Устройство для автоматического измерения времени распространения ультразвука

;11,1 "1 П /ОГ ОСУДАРСТБЕННЫИ НОЮ 4 ТБО ИЗОБРЕТЕНИЯМ, И ОТКРЫТРИ ГКНТ СССР 8 ЕСОИЗИАЯ 1г, г, .гдГР, г(088,81ское свидетеи г О 1 ; 2гвидеелькл, Г 01 Н 3 72 зин В,А гдН ов,в г по СССР 1980, СССР 1083 льст (1/ГгП г.т Рс 5/00 Ц" 7 1 10 МАТИЧЕСКО 1 СТРАНЕИИЯ акусыть иг вуЮ овд зад Изоте:ким ретение относитсялзмг рениям и можетдо для исследован уктурматиче стране д КУСТ И ЫТЬ ИСфизико- роля каокоросполь зовмс ханиччествд Функциоенног( ондльная брдторд; еских своиств и кон материалов по даннь рострднения в них у тразвуи ра:и Цепь изобре ния - повышение то зд счет формрован ных интервалов по се ности измерения конца измерител моменту переход Фгонта первой ии-гс эхсг-сигнаг дидгйства; заднег черезлуволн т ервого и н . в,ТОРСНОМУ СВИДЕТЕПЬСТ ВЪ(54) УС, Р.111 СТВГг ДГ 1 Я АВТОИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ РАГПРОУЛЬТРАЗВУКА(57) Изобретение отнпситг.я ктическим измерениям и может бпользовдно дпя исследования физикомеханических свойств и контроля кдчРСТВ Э МД (РРИДЛОВ ПО ДДННЬМ О СКОРти распространения в них ультразкд, Цель изобретения - повышениеточности измерения за счет формирния; онсрд измерительных интерваловПО Мп 1 СнтУ ПЕРЕХОДа ЧЕРЕЗ НУЛЬ 2не Ф, онтд первой полуволны, первого-го эхо-с 1 гндлг 1 в. В устройстве :.о;Р чы силн се и с с ре гупи руемы:э,г 1 чиРнтом передачи, Формировдт. ль пс, естрдиваемым порогом. ре - стры к(э, 1 ц 1 ен;гд передачи и поро;а, опс - рдтнцгкИ ПпэтОПННОЕ ЗдПОМИНдЮцИР ;с ;ОЙ (ва и микропроцессор, осуществлявшие выделение на Фоне помех пРр:г 1 П: УВОЛНЫ ЭХО-СИГНаЛОВ; ФОРМИ- ровднис сигндлгэв конца измерительных ин-с:радлов автол 1 дтически ли 1(ропроцес с 1 р ым блог(ол 1 по программе, хрднмо в пс;стояннол 1 запоминао.цсл 1 устройс вс, 1 у;".и поэтапн зй настройки коэс - Фициен 1 д передачи усилителя и урс внг пор; а Формирователя, что позволяет излрять (. минимальной погрешногью гоеменные интервалы от момента пу(.ка Г-НОРДОРД ЭСНДИРУЮЦг 1 Х ИМПУЛЬСОВ ДО МОМСНТД ОКГг"1 ЗНИЯ ПРРВОЙ ПОЛУВОГНЫ первого эхо сигнага Т и и-го эхо" сигнала Тв, Воемя распространения ультрдзву.д рассчитывается микропроцессорным блоком, 10 ил,Нд Фиг, 1 представлена стр ная схема устройства для авто кого измерения времени рдспро ния ультразвука; 1 д Фиг, 2 нальндя схема измерителя врем интервала; нд Фиг, 3 - функци схема программируемого однови на фиг 4 - функциональная сх ле(горд; на Фиг. 5 - временны рдммы. поясняюшие работу устр н,. Фиг 6 - блок-схема длгори стрг 1 ки коэффициента передачи Ф . " - блок-схема настройки152392 Составитель В,Белозероедактор Н.Бобкова Техред М.Ходациц ррект ски,го осударстве11 г Г 1 роизводственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, уц. Га арида, 131 ЗаказВНИИПИ Тираж 51 комитета по Москва, Жзобретенияч Раущская на Подписноеоткрытиям при П.ИТ ГССРз 15239порога; на фиг. 8 - блок-схема измерения временного интервала А(В); нафиг. 9 - блок-схема алгоритма измерения временного интервала Т при установленном уровне порога и настроенномкоэффициенте передачи усилителя; нафиг, 10 - блок-схема алгоритма проверки устойчивости результата измерениявременного интервала Т 4.1 ОУстройство для автрматическогоизмерения времени распространенияультразвука содержит последовательноэлектроакустически соединенные генератор зондирующих импульсов пьеэо 15преобразователь 2, устанавливаемыйна исследуемом образце 3 усилитель4 с регулируемым коэффициентом передачи и формирователь 5 с регулируемым порогом, последовательно соединенные селектор 6 и измеритель 7 временного интервала, регистр 8 коэффициента передачи, выход которого подключен к входу регулирования коэффициента передачи усилителя 4, регистр9 порога, выход которого подключен квходу регулирования уровня порогаформирователя 5, программируемый одновибратор 10, выход которого подключен к стробирующему входу селектора 6 генератор 11 тактовых импульсов, выход которого подключен ктактовым входам измерителя 7 времен"ного интервала и программируемого од"новибратора 10, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 12, постоян 35ное запоминающее устройство (ПЗУ) 13,блок 14 индикации и микропроцессор15, шина данных которого подключенак информационным входам регистра 8коэффициента передачи, регистра 9 по.