Ультразвуковий безконтактний товщиномір

Ультразвуковий безконтактний товщиномір, який містить п'єзоелектричний перетворювач, послідовно з'єднані детектор, фільтр нижніх частот та формувач імпульсів, вихід якого з'єднаний з лічильним входом симетричного тригера, прямий та інверсний виходи якого з'єднані з входами диференційного підсилювача, вихід якого з'єднаний з інтегратором, та обчислювальний частотомір, який відрізняється тим, що в нього додатково введені 3 ні з входом диференційного підсилювача, вихід якого з'єднаний з інтегратором, та обчислювальний частотомір. Крім того, відомий товщиномір містить високочастотний генератор, перший та другий ключі, керуючі входи яких з'єднані з протифазними виходами одновібратора, генератор імпульсів регульованої частоти, з'єднаний з входом одновібратора, а також підсилювач потужності, підключений до виходу високочастотного генератора. При автоматичній підстройці частоти імпульсного генератора період повторення зондуючих імпульсів встановлюється кратним часовій затримці ультразвукових імпульсів усередині контрольованого виробу при виконанні умов симетричного розташування ультразвукових імпульсів відносно відбитих імпульсів від двох поверхонь контрольованого виробу. При цьому виключається вплив непостійності часу проходження проміжного середовища, тобто зазору між випромінювачем та контрольованим виробом. Однак, виконання вказаної умови у схемі відомого товщиноміра ускладнено через відсутність часової синхронізації імпульсів, що генеруються, з моментами появи відбитих імпульсів. Це пов'язано з тим, що процес генерування імпульсів та їх часове положення по відношенню до послідовно відбитих імпульсів є випадковим через наявність електричних флуктуацій у електронних перетворювачах. Тому точність безконтактного контролю товщини за допомогою існуючих безконтактних товщиномірів є невисокою. В основу корисної моделі покладена задача створення такого ультразвукового безконтактного товщиноміра, в якому введенням нових елементів та зв'язків забезпечувалось би підвищення точності вимірювання товщини виробів при однобічному доступі та достовірності результатів контролю. Поставлена задача вирішується тим, що в ультразвуковий безконтактний товщиномір, який містить п'єзоелектричний перетворювач, послідовно з'єднані детектор, фільтр нижніх частот та формувач імпульсів, вихід якого з'єднаний з лічильним входом симетричного тригера, прямий та інверсний виходи якого з'єднані з входами диференційного підсилювача, вихід якого з'єднаний з інтегратором, та обчислювальний частотомір, згідно корисної моделі, додатково введені пускова кнопка, елемент «АБО», елемент затримки, імпульсний підсилювач, широкосмуговий підсилювач з блоком блокування, диференціатор, блок регульованої затримки та блокінг-генератор, вхід якого з'єднаний з виходом елементу «АБО», вихід з'єднаний через елемент затримки та імпульсний підсилювач з входом п'єзоелектричного перетворювача та входом широкосмугового підсилювача, блок блокування якого підключений безпосередньо до виходу блокінг-генератора, вихід широкосмугового підсилювача з'єднаний з входом детектора, прямий вихід симетричного тригера через диференціатор з'єднаний з блоком регульованої затримки, керуючий вхід якого підключений до виходу інтегратора, вихід з'єднаний з одним з входів елемента «АБО», другий вхід якого з'єднаний з 43354 4 пусковою кнопкою, а обчислювальний частотомір підключений до виходу блокінг-генератора. Введення у схему товщиноміра пускової кнопки, елементу «АБО», елементу затримки, імпульсного підсилювача, широкосмугового підсилювача з блоком блокування, диференціатора, блока регульованої затримки та блокінг-генератора, з'єднаних з використаними елементами заявленим зв'язком, забезпечує жорстку синхронізацію зондуючих імпульсів з відбитими та циклічну роботу пристрою, формування зондуючих імпульсів безпосередньо з відбитих від внутрішньої поверхні контрольованого виробу шляхом перемикання симетричного тригера з нульового в одиничний стан та диференціюванням його вихідного сигналу, виключення