Спосіб вимірювання товщини ультразвуком та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для одностороннего измерения толщины изделий ультразвуковыми импульсами в условиях интенсивных помех с высоким разрешением. Классический способ современной толщинометрии основывается на усредненном измерении толщины изделия путем измерения времени задержки г зондирующего ультразвукового импульса, вводимого в контролируемое изделие (Королев М.В. Э хоимпульсные толщиномеры. М.: Машиностроение, 1980. - С.8 - 9). При измерении времени задержки от момента излучения ультразвукового импульса до момента приема отраженного эхо-импульса толщина изделия определяется из соотношения где скорость распространения ультразвуковых колебания в материале изделия. Если скорость с при данной температуре величина неизменная, табличная, то необходимо измерять путем формирования, например, прямоугольного импульса напряжения, начало и конец которого соответствуют моментам появления эхо-импульсов, которые отражаются от верхней и нижней поверхности объекта контроля. Погрешность определения момента отражения от внешней поверхности изделия пренебрежимо мала благодаря большой мощности и высокой крутизне зондирующи х импульсов. Определение момента отражения от нижней поверхности объекта осуществляется с погрешностью, которая зависит от длительности и крутизны эхоимпульсов, а также от соотношения мощностей эхо-импульсов и помех. Для достижения максиальной разрешающей способности стараются максимально укоротить длительность зондирующего импульса (до одного периода несущи х колебаний) и увеличить его амплитуду. Однако использование такого импульсного зондирования, которое имеет широкий частотный спектр, затруднительно из-за большой частотной зависимости затухания ультразвука и ограниченной полосы пропускания электроакустических преобразователей. Кроме этого использование коротких импульсов ухудшает соотношение принятый сигнал/помеха. Известен способ измерения толщины ультразвуком, основанный на измерении частоты повторения многократно отраженных импульсов при совпадении очередного зондирующего импульса с отраженным эхо-импульсом (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. Кн.2 / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1986. - С.274 - 275). При частоте следования совпадающих импульсов толщину определяют из соотношения где - скорость распространения ультразвуковых колебаний. Точность этого способа определяется в основном погрешностью индикации момента совпадения слабых эхо-импульсов с зондирующими импульсами. При наличии помех эта погрешность сильно возрастает. Повышение достоверности совпадений достигается ростом соотношения сигнал/помеха. Повысить это соотношение можно увеличением частоты следования зондирующи х импульсов или увеличением их длительности. В обоих случаях увеличивается средняя мощность зондирующего, а следовательно и отраженного сигнала. Но при увеличении частоты возникает неопределенность в совпадении эхо-импульса со вторым или третьим, четвертым и т.п. зондирующими импульсами. При увеличении длительности импульсов снижается разрешающая способность к толщине. Так, когда толщина объекта становится меньше длины зондирующего импульса, фиксация совпадений становится проблематичной. Таким образом, способ не обеспечивает высокую точность измерения толщины в условиях помех. Известен также способ измерения толщины ультразвуком (Качанов В.К., Рапорт Д.А., Мозговой А.В. Разработка новых методов ультразвукового контроля на основе использования радиолокационных сигналов (обзор) // Дефектоскопия. - 1990. - №9. - С.3 - 20), заключающийся в генерировании последовательности электрических импульсов, формировании из них длительных ультразвуковых импульсов, состоящих из 10 - 20 периодов колебаний несущей частоты, зондировании этими импульсами контролируемого объекта, приеме эхо-импульсов, преобразовании эхо-импульсов в электрические импульсы, изменении частоты следования электрических импульсов, фиксации момента совпадения во времени последующих зондирующи х импульсов с принятыми эхоимпульсами, измерении в момент достижения совпадения импульсов частоты следования электрических импульсов и определении толщины по формуле. Толщину определяют по следующей формуле где - скорость распространения ультразвука в объекте контроля, - частота следования электрических импульсов. При этом совпадение импульсов во времени осуществляют по н улевой разности фаз между колебаниями несущей частоты зондирующи х и эхо-импульсов. Использование длительных зондирующи х импульсов по сравнению со стандартными из 2 - 3 колебаний дает существенный выигрыш в помехоустойчивости за счет сужения спектра принятых