RU2163351C2

RU2163351C2 - Thickness measuring device

Info

Publication number: RU2163351C2
Application number: RU99106030A
Authority: RU
Inventors: А.В. Топунов; В.Б. Рогозин; Л.А. Лисицинский
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Взлет"
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2001-02-20

Abstract

FIELD: nondestructive testing of materials by ultrasonic method, mechanical engineering and metallurgical industry. SUBSTANCE: given device has generator of sounding pulses, piezoelectric converter, amplifier connected in series, normalization unit, time selector, meter of time intervals. Device is fitted with control and computation unit, reference frequency generator, delay circuit, digital-to-analog converter and indicator. First input of normalization unit is connected to output of amplifier, second input of normalization unit is linked to output of digital-to-analog converter and its output is connected to input of time selector whose second input is connected to output of delay circuit and whose output is linked to first input of meter of time intervals. Output of meter of time intervals is connected to input of control and computation unit. Output of reference frequency generator is connected to second input of meter of time intervals and first input of delay circuit. First output of control and computation unit is linked to input of generator of sounding pulses and to third input of meter of time intervals, second output of same unit is connected to second input of delay circuit, third output of same unit is connected to input of digital-to-analog converter, fourth output of unit is connected to input of indicator. EFFECT: raised measurement precision and simplified adjustment procedure. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов ультразвуковым методом и может быть использовано в машиностроительной и металлургической промышленности. The invention relates to the field of non-destructive testing of materials by the ultrasonic method and can be used in the engineering and metallurgical industries.

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. Known standardless ultrasonic thickness gauges that measure the thickness of products by the method of through sounding, for example, the copyright certificate of the USSR N 1481595, class. G 01 B 17/02, 1989, BI N 19. The disadvantage of such devices is the presence of a bath to provide two-way acoustic contact.

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. Echo-pulse thickness gauges are known, for example: patent for invention of the USSR N 2034236, 1995, BI N 12, USSR copyright certificate N 629806, 1987, BI N 36 and from the book Korolev M.V. Echo-pulse thickness gauges, - M.: Mechanical Engineering, 1980, p. 79-85, which measure the thickness by emitting longitudinal waves into the article and receiving a signal reflected from the bottom of the article. These instruments use separately-combined transducers for measuring small thicknesses with an echo method. The disadvantages of the known devices are: the dependence of the readings on the quality of the acoustic contact and the complexity of the setup procedure for the material of the controlled product.

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.In FIG. 1 shows the time sequence of arrival of signals to the receiving transducer when measuring the thickness by the echo method, where 1 is the probe pulse, 2 is the pulse from the front face, 3 is the first bottom pulse, 4 is the second bottom pulse, 5 is the rereflection pulse in the transducer prism, t _ass - the delay time in the prism, t _ISM is the measured time interval, the line shows the level at which the time interval is measured. The thickness of the measured product is calculated by the formula H = t _ISM · C / 2, where C is the speed of elastic waves in the material of the controlled product. It can be seen that the measured time interval depends on the amplitude of the bottom signal. The amplitude of the bottom signal varies depending on the thickness of the measured product due to the divergence and attenuation of the elastic waves, so the gain of the amplifier is changed so as to compensate for the change in amplitude. The gain curve is called the temporal sensitivity adjustment (TLC) and is adjusted for each specific product based on samples made of the same material. For example, in the Operation Guide Щ02.787.011 РЭ thickness gauge of ultrasonic УТ - 93П. Moreover, the thickness of the samples should cover the range of measured thicknesses. In addition, the amplitude of the received signal depends on the quality of the acoustic contact, which is due to the roughness of the surface of the measured product, the immersion layer and the force of pressing the sensor to the surface.

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. The disadvantage of such devices for measuring thickness is the fact that the influence of the quality of the acoustic contact is not taken into account and for the correct setup of the device, a set of samples in the range of measured thicknesses from the same material as the controlled product is required. When working on a rough surface, the signal from the surface (2) can exceed the level of fixation and knock down the readings of the device. The echo-pulse thickness gauge described in the book Koroleva MV was chosen as the closest analogue. The echo-pulse thickness gauges specified above, which contains a synchronizer, a probe pulse generator, a piezoelectric transducer connected to an amplifier input, the output of which is connected to one input of a temporary useful signal selector, the other input of which is connected to a synchronizer, and the output to a signal amplitude normalizer, associated with a time slot meter, the output of which is the output of the device. It should be noted that the closest analogue has the same disadvantages as the others described above.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния качества акустического контакта и упрощение процедуры настройки устройства. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurements by eliminating the influence of the quality of the acoustic contact and simplifying the setup procedure of the device.

