CS240206B1 - Zapojení pro číslicové měření tlouštěk materiálů ultrazvukem - Google Patents

Abstract

Řídicí jednotka ovládá přes vysílací část vybuzení vysílacího měniče dvojité ultrazvukové sondy, jejíž přijímací část přijme signály odražené od konce sondy a koňce mě­ řeného materiálu, které jsou použity ke kalibraci a k vytvoření časového okna, ve kterém dochází .k čítání kmitočtu syntezátoru, jehož kmitočet je snadno nastavitelný podle rychlosti šíření ultrazvukových vln v měře^ ném materiálu. S použitím zapojení lze měřit tlouštky nejrůznějších materiálů, např. ocel, hliník, mosaz, sklo, voda, špeková vrstva, plasty apod., v nejrůznějších uspořádáních, např. tlouštky ocelových rour, tlouštky stěn skleněných baněk, výšku hladin nejrůznějších tekutin atd. Při známé tloušťce měřeného materiálu lze měřit rychlost šíření ultrazvukových vln z údaje nastavených číslicových spínačů právě, když údaj na displeji se shoduje s danou tloušťkou materiálu.

Description

Vynález se-týká zapojení pra SísMcové měření ťlauštěk materiálů ulíBazvakam, sestávající z dvojité ultrazvukové sondy, přijímače, vysílače, vyhodnocovací jednotky a jednotky zobrazovací, přičemž měřené materiály se musí vyznačovat nízkou absorpcí pro ultrazvukové vlněni.

K měření tlouštěk různých materiálů jsou používány ultrazvukové tloušťkoměry jednosondové či dvousondové pracující na principu Odrazové impulsní metody. V uvažovaném typu dvousondového ultrazvukového tloušťkpměru se vyhodnocuje časový interval, jehož počátek je dán okamžikem, kdy ultrazvukový impuls je generován ve vysílací části dvojité ultrazvukové sondy a jehož konec je dán okamžikem příjmu odraženého ultrazvukového impulsu přijímací částí dvojité ultrazvukové sondy. Uvedený časový interval je však součtem tří dílčích časových intervalů. První z nich je dán dobou průchodu ultrazvukového impulsu pracovní vysílací částí dvojité ultrazvukové sondy, druhý je dán dvojnásobkem doby průchodu ultrazvukového impulsu měřeným materiálem a třetí dobou průchodu ultrazvukového impulsu pracovní částí přijímací dvojité ultrazvukové sondy. Pro praktické aplikace je důležité odstranit závislost celkového časového intervalu na jeho první a třetí části. Za tím účelem sě pomocí speciálního zpožďovacího obvodu generuje v okamžiku vzniku ultrazvukového impulsu pomocný elektrický obdélníkový impuls, jehož doba trvání je pomocí ovládacího prvku plynule nastavitelná tak, aby byla rovna součtu prvního a třetího dílčího časového intervalu, čili aby byla rovna době průchodu ultrazvukového impulsu oběma pracovními částmi dvojité ultrazvukové sondy. Měřená tloušťka materiálu je pák dána dobou mezi sestupnou hranou tohoto impulsu á náběžnou hranou ultrazvukového signálu odraženého od stěny měřeného materiálu. Nevýhodou dosud známých měřičů tlouštěk je měření materiálů se Stejnou rychlostí šíření ultrazvukových vln. Pro měření tlouštěk materiálů s jinou rychlostí, než pro kterou byl přístroj konstruován, vyžaduje zásah do vnitřního zapojení přístroje.

Uvedené nedostatky odstraňuje zapojení pro číslicové měření tlouštěk podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tona, že výstup z řídící Jednotky je zaveden do generátoru impulsů, jehož výstup }e přiveden k vysílací části dvojité ultrazvukově sondy, jejíž přijímací část je zavedena do přijímače propojeného s J—K klopným obvodem, do něhož je přes zpožďovací obvod zaveden signál z řídící jednotky, která je zároveň dvojitě propojena s čítačem, do něhož je přes hradlovací obvod zaveden signál ze syntezátoru a J—K klopného obvodu, přičemž výstup z čítače je zaveden do zobrazovací jednotky, do níž je rovněž zaveden výstup řídicí jednotky.

Vyšší účinek vynálezu se projevuje především v tom, že umožňuje použití nastavitelné rychlosti šíření ultrazvukových vin v rozsahu od 980 m/s do 6 400 m/s při ekonomickém příkonu max. 5 W. Lze měřit tlouštíky materiálů od 1 do 200 mm s přesností 0,1 mm.

