SU1504508A1 - Ультразвуковой самокалибрующийс измеритель линейных размеров и перемещений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени  - повышение точности измерени  за счет устранени  вли ни  нестабильности скорости распространени  ультразвуковых волн в материале волновода и частоты генератора счетных импульсов. В измеритель введены элементы, позвол ющие сформировать калибровочный временной интервал и заполнить его в регистре на врем  основных измерений, сформировать измерительный интервал, в течение которого на выходе интегратора напр жение линейно нарастает, а по окончании уменьшаетс  до нул  с крутизной, соответствующей значению хранимого калибровочного интервала. Временной интервал спада напр жени  интегратора заполн етс  счетными импульсами, значени  которых соответствуют измер емой величине и не завис т от изменени  скорости ультразвука в материале волновода и частоты следовани  счетных импульсов, что повышает точность измерени . 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в создании средств измерений и контрол  различных объектов и параметров технологического оборудовани , например, в гибких производственных системах.

Цель изобретени  - повьппение точности измерени  за счет устранени  вли ни  нестабильности скорости распространени  ультразвуковых волн в материале волновода и частоты генератора счетных импульсов.

На фиг„ 1 изображена структурна  схема ультразвукового самокалибруго- щегос  измерител  линейных размеров

и перемещений; на фиг. 2 - временные диаграммы, по сн ющие его работу.

Измеритель содержит последовательно соединенные синхрогенератор 1, генератор 2 зондирующих импульсов и подвижный электроакустический преобразователь 3, акустически св занный с ним ультразвуковой (УЗ) волновод 4, последовательно соединенные усилитель 5, первый элемент 6 И и первый триггер 7, первый счетчик 8, селектор 9, вход которого подключен к подвижному электроакустическому преобразователю 3, последовательно соединенные делитель 10 частоты, второй триггер 11, второй счетчик

СП

о

4 СП

О

00

315

12, регистр 13, преобразователь 14 код-напр жение, первый ключ 15, интегратор 16, нуль-орган 17 и третий триггер 18, второй ключ 19, вход которого предназначен дл  подключени  к источнику опорного напр жени  U(,, выход подключен к входу интегратора 16, последовательно соединенны одновибратор 20 и второй элемент 21 И, выход которого подключен к R-входу второго триггера 11, цифровое отсчетное устройство .2, вход которого подключен к выходу первого счетчика 8, и генератор 23 счетных импульсов, выход которого подключен к счетным входам первого и второго счетчиков 8 и 12, выход синхронизатора 1 подключен к входам делител  10 частоты и одновибрато- ра 20, R-входам первого и третьего триггеров 7 и 18, R-входу первого счетчика 8 и второму входу второго элемента 21 И, выход селектора 9 подключен к входу усилител  5, вы- ход одноиибратора 20 подключен к второму входу первого элемента 5 И, выход усилител  5 подключен к третьему входу второго элемента 21 И, выход делител  10 частоты подключен к R-входу второго счетчика 12, выхо первого триггера 7 подключен к управл ющему входу второго ключа 19 и к S-входу третьего триггера 18, инверсный выход второго триггера 11 подключен к третьему входу первого элемента 6 И, а выход третьего триггера 18 подключен к управл ющем входу первого ключа 15, управл ющему входу первого счетчика 8 и второ му входу регистра 13.

Позици ми 24-33 обозначены выходы сигналов с блоков измерител , позици ми а-с обозначены импульсы на временной оси (фиг. 2,25).

Ультразвуковой самокалибрующийс  измеритель линейных размеров и пе- ремеп1ений работает следующим образом

Делитель 10 частоты производит

пульс синхрогенератора 1 (фиг, 2,24) вызвавший на выходе делител  10 такой же импульс, поступает на входы генератора 2 зондирующих импульсов, одновибратора 20, триггеров 17 и 18 и счетчика 8, а импульс делител  10 - на входы триггера 11 и счетчика 12. По переднему фронту импульса синхрогенератора 1 запускаетс  генератор 2, .обнул етс  счетчик 8 и подтверждаетс  состо ние О на выходах триггеров 17 и 18. Одновременно также по переднему фронту импульса делител  10 обнул етс  счё т- чик 12 и переключаетс  триггер 11 в состо ние 1 на первом выходе (фиг. 2,28). По заднему фронту импульса синхрогенератора 1 запускаетс  одновибратор 20 (фиг. 2,26). I