рога, программируемого одновибратора10, ОЗУ 12, блока 14 индикации и кинформационным выходам измерителя 7временного интервала и ПЗУ 13, шина45адреса - к входам выбора регистра 8коэффициента передачи, регистра 9порога программируемого одновибра"тора 10, измерителя 7 временного интервала, ОЗУ 12, ПЗУ 13 и блока 14индикации, выход "Запись" - к входам"Запись" регистров 8 и 9 коэффициента передачи и порога, программируемого одновибратора 10, блока 14 индикации и ОЗУ 12, выход "Чтение"- к входам "Чтение" измерителя 7 временного интервала, ОЗУ 12 и ПЗУ 13,информационный вход селектора 6 подключен к выходу формирователя 5,вход "Сброс" - к управляющему выходу измерителя 7 временных интервалов, а выход - к входу запуска генерато . 1 зондирующих импульсов.Измеритель 7 временного интервала (фиг. 2) выполнен из последовательно соединенных схемы И 16, первый вход которой является тактовым входом измерителя, счетчика 17 и трехстабильного буфера 18, последовательно соединенных дешифратора 19, вход которого является выходом выбора измерителя 7, второй схемы И 20 и второго трехстабильного буфера 21, выход которого подключен к выходу первого буфера 18 и является выходом данных измерителя 7, третьей схемы И 22, первый вход которой подключен к второму выходу дешифратора 19, а выход - к второму входу первого буфера 18, четвертой схемы И 23, первый вход которой подключен к второму входу второй схемы И 20, к второму входу третьей схе" мы И 22 и является входом "Чтение" измерителя 7, второй вход - к третьему выходу дешифратора 19, а выходк К-входу счетчика 17 и является управляющим выходом измерителя 7, второй вход первой схемы И 16 соединен с вторым входом второго буфера 21 и является измерительным входом иэмери" теля 7.Программируемый одновибратор 10 (фиг, 3) выполнен из последовательно соединенных дешифратора 24, вход ко- . торого является входом выбора одновибратора 10, первой схемы И 25, счетчика 26, триггера 27, второй схемы И 28, второй вход которой является тактовым входом одновибратора 1 О, а выход подключен к тактовому входу счетчика 26, и третьей сКемы И 29, первый вход которой подключен к второму выходу дешифратора 24, второйк второму входу первой схемы И 25 и является входом "Запись" одновибратора 10, а выход - к Б-входу триггера 27, вход предварительной установки кода счетчика 26 является входом данных одновибратора 10, инверсный выход триггера 27 является выходом программируемого одновибратора 10.Селектор 6 (фиг. 4) выполнен в виде Р-триггера 30, П-вход и К-вход . которого объединены и являются егостробирующим входом, С-вход является информационным входом, Б-вход - входом "Сброс", а Я-выход - выходом се-.5 1523 лектора 6. Кроме того, обозначены выходы сигналов 31-40 с блоков устройства.Устройство работает следующим образом.5 Время Т распространения ультра- звука в образце определяется путем измерения двух временных интервалов; временного интервала Я между моментом пуска генератора 1 зондирующих импульсов и моментом перехода через ноль заднего фронта первой полуволны первого эхо-импульса и временного интервала В между моментом пуска генератора 1 зондирующих импульсов и моментом перехода через ноль заднего Фронта первой полуволны и-го и эхо-сигнала и рассчитывается по формуле 1 О 15 ТАТ(и)где Т - знацение временного интервала В; 25Т - значение временного интерваАла А.