SU1652817A1

SU1652817A1 - Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер

Info

Publication number: SU1652817A1
Application number: SU894701185A
Authority: SU
Inventors: Владимир Алексеевич Калинин; Александр Александрович Костин; Георгий Григорьевич Бурдила
Priority date: 1989-06-05
Filing date: 1989-06-05
Publication date: 1991-05-30

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике, предназначено дл контрол толщины материала и может быть использовано в машиностроении, авиастроении и других отрасл х промышленности . Целью изобретени вл етс повышение точности измерений за счет цифровой системы коррекции результатов измерений. Использование в толщиномере блока цифровой обработки с аппаратным умножителем позвол ет осуществить быстрое вычисление приведенной скорости распространени ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии в каждом цикле измерени и скорректировать значение тол- щины издели . Така коррекци результата повышает точность измерений и снижает требовани к стабильности напр жени питани и температурной стабильности генератора импульсов заполнени и расширител временных интервал ол. 3 ил. S (Г)

Description

Изобретение относитс к измерительной технике, предназначено дл контрол толщины материала ультразвуковым методом и может быть использовано в машиностроении, авиастроении и других отрасл х промышленности.

Целью изобретени вл етс повышение точности измерений за счет циф- ро ой системы коррекции результатов измерений.

На Лиг. 1 представлена структурна схема толщиномера; на фиг. 2 - временные диаграммы, по сн ющие его работу .

Ультразвуковой (УЗ) эхоимпульсный толщиномер i одержит последовательно соединенные синхронизатор 1, генератор 2 зондируюгчих импульсов, усилитель 3, первый к -шаратор 4, формирователь 5 измерительного импульса, схему ИЛИ 6, первый триггер 7, генератор 8 импульсов заполнени , блок 9 выделени основных импульсов и реверсивный счетчик 10, последовательно соединенные формирователь 11 временного остатка, блок 12 выделени до- полнительш-rx импульсов, вычитающий счетчик 13 и второй триггер 14, выход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика 10, приемопередающий преобразователь 15, подключенный к выходу генератора 2 зондирующих импульсов, второй компаратор 16, вход которого соединен с выходом усилител 3, выход - г вторым входом формировател 5 измерительного импульса,

о ел ю

00

фэрмировагель 17 калибровочного импульса , выход которого соединен с вто рым входом схемы ИЛИ 6, шинные формирователи 18 и блок 19 цифровой обработки , выполненный из соединенных шинами данных и управлени регистра 20 скорости, регистра 21 данных, первого и второго регистров 22 и 23 сомножителей , регистра 24 произведени , арифметического блока 25, бпока 26 программного управлени и умножител 27, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго регистров 22 и 23 сомножителей со- ответственно, выход - с входом регистра 24 произведени , вход блока 26 программного vnpanneiinn вл етс входом синхронизации блока 19 цифровой обработки и соединен с третьим вхо- дом формировател 5 измерительного импульса и первым выходом синхронизатора 1, входы шинных формирователей 13 соединены с информационными выходами реверсивного и вычитающего счетчи- ков 10 и 13, вход управлени - с шиной управлени блока 19 цифровой обработки , выход - с шиной данных блока 19 цифровой обработки, второй выход синхронизатора 1 соединен с входами Сброс реверсивного и вычитающего счетчиков 10 и 13, с входами Установка первого и второго триггеров 7 и 14 и первым входом формировател 11 временного остатка, второй вход последнего соединен с выходом схемы ИЛИ 6, третий и четвертый входы - с вторым и первым выходами блока 9 выделени основных импульсов соответственно , второй выход - с вторым вхо- дом блока 9 выделени основных импульсов , второй выход вычитающего счетчика 13 соединен с третьим входом блока Ч выделени основных импульсов, а второй вход блока 12 выделени до- полнительных импульсов соединен с выходом генератора 8 импульсов заполнени .

Позици ми 23-40 обозначены выходы сигналов с блоков УЗ толщиномера.

Ультразвуковой эхоимпульсиый толщиномер работает следующим образом.

