RU2158901C2

RU2158901C2 - Ultrasonic thickness gauge

Info

Publication number: RU2158901C2
Application number: RU98123914A
Authority: RU
Inventors: В.Я. Грошев
Original assignee: Грошев Владимир Яковлевич
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2000-11-10

Abstract

FIELD: nondestructive testing. SUBSTANCE: ultrasonic thickness gauge is intended for measurement of thickness of objects with substantially differing characteristics of propagation of ultrasound whose testing requires usage of pickups with different working frequencies. Proposed thickness gauge has synchronizer with three outputs, first and second ones being correspondingly connected to input of generator of sounding pulse and to first input of time interval meter, amplifier connected with output to second input of time interval meter. Gauge is supplemented with high-frequency filter with controlled cut-off frequency that is placed in series with amplifier. Control input of high-frequency filter is connected to third output of synchronizer. Cut-off frequency of high-frequency filter decreases with growth of time from moment of generation of sounding pulse. Initial value of cut-of frequency of high-frequency filter is chosen equal to working frequency of pickup having highest frequency that can be employed together with thickness gauge. EFFECT: simplified handling of thickness gauge with enhanced efficiency of test. 1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемый ультразвуковой толщиномер относится к устройствам неразрушающего контроля и предназначен для измерения толщины объектов с существенно отличающимися свойствами распространения ультразвука, для контроля которых необходимо использование датчиков с различными рабочими частотами. The proposed ultrasonic thickness gauge relates to non-destructive testing devices and is designed to measure the thickness of objects with significantly different ultrasound propagation properties, for the control of which it is necessary to use sensors with different operating frequencies.

Известны аналогичные технические решения - см., например, техническое описание серийного ультразвукового прибора типа УД2-12, используемого в режиме измерения толщины, техническое описание к толщиномеру типа УТ93-П и т. д. Similar technical solutions are known - see, for example, the technical description of a serial ultrasonic device of the UD2-12 type used in the thickness measurement mode, the technical description of the thickness gauge of the UT93-P type, etc.

В толщиномере УТ93-П чувствительность канала усиления (точнее, порог дискриминации) регулируется вручную, поэтому для обеспечения максимально возможной чувствительности контроля при каждой смене датчика необходимо производить настройку прибора. Однако и после настройки по эталонным образцам трудно контролировать изделия с относительно большим затуханием ультразвука из-за слишком большой амплитуды сигналов в непосредственной близости от зондирующего импульса (например, обусловленных поверхностной волной), которые могут подавлять слабые сигналы, отраженные от задней стенки изделия. Еще одним недостатком этого устройства является высокая чувствительность к дефектам контактной поверхности раздельно-совмещенных ультразвуковых преобразователей, вследствие чего уже при небольших сколах внутренних граней протектора или незначительном износе звукоизолирующей прокладки из-за появления мешающих сигналов в ближней зоне приходится снижать общую и без того невысокую чувствительность прибора и контроль даже средних толщин становится затруднительным, что также объясняется излишней чувствительностью в ближней зоне у низкочастотных датчиков. В результате никакие объекты не контролируются этим толщиномером достаточно эффективно - при использовании высокочастотных датчиков чувствительность прибора недостаточна на малых толщинах из-за недостаточного усиления, а при использовании низкочастотных датчиков из-за чрезмерной чувствительности в ближней зоне порог дискриминации приходится повышать, в результате чего плохо контролируются изделия большой толщины или выполненные из материалов с сильным рассеянием ультразвука. In the UT93-P thickness gauge, the sensitivity of the gain channel (more precisely, the discrimination threshold) is manually adjusted, therefore, to ensure the maximum possible sensitivity of control, at each sensor change, it is necessary to configure the device. However, even after tuning to the reference samples, it is difficult to control products with a relatively large attenuation of ultrasound due to the too large amplitude of the signals in the immediate vicinity of the probe pulse (for example, due to a surface wave), which can suppress weak signals reflected from the back wall of the product. Another disadvantage of this device is the high sensitivity to defects of the contact surface of separately combined ultrasonic transducers, as a result of which even with small chips of the inner edges of the tread or slight wear of the soundproofing gasket, due to the appearance of interfering signals in the near zone, it is necessary to reduce the overall low sensitivity of the device and control of even medium thicknesses becomes difficult, which is also explained by excessive sensitivity in the near zone -frequency sensors. As a result, no objects are controlled by this thickness gauge quite effectively - when using high-frequency sensors, the sensitivity of the device is insufficient at small thicknesses due to insufficient amplification, and when using low-frequency sensors because of excessive sensitivity in the near zone, the discrimination threshold has to be increased, as a result of which they are poorly controlled products of large thickness or made of materials with strong ultrasound scattering.

Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой дефектоскоп УД2-12, работающий в режиме измерения толщины. Closest to the proposed is an ultrasonic flaw detector UD2-12, operating in the mode of measuring thickness.

Это устройство содержит синхронизатор с тремя выходами, первый и второй из которых подключены соответственно к входу генератора зондирующего импульса и к первому входу измерителя временного интервала, и усилитель, подключенный выходом к второму входу измерителя временного интервала. Третий выход управления соединен с входом управления коэффициентом усиления усилителя, который выполнен таким образом, что по мере увеличения времени от момента генерации зондирующего импульса его коэффициент усиления возрастает. This device contains a synchronizer with three outputs, the first and second of which are connected respectively to the input of the probe pulse generator and to the first input of the time interval meter, and an amplifier connected by the output to the second input of the time interval meter. The third control output is connected to the input of the gain control of the amplifier, which is designed in such a way that as the time increases from the moment the probe pulse is generated, its gain increases.

Толщиномер такой структуры более эффективен, поскольку используемый алгоритм позволяет поддерживать чувствительность к сигналам, создаваемых изделиями разных толщин, примерно постоянной. Однако при постоянной зависимости коэффициента усиления от времени чувствительность будет постоянной только для преобразователей с одной рабочей частотой, например, среднечастотных. Для более высокочастотных преобразователей, эффективных на малых толщинах, такая характеристика является неоптимальной, так как она приводит к существенному снижению чувствительности в ближней зоне (т.е. на малых толщинах). При использовании более низкочастотных преобразователей, предназначенных для контроля больших толщин или изделий с большим затуханием ультразвука, зависимость усиления от времени, установленная для среднечастотных преобразователей, также не подходит, поскольку обеспечивает чрезмерную чувствительность при контроле средних толщин (5 - 15 мм), при этом сигналы, создаваемые поверхностной волной, могут подавлять относительно слабые сигналы от задней стенки изделия. При измерении толщины по осциллографическому экрану это не имеет существенного значения, так как оператор видит всю совокупность сигналов, но в толщиномерах с цифровой шкалой, где сигналы обнаруживаются по превышению уровня дискриминации, такой недостаток приводил бы к невозможности осуществления контроля. Поэтому для эффективной работы с каждым конкретным датчиком в рассматриваемом варианте толщиномера необходима индивидуальная настройка зависимости усиления от времени, что делает процесс контроля малоэффективным и неудобным. A thickness gauge of such a structure is more effective, since the algorithm used allows maintaining a constant sensitivity to the signals generated by products of different thicknesses. However, with a constant dependence of the gain on time, the sensitivity will be constant only for converters with one operating frequency, for example, mid-frequency. For higher-frequency converters effective at small thicknesses, this characteristic is not optimal, since it leads to a significant decrease in sensitivity in the near zone (i.e., at small thicknesses). When using lower-frequency transducers designed to control large thicknesses or products with a large attenuation of ultrasound, the time dependence of the gain established for mid-frequency transducers is also not suitable, since it provides excessive sensitivity for monitoring average thicknesses (5 - 15 mm), while the signals generated by a surface wave can suppress relatively weak signals from the back wall of the product. When measuring thickness on an oscillographic screen, this is not significant, since the operator sees the entire set of signals, but in thickness gauges with a digital scale, where signals are detected when the discrimination level is exceeded, such a disadvantage would lead to the impossibility of monitoring. Therefore, to work effectively with each specific sensor in the thickness gauge version under consideration, individual adjustment of the dependence of gain on time is required, which makes the control process ineffective and inconvenient.

