Устройство для измерения толщины

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов ультразвуковым методом и может быть использовано в машиностроительной и металлургической промышленности. Повышение точности измерений и упрощение процедуры настройки устройства достигается за счет того, что устройство содержит последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, пьезоэлектрический преобразователь, усилитель, содержит нормализатор, временной селектор, измеритель временных интервалов. Оно снабжено устройством управления и вычисления, генератором опорной частоты, схемой задержки, цифроаналоговым преобразователем и индикатором. Первый вход нормализатора подключен к выходу усилителя, второй вход - к выходу цифроаналогового преобразователя, а выход - к первому входу временного селектора, второй вход которого соединен с выходом схемы задержки, а выход соединен с первым входом измерителя временных интервалов. Выход измерителя временных интервалов подключен ко входу устройства управления и вычисления. Выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом измерителя временных интервалов и с первым входом схемы задержки. Первый выход устройства управления и вычисления соединен со входом генератора зондирующих импульсов и с третьим входом измерителя временных интервалов, второй выход - со вторым входом схемы задержки, третий выход - со входом цифроналогового преобразователя, четвертый выход - со входом индикатора. 2 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов ультразвуковым методом и может быть использовано в машиностроительной и металлургической промышленности.

Известны безэталонные ультразвуковые толщиномеры, производящие измерение толщины изделий методом сквозного прозвучивания, например авторское свидетельство СССР N 1481595, кл. G 01 В 17/02, 1989, БИ N 19. Недостатком таких устройств является наличие ванны для обеспечения двустороннего акустического контакта.

Известны эхоимпульсные толщиномеры, например: патент на изобретение СССР N 2034236, 1995, БИ N 12, авторское свидетельство СССР N 629806, 1987, БИ N 36 и из книги Королев М.В. Эхоимпульсные толщиномеры, - М.: Машиностроение, 1980, с. 79-85, которые измеряют толщину при помощи излучения в изделие продольных волн и приема сигнала, отраженного от дна изделия. Эти приборы используют раздельно-совмещенные преобразователи для измерения эхометодом малых толщин изделий. Недостатками известных устройств являются: зависимость показаний от качества акустического контакта и сложность процедуры настройки на материал контролируемого изделия.

На фиг. 1 показана временная последовательность прихода сигналов на приемный преобразователь при измерении толщины эхометодом, где 1 - зондирующий импульс, 2 - импульс от передней грани, 3 - первый донный импульс, 4 - второй донный импульс, 5 - импульс переотражения в призме преобразователя, t_зад - время задержки в призме, t_изм - измеряемый временной интервал, линией показан уровень, по которому производится измерение временного интервала. Толщина измеренного изделия вычисляется по формуле H = t_изм·C/2, где C - скорость упругих волн в материале контролируемого изделия. Видно, что измеряемый временной интервал зависит от амплитуды донного сигнала. Амплитуда донного сигнала изменяется в зависимости от толщины измеряемого изделия вследствие расхождения и затухания упругих волн, поэтому коэффициент усиления усилителя изменяют таким образом, чтобы скомпенсировать изменение амплитуды. Кривая изменения коэффициента усиления называется временной регулировкой чувствительности (ВРЧ) и настраивается для каждого конкретного изделия по образцам, выполненным из того же материала. Например, в Руководстве по эксплуатации Щ02.787.011 РЭ толщиномера ультразвукового УТ - 93П. Причем толщина образцов должна перекрывать диапазон измеряемых толщин. Кроме этого, амплитуда принимаемого сигнала зависит от качества акустического контакта, который обусловлен шероховатостью поверхности измеряемого изделия, иммерсионным слоем и усилием прижима датчика к поверхности.

Недостатком таких устройств измерения толщины является тот факт, что не учитывается влияние качества акустического контакта и для правильной настройки прибора необходим набор образцов в диапазоне измеряемых толщин из того же материала, что и контролируемое изделие. При работе на шероховатой поверхности сигнал от поверхности (2) может превысить уровень фиксации и сбить показания прибора. В качестве ближайшего аналога выбран эхоимпульсный толщиномер, описанный в книге Королева М.В. Эхоимпульсные толщиномеры, указанной выше, который содержит последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, пьезоэлектрический преобразователь, подключенный к входу усилителя, выход которого соединен с одним входом временного селектора полезных сигналов, другой вход которого соединен с синхронизатором, а выход - с нормализатором амплитуд сигналов, связанным с измерителем временных интервалов, выход которого является выходом устройства. Следует отметить, что ближайшему аналогу свойственны те же недостатки, что и иным, описанные выше.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния качества акустического контакта и упрощение процедуры настройки устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство производит измерение временного интервала не по фиксированному уровню, а по уровню, отсчитываемому от максимальной амплитуды измеряемого сигнала. Тем самым исключается зависимость влияния амплитуды сигнала на измерение временного интервала. Кроме этого, для настройки устройства, измеряющего временной интервал описанным образом, не требуются образцы материалов в диапазоне измеряемых толщин. Для работы по шероховатой поверхности устройство снабжено регулируемой кривой маскирования, позволяющей замаскировать сигнал от поверхности.