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. This goal is achieved by the fact that the device measures the time interval not by a fixed level, but by a level counted from the maximum amplitude of the measured signal. This eliminates the dependence of the amplitude of the signal on the measurement of the time interval. In addition, to configure a device that measures the time interval in the described manner, samples of materials in the range of measured thicknesses are not required. To work on a rough surface, the device is equipped with an adjustable masking curve, which allows masking the signal from the surface.

На фиг. 2 изображена структурная схема предлагаемого устройства. In FIG. 2 shows a structural diagram of the proposed device.

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. The device contains a series-connected probe pulse generator 1, a piezoelectric transducer 2, a logarithmic amplifier 3, a normalizer 4 (a comparator was used as a normalizer), a time selector 5, a time interval meter 6 and a control and calculation device 7, and the output of the reference frequency generator 8 is connected simultaneously to the second input of the time interval meter 6 and to the input of the delay circuit 9, a digital-to-analog converter 10 and indicator 11. Moreover, the first output of the device phenomena and calculations 7 is connected to the input of the probe pulse generator 1 and to the third input of the time interval meter 6, the second output - with the second input of the delay circuit 9, the third output - with the input of the digital-analog converter 10, and the fourth output - with the indicator 11. Output of the delay circuit 9 is connected to the second input of the temporary selector 5, and the output of the digital-to-analog converter 10 is connected to the second input of the normalizer 4. The device operates as follows.

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.The device is tuned to the sensor used on the built-in reference sample 12 with a known velocity of propagation of longitudinal waves and a known thickness. At the same time, data on the delay in the converter prism (t _ass ) and the masking curve are stored in the control and calculation device 7. The value of the propagation velocity of longitudinal waves in the material of the controlled product is either set manually or measured by the value of the known thickness. The control and calculation device 7 writes the level value to the digital-to-analog converter 10, and the response delay value of the time selector 5 to the delay circuit 9 using the recorded masking curve. After that, it starts the time interval meter 6 and the probe pulse generator 1, which in turn excites the piezoelectric transducer 2. Elastic waves propagate in the product 1 and are received by the piezoelectric transducer 2, amplified by a logarithmic amplifier 3 and fed to the input of the normalizer (comparator) 4. Signals, exceeding the level set by the digital-to-analog converter 10, from the output of the normalizer (comparator) 4 go to the temporary selector 5, which opens after a while, consumed by the delay value set by the delay circuit 9, and passes signals from the output of the normalizer (comparator) 4 to the time interval meter 6. The first of these signals, which came to the time interval meter 6, interrupts, stops, counting. The control and calculation device 7 reads the value of the signal arrival time at a predetermined level from the time interval meter 6 if the signal has exceeded the set level. If the signal level does not exceed the set level, the control and calculation device 7 lowers the level by writing a lower value to the digital-to-analog converter 10. Periodically exciting the piezoelectric converter 2 and changing the level supplied to the input of the normalizer (comparator) 4, the control and calculation device 7 finds a maximum the received signal (for example, by the method of bitwise balancing) and reads the value of its arrival time from the time interval meter 6. Next, the control and subtraction device Track 7 counts the specified fixed value from the signal maximum level, writes the resulting value to the digital-to-analog converter 10 and starts the generator 1. After that, the control and calculation device 7 reads the resulting signal arrival time value t = t _ass + t _ISM from the time interval meter 6, which it is further used to calculate the thickness according to the formula H = C · (t _ISM / 2), where C is the value of the speed of elastic waves in the material of the controlled product.

Claims

A device for measuring thickness, containing a series-connected probe pulse generator, a piezoelectric transducer, an amplifier, and also containing a normalizer, a time selector, a time interval meter, characterized in that it is equipped with a control and calculation device, a reference frequency generator, a delay circuit, a digital-to-analog converter, and indicator, the first input of the normalizer is connected to the output of the amplifier, the second input to the output of the digital-to-analog converter, and the output to the first the input of the time selector, the second input of which is connected to the output of the delay circuit, and the output is connected to the first input of the time interval meter, and the output of the time interval meter is connected to the input of the control and calculation device, the output of the reference frequency generator is connected to the second input of the time interval meter and to the first the input of the delay circuit, the first output of the control and calculation device is connected to the input of the probe pulse generator and to the third input of the time interval meter, the second output od - with the second input of the delay circuit, the third output - with the input of the digital-to-analog converter, the fourth output - with the input of the indicator.