СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ИЗДЕЛИЯ С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИМПУЛЬСОВ
METHOD OF PRODUCT THICKNESS GAUGING BY ULTRASONIC IMPULSES

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для контроля толщины изделий с помощью ультразвука.
Известен резонансный способ измерения толщины изделия, в частности, толщины пластины из твердого материала, заключающийся в возбуждении в пластине вынужденных ультразвуковых колебаний и определении их резонансных частот, по которым при известной скорости распространения ультразвуковых колебаний в материале вычисляют искомую толщину пластины (Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов: Справочник. М.: Металлургия, 1991, с.283-286). Этот способ не пригоден для измерения толщины изделий с криволинейными и шероховатыми поверхностями.
В настоящее время наиболее часто при ультразвуковом измерении толщины изделий применяется эхо-импульсный способ. По данному способу в материал изделия с помощью ультразвукового преобразователя излучают ультразвуковые импульсы, принимают из изделия эхо-импульсы, отраженные от противоположной поверхности изделия, измеряют время распространения эхо-импульса от одной поверхности до другой и обратно и вычисляют толщину исходя из этого времени и известной скорости звука в материале изделия (Королев М.В. Эхо-импульсные толщиномеры. - М.: Машиностроение, 1980, с.79-87). По одному из вариантов способа измеряют временной интервал между моментами приема двух следующих один за другим эхо-импульсов из последовательности сигналов, многократно отраженных от поверхностей изделия. В частности, по а.с. СССР №1696858 от 24.11.89 г., для измерения толщины изделия берут первый и второй эхо-импульсы и измерение осуществляется следующим образом: с помощью ультразвукового преобразователя излучают ультразвуковые импульсы, регистрируют на уровне выше паразитных шумов преобразователя и усилителя (в описании - на заданном уровне) момент выхода из изделия переднего фронта первого отраженного эхо-импульса, регистрируют на этом же уровне момент выхода из изделия переднего фронта второго отраженного эхо-импульса, определяют временной интервал между этими моментами, дополнительно на указанном уровне регистрируют моменты выхода из изделия заднего фронта первого отраженного эхо-импульса и заднего фронта второго отраженного эхо-импульса и определяют временной интервал между этими моментами, а толщину изделия определяют исходя из полусуммы временных интервалов между передними и задними фронтами эхо-импульсов.
Недостаток данного варианта эхо-импульсного способа - низкая точность измерения, которая обусловлена возможностью измерений по двум разным периодам колебаний, изменением амплитуды второго эхо-импульса, в том числе низкой амплитудой второго эхо-импульса при измерении толщины изделий из материалов с высоким затуханием ультразвука, несимметричной формой импульса.
Более предпочтителен вариант способа измерения толщины изделия с помощью ультразвуковых импульсов, состоящий в том, что с помощью ультразвукового преобразователя излучают ультразвуковые импульсы, регистрируют момент излучения зондирующего импульса в изделие, регистрируют на уровне выше паразитных шумов преобразователя и усилителя момент выхода из изделия переднего фронта первого отраженного эхо-импульса, определяют временной интервал между этими моментами, а затем вычисляют толщину исходя из этого временного интервала и известной скорости звука в материале изделия (Неразрушающий контроль. Учебное издание. В 5 кн. / Под ред. В.В.Сухорукова, - М.: Высш.шк., 1991. Кн.2. Акустические методы контроля. - с.234-236). Данный способ наиболее близок к предлагаемому и принят за прототип. В этом варианте определяют временной интервал между моментом излучения зондирующего импульса в изделие и моментом приема из него первого импульса, отраженного от противоположной поверхности изделия (первого донного импульса), а так как момент излучения зондирующего импульса можно зарегистрировать с высокой точностью по времени, то и точность измерений повышается.
Однако в зависимости от уровня, на котором регистрируют момент выхода из изделия первого отраженного эхо-импульса (по прототипу - уровень напряжения U0), зависит точность измерений. Данный уровень должен быть как можно более низким, так как при низком уровне больше крутизна фронта волны и, соответственно, выше точность измерений, но в тоже время быть выше паразитных шумов преобразователя и усилителя (уровня помех). Наиболее высокий уровень шумов создает преобразователь и значительно более низкий уровень шумов (примерно в 10 раз) создает вся остальная схема толщиномера и эти паразитные шумы обычно называют шумами усилителя. Высокий уровень паразитных шумов от преобразователя определяет высокий уровень напряжения U0 и, соответственно, недостаточно высокую точность данного способа измерений. Указанные недостатки ограничивают возможность применения данного способа.
Задачей данного изобретения является повышение точности измерений толщины изделий и повышение стабильности точностных характеристик аппаратуры, использующей эхо-импульсный способ измерений.