Выходной импульс генератора 2 через электроакустический преобразователь 3 возбуждает в волноводе 4 короткий ультразвуковой импульс продольных волн. Ультразвуковой импульс распростран  сь в обе стороны от места возбуждени , совершает многократные отражени  от торцовых поверхностей волновода 4, вызыва  на выходе преобразовател  3 последовательность импульсов считывани  (фиг. 2,25). Импульс А соответствует импульсу возбуждени  преобразовател  3 генератором 2. Следующие за.ним импульсы В и С образованы ультразвуковыми импульсами, отразившимис  соответственно от ближней относительно преобразовател  3 и дальней торцовых поверхностей волновода 4. Временное положение этих импульсов зависит от положени  преобразовател  3 относительно волновода 4 и определ етс  соответственно формулами

Тас i( 2)

деление частоты следовани  импульсов

50

синхрогенератора 1 с коэффициентом пор дка М 1QO - 200, Тов при вырабатывании синхрогенератором 1 каждого м-го импульса на выходе делител  10 одновременно формируетс  пр - моугольный импульс,аналогичный входному , по которому в измерителе производитс  цикл подготовки дл  самок либ- рующегос  измерени . При этом им

где С - скорость распространени 

продольных волн в материале волновода 4;

L - длина волновода 4;

X - координата положени  преобразовател  3 относительно середины волновода 4 (индексы при Т определ ют длительности интервалов времени между соответствующими импульсами считывани ). Импульс d прин той последовательности вызван суммой двух ультразвуковых импульсов, каждый из которых дважды отразилс  от торцовых поверхностей волновода А. Временное положение этого импульса не зависит от относительного размещени  преобразовател  3 и волновода 4, а определ етс  только линией L последнего и скоростью в используемом материале

Qd

2L С

(3)

Импульсы е и т.До по вл ютс  на выходе преобразовател  3 в результате многократных отражений ультразвуковых импульсов от торцовых поверхностей волновода .4 о Эти импульсы в измерени х не используютс .

Импульсы с выхода преобразовател  3 ограничиваютс  по уровню в селекторе 9, усиливаютс  усилителем 5 до стандартного дл  цифровой логики уровн  (фиг. 2,27) и поступают на входы элементов б и 21 И, селектор 9 в измерителе защищает усилитель 5 от перегрузки при воздействии мощного возбуждающего импульса генератора 2.

При этом длительность импульса си хрогенератора 1 устанавливаетс  та- кой, что в течение него полностью затухает возбуждающий преобразователь 3 импульс (фиг. 2,24 и 2,25 импульса), а длительность импульса одновибратора 20 устанавливаетс  такой , чтобы импульс d преобоазовател  3 находилс  на временной оси за этим импульсом (фиг. 2,25 импульс d и 2,26). Поэтому в цикле подготовки самокалибрующегос  измерени  эле- мент 6 И закрыт сигналом О со второго выхода триггера 11, а элемент 21 И пропускает только импульс d на свой выхоДо

Триггер I1 с помощью импульсов делител  10 и элемента 21 И переключаетс  и формирует пр моугольный импульс (фиг. 2,28) с длительностью Т. Последн   измен етс  квантованием счетными импульсами генератора 23 и результат

2L р С о

(А)

- 20

25

30

045086

записываетс  в счетчике 12, где F - частота следовани  счетшзгх гмпульсов генератора 28, на этом подготовка к самокалибрующемус  измерению заканчиваетс  .

Измерение начального положени  преобразовател  3, приведенного к началу отсчета перемещени  или

10 линейного размера объекта, начинаетс  новым формированием импульса сии- хрогенератора 1. Аналогично вышеописанному на выходе усилител  5 вырабатываютс  импульсы а, Ь, с и т.д.,

15 в этом случае элемент 6 И открыт

сигналом I со второго выхода триггера 11, наход щегос  в статическом состо нии отсутстви  сигнала по его S-входуо Импульс одновибратора 20 организует временные ворота дл  работы элементов 5 И и на выход последнего проход т только импульсы В и С считывани . От воздействи  этих импульсов триггер 7 переключаетс  два раза, в результате чего на выходе формируетс  пр моугольный импульс (фиг. 2,30) с длительностью

Т - Т

ас

аЬ

X С Н

(5)

30

35 45

где X - координата начального положени  преобразовател  3.

На врем  Т действи  импульса триггера 7 открьгоаетс  ключ 19, и на вход интегратора 16 подаетс  опорное напр жение U, которое интегрируетс . Выходное напр жение интегратора 16 измен етс  по закону 40 (фиг. 2,31).

Ьс

и.

ij

45

50

где А - посто нна  интегрировани 

интегратора 21„

По окончанию импульса длительностью Т размыкаетс  ключ 19, а от заднего фронта этого же импульса переключаетс  триггер 18 в состо ние 1. Передний фронт rfepeключeни  триггера 18 переписывает код 1 со счетчика 12 в регистр 13, В резуль- 55 тате чего преобразователь 14 код- напр жение выдает напр жение

и, N,U

(4)

где - ступень квантовани 

преобразовател  14 код- напр жение.