впливу імпульсу, відбитого від зовнішньої поверхні контрольованого виробу, шляхом переключення тригера у протилежний (нульовий) стан, повторного запуску блокінггенератора імпульсом з виходу диференціатора та затриманим блоком регульованої затримки, який керується вихідною напругою диференціального підсилювача через інтегратор, та доведенням регульованої затримки до значення, при якому наступнийвідбитий імпульс від внутрішньої поверхні контрольованого виробу починає співпадати з попереднім відбитим імпульсом від зовнішньої поверхні, що призводить до перерви рециркуляції імпульсів та можливості визначення значення товщини контрольованого виробу по усталеному показу обчислювального частотоміра. В результаті вказаних дій забезпечується підвищення точності та стабільності роботи ультразвукового безконтактного товщиноміра. На кресленні подана електрична функціональна схема ультразвукового безконтактного товщиноміра. Товщиномір містить пускову кнопку 1, яка підключена до одного з входів елемента «АБО» 2, виходом з'єднаного із збуджуючим входом блокінггенератора 3. До виходу останнього підключені послідовно з'єднані елемент затримки 4, імпульсний підсилювач 5 та п'єзоелектричний перетворювач 6. До входу п'єзоелектричного перетворювача підключені послідовно з'єднані широкосмуговий підсилювач 7 з блокуючим блоком 8, детектор 9, фільтр 10 нижніх частот та формувач імпульсів 11. Лічильний вхід симетричного тригера 12 також з'єднаний з виходом формувача імпульсів 11, його прямий та інверсний виходи з'єднані з входами диференціального підсилювача 13, до виходу якого підключений інтегратор 14. Прямий вихід симетричного тригера 12 також з'єднаний через диференціатор 15 з блоком регульованої затримки 16, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом інтегратора 14, а вихід через другий вхід елементу «АБО» 2 з'єднаний з входом блокінг-генератора 3, до виходу якого підключений обчислювальний частотомір 17. Позицією 18 на кресленні позначений контрольований виріб, у напрямку якого за допомогою п'єзоелектричного перетворювача 6 випромінюється зондуючий та приймаються відбиті ультразвукові сигнали. 5 Ультразвуковий безконтактний товщиномір працює наступним чином. При замиканні кнопки 1 пусковий імпульс через елемент «АБО» 2 збуджує блокінг-генератор 3, який генерує короткий відеоімпульс, тривалістю ∆t, який через елемент затримки 4 з затримкою τ1 поступає на імпульсний підсилювач 5. Підсилені відеоімпульси збуджують п'єзоелектричний перетворювач 6, який випромінює зондуючі ультразвукові згасаючі по амплітуді радіоімпульси у напрямку контрольованого виробу 18. Одночасно відеоімпульси тривалістю ∆t поступають на вхід блокуючого блоку 8, який формує запираючу напругу для широкосмугового підсилювача 7. Затримка t1 елемента затримки 4 вибирається рівною часу встановлення запираючої напруги в блокуючому блоці 8, а час дії запираючої напруги встановлюється рівним тривалості ∆t генеруємого відеоімпульса. Тому збуджуючий п'єзоелектричний перетворювач 6 відеоімпульс з затримкою t1 не проходить через широкосмуговий підсилювач 7. Якщо позначити через t0 початковий момент генерування відеоімпульсу, то відеоімпульс, який збуджує зондуючий ультразвуковий імпульс, виникає в момент часу (1) t1=t0+t1 Ультразвуковий імпульс проходить розділяюче середовище (зазор між поверхнею ультразвукового перетворювача та внутрішньою поверхнею контрольованого виробу) з затримкою (2) tзаз=l/с0 де l - відстань від ультразвукового перетворювача до внутрішньої поверхні контрольованого виробу 18; с0 - швидкість розповсюдження ультразвуку в розділяючому середовищі. В результаті часткового відбиття ультразвукового сигналу від поверхні виробу 18 створюється перший відбитий імпульс, час появи якого складає (3) t2=tl+t2+t3=t0+t1+t2+t3 де t2 - затримка у формуванні зондуючих ультразвукових імпульсів у п'єзоелектричному перетворювачі 6; t3=tзаз - затримка (2) у зазорі. Ультразвуковий імпульс, який пройшов контрольований виріб 18, відбивається від зовнішньої його поверхні та додатково затримується на час (4) t4=hx/c де hx - товщина контрольованого виробу 18; с - швидкість розповсюдження ультразвукових коливань у контрольованому виробі 18. Час появи другого відбитого імпульсу складає (5) t3=t2+t4=t0+t1+t2+t3+t4 Перший відбитий ультразвуковий імпульс приймається п'єзоелектричним перетворювачем 6 та перетворюється у електричний радіоімпульс. В момент прийняття відбитого імпульсу широкосмуговий підсилювач 7 вже відкритий. Тому прийнятий радіоімпульс після підсилення широкосмуговим підсилювачем 7 випрямляється детектором 9 та згладжується фільтром 10 нижніх частот. З отриманого відеоімпульсу формується короткий імпульс формувачем імпульсів 11. Часове положення прийнятого імпульсу визначається часом (3) та затримкою у середовищі розповсюдження до ви 43354 6 робу 18 та затримкою у самому п'єзоелектричному перетворювачі 6: (6) t4=t2+t2+t3=t0+t1+2t2+2t3 Короткий імпульс з виходу формувача імпульсів 11з часовою затримкою (6) відносно початкового імпульсу блокінг-генератора 3 поступає на лічильний вхід симетричного тригера 12 та переводить його у одиничний стан. На прямому виході симетричного тригера 12 диференціатором 15 формується імпульс від перепаду вихідної напруги тригера, який впливає на елемент затримки 4 (наприклад, одновібратор, який керується по тривалості), з виходу якого затриманий імпульс через елемент «АБО» 2 знову збуджує блокінг-генератор 3. Момент до формування наступного відеоімпульсу складає (7) t5=t4+t5=t0+t1+2t2+2t3+t5 де τ5 затримка, яка вноситься блоком регульованої затримки 16. Другий відбитий від іншої поверхні виробу 18 імпульс поступає на вхід широкосмугового підсилювача 7 в момент часу, який з урахуванням виразу (5) дорівнює (8) t6=t3+2t2+2t3+2t4=t0+t1+2t2+2t3+2t4 Так як широкосмуговий підсилювач 7 відкритий, то і другий прийнятий імпульс після перетворення у елементах 7-11 впливає також на лічильний вхід тригера 12 та переводить його у початковий (нульовий) стан. При цьому не формується імпульс для збудження блокінг-генератора 3, так як диференціатор 15 не зв'язаний з інверсним виходом тригера 12. Збуджений першим відбитим імпульсом блокінг-генератор 3 створює черговий зондуючий відеоімпульс, який обумовлює появу двох наступних відбитих від контрольованого виробу 18 імпульсів. Наступний відбитий від внутрішньої поверхні контрольованого виробу 18 імпульс з'являється у момент часу (9) t7=t5+t1+t2+t3=t0+2t1+3t2+3t3+t5 Другий наступний відбитий імпульс з'являється у момент часу (10) t8=t7+t4=t0+2t1+3t2+3t3+3t4+t5 Перший наступний відбитий імпульс поступає на вхід широкосмугового підсилювача 7 з затримкою, яка обумовлена зворотнім проходженням та перетворенням у електричний імпульс, (11) t9=t7+t2+t3=t0+2t1+4t2+4t3+t5 Після перетворення у елементах 7-11 перший наступний відбитий імпульс поступає на симетричний тригер 12, який до цього був переключений в нульовий стан попереднім другим відбитим імпульсом. В результаті перекидання тригера 12 диференціатором 15 знов формується короткий імпульс, який після затримки у регульованому блоці затримки 16 знов запускає блокінг-генератор 3. Момент формування чергового відеоімпульса визначається виразом (12) t10=t9+t5=t0+2t1+4t2+4t3+2t5 Таким чином, завдяки повторному запуску блокінг-генератора 3 першими відбитими імпульсами виникає стабільна рециркуляція зондуючих імпульсів, яка кожен раз стимулюється першим відбитим імпульсом через переключення тригера 12 в нульовий стан попереднім другим відбитим 7 імпульсом. Частота повторення реціркулюючих імпульсів визначається виразом: (13) F=1/(t10-t5)=1/(t1+2t2+2t3+t5) З виразу (13) видно, що частота повторення зондуючих імпульсів F, яка вимірюється обчислювальним частотоміром 17, у значній мірі визначається регульованою затримкою t5 регульованого блока затримки 16. Для вироблення керуючої напруги блоку затримки 16 прямокутні імпульси з прямого та інверсного виходів тригера 12 впливають на входи диференційного підсилювача 13. Тривалість прямокутних імпульсів є різною і визначається часовим інтервалом між перемикаючими імпульсами та паузою між ними. Якщо часовий