сигналов, так как ширина спектра эхо-импульсов длительностью т составляет Относительное сужение эффективной ширины спектра эхо-сигналов, которое характеризует также возможность сужения полосы пропускания приемного тракта толщиномеров, приближенно можно оценить как где и длительность и полоса частот коротких и длинных импульсов с 10 - 20 периодами несущей частоты дает что соответствует повышению помехозащищенности к акустическим импульсным помехам на 15 30дБ. Повышение помехозащищенности эхо-способа при излучении относительно длинных импульсов сопровождается повышением средней энергии эхо-импульсов в сравнении с соответствующей средней энергией классической толщинометрии. Однако при фиксации совпадения длительных импульсов по фазе несущи х колебаний возникают трудности в преодолении неоднозначности нулевой разности фаз. Так, нулевая разность фаз сравниваемых колебаний повторяется при каждом сдвиге фаз несущи х колебаний на 360° (на один период несущи х колебаний). Для исключения неоднозначности необходимо излучение зондирующи х импульсов проводить на двух и более близких частота х с последующим вычислением комулятивной разности фаз (разности фаз большей 360°). Это существенно усложняет реализацию этого способа и ведет к расширению спектра частот, что снижает эффективность использования длительных импульсов для зондирования контролируемых объектов. Среди ультразвуковых толщиномерюв наибольшее применение получили импульсные устройства (Гершат Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. - М.: Энергия, 1976. - С.238 - 239), которые содержат генератор электрических импульсов, к выходу которого подключен пьезоэлектрический преобразователь, приемный усилитель, задающий генератор и осциллографический индикатор. Задающий генератор выполняет роль синхронизатора и обеспечивает поочередную работу пьезоэлектрического преобразователя в режиме излучатель-приемник и селективный прием эхо-импульсов на фоне помех. Однако невысокая помехозащищенность и разрешающая способность осциллографического индикатора не позволяет контролировать толщину объектов с высокой точностью. Известно также устройство для измерения толщины ультразвуком (Королев М.В. Безэталонные ультразвуковые толщиномеры. М.: Машиностроение, 1985. - С.11 - 12), содержащее генератор электрических импульсов, генератор ультразвуковых частот, раздельносовмещенный электроакустический преобразователь, усилитель электрического напряжения, звено временной задержки и измерительный прибор. Кроме того это устройство включает два пороговых устройства и формирователь временного интервала, один вход которого через первое пороговое устройство и звено временной задержки соединен с генератором импульсов и входом электроакустического преобразователя, другой вход через второе пороговое устройство и усилитель электрического напряжения соединен с выходом электроакустического преобразователя. При использовании длительных импульсов возникает большая погрешность в измерении толщины, так как при формировании временного интервала используется только передний пологий фронт эхо-импульса, а вся его энергия не используется. Поэтому совпадение зондирующих и эхо-импульсов в этом устройстве зафиксировать затруднительно. В основу изобретения положена задача создания таких способа и устройства для измерения толщины ультразвуком, в которых введение новых операций и их последовательности в способе и введение новых элементов и взаимосвязей между элементами в устройстве позволили бы при одностороннем зондировании контролируемого объекта ультразвуковыми длительными импульсами обеспечить высокую точность измерения толщины по частоте следования зондирующих импульсов благодаря индикации полного совпадения эхо-импульсов во времени с последующими зондирующими импульсами. Эта задача решается тем, что в способе измерения толщины ультразвуком, заключающемся в генерировании последовательности электрических импульсов, формировании из них длительных ультразвуковых импульсов, состоящих из 10 - 20 периодов колебаний несущей частоты, зондировании этими импульсами контролируемого объекта, приеме эхо-импульсов, изменении частоты следования электрических импульсов, фиксации момента совпадения во времени последующих зондирующи х импульсов с принятыми эхоимпульсами, измерении в момент достижения совпадения импульсов частоты следования электрических импульсов и определении толщины по формуле, согласно изобретению после преобразования эхо-импульсов в электрические импульсы, эхо-импульсы усиливают, из последовательности усиленных эхо-импульсов формируют измерительный сигнал, задерживают возбуждающие зондирующие ультразвуковые импульсы, формируют опорный сигнал из