RU2052769C1 - Ultrasonic method of measuring thickness of articles with large attenuation of ultrasound and apparatus for performing the method - Google Patents

Abstract

FIELD: non-destructive flaw detection. SUBSTANCE: method comprises steps of irradiating into an article a phase-manipulated probing signal, receprion with use of optimal filtration en autocorrelation function of reflected from an opposite wall of the article echosignal, had beed received, and determining a thicness value of the article according to known propagation speed of ultrasound and to difference between a time moment of termination of the phase manipulated probing signal and a time moment, corresponding to maximum value of the autocorrelation function of the echosignal. EFFECT: enhanced accuracy of measuring. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к методам неразрушающих испытаний и может быть использовано для ультразвуковой толщинометрии изделий, выполненных из материалов с большим затуханием ультразвуков. The invention relates to non-destructive testing methods and can be used for ultrasonic thickness measurement of products made of materials with high attenuation of ultrasounds.

Известен способ ультразвуковой импульсной толщинометрии, заключающийся в том, что в изделие вводятcя короткие ультразвуковые импульсы и по разнице во времени между передними фронтами излучаемого сигнала и эхо-сигнала от противоположной стенки изделия определяют его толщину [1]
Недостаток этого способа невысокая точность измерения толщины изделий, выполненных из материалов с большим затуханием ультразвука, из-за увеличения длительности фронтов и уменьшения амплитуды принятого эхо-сигнала.A known method of ultrasonic pulsed thickness measurement, which consists in the fact that short ultrasonic pulses are introduced into the product and its thickness is determined by the time difference between the leading edges of the emitted signal and the echo signal from the opposite wall of the product [1]
The disadvantage of this method is the low accuracy of measuring the thickness of products made of materials with high attenuation of ultrasound due to the increase in the duration of the fronts and the decrease in the amplitude of the received echo signal.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ толщинометрии [2] заключающийся в том, что в изделие вводят зондирующий сигнал, принимают отраженный от противоположной стенки эхо-сигнал, определяют момент времени, соответствующий максимуму этого эхо-сигнала, и по известной скорости распространения ультразвука и разнице во времени между началом зондирующего сигнала и максимумом эхо-сигнала определяют толщину изделия. Указанный способ реализуется с помощью устройства, состоящего из излучающего и приемного ультразвуковых преобразователей, генератора возбуждающих короткоимпульсных сигналов, входного усилителя, порогового ограничителя, дифференциатора, нуль-органа и измерителя временных интервалов, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора. Closest to the claimed invention is a thickness gauge method [2] consisting in the fact that a probe signal is introduced into the product, an echo signal reflected from the opposite wall is received, a time point corresponding to the maximum of this echo signal is determined, and the known ultrasound propagation velocity and the difference in time between the beginning of the probing signal and the maximum of the echo signal determine the thickness of the product. The specified method is implemented using a device consisting of emitting and receiving ultrasonic transducers, a generator of exciting short-pulse signals, an input amplifier, a threshold limiter, a differentiator, a zero-organ and a time interval meter, the second input of which is connected to the second output of the generator.

Недостаток указанного способа невысокая точность измерения толщины изделий, выполненных из материалов с большим затуханием ультразвука, из-за смещения во времени и уменьшения по величине максимума эхо-сигнала. The disadvantage of this method is the low accuracy of measuring the thickness of products made of materials with high attenuation of ultrasound, due to time displacement and a decrease in the magnitude of the maximum echo signal.

Таким образом, из анализа уровня техники ультразвуковой толщинометрии видно, что в известных способах и устройствах не решена задача точного определения толщины изделий, имеющих большое затухание. Thus, from the analysis of the prior art of ultrasonic thickness measurement, it is evident that in the known methods and devices the problem of accurately determining the thickness of products having a large attenuation has not been solved.

Цель изобретения повышение точности определения толщины изделий с большим затуханием ультразвука. The purpose of the invention is to increase the accuracy of determining the thickness of products with high attenuation of ultrasound.

В предлагаемом способе ультразвуковой толщинометрии в изделие вводят фазоманипулированный зондирующий сигнал, принимают отраженный от противоположной стенки эхо-сигнал, получают путем оптимальной фильтрации эхо-сигнала его автокорреляционную функцию и определяют момент времени, соответствующий максимуму автокорреляционной функции. Толщину изделия определяют по известной скорости распространения ультразвука и разнице во времени между моментом окончания фазоманипулированного зондирующего сигнала и моментом, соответствующим максимуму автокорреляционной функции эхо-сигнала. In the proposed method of ultrasonic thickness gauging, a phase-manipulated probe signal is introduced into the product, an echo signal reflected from the opposite wall is received, its autocorrelation function is obtained by optimal filtering of the echo signal, and a time instant corresponding to the maximum of the autocorrelation function is determined. The thickness of the product is determined by the known speed of propagation of ultrasound and the time difference between the moment of the end of the phase-manipulated probe signal and the moment corresponding to the maximum of the autocorrelation function of the echo signal.