Технический результат заключается в достижении возможности создания ультразвуковых эхо-импульсных толщиномеров с улучшенными точностными характеристиками.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата в известном способе измерения толщины изделия с помощью ультразвуковых импульсов, состоящем в том, что с помощью ультразвукового преобразователя излучают ультразвуковые импульсы, регистрируют момент излучения зондирующего импульса в изделие, регистрируют на уровне выше паразитных шумов преобразователя момент выхода из изделия переднего фронта первого отраженного эхо-импульса, определяют временной интервал между этими моментами, а затем вычисляют толщину исходя из этого временного интервала и известной скорости звука в материале изделия, согласно предлагаемому изобретению с момента регистрации выхода из изделия переднего фронта первого отраженного эхо-импульса на уровне выше паразитных шумов преобразователя с задержкой на время, равное 0,25…0,5 периода колебаний резонансной частоты преобразователя, регистрируют момент выхода из изделия переднего фронта первого отраженного эхо-импульса на уровне выше паразитных шумов усилителя, но ниже паразитных шумов преобразователя, определяют временной интервал между моментом излучения зондирующего импульса в изделие и данным моментом и этот временной интервал используют для расчета толщины изделия.
Отличительные признаки заявляемого технического решения: с момента регистрации выхода из изделия переднего фронта первого отраженного эхо-импульса на уровне выше паразитных шумов преобразователя с задержкой на время, равное 0,25…0,5 периода колебаний резонансной частоты преобразователя, регистрируют момент выхода из изделия переднего фронта первого отраженного эхо-импульса на уровне выше паразитных шумов усилителя, но ниже паразитных шумов преобразователя, определяют временной интервал между моментом излучения зондирующего импульса в изделие и данным моментом и этот временной интервал используют для расчета толщины изделия.
Указанные отличительные признаки в известных технических решениях не обнаружены.
Предложенный способ позволяет существенно понизить уровень, на котором регистрируют момент выхода из изделия первого отраженного эхо-импульса, а это позволяет повысить точность и стабильность измерений.
Функциональная схема ультразвукового толщиномера, реализующая предложенный способ, приведена на фиг.1, а на фиг.2 - временные осциллограммы, поясняющие работу толщиномера.
Толщиномер состоит из следующих блоков: блока 1 управления и индикации, генератора 2 зондирующих импульсов, раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя 3, усилителя 4, компараторов 5 и 6, триггера 7, линии задержки 8, блока 9, реализующего логическую функцию И, триггера 10.
Устройство работает следующим образом. При наличии запускающего сигнала (фиг.2а) от блока 1 управления генератор 2 формирует зондирующий импульс, который поступает на одну половину раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя 3. Эхо-импульс, пройдя через изделие и отразившись от его донной части, снимается со второй половины раздельно-совмещенного ультразвукового преобразователя 3 и поступает на усилитель 4. Осциллограмма сигнала после усиления приведена на фиг.2б, при этом известно, что до первого отраженного сигнала А паразитные шумы (В) преобразователя затихают до уровня шумов (С) усилителя. Далее сигнал поступает на компараторы 5 и 6, которые имеют разные уровни срабатывания. Компаратор 5 настроен на уровень 1К (фиг.2б), который несколько выше (на 5…10%) паразитных шумов преобразователя и исключает ложные срабатывания от помех. Вид сигнала после компаратора 5 показан на фиг.2в. Уровень 2К срабатывания компаратора 6 устанавливается несколько выше (на 5…10%) паразитных шумов усилителя. Обычно уровень паразитных шумов преобразователя на порядок выше других паразитных шумов, присущих ультразвуковым толщиномерам, в частности, шумов усилителя и питания, поэтому уровни 1К и 2К также отличаются на порядок. На фиг.2г показана последовательность импульсов на выходе компаратора 6, а на фиг.2д - эта же последовательность импульсов, задержанная с помощью линии задержки 8 на время Т, равное 0,25 периода колебаний резонансной частоты преобразователя. Сигнал после линии задержки 8 (фиг.2д) и сигнал с компаратора 5 после триггера 7 (фиг.2е) поступает на двухвходовой блок 9, выполняющий логическую функцию И, и после блока 9 имеет вид, приведенный на фиг.2ж, что исключает ложные сигналы при измерении толщины изделий. С выхода блока 9 сигнал поступает на триггер 10, на котором формируется измерительный сигнал (фиг.2з), который в блоке управления 1 квантуется и обрабатывается. При обработке сигнала учитывается, что для определения момента входа зондирующего импульса в изделие и выхода из него переднего фронта первого отраженного эхо-импульса из полученного временного интервала необходимо вычесть временные интервалы, характеризующие задержку импульса в преобразователе (при излучении и приеме), а толщина изделия рассчитывается исходя из половины оставшегося временного интервала и скорости звука в материале изделия.
При применении предложенного способа момент регистрации выхода из изделия переднего фронта первого отраженного эхо-импульса производится на значительно более низком уровне, что приводит к повышению точности измерений. В частности, на фиг.2б показано, что снижение уровня, на котором производится регистрация выхода из изделия переднего фронта первого отраженного эхо-импульса с уровня 1К до уровня 2К повышает точность определения временного интервала на величину Δ.
Таким образом, предложенный способ позволяет повысить точность измерений и улучшить характеристики ультразвуковых эхо-импульсных толщиномеров, работа которых основана на регистрации переднего фронта первого отраженного эхо-импульса. Такие толщиномеры более предпочтительны при измерении толщины изделий из материалов с высоким затуханием ультразвука, например пластмасс, в которых второй и последующие эхо-импульсы могут иметь маленькую амплитуду, а также при несимметричной форме импульсов.