JPH0227602B2

JPH0227602B2 -

Info

Publication number: JPH0227602B2
Application number: JP58108299A
Authority: JP
Inventors: Toyohiko Kitada; Takanori Arioka
Original assignee: Tokyo Keiki Co Ltd
Current assignee: Tokyo Keiki Inc
Priority date: 1983-06-16
Filing date: 1983-06-16
Publication date: 1990-06-19
Also published as: JPS60312A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、超音波厚さ計に係り、特に分割型探
触子の構造上生ずる測定偏差を補正して精度の向
上を図るようにした超音波厚さ計に関する。

超音波厚さ計は、鋼、銅、アルミなどの金属
や、プラスチツク、ガラス、磁器などの非金属材
料で作られた板、管等の厚さを種類を選ぶことな
く、簡単に、しかもマイクロメータでは不可能な
板材中央部の測定も容易に行うことのできる測定
器であり、各種工業分野で広く用いられている。

超音波厚さ計の厚さ測定には所謂共振法とパル
ス法の二種類がある。内、後者は、同一材料から
成る板材において、超音波パルスの往復時間が板
厚と比例する関係を利用したものであり、具体的
には探触子を板材に接触させておき、超音波を発
射してから、板材の他面で反射した反射波を受信
するまでの所要時間を求め、この時間と板中の音
速度から板厚を算出し、デジタル表示等を行う。
このパルス法は、精度が良く取扱が簡便なことか
ら一般に普及しているものである。

上記パルス法による超音波厚さ計に於いて使用
される探触子の一つに、第１図に示すような分割
型探触子がある。この分割型探触子１は、左右に
分かれたシユー２，３付の送信振動子４及び受信
振動子５と、これらの間に設けられた遮蔽板６と
を有している。この遮蔽板６を圧縮バネ７で被測
定部材である板材８側へ押しつけることにより、
送信側から受信側へ板材８の表面を伝わつて行く
超音波の直接伝播が阻止され、これによつて薄い
板厚測定も可能な構造となつている。

しかしながら、この分割型探触子１では、板材
８の板厚が変わると、パルスの幾何学的経路が第
１図の，，の如く非相似的に変化し、板厚
とパルスの経路長の比例関係が完全ではない。こ
のため測定値と実際の板厚とは第２図の実線に示
すような関係となり（板厚６mmの時両者が一致す
るように調整した場合）、第３図に示すように最
高±0.18mmぐらいの偏差を生じていた。第２図、
第３図で板厚が１mm〜12mmまでは偏差が直線的に
変化し、12mm〜30mmは一定となる。これは、12mm
〜30mmの範囲は分割型探触子の焦点経路近傍であ
り安定領域となるからである。このような板厚に
よる測定偏差を補正することなくそのまま放置す
ると、mmオーダの粗い精度で測定を行うときには
さほど問題とならないがユーザの要望で1/10〜1/
１００mmの精密さで測定を行おうとするとき誤差が
大きくなつて下位桁の数値の信憑性が乏しくな
り、実用性に欠ける。

一方、補正を行うため、第２図、第３図に示す
関係の補正曲線に従つたテーブルを予めメモリに
内蔵しておき、測定値をアドレスとして実際の値
を該メモリからデータとして読み出すようにする
と回路構成が複雑で大型化し、このため重量増を
も招き、かつ、プログラムの作成等に莫大な時間
及び労力を要するという不都合がある。

本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みなされた
ものであり、小型、軽量、簡単な構成で分割型探
触子の有する測定偏差を補正することにより、測
定精度の向上を図つた超音波厚さ計を提供するこ
とを、その目的とする。

本発明は、予め定められた零点による被測定部
材の前測定時の板厚にかかるクロツクパルスを所
定の範囲内で計数するカウンタと、このカウンタ
の計数値に比例して零点較正回路の零点を可変さ
せる零点調整回路とを備える、という構成を採つ
ている。これによつて、前記目的を達成しようと
するものである。

まず、本発明の補正方法について原理的説明を
行う。

パルス法における送信・受信間の時間間隔は、
第１図の板材８内の経路時間とシユー２，３の経
路時間の和となる。このため、超音波厚さ計では
従来から送信タイミングより所定の遅延時間（シ
ユー２，３中を超音波パルスが通過する時間）だ
け零点を遅らせる零点較正回路を設け、この零点
から受信タイミングまでの時間間隔で板厚を算出
するようにしている。