Измерению временного интервалаА(В) предшествуют настройка коэффициента передачи усилителя 4, настРой- Зка уровня порога формирователя 5 иопределение длительности временногостроба, выдаваемого программируемымодновибратором 10,Все операции по настройке, определению длительности временного стро- З 5ба и измерению интервала А(В) происходят под управлением микропроцессора по программе, хранимой в ПЗУ,Настройка коэффициента передачи10усилителя 4 (фиг, 6) заключается вподборе такого коэффициента передачи,который обеспечивает надежную регистрацию максимальной полуволны эхо-сигнала формирователем 5, имеющим мак 45симальный порог.Последний срабатывает при перехо-де заднего Фронта эхо-сигнала черезустановленный уровень порога. Моментсрабатывания фиксируется селектором506, который возвращается в единичноесостояние при отсутствии запрещающего временного строба, поступающегос программируемого одновибратора 10.Длительность временного строба принастройке устанавливается такая,что к моменту поступления надлежащего эхо-импульса селектор 6 разблокирован, Так при настройке коэффициента 924 6передачи усилителя 4 для приема первого эхо-сигнала длительность 7временного строба выбирается немногимбольше длительности зондирующего сигнала 33. Величина временного стробазадается кодом начальной установкисчетчика 26. Вес единицы кода Равенпериоду тактовых импульсов С Микропроцес ор 15 заносит данный код командой "Запись" с адресом Я , Дешифратор 24, получая адрес А,т, разрешает через схему И 25 поступлениесигнала Запись" на вход предварительный установки счетчика 26, Воезуль 1 ате код с шины данных заносится в сцетцик 26, Установив длительность временного строба, микропроцессор 15 записывает в регистр 9порога код максимального порога Формирователя 5, а в регистр 8 коэффициента передаци - код среднего значения коэффициента передачи усилителя 4,При восьмиразрядном регистре 8начальный код коэффициента передачиравен 80 Н Н - обозначает, что кодзаписан в шестнадцатиричной системе),а его шаг изменения - 40 Н, т,е,и:з. овине среднего значения коэффициента передачи, Настройка коэффициентапередачи усилителя 4 нацинается свыдачи с микропроцессора 15 управляющих сигналов "Начальная установка"и "Пуск",Начат ьная установка приводит висходное состояние селектор б (Фиг. 5,поз. 32) и измеритель 7 временногоинтервала, Для этого микропроцессор15 выполняет команду "Чтение" по адресу А, Дешифратор 19 и схема И 23Формируют сигнал "Начальная установка", поступающий на К-вход счетчика17 и на вход "Сброс" селектора 6,устанавливая их в нулевое состояние,Микропроцессор 15 производит пускгенератора 1 зондирующих импульсовпо команде "Запись" с адресом А 1 снДанный адрес дешифруется дешифратором 24 и совместно с сигналом "Записьн перебрасывает триггер 27 вединичное состояние. Одновибратор 1 Овыдает запрещаюций временной строб31, блокирующий селектор 6 и переводящий его в единицное состояние, покоторому и происходит запуск генератора 1 зондирующих импульсов. Зондирующий импульс 33 поступает на пьезопреобразователь 2. который вырабаты 1523924вает ультразвуковой импульс, распространяющийся в образце 3. Одновременно единичное состояние триггера 27разрешает прохождение тактовых импульсов на счетчик 26 и через время,определяемое установленным в счетчике 26 кодом, триггер 27 возвращаетсяв исходное состояние, временной стробкончается, селектор 6 разблокируется, Так как уровень порога формирователя 5 максимален, то он не реагирует на помехи и только поступлениепервого эхо-сигнала 34 может привести к его срабатыванию и формированиюимпульсов 35, возвращающих селектор6 в нулевое состояние. Микропроцессор 15 циклически опрашивает состоя" ние селектора б, выставляя команду "Чтение" по адресу А, поступающему на измеритель 7 временного интервала. Дешифратор 19 разрешает прохождение сигнала "Чтение" через схему И 20 на буфер, который переводит его в режим усиления и передает состояние 2 селектора 6 на соответствующий разряд шин данных, Если по истечении времени, заведомо превышающего время распространения ультразвука в образце 