Задачей настоящего изобретения является упрощение эксплуатации толщиномера при повышении эффективности контроля. The objective of the present invention is to simplify the operation of the thickness gauge while increasing the effectiveness of the control.

С этой целью в ультразвуковом толщиномере, содержащем синхронизатор с тремя выходами, первый и второй из которых подключены соответственно к входу генератора зондирующего импульса и к первому входу измерителя временного интервала, и усилитель, подключенный выходом к второму входу измерителя временного интервала, введен дополнительно фильтр ВЧ с регулируемой частотой среза, включенный последовательно с усилителем, вход управления фильтра ВЧ соединен с третьим выходом синхронизатора, причем частота среза фильтра ВЧ уменьшается с увеличением времени от момента генерации зондирующего импульса. Начальное значение частоты среза фильтра ВЧ выбирается равным рабочей частоте наиболее высокочастотного датчика, входящего в состав толщиномера. To this end, in an ultrasonic thickness gauge containing a synchronizer with three outputs, the first and second of which are connected respectively to the input of the probe pulse generator and to the first input of the time interval meter, and an amplifier connected to the second input of the time interval meter has an additional high-pass filter with adjustable cutoff frequency, connected in series with the amplifier, the control input of the high-pass filter is connected to the third output of the synchronizer, and the cut-off frequency of the high-pass filter decreases with increasing time from the moment of generation of the probe pulse. The initial value of the cutoff frequency of the high-pass filter is chosen equal to the operating frequency of the highest frequency sensor included in the thickness gauge.

Функциональная схема возможного варианта реализации ультразвукового толщиномера представлена на фиг. 1. Толщиномер содержит синхронизатор 1 с тремя выходами, генератор зондирующего импульса 2, цифровой измеритель временного интервала 3, усилитель 4 и фильтр ВЧ 5, вход управления которого соединен с одним из выходов синхронизатора 1. A functional diagram of a possible embodiment of an ultrasonic thickness gauge is shown in FIG. 1. The thickness gauge comprises a synchronizer 1 with three outputs, a probe pulse generator 2, a digital time interval meter 3, an amplifier 4, and a high-pass filter 5, the control input of which is connected to one of the outputs of the synchronizer 1.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.

Сигнал с выхода синхронизатора 1 запускает генератор зондирующего импульса 2. Генератор зондирующего импульса 2 возбуждает при помощи подключенного к толщиномеру датчика ультразвуковой импульс в объекте контроля, который отражается от его задней стенки, преобразуется приемной секцией датчика в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя 4 через фильтр ВЧ 5. После усиления сигнал поступает на вход измерителя временных интервалов 3. Частота среза фильтра ВЧ 5 в момент генерации зондирующего импульса равна рабочей частоте самого высокочастотного датчика, входящего в комплект прибора. По мере увеличения интервала времени от момента генерации зондирующего импульса частота среза фильтра ВЧ 5 снижается, что обусловлено наличием связи между синхронизатором 1 и управляющим входом фильтра ВЧ 5. При этом чувствительность толщиномера с высокочастотными датчиками не зависит от времени и остается постоянной, вследствие чего и на малых, и на больших толщинах чувствительность прибора ограничивается только характеристиками самого ультразвукового преобразователя. The signal from the output of the synchronizer 1 starts the probe pulse generator 2. The probe pulse generator 2 excites an ultrasonic pulse in the test object, which is reflected from its rear wall, connected to the sensor’s thickness gauge, and is converted by the receiving section of the sensor into an electric signal fed to the input of amplifier 4 through a filter HF 5. After amplification, the signal is fed to the input of the time interval meter 3. The cutoff frequency of the HF 5 filter at the time of generation of the probe pulse is equal to the operating frequency of the okochastotnogo sensor included in the instrument package. As the time interval from the moment of generation of the probe pulse increases, the cut-off frequency of the high-pass filter 5 decreases, due to the connection between the synchronizer 1 and the control input of the high-pass filter 5. Moreover, the sensitivity of the thickness gauge with high-frequency sensors does not depend on time and remains constant, and therefore small and at large thicknesses, the sensitivity of the device is limited only by the characteristics of the ultrasonic transducer itself.