інтервал між перемикаючими імпульсами постійний та дорівнює t4, то тривалість паузи залежить від величин t1, t2, t3 і є змінною, так як залежить від регульованої затримки t5. Вихідна напруга диференціального підсилювача 13 при постійності амплітуд прямокутних імпульсів визначається різницею їх тривалостей. Підсилена різницева напруга заряджає інтегратор 14, вихідна напруга якого впливає на керуючий вхід блоку регульованої затримки 16. Збільшення напруги на виході інтегратора 14 збільшує затримку τ5, яка вноситься блоком 16, що призводить до додаткової затримки наступного першого відбитого імпульсу (11). Попередній другий відбитий імпульс (6) свій часовий стан не змінює, так як час його появи не залежить від регульованої затримки t5. При цьому зменшується тривалість паузи між наступним першим відбитим імпульсом та попереднім другим відбитим імпульсом. В результаті автоматичного регулювання значення затримки t5 буде досягнутий стан, коли наступний перший відбитий імпульс співпаде з попереднім другим більш пізнім відбитим імпульсом. При співпадінні імпульсів (11) та (6) має місце рівність t4=t9 (14) Із рівності (14) слідує, що регульована затримка при цьому досягає значення (15) t5=2t4-t1-2t2-2t3 В момент співпадіння вказаних імпульсів зрівнюються тривалість часу між відбитими імпульсами і тривалість паузи між ними. В результаті цього процес автоматичного регулювання затримки блока 16 припиняється, так як різницева напруга стає нульовою. Але при цьому не припиняється попереднє повернення симетричного тригера 12 в початковий стан, що призводить до розриву ланцюга рециркуляції зондуючих імпульсів. Усталене значення частоти слідування зондуючих імпульсів, яке запам'ятовується обчислювальним частотоміром 17, можливо визначити з виразу (13), підставивши в нього усталене значення затримки t5 з виразу (15): 43354 8 1 (16) 2t 4 Якщо підставити у вираз (16) значення t4 з виразу (4), то частота F буде дорівнювати c F= (17) 2h x Таким чином, частота F, що вимірюється, однозначно визначається товщиною контрольованого виробу hx та не залежить як від затримки у зазорі t3, так і від апаратурних затримок t1 та t2. У пам'ять обчислювального частотоміра вводять значення швидкості С розповсюдження ультразвукових коливань в матеріалі контрольованого виробу. Для цього попередньо вимірюють швидкість С в матеріалі відомої товщини h0 по частоті F0, яка вимірюється у процесі калібровки: c=2h0F0 (18) Значення швидкості (18) вводять у пам'ять частотоміра 17. З урахуванням (18) отримаємо значення частоти у процесі контролю невідомої товщини: h F = 0 F0 (19) hx звідки можливо визначити товщину контрольованого виробу 18 h F = 0 F0 (20) hx Результат вимірювання виводиться на табло обчислювального частотоміра 17. Повторний вимір проводиться замиканням пускової кнопки 1, після чого вимірювальний цикл повторюється. Якщо виникла зміна товщини контрольованого виробу 18, то автоматично змінюється затримка τ5, яка вноситься блоком регульованої затримки 16, та на табло обчислювального частотоміра 17 виводиться нове значення товщини hx. Таким чином, використання запропонованого ультразвукового безконтактного товщиноміра в контрольно-вимірювальній техніці дозволяє: - безконтактно вимірювати товщину звукопроникних матеріалів, перш за все текстильних та шкіряних виробів, які виготовляються у вигляді рулонних та листових матеріалів, при однобічному доступі; - контролювати товщину матеріалів, що рухаються, відстань до яких неможливо забезпечити постійною у реальних технологічних умовах; - підвищити точність вимірювання товщини імпульсним ехо-методом за рахунок жорсткої синхронізації частоти слідування зондуючих імпульсів з відбитими від поверхні контрольованого виробу імпульсами та їх часовим положенням; - врахувати у процесі калібровки швидкість розповсюдження ультразвукових коливань у контрольованому виробі за допомогою розробленого товщиноміра, що підвищує достовірність контролю. F= 9 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 43354 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601