последовательности задержанных зондирующих импульсов, опорный сигнал задерживают на время, равное половине длительности зондирующи х импульсов, импульсы опорного и измерительного сигналов выпрямляют и сглаживают, видеоимпульсы опорного и измерительного сигналов перемножают, выделяют постоянную составляющую напряжения которую фиксируют, затем импульсы измерительного сигнала задерживают на время задержки импульсов опорного сигнала, выпрямляют и сглаживают, импульсы опорного сигнала только выпрямляют и сглаживают, видеоимпульсы измерительного и опорного сигналов вновь перемножают, выделяют постоянную составляющую напряжения которую фиксируют, сравнивают постоянные напряжения и а измерение частоты следования электрических импульсов производят в момент равенства сравниваемых напряжений. В устройстве для измерения толщины ультразвуком эта задача решается тем, что в устройство, содержащее генератор электрических импульсов, генератор ультразвуковой частоты, раздельно-совмещенный электроакустический преобразователь, усилитель электрического напряжения, звено временной задержки и измерительный прибор, согласно изобретению в него введены генератор ультразвуковых колебаний, ключ, одновибратор, второе звено временной задержки, коммутационный генератор, последовательно включенные усилитель частоты коммутации, фазочувствительный выпрямитель и интегратор, коррелятор, два амплитудных детектора и два переключателя, вход первого переключателя соединен через первое звено временной задержки со входом раздельносовмещенного электроакустического преобразователя, который соединен через ключ с генератором ультразвуковой частоты, вход второго переключателя соединен через избирательный усилитель с выходом раздельно-совмещенного электроакустического преобразователя, противоположные выходы переключателей соединены между собой, одна пара выходов соединена через первый детектор с одним входом коррелятора, другая пара выходов соединена через второе звено задержки и второй детектор с другим входом коррелятора, выход которого соединен с входом усилителя частоты коммутации, вы ход интегратора соединен с управляющим входом генератора электрических импульсов, выход которого через одновибратор соединен с управляющим входом ключа и с измерительным прибором, а управляющие входы переключателей и фазочувствительного выпрямителя подключены к коммутационному генератору. Благодаря введению в способ операций по преобразованию импульсных измерительного и опорного сигналов в видеоимпульсы, их периодической задержки на время, равное половине длительности зондирующи х импульсов, введению в устройство коррелятора и звеньев выделения переменной составляющей из спектра последовательности перемноженных видеоимпульсов, исключена неоднозначность индикации состояния полного совпадения во времени длительных импульсов и получена возможность автоматической подстройки' частоты следования зондирующих импульсов по результатам двух дополнительных частичных совпадений длительных импульсов. В результате корреляционной обработки слабого измерительного сигнала, полученного из отраженных импульсов, с мощным опорным сигналом, сформированным из последовательности зондирующих импульсов, исключено влияние помех и шумов на результат измерения. Избирательное усиление длительных эхо-импульсов с узкой шириной спектра и совпадения последующих зондирующи х импульсов с принятыми эхо-импульсами по равным значениям корреляционной функции (произведениям двух отсчетов при одинаковой задержке) повышает точность измерения времени задержки зондирующи х импульсов внутри контролируемого объекта, а следовательно, и его толщины. На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для измерения толщины ультразвуком; на фиг.2 - эпюры импульсов и напряжений на выходе преобразовательных звеньев этого устройства. Ультразвуковое устройство содержит генератор 1 ультразвуковой частоты, ключ 2, раздельно-совмещенный электроакустический преобразователь 3, одновибратор 4, генератор 5 электрических импульсов, избирательный усилитель 5, переключатели 7 и 8, звенья временной задержки 9 и 10, детекторы 11 и 12, коррелятор (перемножитель) 13, коммутационный генератор 14, усилитель 15 частоты коммутации, фазочувствительный выпрямитель 16, интегратор 17 и измерительный прибор (микропроцессорный частотомер) 18. Позицией 19 обозначен контролируемый объект. Генератор 1 через ключ 2 соединен со входом электроакустического преобразователя 3. Управляющий вход ключа через одновибратор 4 подключен к выходу генератора 5 электрических импульсов. Выход электроакустического преобразователя через избирательный усилитель 6 соединен со входом переключателя 7. Вход переключателя 8 