Поставленная цель достигается с помощью устройства, содержащего генератор фазоманипулированных зондирующих сигналов, широкополосные излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи, входной усилитель, оптимальный фильтр, пороговый ограничитель, дифференциатор, нуль-орган и измеритель временных интервалов. This goal is achieved using a device containing a phase-manipulated probe signal generator, broadband emitting and receiving ultrasonic transducers, an input amplifier, an optimal filter, a threshold limiter, a differentiator, a zero-organ, and a time interval meter.

На фиг. 1 представлена схема ультразвукового способа толщинометрии и структурная схема устройства для его реализации; на фиг. 2 временная диаграмма сигналов: зондирующего (а), приемного (б), отфильтрованного (в), послепорогового (г) и продифференцированного (д) ограничения. In FIG. 1 is a diagram of an ultrasonic thickness gauge method and a structural diagram of a device for its implementation; in FIG. 2 is a timing diagram of the signals: probing (a), receiving (b), filtered (c), post-threshold (d) and differentiated (e) constraints.

Способ реализуется с помощью устройства, содержащего последовательно соединенные генератор 1 фазоманипулированных возбуждающих сигналов и широкополосный излучающий ультразвуковой преобразователь 2, последовательно соединенные широкополосный приемный ультразвуковой преобразователь 4, входной усилитель 5, оптимальный фильтр 6, пороговый ограничитель 7, дифференциатор 8, нуль-орган 9 и измеритель 10 временных интервалов, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора. The method is implemented using a device containing a series-connected generator 1 of phase-shifted exciting signals and a broadband emitting ultrasonic transducer 2, series-connected broadband receiving ultrasonic transducer 4, input amplifier 5, optimal filter 6, threshold limiter 7, differentiator 8, zero-organ 9 and meter 10 time intervals, the second input of which is connected to the second output of the generator.

Способ ультразвуковой толщинометрии изделий с большим затуханием ультразвука заключается в следующем. The method of ultrasonic thickness measurement of products with a large attenuation of ultrasound is as follows.

Излучают в изделие с помощью излучающего ультразвукового преобразователя фазоманипулированный зондирующий сигнал (фиг. 2,а), с этой же стороны изделия с помощью приемного ультразвукового преобразователя принимают отраженный эхо-сигнал (фиг. 2, б) соответствующий отражению зондирующего сигнала от противоположной стенки изделия, усиливают его и оптимально фильтруют, получая на выходе оптимального фильтpа автокорреляционную функцию эхо-сигнала (фиг. 2,в). Форма автокорелляционной функции, амплитуда ее основного лепестка, а также соотношение амплитуд основного и боковых лепестков существенным образом зависят от степени затухания зондирующего сигнала при его прохождении в изделии от излучающего к приемнику преобразователю. Положение же максимума автокоppеляционной функции, соответствующего максимуму основного лепестка, зависит не от степени затухания зондирующего сигнала, а только от времени прохождения этого сигнала, т.е. в конечном счете, от толщины изделия. С целью наилучшей фиксации момента времени, соответствующего максимуму автокорреляционной функции, ее подвергают пороговому ограничению снизу (фиг. 2, г) и дифференцируют (фиг. 2,д). Момент времени, соответствующий переходу через нуль продифференцированной автокорреляционной функции, в точности соответствует моменту времени, соответствующему максимуму автокорреляционной функции. По разнице во времени t между этим моментом и моментом, соответствующим окончанию зондирующего сигнала и известной скорости С распространения ультразвука в изделии определяют его толщину h C· t/2. A phase-manipulated probe signal is emitted into the product using the emitting ultrasonic transducer (Fig. 2, a), on the same side of the product, a reflected echo signal (Fig. 2, b) corresponding to the reflection of the probe signal from the opposite wall of the product is received using the receiving ultrasonic transducer, amplify it and optimally filter it, obtaining the autocorrelation function of the echo signal at the output of the optimal filter (Fig. 2c). The shape of the autocorrelation function, the amplitude of its main lobe, as well as the ratio of the amplitudes of the main and side lobes substantially depend on the degree of attenuation of the probe signal when it passes in the product from the transmitter emitting to the receiver. The position of the maximum of the auto-correlation function corresponding to the maximum of the main lobe does not depend on the degree of attenuation of the probe signal, but only on the transit time of this signal, i.e. ultimately on the thickness of the product. In order to best fix the point in time corresponding to the maximum of the autocorrelation function, it is subjected to a lower threshold limit (Fig. 2d) and differentiated (Fig. 2d). The moment of time corresponding to the zero transition of the differentiated autocorrelation function corresponds exactly to the moment of time corresponding to the maximum of the autocorrelation function. The thickness h C · t / 2 is determined by the difference in time t between this moment and the moment corresponding to the end of the probe signal and the known velocity C of the propagation of ultrasound in the product.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Генератор 1 фазоманипулированный сигналов возбуждает широкополосный излучающий ультразвуковой преобразователь 2, который излучает в изделие 3 фазоманипулированный зондирующий сигнал. Отраженный от противоположной стенки изделия фазоманипулированный эхо-сигнал принимается широкополосным приемным ультразвуковым преобразователем 4, усиливается во входном усилителе 5, подается на вход оптимального фильтра 6, с выхода которого снимается автокорреляционная функция эхо-сигнала. Эта функция ограничивается снизу в пороговом ограничителе 7, дифференцируется в дифференциаторе 8 и подается на нуль-орган 9. Нуль-орган вырабатывает короткий видеоимпульс в момент времени, соответствующей прохождению через нуль продифференцированнoй автокорреляционной функции эхо-сигнала, то есть в момент ее максимума. Такой же короткий видеоимпульс, соответствующий окончанию зондирующего сигнала, снимается со второго выхода генератора 1. Оба этих сигнала подаются на два входа измерителя 10 интервала времени. По разнице времени t между этими сигналами и известной скорости С распространения ультразвука определяется толщина изделия h C· t/2. The phase-manipulated signal generator 1 excites a broadband emitting ultrasonic transducer 2, which emits a phase-manipulated probe signal into the product 3. The phase-shift echo signal reflected from the opposite wall of the product is received by a broadband receiving ultrasonic transducer 4, amplified in the input amplifier 5, and fed to the input of the optimal filter 6, from the output of which the autocorrelation function of the echo signal is removed. This function is limited from below in the threshold limiter 7, differentiates in the differentiator 8, and is applied to the zero-organ 9. The zero-organ produces a short video pulse at a time corresponding to the passage through zero of the differentiated autocorrelation function of the echo signal, i.e., at the time of its maximum. The same short video pulse corresponding to the end of the probe signal is taken from the second output of the generator 1. Both of these signals are fed to two inputs of the meter 10 of the time interval. The difference in time t between these signals and the known ultrasound propagation speed C determines the thickness of the product h C · t / 2.

