилителя мощности, последовательно соединенными делителем частоты, вход которого подключен к выходу генератора, формирователя прямоугольных импульсов и одновибратором, выход которого связан с управляющим входом первого ключа, и последовательно соединенными фильтром нижних частот. вход которого подключен к выходу фазового детектора, избирательным усилителем, синхронным детектором, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход — к индикатору. вторым ключом, исполнительным узлом и вторым фаэовращателем, информационный вход которого связан с выходом генератора, выход — с вторым входом фазового детектора, а регистратор подключен к выходу исполнительного узла. 1747894 Составитель В.Клушин Техред M,Mîðãåíòàë Корректор Э,Лончакова Редактор M,Ïåòðîâà Заказ 2493 Тираж 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