3, селектор 6 остается в единичном состоянии, то это означает, что коэффициент передачи усилителя мал и его требуется увеличить, Нулевое же состояние селектора 6 требует уменьшения коэффициента передачи. В первом случае код коэффициента передачи станет равным СОН, во втором ЧОН. Шаг изменения кода уменьшается микропроцессором 15 в два раза, записывается в регистр 8 и описанная процедура повторяется, пока шаг с точностью до целого не станет равным нулю, В итоге, в регистре8 окажется код коэффициейта передачи усилителя 4, обеспечивающий регистрацию максимальной полуволны первогоэхо-сигналаНастройка уровня порога формирователя 5 (фиг. 7) производится с целью надежной регистрации первой полуволны эхо-сигнала на фоне помех при настроенном коэффициенте передачи усили. теля 4. Первоначально осуществляется измерение временного интервала Т между моментом пуска генератора 1 зондирующих импульсов и моментом срабатывания формирователя 5, Для этого микропроцессор 15 запускает генератор 1 зондирующих импульсов и ожидает поступление эхо-сигнала, читая в цикле состояние селектора 6 по команде "Чтение с адресом А ь, Время в те. чение которого селектор б находится в единичном состоянии определяет измеряемый временной интервал. Селектор б в данном состоянии разрешает прохождение тактовых импульсов на счетчик 17 через схему И 16, По заднему фронту полуволны, превышающей порог, срабатывает формирователь 5 и переводит селектор 6 в нулевое состояние, которое бгокирует прохождение тактовых импульсов на счетчик 17. В последнем запоминается код временного интервала Тц с дискретностьюМикропроцессор 15, зафиксировав нулевое состояние селектора 6, читает содержимое счетчика 17, переписывая его в ОЗУ 12. Эта операция производится по команде "Чтение" с адресом А ,. Сигнал с дешифратора 19 совместно с сигналом "Чтение" микропроцессора 15 через схему И 22 переводит буфер 18 из высокоомного состояния в режим усиления и код.счетчика 17 передается на шину данныхПолучив значение Т, при максималь" ном пороге микропроцессор 15 уменьшает порог в два раза и заносит соответствующий код в регистр 9 порога. Производится измерение временного интервала Т при новом пороге. Если полученное значение временного интервала отличается от предыдущего на величину меньшую, чем 1/4 То,(ТО - период резонансных колебаний пьезопреобразователя 2), то это соответствует тому, что при двух уровнях порога регистрируется одна и та же полуволна эхо-сигнала. В этом случае уровень порога опять уменьшается вдвое и повторяется измерение интервала Т с последующим сравнением результатов. При регистрации новой полуволны эхосигнала измеренное значение Т ц отличается от предыдущего на величину, большую 1/4 То. Новое значение Тч должно пройти проверку на устойчивость, так как при уменьшении порога можно попасть в зону помех.Проверка на устойчивость (фиг. 10) осуществляется путем многократного повтора измерения на данном уровне порога. Число повторов определяется заданной надежностью измерения времени распространения ультразвука и равно обычно 3-5. Если результат устойчив, то уровень порога снова уменьша. 1523 24ется вдвое, повторяется измерение исравнение результатов. В противномслучае делается заключение, что уровень порога находится в зоне помех.Микропроцессор 15 вычисляет разностьмежду кодами предыдущего и текущегопорога Д Н, Далее, варьируя порогомв интервале 6 Н, необходимо выйти напервую полуволну, не перескочив черезнее, Для этого устанавливается шагизменения порога, равный 1/4 1 Н, иисходное значение порога посерединеинтервала Ь Н Производится измерениевременного интервала Т и проверка1 5его на устойчивость. Если результатустойчив, то порог уменьшается нашаг, в противном случае поро; увеличивается на шдг. Код шага измененияпорога уменьшается вдвое и процесс0настройки повторяется до тех пор,пока код шага не станет равным нулю.