Vynález je blíže objasněn na přiložených výkresech, kde obr. 1 představuje blokové schéma zapojení podle vynálezu a obr. 2 blokové schéma syntezátoru, obr.-3 ^«drobné zapojení podle obr. 1, obr. 4 podrobné schéma syntezátoru a obr. 5 Časové průběhy, vyznačené v obr. 3. Na obr. 1 je výstup z řídící jednotky 1 spojen se vstupem do generátoru 7 impulsů jehož výstup je připojen k vysílací části dvojitě ultrazvukové sondy 8, která je v kontaktu s vyšetřovaným materiálem 11. Přijímací část ultrazvukové sondy 8 je zavedena do přijímače který je propojen s J—K klopným obvodem 3, do něhož je přes zpožďovací obvod 2 připojena řídicí jednotka 1. Ta je zároveň dvojitě propojena s čítačem 5, do něhož je přes hradlovací obvod 4 připojen syntezátor 10. Do hradlovacího obvodu 4 je dále připojen J—-K klopný obvod 3. Výstup z čítače 5 je zaveden do zobrazovací jednotky 8, do které je připojen i výstup z řídící jednotky 1. Na obr. 2 je syntezátor 10 tvořen třemi oscilátory 12, 13, 14 spojenými s fázovým detektorem 20, který je ještě přes první děličku 21 spojen s krystalovým oscilátorem 82. Předvotttolné děiička 18 je současně propojena s jednotkou předvolby 19, druhou děličkou 17 a připojena k fázovému detektoru 20. Multiplexer 1S, ke kterému jsou připojeny tři oscilátory 12, 13, 14 je dále spojen s druhou děličkou 17 ?a jednotkou -SB předvolby a přes násobič 18 napojen na hradlovací obvod4.

Funkce zapojení spočívá v tom, že řídicí, jednotka 1 spustí generátor 7 impulsů, kterým se vybudí vysílací část dvojité ultrazvukové sondy 8, řídicí jednotka 1 současně ovládá zhášení zobrazovací jednotky 8 při čítání a zároveň budí .zpožďovací obvod 2 vytvářející impuls, kterým se eliminuje zpeždání signálu uvnitř dvojité ultrazvukové sondy 8. Kalibrace je provedena využitím odrazu ultrazvukové viny od tenkého nálltku společného oběma zvukovodům vysílacího a přijímacího měniče dvojité ultrazvukové sondy 8. Sestupnou hranou tohoto impulsu se překlopením JK klopného obvodu 3 otevře hradlovací obvod 4, čímž dojde k čítání impulsů ze syntezátoru 18 čítačem ?S. Čítání je zastaveno příchodem odrazeného ultrazvukového signálu od stěny materiálu 11 přes přijímač 9, JK klopný obvod 3 do hradlovacího obvodu 4. Po skončení čítání se načítaný údaj zobrazí zobrazovací jednotkou 6, čítač 5 se vynuluje a cyklus se opakuje.

V konkrétním provedení řídicí jednotka 1 obsahuje generátor hodinových Impulsů (500 Hz) a dvě děličky deseti. Pomocí těch240206 to obvodů se získají impulsy o frekvenci 50 Hz, kterými je ovládána zobrazovací jednotka 6 a impulsy o frekvenci 50 Hz, kterými je ovládána zobrazovací jednotka 6 a impulsy o frekvenci 5 Hz, které ovládají zpožďovací obvod 2 a generátor 7 ultrazvukových imulsů. Zpožďovací obvod 2 pomocí RC článku určuje dobu zpoždění, která je plynule nastavitelná ovládacím prvkem z panelu přístroje. Krátkodobá stabilita tohoto obvodu je v praxi zcela postačující.

Do hodinového vstupu JK klopného obvodu 3 přichází impuls ze zpožďovacího obvodu 2 a do vstupu Ro přichází signál z přijímače 3 obvykle koncepce. Tento obvod otevírá hradlo 4, přes které se čítá frekvence syntezátoru 10. Čítač 5 je tvořen dekadickými čítači. Umožňuje čítat kmitočty desítek MHz. Výstupy čítačů 5 jsou připojeny na převodníky, kterými jsou spínány segmenty displeje v zobrazovací jednotce 6. Protože nejsou použity paměti, je nutno z důvodů zachování informace na displeji blokovat převodníky v průběhu doby čítání. Generátor 7 ultrazvukových impulsů pracuje s vysokým napětím, na které se nabíjí nabíjecí kondenzátor. Při vyslání ultrazvukového impulsu dojde k rychlému vybití tohoto kondenzátoru do vysílací sondy zatížené malým ohmickým odporem, čímž vznikne úzký ultrazvukový impuls. Jako spínač je užit tyristor. Základem syntezátoru 13 je předvolitelná dělička 18, která je schopna pracovat s dělicím poměrem (9999— —0001) : 1. Koncenpce zapojení podle vynálezu pro měření tlouštěk většiny vyskytujících se materiálů (dáno rozsahem rychlosti šíření ultrazvukových vln) vyžaduje výsledný kmitočet syntezátoru 1B od 5 do 32 dvÍHz. Výsledný kmitočet f = K. v/2, kde K je převodní konstanta o velikosti 10⁴ a v je rychlost šíření ultrazvukové vlny v měřeném materiálu.