Напр жени  U и U, имеют разные знаки. В результате переключени  триггера 18 также открываетс  ключ 15 и вход счетчика 8, подсчитывающего импульсы генератора 28. Начинаетс  второй такт интегрировани . Вы- ходное напр жение интегратора 16 линейно уменьшаетс  (фиг. 2-31) и в момент времени Т становитс  равным нулю

и

« -rj 0. (7

Решение (7) относительно Т дает

и U--V Чс 8

пки с Начало и конец интегрировани  фиксируютс  нуль-органами 17. Задний фронт импульса нуль-органа 17 переключает триггер 18 в исходное состо ние , на его выходе устанавливаетс  состо ние О. Закрываютс  ключ 15 и вход счетчика 8. В результате в счетчик В записываетс  число

N,

Т F

(9)

совместное решение уравнений (3) - (9), определ ющее значение ч

ла NJ,, дает

NH fu-- (10)

Если значение опорного напр же-

Т)

R

ни  V установить равным

о Г п.ц. (Ч) то число, записанное в счетчик 8,

NH Х„. 10

(12)

где R - целое число, определ ющее

цену делени  результата из- мерени  в дес тичной позиционной системе счислени . Число N со счетчика 8 выводитс  на цифровое отсчетное устройство 22 дл  сн ти  результата начала отсче

та перемещени  или размера измер емого объекта.

Затем преобразователь 3 перемещаетс  вдоль волновода А на контролируемую линейную величину аналогично вышеописанному, автоматически происходит определение положени  преобразовател  3 в конечном его положении и на цифровое отсчетное устройство 22 в этом случае выводитс  число

N.

10

(13)

где X - координата конечного положени  преобразовател  3. Результат измерени  линейного размера или перемещени  объекта определ етс  разностью (13) и (12):

ОБ

NK - NH ( Х„) 10 .

(14)

0

5

0

5

5

п

5

При этом дл  представлени  результата измерени  в метрах зап та  в устройстве 22 переключаетс  на R-pas- р дов со стороны младших,в миллиметрах - на (R-3) разр дов и т.д. В этих случа х после зап той в устройстве 22 будут присутствовать соответственно R или (R-3) значащих цифровых разр дов.

Таким образом, использование в данном измерителе цикла подготовки дл  самокалибрующегос  измерени  позвол ет получать результаты измерени , не завис щие от значени  скорости ультразвука в материале волновода и ее дрейфового изменени  при климатическом воздействии или старении материала, от значени  частоты следовани  счетных импульсов, кроме того, результаты измерений автоматически масштабируютс  в заданных единицах, что обеспечивает единство измерений.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Ультразвуковой самокалибрующийс  измеритель линейных размеров и перемещений , содержащий последователь-- но соединенные синхрогенератор, генератор зондирующих импульсов и под- вижный электроакустический преобразователь , акустически св занный с ним ультразвуковой волновод, последовательно соединенные усилитель, первый элемент И и первый триггер и первый счетчик, отличающийс  тем, что, с цепью повышени  точности измерени , он снабжен селектором, вход которого подключей к подвижному электроакустическому преобразователю, последовательно соединенными делителем частоты , вторым триггером, вторым счет чикон, регистром, преобразователем код - напр жени , первым ключом, интегратором , нуль-органом, и третьим триггером, вторым ключом, вход которого предназначен дл  подключени  к источнику опорного напр жени , а выход подключен к входу интегратора последовательно соединенными одно- вибратором и вторым элементом И, выход кЬторого подключен к R-входу второго триггера, цифровым отсчет- ным устройством, вход которого подключен к выходу первого счетчика, и генератором-счетных импульсов, выход которого подключен к счетным входам первого и второго счетчиков, выход синхрогенератора подключен к

   входам делител  частоты и одновиб- ратора, R-входам первого и третьего триггеров, R-входу первого счетчика и второму входу второго элемента И, выход селектора, подключен к входу усилител , выход одновибратора подключен к второму входу первого элемента И, выход усилител  подключен к третьему входу второго элемента И, выход делител  частоты подключен к R-входу второго счетчика, выход первого триггера подключен к управл ющему входу второго ключа и к S-входу третьего триггера, инверсны выход второго триггера подключен к третьему входу первого элемента И, а выход третьего триггера подключен к управл ющему входу первого ключа, управл ющему входу первого счетчика и второму входу регистра.

   Фуе.;

   ifc Vo

   Фиа.2