через первое звено задержки 9 соединен со входом электроакустического преобразователя. Противоположные выходы переключателей соединены между собой. Одна пара выходов соединена через первый детектор 11 с одним входом коррелятора 13, другая пара выходов соединена через второе звено задержки 10 и второй детектор 12 с другим входом коррелятора. К выходу коррелятора подключены последовательно соединенные усилитель 15 частоты коммутации, фазочувстви тельный выпрямитель 16 и интегратор 17. Управляющие входы переключателей и фазочувствительного выпрямителя подключены к коммутационному генератору 14. Выход интегратора соединен с управляющим входом генератора 5 электрических импульсов, к выходу которого подключен микропроцессорный частотомер 18. Способ измерения толщины осуществляется следующим образом. Из электрических колебаний генератора 1 ультразвуковой частоты формируют ключом 2 длительные ультразвуковые импульсы, состоящие из 10 - 20 периодов колебаний несущей частоты, которые возбуждают электроакустический преобразователь 3. Длительность возбуждающих импульсов задается регулировкой одновибратора 4, который периодически запускается электрическими импульсами генератора 5. Ультразвуковыми импульсами длительностью зондируют через слой контактной смазки или иммерсионной жидкости контролируемый объект 19 толщиной Эхоимпульсы, отраженные от его внутренней поверхности с задержкой где - скорость распространения ультразвука внутри объекта, принимаются на преобразователь 3. Преобразованные в электрические импульсы, они усиливаются избирательным усилителем 6, настроенным на несущую частоту с о тносительно узкой полосой пропускания Последовательность усиленных импульсов формирует измерительный сигнал, который поступает на переключатель 7. Возбуждающие импульсы с выхода ключа 2 задерживаются звеном задержки 9 на время равное задержке зондирующи х ультразвуковых импульсов в протекторе электроакустического преобразователя 3. Из последовательности задержанных импульсов образуют опорный сигнал, который поступает на переключатель 8. При указанном положении переключателей 7 и 8 опорный сигнал дополнительно задерживают звеном 10 на время которое выбирают равным половине длительности зондирующи х импульсов Импульсы измерительного сигнала выпрямляются и сглаживаются детектором 11 и поступают на один вход коррелятора 13. На его другой вход поступают через детектор 12 выпрямленные и сглаженные импульсы опорного сигнала, дополнительно задержанные на время В результате сглаживания образуются видеоимпульсы, которые перемножаются в корреляторе 13. В случае совпадения во времени импульсов измерительного сигнала (фиг.2,а) с импульсами опорного сигнала (фиг.2,б), произведение соответствующи х видеоимпульсов было бы максимально, что тр удно зафиксировать с высокой точностью. При наличии дополнительной задержки видеоимпульсы опорного сигнала (фи г.2,в), запаздывают относительно видеоимпульсов напряжений изменяют частоту следования электрических импульсов генератора 5. Переключением опорного и измерительного сигналов определяют новые значения и которые вновь затем сравнивают. Измерения частоты следования электрических импульсов производят в момент равенства сравниваемых измерительного сигнала (фиг.2,г) на указанное время. В результате этого сигнал от произведения видеоимпульсов на выходе коррелятора 13 принимает половинное значение от максимального (фиг.2,д). В противоположном положении переключателей 7 и 8 дополнительно задерживаются в звене 10 импульсы напряжений Последнее свидетельствует о постоянстве выходного напряжения коррелятора при введении дополнительной задержки то в опорный, то в измерительный сигналы, а следовательно, о полном по всей длине совпадения эхо-импульсов с последующими зондирующими импульсами. По результатам измерения частоты следования импульсов прибором 18 определяют толщину контролируемого объекта измерительного сигнала которые затем выпрямляются и сглаживаются детектором 12 (фиг.2,г). Опорные импульсы только выпрямляются и сглаживаются в детекторе 11. В этом случае запаздывают видеоимпульсы измерительного сигнала относительно опорного на время (фиг.2,г). Вы ходной сигнал коррелятора 13 принимает то же самое значение (фиг.2,д). Таким образом, при полном совпадении эхоимпульсов измерительного сигнала с последующими зондирующими импульсами опорного сигнала, введение дополнительной задержки то в опорный, то в измерительный сигналы не изменяет выходной сигнал коррелятора. Если эхо-импульсы измерительного сигнала и зондирующие импульсы опорного сигнала перекрывают друг друга только по части периодов несущей частоты (фиг.2,е и ж), т.