На фиг. 2 изображена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов 1, пьезоэлектрический преобразователь 2, логарифмический усилитель 3, нормализатор 4 (в качестве нормализатора использован компаратор), временной селектор 5, измеритель временных интервалов 6 и устройство управления и вычисления 7, причем выход генератора опорной частоты 8 подсоединен одновременно ко второму входу измерителя временных интервалов 6 и ко входу схемы задержки 9, цифроаналоговый преобразователь 10 и индикатор 11. Причем первый выход устройства управления и вычисления 7 соединен со входом генератора зондирующих импульсов 1 и с третьим входом измерителя временных интервалов 6, второй выход - со вторым входом схемы задержки 9, третий выход - со входом цифроаналогового преобразователя 10, а четвертый выход - с индикатором 11. Выход схемы задержки 9 подключен ко второму входу временного селектора 5, а выход цифроаналогового преобразователя 10 - ко второму входу нормализатора 4. Устройство работает следующим образом.

Настройка устройства на используемый датчик производится на встроенном эталонном образце 12 с известной скоростью распространения продольных волн и известной толщиной. При этом в устройстве управления и вычисления 7 сохраняются данные о задержке в призме преобразователя (t_зад) и кривая маскирования. Значение скорости распространения продольных волн в материале контролируемого изделия либо устанавливается вручную, либо измеряется по значению известной толщины. Устройство управления и вычисления 7 записывает значение уровня в цифроаналоговый преобразователь 10, а значение задержки срабатывания временного селектора 5 - в схему задержки 9, используя записанную кривую маскирования. После этого запускает измеритель временных интервалов 6 и генератор зондирующих импульсов 1, который в свою очередь возбуждает пьезоэлектрический преобразователь 2. Упругие волны распространяются в изделии 1 и принимаются пьезоэлектрическим преобразователем 2, усиливаются логарифмическим усилителем 3 и поступают на вход нормализатора (компаратора) 4. Сигналы, превысившие установленный цифроаналоговым преобразователем 10 уровень, с выхода нормализатора (компаратора) 4 поступают на временной селектор 5, который открывается через время, определяемое значением задержки, установленной схемой задержки 9, и пропускает сигналы с выхода нормализатора (компаратора) 4 на измеритель временных интервалов 6. Первый из этих сигналов, пришедший на измеритель временных интервалов 6, обрывает, останавливает, счет. Устройство управления и вычисления 7 считывает значение времени прихода сигнала на заданном уровне с измерителя временных интервалов 6, если сигнал превысил установленный уровень. Если уровень сигнала не превысил установленный уровень, то устройство управления и вычисления 7 понижает уровень, записывая меньшее значение в цифроаналоговый преобразователь 10. Периодически возбуждая пьезоэлектрический преобразователь 2 и изменяя уровень, подаваемый на вход нормализатора (компаратора) 4, устройство управления и вычисления 7 находит максимум принятого сигнала (например, методом поразрядного уравновешивания) и считывает значение времени его прихода с измерителя временных интервалов 6. Далее устройство управления и вычисления 7 отсчитывает заданное фиксированное значение от уровня максимума сигнала, записывает получившееся значение в цифроаналоговый преобразователь 10 и запускает генератор 1. После этого устройство управления и вычисления 7 считывает из измерителя временных интервалов 6 получившееся значение времени прихода сигнала t = t_зад+ t_изм, которое далее используется для расчета толщины по формуле H= C·(t_изм/2), где C - значение скорости упругих волн в материале контролируемого изделия.

Формула изобретения

Устройство для измерения толщины, содержащее последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, пьезоэлектрический преобразователь, усилитель, а также содержащее нормализатор, временной селектор, измеритель временных интервалов, отличающееся тем, что оно снабжено устройством управления и вычисления, генератором опорной частоты, схемой задержки, цифроаналоговым преобразователем и индикатором, первый вход нормализатора подключен к выходу усилителя, второй вход - к выходу цифроаналогового преобразователя, а выход - к первому входу временного селектора, второй вход которого соединен с выходом схемы задержки, а выход соединен с первым входом измерителя временных интервалов, причем выход измерителя временных интервалов подключен ко входу устройства управления и вычисления, выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом измерителя временных интервалов и с первым входом схемы задержки, первый выход устройства управления и вычисления соединен со входом генератора зондирующих импульсов и с третьим входом измерителя временных интервалов, второй выход - со вторым входом схемы задержки, третий выход - со входом цифроаналогового преобразователя, четвертый выход - со входом индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2