Ультразвуковой толщиномер

 

п@т9нт»::

»" » 658857

ОП АНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (Gl) Дополнительное к авт. свпд-ву— (22) Заявлено 14.08.74 (21) 2053680i25-28 с присоедпне заявки i¹ (23) Приоритет— (51) М. Кл.з

С 01 N 17! 02

Государственный комитет

СССР ло делам изобретений и открытий (53) УДК 620.179.16 (088.8) O»») »».»»IêîI»àèî 23.04.82, Бюллетень .№ 15

Дата опубликования описания 23.04.82 (72) Автор пзобрс1ения

М. В. Королев (71) Заяв»»гель (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОЛЩИИОМЕР

Изобрстснис относится к неразрушающсму контролю изделий.

Известны эхо-импульсные ультразвуковые толщиномеры, работающие при одностороннем доступе к измеряемым объектам и способныс измерять толщину изделий из металлов и твердых неметаллов 11).

Известно устройство, содср>кащее генератор, подключенный к нему датчик, возбу>кдающпй в контролируемом изделии сдвиговыс и повср«постные волны и принима»ощий эхо-импульсы сдвиговой волны, последовательно сосдиненныс амплитудный ограничитель, вход которого подключен к датчику, первый усилитель и измеритель грсмснных интервалов, второй датчик, принимающий повсрхностную волну, расположенный на фиксированном расстоянии от первого, подключенный через второй усилитель к второму входу измерителя Врсмснных интервалов, и индикатор (2).

Однако для измерения толщины толщи»oiIcpI.I должны быть предварительно прокалиброваны по издсли»о с известной толщиной, т. с. IIO эталону.

Цель изобретения — обеспечение бсзэталонного контроля толщины изделий.

Для этого измеритель временных интервалов выполнен в виде подключенных к гснсратору двух триггеров, входы которых подключсны соответственно к выходам первого и второго усилителей, генератора пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом второго триггера, и преобразователя масштаба времени, регистрирующий вход которого связан с выходом первого триггера, а вход обратно пропорционального управления соединен с выходом генератора пилообразного напря»0 >"ения.

Иа фпг. 1 представлена блок-схема то»щиномера; на фиг. 2 — временная диаграмма его работы; на фиг. 3 — упрощенная схема прсобразоватсля масштаба врс15 мени.

Блок-схема состоит пз двух электроакустических каналов и измерителя временны« интервалов. Г1срвый канал приема и излучения сдвиговых (поперечных) ультразвуK0BbIx колебаний состоит пз генератора 1, датчика 2, амплитудного ограничителя 3 и г,ервого усилителя 4. Второй элсктроакустический канал состоит пз того жс генератора 1, того жс датчика 2, датчика 5 и второго усилителя 6. Измеритель временных интервалов состоит из триггеров 7, 8, подключенных к первому и второму усилителям, генератора 9 пилообразного напр»женич и преобразователя 10 масштаба зо времени, регистрирующий вход которого

658857 с>

<2 с =

К (4) 20 (2) 3 связан с выходом триггера 7, а вход обратvo пропорционального управления соединен г выходом генератора 9.

Тол1циномер работает следующим образом.

Генератор 1 короткими электрическнми импульсами (фиг. 2, a) возбуждает датчик 2 (излучатель-приемник), излучающий через тонкий слой контактной жидкости, например машинного масла, импульсы сдвиговых ультразвуковых колебаний в измеряемое изделие 11 толщиной dt. Эти импульсы распространяются по изделию, как показано вертикальными стрелками на фиг. 1, отражаются от нижней поверхности изделия и возвращаются на датчик 2 через время где c> — скорость сдвиговых колебаний в материале изделия (фиг, 2, б).

Одновременно с возбуждением сдвиговых колебаний датчик 2 возбуждает и по верхностные волны Рэлея, которые, распространяясь в направлении, показанном горизонтальной стрелкой, по поверхности изделия, принимаются вторым датчиком 5 (фиг. 2, r) расположенным на фиксированном расстоянии d2 от датчика 2, через время где с — скорость распространения волны

Рэлея для данного материала изделия.

Генератор 1 одновременно с возбужднием датчика 2 запускает триггер 7 (фиг. 2, в).

Импульсы (фиг. 2, б), отраженньи. or нижней поверхности изделия, пройдя амглнтудный ограничитель 3 высоковольтных импульсов генератора 1, усиливаются усилителем 4. С выхода усилителя 4 они поступают на другой вход триггера 7 и возвращают его в исходное состояние. Таким образом, на входе триггера 7 формируется прямоугольный импульс (фиг. 2, в), длительность которого для данной скорости с пропорциональна толщине d, контролируемого изделия. Этот импульс поступаег на вход преобразователя 10 масштаба времени, длительность импульсов на выходе которого прямо пропорциональна длительности входных импульсов, а значит, и толщине измеряемого изделия. Измеряя длительность этих импульсов любым известным радиотсхническим способом при шкале, градуированной в единицах длины, получают значения толщины измеряемого изделия.

Однако из выражения (1) видно, что прн изменении скорости с показания изменяются.

Зависимость показаний прибора от 1зменений скорости с> с высокой точностью искчючается в предлагаемом приборе следующим образом.

5 Известно, что отношение скоростей поверхностных и сдвиговых ультразвуковых колебаний ср 0,87 + 1.12н

10 с, 1+и где 1г — коэффициент Пуассона материала измеряемого изделия. Б реальных средах

С (p(0,5, а практически для всех нсжидких металлов 0,25 < p, .0,44. Прп значени15 ях гг = 0,25 —:0,44 отношение К.=0,933+.