е. имеет место неполное совпадение импульсов по длительности, а запаздывание на время то выходной сигнал коррелятора 13 не остается постоянным. Так, если при одном положении переключателей 7 и 8 импульсы измерительного сигнала (фиг.2,з) только детектируются и сглаживаются, то импульсы опорного сигнала дополнительно запаздывают на время (фиг.2,и). В результате этого импульсы опорного сигнала запаздывают относительно импульсов измерительного сигнала сдвинуты х по времени на только на время Выходные импульсы коррелятора 13 растягиваются и постоянная составляющая напряжения принимает значение (фиг.2,к). Напряжение фиксируют. В другом положении измерительного сигнала дополнительно задерживаются звеном 10 на время а импульсы опорного сигнала преобразуются без задержки (фиг.2,з и и). Результирующее запаздывание импульсов измерительного относительно импульсов опорного сигнала становится равным (фиг.2,и). Выходные импульсы коррелятора 13 суживаются а постоянная составляющая напряжения уменьшается до значения (фиг.2,к). Напряжение фиксируют и сравнивают с напряжением При неравенстве этих где - скорость ультразвука внутри объекта. Если в качестве измерительного прибора 18 использовать микропроцессорный частотомер, то его показания можно запрограммировать непосредственно в единицах толщины, введя в память в качестве константы скорость ультразвука в конкретном объекте. В ультразвуковом устройстве (фиг.1) процесс периодического переключения переключателей 7 и 8 автоматизирован с помощью коммутационного генератора 14. Частота следования коммутирующи х импульсов выбирается в 10 50 раз меньше минимальной частоты следования зондирующи х импульсов которая в свою очередь, определяется максимальной толщиной контролируемого объекта При периодической работе переключателей 7 и 8 с частотой в спектре последовательности перемноженных видеоимпульсов при отсутствии совпадения импульсов измерительного и опорного сигналов возникает переменная составляющая напряжения с частотой коммутации дополнительной задержки (фиг.2,л). Переменная составляющая напряжения с амплитудой усиливается усилителем 15 частоты коммутации и выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 16 который управляется коммутационным генератором 14. Выпрямленное напряжение заряжает интегратор 17, выходное напряжение которого воздействует на управляющий вход генератора 5 электрических импульсов. Под воздействием управляющего напряжения частота следования электрических импульсов изменяется, а следовательно, изменяется и частота следования зондирующи х импульсов. Процесс регулирования частоты генератора 5 длится до тех пор, пока принятые эхо-импульсы не совпадут во времени с очередными зондирующими импульсами. При полном совпадении импульсов на выходе коррелятора 13 исчезает переменная составляющая частоты коммутации, и интегратор 17 перестает заряжаться. В случае перерегулирования изменяется фаза переменной составляющей напряжения (фиг.2,л) на 180°, полярность выпрямленного напряжения фазочувствительным выпрямителем 16 становится противоположной и интегратор 17 разряжается. Процесс следящего регулирования частоты генератора 5 длится до полного совпадения импульсов измерительного и опорного сигналов. При изменении толщины объекта в процессе контроля нарушается установленное ранее совпадение импульсов. На выходе фазочувствительного выпрямителя 16 появляется постоянное напряжение, полярность которого определяется знаком изменения толщины В результате частота генератора 5 изменяется до нового значения которому соответствует полное совпадение импульсов по их длине. При этом изменение толщины определяется соотношением Микропроцессорный частотомер 18 вычисляет по двум значениям частоты и изменение толщины, что позволяет осуществлять автоматический контроль протяженных объектов, например, толщины стенок трубопровода при движении вдоль него электроакустического преобразователя. Благодаря использованию длительных зондирующи х импульсов с узким спектром приемный усилитель 6 выполняется избирательным, настроенным на частоту несущи х колебаний, с узкой полосой пропускания, Корреляционная обработка совпадающих импульсов в сочетании с узкополосным усилением эхо-импульсов обеспечивает высокую помехозащищенность импульсного толщиномера и высокую разрешающую способность. Исследования показали, что ультразвуковой толщиномер с длительными зондирующими импульсами, коррелятором и микропроцессорной обработкой результатов измерений обеспечивает непрерывный контроль изменений толщины стенок металлических и полимерных тр уб в диапазоне 0,05 - 0,5мм при исходной толщине с погрешностью не более (0,5 - 1)% при измерениях на трассах с высоким уровнем индустриальных и естественных помех.