Для более низкочастотных датчиков коэффициент усиления в ближней зоне оказывается тем меньшим, чем ниже рабочая частота используемого преобразователя, при этом одинаковое усиление у более низкочастотных датчиков будет обеспечиваться позже во времени, что соответствует условиям контроля больших толщин. Благодаря использованию такого алгоритма чувствительность толщиномера поддерживается примерно постоянной во всем диапазоне контролируемых толщин, а каждый датчик оказывается наиболее эффективным на тех толщинах, для измерения которых он и предназначен, причем эффективность устройства практически не зависит от рабочей частоты используемого преобразователя. Кроме этого, существенно ослабляются помехи, обусловленные дефектами контактной поверхности ультразвуковых преобразователей. For lower-frequency sensors, the gain in the near field turns out to be lower, the lower the operating frequency of the converter used, while the same gain for lower-frequency sensors will be provided later in time, which corresponds to the control conditions for large thicknesses. Thanks to the use of such an algorithm, the sensitivity of the thickness gauge is maintained approximately constant over the entire range of controlled thicknesses, and each sensor is most effective at the thicknesses for which it is intended to measure, and the device’s efficiency is practically independent of the operating frequency of the converter used. In addition, interference due to defects in the contact surface of ultrasonic transducers is significantly attenuated.

Поскольку в предлагаемом толщиномере зависимость чувствительности от времени автоматически поддерживается примерно постоянной вне зависимости от используемого ультразвукового преобразователя, в его структуре нет регулировки чувствительности, что упрощает процесс контроля, поскольку нет необходимости в настройке толщиномера каждый раз при смене датчика, как это имеет место в прототипе. Since in the proposed thickness gauge the dependence of sensitivity on time is automatically maintained approximately constant regardless of the ultrasonic transducer used, there is no sensitivity adjustment in its structure, which simplifies the control process, since there is no need to adjust the thickness gauge each time the sensor is changed, as is the case in the prototype.

Литература
1. Толщиномер ультразвуковой УТ-93П. Руководство по эксплуатации ЩС2.787.011РЭ.Literature
1. Ultrasonic thickness gauge UT-93P. Operation manual ЩС2.787.011РЭ.

2. Ультразвуковой дефектоскоп УД2-12. Руководство по эксплуатации ЩЮ2.068.136РЭ (прототип). 2. Ultrasonic flaw detector UD2-12. Operation manual Щ ЩУ2.068.136РЭ (prototype).

Claims

1. An ultrasonic thickness gauge containing a synchronizer with three outputs, the first and second of which are connected respectively to the input of the probe pulse generator and to the first input of the time interval meter, and an amplifier connected by the output to the second input of the time interval meter, characterized in that in addition, a high-pass filter with an adjustable cutoff frequency, connected in series with the amplifier, the control input of the high-pass filter is connected to the third output of the synchronizer, and that the treble cutoff filter decreases with increasing time from the generation of a probing pulse.

2. The ultrasonic thickness gauge according to claim 1, characterized in that the initial value of the cutoff frequency of the high-pass filter is selected equal to the operating frequency of the highest-frequency sensor, which can be used with the thickness gauge.