ところで、零点較正回路の零点調整について
は、これを前にずらすと＋の補正をし、後にずら
すと−の補正をしたのと等価になる。よつて本発
明は予め所定の位置に固定した零点で被測定部材
の板厚測定を行い、この板厚に応じた補正量の分
だけ前記零点較正回路の零点を可変させることで
次に行う測定（本測定）の補正量の設定を行おう
とするものである。

以下、本発明の一実施例を第４図乃至第８図に
基づいて説明する。

ここで、前に引用した第３図では、板厚１〜６
mmまでは＋偏差であるため−補正が必要であり、
６mmからは−偏差なため＋補正が必要となつてい
る。しかしながら本実施例では、第２図、第３図
の点線に示す如く、予め板厚「０mm」のとき偏差
が「０」となるように設定して常に＋補正を行う
ようにしてある。そして、０mm〜12mmまでは板厚
に比例して＋補正を行い、12mm以後一定の＋補正
を掛けるものとする。また、非同期式発振器のク
ロツクパルスを計数して板厚測定を行うため、測
定値のバラツキをなくすよう複数回（本実施例で
は160回）の測定値を積算して板厚を求めるアバ
レージング方式を用い、この測定作業の初期段階
（16回分）で補正量の調整を行うものとする。補
正量調整期間を複数回分としたのは、この間の測
定値のバラツキを避けるためである。

第４図は本発明に係る分割型探触子を用いた超
音波厚さ計のブロツク図であり、第５図はタイミ
ングチヤートである。

第４図に於いて、被測定部材である板材８に対
し、分割型探触子１が、油膜等を介して上方より
密接押下されている。分割型探触子１の送信振動
子４には送信回路１０が、受信振動子５には受信
回路１１が、それぞれ接続されている。

送信回路１０には零点較正回路の１例としての
単安定マルチバイブレータ１２が接続されてい
る。この単安定マルチバイブレータ１２には１回
の測定を開始する際、外部の制御回路（図示せ
ず）からスタートトリガが入力されるように成つ
ており、このトリガパルスを入力すると直ちに内
部状態が反転し、予め「ロー」であつた出力が
「ハイ」となる。この「ハイ」状態は、タイミン
グ用CR回路の回路定数Ｃ，Ｒ１，Ｒ２及びＲ１
の一端に掛かる電源電圧＋Ｖ、Ｒ２の一端に掛け
るＤ／Ａコンバータ１３の出力電圧Ｕで定まる時
間Ｔだけ続いたのち再び「ロー」に戻る。前記
Ｄ／Ａコンバータ１３の出力電圧Ｕは、Ｕ＝０〜
U_naxまで１ステツプずつ階段状に上昇するよう
に成つており、Ｕが１ステツプ分（＝ΔU）ずつ
上昇すると遅延時間ＴがΔtずつ短くなるように
構成されている。

単安定マルチバイブレータ１２の「ロー」→
「ハイ」への立上り変化に付勢されて送信回路１
０は、単一パルスを発生し、送信振動子４で電気
―音響変換を行わせて超音波パルスを送信せしめ
る。この超音波パルスは、シユー２、板材８、シ
ユー３を介して受信振動子５に受信され、ここで
音響―電気変換がなされたのち受信回路１１へ送
られるように成つている。

この受信回路１１は信号の増幅機能並びに自動
利得調整機能（AGC）を有しており、板厚に拘
わらず受信波形の振幅が一定とされるように成つ
ている。この受信回路１１の出力側は、Ｒ−Ｓフ
リツプフロツプ（以下「Ｒ−SF／Ｆ」と略す）
１４のＲ（リセツト）端子に接続されている。一
方、このＲ−SF／Ｆ１４のＳ（セツト）端子に
は、反転回路２２を介して前記単安定マルチバイ
ブレータ１２の出力側が接続されている。このＲ
−SF／Ｆ１４は、単安定マルチバイブレータ１
２の出力が「ハイ」→「ロー」に変化するとセツ
ト状態になつてＱ端子出力を「ハイ」とし、一
方、受信回路１１から受信信号を入力するとリセ
ツト状態になつてＱ端子出力を「ロー」とする。
このように構成されたＲ−SF／Ｆ１４は、単安
定マルチバイブレータ１２の「ハイ」→「ロー」
への立下りタイミングを零点として、この零点か
ら受信タイミングまでの間を板厚に関連するパル
ス巾として方形波出力を行う機能を有する。