Синхронизатор 1 вырабатывает импульсы 28, определ ющие частоту повторени циклов измерени толщиномера, импульсы 29, управл ющее Формирователем 17 калибровочного импульса, и импульсы 30, осуществл ющие сброс реверсивного 10 и вычитающего 13

Q г

0

5

счетчикон, а также vor-шоику перпого и второго триггеров 7 и 14 и формирователи 11 времен юго остатка. Импульсы генератора 2 зондирующих импульсов возбуждают приемопередающий пьезопре- обрачонатель 15, излучающий ультразвуковой импульс по нормали к передней грани контролируемого издели в слой промежуточной жидкости. Ультразвуковой импульс претерпевает отражение от передней грани издели и многократные отражени от грачей стенки контролируемого издели , после чего принимаетс приемопередающим пьезо- преобразователем 15. преобразуетс им в электрические охоимнульсы, которые усиливаютс усилителем 3 и поступают на входы первого компаратора 4 и второго компаратора 16. Импульсы 31 и 32 с выходов первого компаратора 4 и второго компаратора 16, соот- ветствугар ие отрахени м ультразвукового импульса от передней грани и многократным отражени м внутри контролируемого издели , поступают на входы формировател 5 измерительного импульса .

В формирователе 5 измерительного импульса из импульсов 31 и 32 вырабатываетс измерительный 33, длительность которого пропорциональна толщине стенки издели . Затем осуществл етс преобразование длительности измерительного импульса в цифровой измерительный код. С этой иелью импульс 33, пройд схему ИЛИ 6, запускает первый триггер 7, на выходе которого формируетс импульс 34. Далее импульсом 34 запускаетс генератор 8 импульсов заполнени , который вырабатывает счетные импульсы 35, прив занные по фазе к положительному фронту импупьса 34. Импульс 33 поступает также на формирователь 11 временного остатка и устанавливает в состо ние 1 его внутренний регистр. Последний выдает на выход формировател 11 импульс 36, который разрешает прохождение импульсов 35 через блок 9 выделени основных импульсон на счетный вход реверсивного счетчика 10. Направление счета реверсивного летчика 10 определ етс вторым триггером 14,

который импульсом 50 синхронизатора 1 устанавливаетс в положение, соответствующее режиму суммировани реверсивного счетчика 10. Кон г ц им -iv н,га 36 определ етс отрицательным перепадом

s|f 5

второго ИМПУЛЬС л посчецрпатепьнопм 3 после окончани измерительного импульса 31. Из импульс on 31 и 4ft ; л формирователе 11 временного кл выдел етс импупьс 37, чли пм;.- ность KOTOPOI ) соотвстстгуи интервалу времени от момента окончани измерительного имнутьса 33 до второго импульса заполнени . 37, TI свою очередь, поступает на вход О ю- ка 12 выделени допотигельных импульсов , который осуществп ет его линейное расширение л k ра (Упе k - емкость вЕ-гштающего счетчика 11) и запопнение счетными импульсами 35. Импульсы 39 с выхода блока 12 выделени дополнительней импульсов поступают на вход вычитающего счетчика 13.

С приходом четвертого импульса 39 на вход вычитающего счетчика 13 происходит установка второго триггера 14 в положение, когда его выходной импульс переводит реверсивный счетчик 10 в режим вычитани . При обнулении вычитающего счетчика 13 импульсы Заем с его выхода поступают на вход реверсивного счетчика 10 через блок 9 выделени основных импупьсов.

Полученный в вычитающем и реверсивном счетчиках 13 и 10 код результата измерени длительности измери- тельного импульс (младшие разр ды в вы штающем счетчике 13, а старине - в реверсивном счетчике 10) поступает на шинные формирователи 18, предназначенные дл св зи выходов счетчиков с трехстабильной ииной данных, Далее цифровой код обрабатываетс согласно программе, записанной в блоке 26 про- граммног о управлени .

Корректировка результатов измерений толнлны издели основана на учете измеренного в каждом такте зондировани коэффициента отличи результата измерени длительности высокостабильного (кварцованного) калибровочного импульса от чожт льного числа X. Последнее получают в результате измерени длительности калибровочного импульса при номинальной частоте генератора импульсов тлполчьни и нальном значении ко ,фоип;иента расширени расширител временных интервалов . Черсс (XiАХ) обозначим число, получение0 в результате реального измерени длигечьностп калибровочного импульса, Тогда коэффициент отличи измеренной длительности кллнбровочпо .8176

го импульса от заданной выражаетс Лормулон

V - - - - -

х+дх

m

Получение точного значени измер емой толщины S издели определ ют по

формуле

10

S-I.C

к,

(2)

5

0

С где Т - значение времени распространени ультразвука в материале (длительность измерительного импульса), измеренное в том же канале, что и длительность калибровочного импульса;

известное значение скорости распространени ультразвука в материале контролируемого издели , используемое в качестве одного из исходных данных контрол .