+ 1,40/о.

Если из выражения (3) выразить с через с2 и из выражения (2) получить c2 = — (5) 4 г

25 и подставить выражение (5) в (4), а результат затем подставить в выражение (1), получим новое выражение для толщины измеряемого изделия

30 d,= ==2, г12 г! (г )

2К tã где В = . При фиксированном d, и

d2

2К

d> в выражении (6) В зависит при смене

35 материала контролируемых изделий только от величины К, т. е. изменяется для всех металлов всего на +-1,41О, Из выражения (6) видно, что если сделать длительность импульса на выходе пре40 образователя 10 масштаба времени обратно пропорциональной времени t2 (времени t она, как было показано, прямо пропорциональна), можно измерять толщину изделий, в частности, из металлов с любой

45 скоростью распространения ультразвука без специальной калибровки прибора с принципиальной погрешностью не более -1,4 jq.

Б предлагаемом толщиномере это осу и ествляют следующим образом.

Генератор 1 одновременно с запуском триггера 7 запускает и триггер 8, которь1й приводится в исходное состояние импульсом сдвиговых колебаний (фиг. 2, г), принятым

55 датчиком 5 и усиленным усилителем 6. На выходе триггера 8 формируется прямоугольный импульс (фиг. 2, д) длительностью t2, равной времени распространения волны Рэлея от датчика 2 к дат50 чику 5 и не зависящей от толщины измеряемого изделия. Этим импульсом запускает. ся генератор 9 пилообразного напряжения. на выходе которого формируется импульс (фиг. 2, е) с амплитудой U, прямо пропор65 циональной времени t2.

658857

Этот импульс поступает на второй (управляющий) вход преобразователя 10 масштаба времени, который выполнен так, (To его коэффициент преобразования, как было показано выше, прямо пропорционален вреглени t(, т. е. длительности импульса триггера 7, и обратно пропорционален времени t2, т. е. длительности импульса триггера 8.

Исходя из выражения (6), именно эту функцию и должен выполнять предлагаемый толщиномер.

На фиг. 3 показана принципиальна» схема управляемого прсобразоватсля временного масштаба — одного из основных .узлов п рсдл агасмого толщи номера. Часть схемы, справа от пунктирной линии, представляет собой собсгвенио преобразователь

«время — время», часть схемы выполняет следующу(о функцию:

B X !! !! Х (7), где г, „,,„. — длительность импульса на выходе схемы;

= t(— длительность импульса на се первом входе (вход 1); („— ток, создаваемый этим импульсом в цепи первого входа (вход 1);

io — - ток, создаваемый генератором постоянного тока иа транзисторе Т.

Из выражения (7) видно, что t„„„. грямо пропорционально времени t(.

На второй вход схемы (фиг. 3) поступа(от пилообразные импульсы генератора 9, затягиваются практически до постоянного напряжения U„„, = U = At>, где А — постоянный коэффициент на цепочке D(, C(, R(, которое, поступая на базу Т, задает величину тока (О !-г/(R2 + РЗ) А!2/(2 + 3)

Поставив это значение (, и (7), получим ! !!« - (г+ Ю дг !! В!г

Л (.! l., где В = igz(R2 + Й;,)/А =- В.

Совпадение выражений (6) и (8) говорит о том, что схема фиг. 3, а значит и прибор в целом, выполняет функцию (6).

Экспериментальный макет бсзэталонного толщиномсра с цифровой индикацией ири измерении образцов изделий из нескольких марок стали и алюминисвых сплавов, латуни, вольфрама и органического стекла в диапазоне толщин 2 — 50 мм имеет погрешность ис более 1,8 — 2 (о от измеряемой величины при частоте поверхности измеряемых изделий ис хуже 4. Персстройки прибора ири переходе с одного материала на другой нс требуется.

Формула изобретения (з Ультразвуковой толщнномср, содержащий генератор, подключенный к нему датчик, возбуждающий в контролируемом изделии сдвиговыс и поверхностныс волны и принимающий эхо-импульсы сдвиговой волgp ны, последовательно сосдиненныс амплитудный ограничитель, вход которого подключен к датчику, первый усилитель EI измеритель временных интервалов, второй датчик, принимающий поверхностную вол 5 ну, расположенный на фиксированном расстоянии от исрвого, подключенный через второй усилитель к второму входу измерителя временных интервалов, и индикатор, отличающийся тем, что, с целью обссгечения безэталонного контроля толщины изделий, измеритель временных интервалов выполнен в виде подключенных к генератору двух триггеров, входы которых подклю чены соответственно к выходам первого и з; второго усилителей, генератора пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом второго триггера, и преобразователя масштаба времени, регистрирующий вход которого связан с вы::одом первого

40 триггера, а вход обратно пропорционального управления соединен с выходом генератора пилообразного напряжсния.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гребенков В. С. Физические основы ультразвуковых методов измерения толщины. М., «Машиностроение», 1968.

2. Авторское свидетельство СССР

Л 169858, кл. G О1 N 29/04, 1962.

Риг 3

Составитель Н. Разыграев

Texpeд Л. Куклина

Коррек ор 3. Тарасова

Редактор Е. Хейфиц

Подписное

Изд. Ъ 125 Тираж 883

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по дел а гя изобретений н открытий

113035, Москва, Ж-35, Рау;нская наб., д. 4 5

Заказ 2792

Загорская типография Упрпо IHãpàôèçäàòа Мособлисполкои»