Ｒ−SF／Ｆ１４のＱ端子は、AND回路１５の
一方の入力端子と接続されている。このAND回
路１５にＲ−SF／Ｆ１４から方形波入力がなさ
れる間当該ゲートが開き、発振器１６のクロツク
パルスが出力側に接続された換算回路１７へ送出
されるように成つている。

この換算回路１７は、被測定部材の材質の相違
で部材中の音速が変わると、同一の板厚でも上記
板厚に関連するＲ−SF／Ｆ１４の方形波出力の
パルス幅が変化することから、DIPスイツチ群な
どの音速設定部１８で設定された音速に応じて、
AND回路１５の出力パルス列から一定の割合で
パルスの間引きを行い、材質の相違に拘わらず、
板厚が同じ場合は同じ数のパルスを出力する機能
を有するものである。すなわち、音速が速いとき
は板厚を薄く見積もるから間引きする割合を減ら
し、逆に音速が遅いときは板厚を厚く見積もるか
ら間引きする割合を増大するように成つている。

換算回路１７の出力側には板厚計測回路として
の積算カウンタ１９が接続されている。この積算
カウンタ１９は、換算回路１７から送出されるク
ロツクパルス計数する機能を有しており、更に言
うならばアバレージングのための160回の測定に
係る全てのクロツクパルスを積算計数出来るよう
に構成されている。また、換算回路１７のクロツ
クパルス出力はＤ／Ａコンバータ１３に入力され
るように成つている。

このＤ／Ａコンバータ１３は、例えば換算回路
１７が出力するクロツクパルスを計数するカウン
タ部（図示せず）と、このカウンタ部の各桁のビ
ツト端子に接続したはしご回路（図示せず）から
成り、外部からクロツクパルスを入力する毎にカ
ウンタ部の計数値が１ずつ増し、この計数値に比
例して１ステツプ（＝ΔU）ずつ増大する電圧が
はしご回路より出力されるように成つている。こ
のＤ／Ａコンバータ１３は、160回繰り返される
測定の内、．回から16回まで又はカウンタ部の計
数値が16回以前に「ｎ」になつたときは、「ｎ」
となるまでの間、換算回路１７から送られるクロ
ツクパルスを全て積算しながら、積算値に対応す
るアナログ電圧を出力し、16回の測定が終わつた
とき又は16回以前に計数値が「ｎ」となつたと
き、カウンタ部がホールドされて以降そのときの
出力電圧値Ｕ（16）又はU_oに固定されるようにな
つている。

ここで、カウンタ部の計数値が「ｎ」となつた
とき積算を止める理由は、第３図において板厚が
12mm以降補正量を一定とするためであり、このｎ
の値については後述する。

このＤ／Ａコンバータ１３の出力電圧Ｕは、単
安定マルチバイブレータ１２のタイミング用CR
回路を成すＲ２の一端に印加されており、この電
圧Ｕの大小に応じてコンデンサＣの充電電流が大
小と変化する。１回測定が終わる毎にＵが上昇し
ているので、トリガパルスに付勢されて該コンデ
ンサＣが放電したのち充電により左側端子１２Ａ
の電圧が所定のしきい値に達するまでの遅延時間
Ｔは回を追うごとに短くなる。この遅延時間の短
縮量τ（補正量Ｋ）は、Ｄ／Ａコンバータ１３の
電圧Ｕが「０」のときを基準として、Ｕに比例し
て変化するように成つている。

１回の測定が終わると零点較正回路の零点が前
に移動するため、この分、次回の測定でＲ−
SF／Ｆ１４の出力する方形波のパルス幅が長く
なり、板厚が厚くなる方向に補正されることにな
る。この動作は、初回から16回まで又は、16回以
前にＤ／Ａコンバータ１３のカウンタ部の計数値
が「ｎ」となつたときはその回数まで、順次同様
に行われ補正量調整期間とされる。16回の測定が
終わつたとき又は「ｎ」となつたとき、補正量Ｋ
は、Ｄ／Ａコンバータ１３の出力電圧に比例した
短縮量τ（16）又はτ_oで決まる一定値Ｋ（16）又は
K_oとなり、以下160回目まで測定が繰り返される
ように成つている。初回から16回まで各回測定終
了時の、単位厚さ当たりの補正量K′の変化（０
〜12mmまで）及び板厚をパラメータとした補正量
Ｋの変化の様子を第６図及び第７図に示し、16回
終了時の板厚と補正量Ｋとの関係を第８図に示
す。単安定マルチバイブレータ１２のタイミング
用CR回路の定数、Ｒ１の印加電圧＋Ｖ、Ａ／Ｄ
コンバータ１３のステツプ電圧ΔUは第８図の線
図と第３図の点線とが一致するように設定され
る。