Однако вычисление коэффициента К - по формуле (1) св зано с большими затратами времени дл реализации операции делени , что приводит к значительному снижению производительности контрол . Поскольку практическа аппарат- 0 па реализаци генератора 8 импульсов заполнени и расширител временных интервалов обеспечивают отличие значени vX+iX) от X не более чем на единицы процентов, то формулу (1) дл 5 коэффициента К представим в более удобной дл вычислени форме с помощью разложетш в р д Наклорена. Записав формулу Маклорена в общем виде

. .тао)-/1

0

f(X)f(0) .(нО

-х+. . .+

(Г)

1

mi

(п+1)

(3)

и применив формулу (3) при к функ45 дни Ш)---,

где ДX const, получаем

1 АХ Х1 Х+ДХ Ч X2

.

уY

к хТй-х 1+ (4)

ПРИ отклонении значени (Х+ДХ)

5

от

значени X менее чем на 2%, формула (4) обеспечивает вычисление коэффициента К с погрешностью около 0,001%, что достаточно дл того, чтобы дополнительна погрешность измерени значени толщины S, вноси-.

ма неточностью вычислени коэффициента К, была значительно меньше основной погрешности измерени . Длительность калибровочного импульса выбирают так, что ее измеренное значение , где тп - максимальна разр дность представлени обрабатываемых данных в двоичном коде. Тогда реализаци вычислени коэффициента К по фор- муле (А) сводитс к операци м сложени и умножени . Деление же на 2 осуществл етс путем простого отбрасывани младших m разр дов, что значительно снижает врем , затрачивав- мое на вычисление коэффициента К.

Дл расчета толщины по формуле (2) вначале значение скорости распространени ультразвуковых колебаний в материале корректируетс по фор-

муле с(-йхДЈ

с(с+X

),

(5)

а затем полученное значение С используетс дл расчета толщины изде- 25 ли по формуле

S 2

(6)

Формирователь 17 калибровочного импульса запускаетс импульсом 29 синхронизатора 1 и вырабатывает импульс 40 стабильной (кварцованной) длительности. Этот импульс через схему ИЛИ 6 в каждом периоде формировани зондирующих импульсов поступ ет на тот же, что и измерительный импульс, преобразователь длительносг ти импульса в цифровой код. В этом режиме, по результатам измерени длительности калибровочного импульса, в блоке 19 цифровой обработки вычисл етс значение приведенной скорости С, (то есть реализуетс алгоритм вычислени С, по формуле (5)). Дл реализации алгоритма вычислени приведенной скорости С4 по формуле ( с максимальным быстродействием длительность калибровочного импульса выбираетс так, чтобы ее измеренное

значение , где m - разр дность реверсивного и вычитающего счетчиков , т.е. разр дность шины данных. При этом n-й разр д шины данных после измерени .калибровочного импульса будет содержать информацию о знаке отклонени величины &Х (при го-й разр д - ноль, при щ-й разр д - единица). Выбор такой длительности калибровочного импульса

0

5

0 п 5

0

5

позвол ет легко решить задачу делени в двоичном коде на формуле (5) путем отбрасывани m младших разр дов от полученного результата умножени U Х- и С(&Х+

1 у2

+--). Код значени скорости С,

X

хранитс в первом регистре 22 до следующего такта и используетс дл корректировки результата измерени по. формуле (6).

Регистр 21 данных служит дл хранени кода числа, полученного в результате измерени измерительного импульса в течение одного такта следовани синхроимпульсов.

Первый и второй регистры 22 и 23 используютс дл временного хранени первого и второго сомножителей при перемножении на аппаратном умножителе 27. Результат умножени помещаетс в регистр 24 произведени .

Регистр 20 скорости служит дл хранени действительного значени скорости С ультразвуковых колебаний в материале контролируемого издели .

Арифметический блок 25 служит дл приема операндов из мины данных, их обработки (сравнение кодов результатов измерени толщины в каждом такте работы синхронизатора с предельно допустимыми значени ми, определение их минимального и максимального значени согласно программе, генерируемой блоком 26 программного управлени , а также выдачи результатов арифметических и логических операций над операндами в шину данных).