В итоге устанавливдегся превышающийуровень помех и пересекающий первуюполуволну эхо-сигнапа,Измерение временного интервалаА(В) производится следующим образом(фиг, 8), Длительность временногостроба определяется путем измерениявременного интервала Т для настроенного порога (фиг. 9). Полученное эна 30/1чение ст = Т ч микропроцессор 15записывает н счетчик 26 программируемого одновибратора 10, При данномзначении временного строба 36 селектор 6 разблокирован непосредственноперед переходом через ноль заднегоФронта первой полуволны, Для измерения временного интервала А(В) устанавливается нулевой порог Формирователя 5, который Формирует сигнал 40конца интервала измерения.Все операции, связанные с измерением временных интервалов А и В, аналогичны, Единственное отличие состоит в том, что при настройке коэффициента передачи усилителя 4 при измерении интервала В значение длительности временного строба устанавливается равным 50л 1ст ст (г 1) + ,Временные интервалы А и В содержат пдрдзитные задернки; электронную 55 задержку появления зондирующего сигнала и задержку распространения ультразвука в среде,При вычитании величин Т и Т эти задержки взаимно компенсируются. Таким образом, формула, рассчитанная микропроцессором 15, дает величину времени распространения ультразвука я образце 3, которая выводится на бл- к 14 индикации в удобной для ддльньйней работы Форме.Таким образом, применение в устройстве дополнительных блоков и новых связей позволяет повысить точность измерений эа счет поэтапной автоматической настройки коэффициента пере.л,ди усилитегя и уровня порога Формирователя при выделении первой полуводны эхо-сигналов, которая в наимень- с й степени подверненд интерФеренции, .т,. практически исключает погрешность, о.уловленную волноводным эффектом пои распространении упьтрдэвука в изд". ях с небольшим сечением.Ф о р м ч л д изобретенияУстройство для автоматического иэм рс ия времени распространения ультра.звука, содержащее поспедовдтельно , лектродкустически соединенные генер;г р зондирующих импульсов, пьезопреобразователь, усилитель и формировдгель последовательно соединечные селэктоо и измер,1 тель временного интсоддпд о г л и ч а ю щ е е с я тем, чтс целью повышения точности измерения, усилитель выполнен с регу,ируемым коэффициентом переддчи, д Формирователь - с регулируемым порогом, устрзйство снабжено регистром коэффициента передачи, выход которого подключен к входу регулирования коэффициента передачи усилителя, регистром порога, выход которого подключен к входу регулирования уровня порога Формирователя, программируемым сд одибратором, выход которого подключен к стробирующему входу селектора, генератором тактовых импульсов вьход которого подключен к тактовым входам измерителя временного интервала и программируемого одновибратора, оперативным запоминающим устройством, постоянным запоминающим устройством, блоком индикации и микропроцессором, шина данных которого подключена к, нформационным входам регистра коэффициента передачи, регистра порога, программируемого однлвибраторд опе; вного запоминдющег 1 устройст 1523921ва, блока индикации и к информационным выходам измерителя временного интервала и постоянного запоминающего устройства, шина адреса - к входам выбора регистра Коэффициента переда 5 чи, регистра порога, программируемого одновибратора, измерителя временного интервала, оперативного запоминающего устройства, постоянного запоминающего 1 О устройства и блока индикации, выходЗапись - к входам "Запись" регистров коэффициента передачи и порога,программируемого одновибратора, блока индикации и оперативного заимающего устройства, выход "Чтение"к входам "Чтение" измерителя временного интервала, оперативного и постоянного запоминающих устройств, информационныйй вход селектора подключенк выходу формирователя, вход "Сброс" -к управляющему выходу измерителя временных интервалов, а выход - к входузапуска генератора зондиоующих импульсов.