Изобретение позволяет повысить точность измерения толщины изделия за счет того, что местоположение максимума автокорреляционной функции эхо-сигнала на оси времени не зависит от степени затухания ультразвука. При оптимальной фильтрации фазоманипулированных сигналов возрастает величина их максимума в тем большей степени, чем больше база сигналов. The invention improves the accuracy of measuring the thickness of the product due to the fact that the location of the maximum autocorrelation function of the echo signal on the time axis does not depend on the degree of attenuation of ultrasound. With optimal filtering of phase-shifted signals, their maximum value increases to a greater extent, the larger the signal base.

Claims (2)

1. Ультразвуковой способ измерения толщины изделия с большим затуханием ультразвука, заключающийся в том, что в изделие вводят зондирующий сигнал и принимают донный эхо-сигнал, отличающийся тем, что в качестве зондирующего сигнала используют фазоманипулированный сигнал с узким главным лепестком его автокорреляционной функции, после приема эхо-сигнала получают его автокорреляционную функцию путем оптимальной фильтрации, фиксируют момент времени, при котором эта функция максимальна, а толщину изделия определяют по интервалу времени между моментом окончания фазоманипулированного зондирующего сигнала и зафиксированным моментом времени. 1. Ultrasonic method for measuring the thickness of the product with a large attenuation of ultrasound, which consists in the fact that a probe signal is introduced into the product and a bottom echo signal is received, characterized in that a phase-shift signal with a narrow main lobe of its autocorrelation function is used as a probe signal, after receiving the echo signal receives its autocorrelation function by optimal filtering, fix the time point at which this function is maximum, and the thickness of the product is determined by the time interval du point closure phase manipulated probing signal and fixed point in time. 2. Устройство для измерения толщины изделия с большим затуханием ультразвука, содержащее последовательно соединенные генератор возбуждающих сигналов, излучающий преобразователь, приемный преобразователь, входной усилитель, пороговый ограничитель, дифференциатор, нуль-орган и измеритель временных интервалов, второй вход которого связан с вторым выходом генератора возбуждающих сигналов, отличающееся тем, что оно снабжено оптимальным фильтром, включенным между выходом входного усилителя и входом порогового ограничителя, генератор возбуждающего сигнала выполнен в виде генератора фазоманипулированного сигнала, а излучающий и приемный преобразователи выполнены широкополосными. 2. A device for measuring the thickness of a product with a large ultrasound attenuation, containing a series-connected generator of exciting signals, a radiating transducer, a receiving transducer, an input amplifier, a threshold limiter, a differentiator, a zero-organ and a time interval meter, the second input of which is connected to the second output of the exciting generator signals, characterized in that it is equipped with an optimal filter included between the output of the input amplifier and the input of the threshold limiter, the generator the wake-up signal is made in the form of a phase-shift signal generator, and the emitting and receiving converters are made broadband.

Images