Блок 26 программного управлени осуществл ет хранение текста про- грамм, их генерацию в зависимости от режима работы толщиномера, выдачу в шину управлени сигналов, осуществл ющих управление режимами.работы регистра 20 скорости, регистра 21 данных , первого 22 и второго 23 регистров , регистра 24 произведени , шинных формирователей 18, вырабатывает поел едовательность микрокоманд, управл ющих работой арифметического блока 25, а также отображает результаты обработки на световых и цифровых индикаторах.

При измерении длительности измерительного импульс в начале такта работы синхронизатора 1 согтлсно программе , генерируемой блоком 2Ь про-, граммного управлени , оОггпочивает25

)2Ч

с : перезапись цифрового кода длитгль- иости измерительного импульса, хран щегос п регистре 21 данных, во нто- рой регистр 23; перемножение в аппп- 5 ратном умножителе 27 записанного в первый регистр 22 кода приведенной скорости С(, вычисленного и предыдУ щем такте синхронизатора, и содержащегос во втором регистре 23 кода, 10 полученного в результате измерени длительности измерительного импульса в данном такте синхронизатора, размещение кода результата умножени в регистре 24 произведени ; считывание 15 цифрового кода из регистра 24 ведени в арифметическое блок 25, его обработка согласно программе и выдача результатов обработки в шину данных; перезапись кода чиспа с выхода 20 вычитающего 13 и реверсивного 10 счетчиков через шинные формирователи 18. Таким образом, использование в УЗ толщиномере вместо системы автоматической подстройки частоты генератора импульсов -заполнени цифровой коррекции результатов измерени путем вычислени приведенной скорости распространеш УЗ колебаний в контролируемом изделии повышает точность измерений, а также снижает требовани к стабильности напр жени питани и температурной стабиль- ногти генератора импульсов заполнени и расширител временных интервалов ,

30

35

Claims

Формула изобретени

Ультразвуковой эхоимпульсный толщиномер , содержащий последоватеттьно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, усилитель , первый компаратор, формирователь измерительного импульса, схему ИЛИ, нерв;и триггер, генератор импульсов заполнени , блок выделени основных импупьсов и реверсивный счетчик, последовательно соединенные формирователь временного остатка, блок RI,делени дополнительных импульсов, вычитающий счетчик и второй триггер, ньгход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика, приемопередающий преобразователь, подключенный к вы5

Ч

0 5 0

0

5

0

5

0

5

7Ю

ход генератора зондирующих импульсов , второй компаратор, вход которого соединен с выходом усилител , выход - с вторым входом формировате- н измерительного импульса, формирователь калибровочного импульса, выход которого соединен с вторым входом схемы IUIH, и блок цифровой обработки , первый выход синхронизатора соединен с третьим входом формировател измерительного импульса, второй выход синхронизатора - с входами Сброс 1 реверсивного и вычитающего сче-тчиков, с входами Установка первого и второго триггеров и с первым входом формировател временного остатка , вторым входом соединенного с выходом схемы ИЛИ, третьим и четвертым входами - с вторым и первым выходами блока выделени основных импульсов соответственно, вторым выходом - с вторым входом блока выделени основных импульсов, второй выход вычитающего счетчика соединен с третьим входом блока выделени основных им пульсов, а второй вход блока выделени дополнительных импульсов соединен с выходом генератора импульсов заполнени , отличающийс тем, что, с целью повышени точности, он снабжен шинными формировател ми, а блок цифровой обработки выполнен из соединенных шинами данных и управлени регистра скорости, регистра данных , первого и второго регистров сомножителей , регистра произведени , арифметического блока и блока программного управлени и умножител , первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго регистров сомножителей соответственно, выход - с входом регистра произведени , вход блока программного управлени вл етс входом синхронизации блока цифровой обработки и соединен с первым выходом синхронизатора, входы шинных формирователей соединены с информационными выходами реверсивного и вычитающего счегчиксв, вход управлени - с ииной управлени блока цифровой обработки, выход - с шиной данных блока цифровой обработки, а третий выход синхронизатора соединен с входом формировател калибровочного импульса.

Фиг.1

Т

Q

П

JLJLJL J I

ЖЖ

ЖЖШШШУШ

1IL

П

n

Ui

шина управлени

шина данны

Фиг. 2

26

ТП

шина данных ГЧ