各回の測定動作において、換算回路１７から出
力されるクロツクパルスは、積算カウンタ１９で
全て積算されるようになつている。この積算カウ
ンタ１９の出力側にはデコーダ／ドライバ２０を
介して10進４桁の表示部２１が接続されており、
160回の測定が終わると、制御回路（図示せず）
の働きで積算カウンタ１９の積算値に応じた板厚
が１／100mm単位で表示されるように成つている。

次に、上記実施例の全体的動作について説明す
る。ここで、板厚測定には160回分の測定値を積
算して行うアバレージング方式を採用している
が、積算カウンタ１９の160回分の積算値100が
1.00mmの表示に対応する場合を例にとる。このと
き、Ｄ／Ａコンバータ１３のカウンタ部が16回の
測定を行う以前にホールドする計数値ｎは、
12.00mmの板厚の16回分の積算値であり、ｎ＝10016／160×12＝120 となる。

まず、板材８の材質に対応する音速を音速設定
部１８で設定し装置を稼動すると、制御回路の働
きでＲ−SF／Ｆ１４がリセツトされるとともに、
積算カウンタ１９及びＤ／Ａコンバータ１３のカ
ウンタ部がクリアされる。従つて、Ｄ／Ａコンバ
ータ１３の出力は「０」となる。この状態で、制
御回路は１回目のトリガパルスを単安定マルチバ
イブレータ１２に出力する（第５図参照）。この
単安定マルチバイブレータ１２はトリガパルスを
入力すると出力が反転し、この立上りで送信回路
１０は単一パルスを発生し送信振動子４より超音
波パルスを送波させる。また、初期遅延時間T₀
が経過して単安定マルチバイブレータ１２が再転
すると、このタイミングを零点としてＲ−SF／
Ｆ１４がセツトされる。

超音波パルスが板材８を反射し受信振動子５に
受波されると、受信回路１１を経てＲ−SF／Ｆ
１４に送られ、該Ｒ−SF／Ｆ１４をリセツトせ
しめる。このＲ−SF／Ｆ１４がセツト状態にあ
る間、AND回路１５からクロツクパルスが出力
される。このクロツクパルスは、換算回路１７で
音速に応じて間引きが成されたのち、積算カウン
タ１９によつて計数されるとともに、Ｄ／Ａコン
バータ１３で計数され対応するアナログ電圧Ｕ(1)
が出力される。このＤ／Ａコンバータ１３の出力
変化を受けて、単安定マルチバイブレータ１２の
遅延時間Ｔは、T₀よりτ(1)だけ短くなる。即ち、
次の測定に際しτ(1)の分だけ補正Ｋ(1)がなされる
ことになる。

次に、制御回路は、第２回目のトリガパルスを
単安定マルチバイブレータ１２へ出力する。この
トリガパルスを受けて単安定マルチバイブレータ
１２が反転し、前述と同様に送信回路１０、送信
振動子４、板材８、受信振動子５、受信回路１１
とパルスが巡る。Ｒ−SF／Ｆ１４は、１回目の
測定の結果、１回目より２回目の方がτ(1)だけ早
くセツトされており、受信回路１１の出力でリセ
ツトされるまでの時間が長くなる。従つて換算回
路１７からは補正量Ｋ(1)の分だけ増大した数のク
ロツクパルスが出力される。このクロツクパルス
は、積算カウンタ１９に第１回目の計数値に積算
して計数されるとともに、Ｄ／Ａコンバータ１３
でも積算して計数される。このため、Ｄ／Ａコン
バータ１３の出力はＵ(1)の２倍より大きなＵ(2)と
なつて、遅延時間ＴもT₀よりτ(2)だけ短くなり、
３回目の測定に対しτ(2)に比例した補正量Ｋ(2)が
なされることになる。