Tento kmitočtový rozsah byl získán tak, že jsou v syntezátoru 10 generovány poloviční kmitočty v pásmu 2,5 až 16 MHz pomocí jednoho ze tří oscilátorů 12 až 14, jejichž výběr je proveden multiplexerem 15 ovládaným jednotkou 19 předvolby. Po získání požadovaného pásmu 5 až 32 MHz je signál z multiplexeru 15 zdvojen v násobiči 16. Zároveň je signál z multiplexeru 15 vydělen číslem 5 a přiveden na předvolitelný dělič 18. Výstup z předvolitelného děliče 18 je porovnáván ve fázovém detektoru 20 s referenčním kmitočtem získaným vydělením kmitočtu krystalového oscilátoru 22 a děličkou 2000 — 21.

Výstupem fázového detektoru 20 je stejnosměrné řídicí napětí, kterým se nastaví kmitočet příslušného oscilátoru 12 až 14 tak, aby došlo ke shodě obou kmitočtů přivedených do fázového detektoru 20. Údaj nastavený na spínačích předvolby je číselně roven rychlosti šíření ultrazvukových vln v měřeném materiálu.

Na obr. 3 řídicí jednotka. 1 sestává z hodinového generátoru 112 tvořeného... třemi invertory, jehož výstup označený 23 a zná_? zorněný průběhem 23 — viz obr. 5, je vstupem pro první děličku 113 pěti a dvěma jejíž výstup označený a znázorněný 25_u je spojen s invertc-rem 114, jehož výstup, pznačený a znázorněný 26 nuluje dekodéry 115 až 117. Oba výstupy první děličky 113 pěti a dvěma označené a znázorněné jako 24, 25, jsou vedeny na vstupy prvního invertovaného hradla 118, jehož výstup označený a znázorněný jako 28 je přiveden na vstup druhé děličky 119 pěti a dvěma a do druhého invertovaného hradla 120. Výstupy děličky 119 označené a znázorněné jako 30 a 29 jsou spolu s průběhem označeným a znázorněným jako 25 zavedeny do třetího invertovaného hradla 121, jehož výstup označený a znázorněný jako 33 je přiveden do derivačního obvodu 122, jehož, výstup označený a znázorněný jako 34 je invertován prvním obvodem 123, jehož .výstup označený 35 je užit k nulování druhých obvodů 124 tvořeného čtyřmi j—K klopnými obvody zapojenými jako čítač deseti.

Signál v průběhu 35 je dále přiveden do třetího obvodu 125, kde je invertován a jehož výstup označený a znázorněný jako· 38 je přiveden na nulovací vstupy desítkových čítačů 126 a 127. Průběh y označené a znázorněné jako 28 a 33 jsou přivedeny na druhé invertované hradlo 120, na jehož výstupu vzniká signál označený a znázorněný jako 37, který je přiveden ke generátoru '7 impulsů a zároveň do* zpožďovacího obvodu 2, jehož zpoždění je ovládáno z panelu přístroje. Zpožďovací obvod 2 zpozdí signál opravného 37 a vytvoří na svém výstupu signál zobrazený a znázorněný jako- 38, který je veden do nastavovacího vstupu J—K klopného obvodu 3, k jehož druhému vstupu je přiveden detekovaný signál z přijímače 9 označený a znázorněný jako- 39. Výstup JK klopného obvodu 3 označený a znázorněný jako 40 otevírá hradlo 4 a propouští signál syntezátoru na výstup hradla 4 označený a znázorněný jako- 42, který je veden do čítače 124 deseti tvořeného čtyřmk J—K klopnými obvody, jehož výstupy jsou označeny jako- 46 a vedeny do- dekodéru 115. a jehož výstup označený 44 je veden do desítkového čítače 128 připojeného- spojem 47 k prvnímu čítači 1.16 a spojem 45 k druhému čítači 127. Údaje z dekodérů 115 až 117 jsou přenášeny k displejům 128 až 130 spoji 49 až 51.