以下同様の操作を16回繰り返していくと、板厚
０〜12mmまでの場合には補正量Ｋが第６図に従つ
て増大し、16回の補正量調整期間が終わつたとき
板厚に比例して変化する補正量Ｋ（16）が得られ
る（第７図参照）。

この補正量Ｋ（16）は、第３図の点線Ａ−Ｂに
対応する。また、板厚が12mm以上あり16回の測定
を終わる前にＤ／Ａコンバータ１３のカウンタ部
の計数値が120となつたとき、該カウンタ部がホ
ールドされてＤ／Ａコンバータ１３の出力がU₁₂₀
（＝120×ΔU）で一定となる。このため、次回以
降の測定に対する短縮量が一定となつて板厚によ
らない補正量K₁₂₀となる（第７図参照）。この補
正量は、第３図に点線Ｂ−Ｃに対応する。

このようにして、補正量調整期間が終わると、
Ａ／Ｄコンバータ１３のカウンタ部がホールドさ
れて第３図の点線に示す所期の補正量に固定さ
れ、以下160回まで同様の測定動作が繰り返され
る。

初回からの各回の板厚測定に係るクロツクパル
スは、補正分を含めて前記積算カウンタ１９に逐
次積算されていく。そして、160回の測定が終わ
ると、積算カウンタ１９の積算値は、デコータ／
ドライバ２０でBCDコードに変換され、アバレ
ージングした補正後の板厚として表示部２１に表
示される。

この実施例によれば、補正量調整期間の間、毎
回の板厚測定値に係るクロツクパルスをＤ／Ａコ
ンバータが順次積算し対応する電圧を出力して単
安定マルチバイブレータの遅延時間を短くして補
正するようにしたので、極めて簡単・容易な構成
で板厚に応じた補正を自動的になすことができ、
更に、アバレージングを行うための複数回の測定
の内、1/10に当たる初期段階で最終的な補正量を
決定し、かつ、初回から16回までの間も逐次補正
をおこなつていくので、補正量調整期間の存在が
測定精度に与える影響が殆どなく、アバレージン
グによる測定精度の向上、安定化の効果を充分発
揮せしめることが可能となる。また、補正量調整
期間をアバレージングで行う本測定の中に含めて
いるため、該補正量調整期間を本測定の前に前測
定（予備測定）として行う場合に比較して、全体
の測定時間を短くすることができる。

尚、上記実施例に於いては単安定マルチバイブ
レータの遅延時間をタイミング用RC回路の時定
数で設定するようにしたが、クロツク発振器の発
信周期を所定の数だけカウントすることで設定す
るようにした場合、このカウント数を減らして補
正するように構成してもよく、また、補正量の調
整を１回又は複数回の前測定で行つたのち、１回
又は複数回のアバレージングによる本測定を行う
ようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、小型・
軽量・簡単な構成で分割型探触子の有する測定偏
差を補正することによつて、1/10〜1/100mm精度
の厚さ測定が可能となり、近年の製造管理の高度
化に充分対応できるという従来にない優れた超音
波厚さ計が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は分割型探触子の測定状態を示す概略
図、第２図は分割かた探触子を用いて板厚を測定
したときの測定値と実際の値との関係を示す線
図、第３図は第２図における測定値と偏差との関
係を示す線図、第４図は本発明の一実施例に係る
超音波厚さ計のブロツク図、第５図はタイミング
チヤート、第６図及び第７図は第４図に示す超音
波厚さ計の動作説明図、第８図は第４図に示す超
音波厚さ計における板厚と補正量との関係を示す
線図である。１……分割型探触子、８……板材、１２……零
点較正回路の要部をなす単安定マルチバイブレー
タ、１３……零点調整回路としてのＤ／Ａコンバ
ータ、１６……非同期式発振器、１９……計測回
路としての積算カウンタ。

Claims

【特許請求の範囲】１被測定部材を介し超音波の受信を行う分割型
探触子と、送信タイミングより所定の遅延時間だ
け零点を遅らせる零点較正回路と、この零点から
受信タイミングまでクロツクパルスを計数し板厚
を求める計測回路とを備えた超音波厚さ計におい
て、前記計測回路を、予め定められた零点による被
測定部材の前測定時の板厚にかかるクロツクパル
スを所定の範囲内で計測するカウンタにより構成
するとともに、このカウンタの計数値に比例して
前記零点較正回路の零点を可変させる零点調整回
路を前記零点較正回路に併設したことを特徴とす
る超音波厚さ計。