Kmitočet syntezátoru — viz obr. 4 je generován pomocí tří napěťově řízených oscilátorů 131, 132 a 133, z nichž každý je tvořen čtyřmi invertory. Oscilátory jsou pomocí spojů 53, 54 a §5 připojeny k multiplexeru 134, který podle charakteru signálů na spojích 105 a 106 propustí signál pouze jednoho z oscilátorů 131 až 133 na své výstupy 56 a 57. Spoj 36 přivádí signál do hšsbbiěe '333 kmitočtu tvořeného třemi tevertory a jedním hradlem, ra jehož¹ výstupu označeném <3 je získán sigiíSl ©«dvojTHřésofcBěm kmitočtu zaváděný <d©: hreflřova•táhe obvodu '-4. Druhý výstup múttiptexeťu 134 je spojem 57 veden? wa vstupdíSičky.HB pgti. Výstup -děličky 188 pWti je «ρύ^αη^β veden na vstup programovatelně dětičky tvářené čtyřmi desítkovými čítači 137 -až MB, jejiččKž výstupy jsou spěji 80 až 75 vedeny na obvody 141 ^;až >44 dted, jejichž výstupy 76 až '31 jsou vedeny na vstupy dvou Osmivstupevých hradel Ί48 a ·ΌΒ, -jejichž výstupy 109 a 1OB jsou -připojeny na vdtapy 'šeštého -Invertovaného hradla ^!147, JetwSŽ výstup 59 je využit -k -*netovd»í čítačů 'Ϊ87 až ‘>46 a ke zpracování ve fázovém - detektoru '28. Spoje’7B -až 91 >jseu užemňovény přes obvody 148 až 151 odrazů a spoje 92 až >07 číslicovými spínači 15® wž >55.

•Jako zdroje referenčního kmitočtu je použít krystalový oscilátor 22 tvořený-třemi‘invettory, jehož výstup oz-nwčený 1®Í <je ¹ vydělen ®ěI18k0u-íl Číslem-ΊΟ00 a veféen spojem 141 do WzovSho detektoru '20 tvořeném 'dvěma IRtlepn-ými Obvody, bradlem, dvěma diodami a jedním trenzísterem. Při odlišnosti -kmítoětu a fáze signálů na tspojítíii ltl a '50 v-znWS na výštu-pu 32 čá-zo věho dbtéktoru 00 -stájnosměrné - napětí, Wré změní kúnřtočet osěiíátorů -ták, aby k odlišnosti táze a kmtteětů těchto signálů nedocházelo.

S použitím zapojení podle vynálezu lze měřit tloušťky nejrůzwějšíeh; materiálů, například¹ ocel, hliník mosaz, S-Mo,-voda, mléko, špeková vrstva, >. phasřfékě ‘hmoty -atA. v nejřůzriějších -aspeřádánítíh, např. tloušťky ocelových -rour, tloušťky -sten skleněných baněk, výšku nejřůznějších tekutin atd.

Při známé -tíoňštee měřeného materiálu lze měřit τ-ychloStčířeuí Ultrazvukových vin z Údaje nastavených spínačů -jednotky předvolby právě, když údaj udávaný zobrazovací jednotkou se Shoduje s danou tloušťkou materiálu.

Claims (3)

1. Zapojení pro číslicové,.měření tlouštěk materiálů .ultrazvukem, sestávající z dvojité ultrazvukové sondy, přijímače, vysílače, vyhodnocovací jednotky a jednotky zobrazovací vyznačené tím, že výstup z řídicí jednotky (1) je zaveden do generátoru (7) impulsů, jehož-výstup je přiveden-k vysílací části -dvojité ultrazvukové sondy jd), jejíž přijímací část i je zavedena do přijímače (9) propojeného s J—K sklopným obvodem {.-3-), do něhož je přes -.-zpožďovací -obvod (.2) zaveden signál z řídicí. jednotky (1-j, která je zároveň dvojitě prqpejena s čítačem j 5), do něhož je přes hradlovací ob-vod (-4) .zaveden signál ze .syntezátoru ..(19,) -a „J—»K klopného obvodu (3.), přičemž výstup z číV YWě LtBSřU taěe (5) je zaveden do zobrazovací jednotky (6), do niž ie rovněž .zaveden výstup z řídicí jednotky (1J.

2. Zapojení podle bodu 1, .vyznačené tím, že syntezátor (10) je tvořen třemi oscilátory (12, 13, 14) napěťově řízenými fázovým detektorem (20,),, do něhož je zaveden přes první děliěk-u (21] signál z .krystalového oscilátoru (22 ] a signál · z -předvoíitelně děličky (.18) propojené s jednotkou předvolby (19) a druhou děličkou (17) propojené s multiplexerem (15j, ke kterému jsou připojeny oscilátor.y (12, 13, 14) -a jednotky (19) předvolby, přičemž výstup multiplexeru (15) je přes násobič (1-6) napojen na hradlovací obvod (4).

5 1istů výkresů