JPH0227603B2

JPH0227603B2 -

Info

Publication number: JPH0227603B2
Application number: JP58108300A
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: JPS60313A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、超音波厚さ計に係り、とくに分割型
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なうことのできる測
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な
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のとき両者が一致
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なうと
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なおうとすると
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、補正を行なうため第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、小形、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、被測定部材を介して超音波の送受を
行なう分割型探触子と、送波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、複数回
の測定の積算値で板厚測定を行なう超音波厚さ計
において、計測回路を、初回から所定回数までの
測定に係るクロツクパルスを一定範囲内で積算計
数するカウンタにより構成するとともに、零点較
正回路に零点調整回路を併設し、この零点調整回
路が、カウンタの計数値に対応して零点較正回路
の零点を可変させる第１の調整機能と、カウンタ
の計数値に基づいて算定される板厚が一定値以上
になつた場合は直ちに補正値を必要最小限の値に
固定する第２の調整機能とを備えている、という
構成を採つている。これによつて前述した目的を
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説明を行
なう。

パルス法における送信・受信間に時間間隔は、
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。

この時間間隔の計測を非同期式発振器のクロツ
クパルスをカウントして行なう場合、１回の測定
だけではクロツクパルスの一周期分の大きさで測
定値にバラツキを生じることになる。この不都合
を解消するため複数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が採用されている。

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、アバレージングを行なう複数回の測定の内、
初回から所定回数までの初期段階で得られた板厚
データに基づき、所定の補正分だけ前記零点較正
回路の零点を可変させて補正量の設定を行ない、
以降の各回の測定に対しては一定の補正量が掛か
るようにして測定のバラツキをなくし確実な補正
を行な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＋偏差であるため−補正が必要であり、６
mm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＋補正を行な
うようにしてある。そして、０mm〜12mmまでは板
厚に比例して＋補正を行ない、12mm以後一定の＋
補正を掛けるものとする。また160回の測定を積
算してアバレージングし、内、最初の16回の測定
で補正量の調整を行なうものとする。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
に掛る電源電圧＋Ｖ、R₂の一端に掛るＤ／Ａコ
ンバータ１３の出力電圧Ｕで定まる時間Ｔだけ続
いた後、再び「ロー」に戻る。Ｄ／Ａコンバータ
１３の出力電圧ＵはＵ＝０〜Ｕ＝Umax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ずつ短か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」への立上がり変化に付勢されて送信回路
１０は単一パルスを発生し、送信振動子４で電気
―音響変換を行な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」
への立下が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
ルス幅として方形波出力を行なう機能を有する。

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の他方の入力端子には非同期式発振器１６
が接続されており、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ない、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るか
ら間引きする割合を増大するように成つている。

換言回路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
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可能に構成されてい
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回くり返される
測定の内、初回から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12
mm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
に行なわれ、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で決まる一定補正量Ｋ
（16）又はK_oとなり、以下160回目まで測定がく
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
して行な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回分の積算値が100の
とき表示部で1.00mmと表示するように成つている
ものとする。このとき、Ｄ／Ａコンバータ１３の
カウンタ部が16回の測定を行なう以前にホールド
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、この立上がりで送信回路１
０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／Ｆ
１４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／Ｆ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
じて間引きがなされたのち、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１
３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
定に際して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回くり返していくと、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
回以降の測定に対応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図の点線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回まで同様に測定動作がくり返される。

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なうための複数回の測
定の内、1/10に当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
を行なつていくので、補正量調整期間の存在が測
定精度に与える影響は殆んどなく、アバレージン
グによる測定精度の向上、安定化の結果を充分発
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を行な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）として行なう場合に比較して全
体の測定時間を短かくすることができる。

尚、上記実施例に於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振
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い。

以上説明したように、本発明によれば、板厚デ
ータに応じて零点較正回路の零点を可変し補正量
を設定するようにしたので、面倒な演算処理を要
することなく、極めて簡単・容易な構成で板厚に
応じた補正が自動的になされる。また、アバレー
ジングを行なう初期段階で補正量の調整がなされ
るので、全測定時間が長くならず、かつ、調整期
間経過後一定補正量が掛けられるため測定値のバ
ラツキを招くことなくアバレージングの効果を充
分発揮させた補正を行なうことができるという従
来にない優れた超音波厚さ計を提供することがで
きる。

【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図は分割型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被測定部材を介して超音波の送受を行なう分
割型探触子と、送波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、複数回の測定の
積算値で板厚測定を行なう超音波厚さ計におい
て、前記計測回路を、初回から所定回数までの測定
に係るクロツクパルスを一定範囲内で積算計数す
るカウンタにより構成するとともに、前記零点較
正回路に零点調整回路を併設し、この零点調整回路が、前記カウンタの計数値に
対応して前記零点較正回路の零点を可変させる第
１の調整機能と、前記カウンタの計数値に基づい
て算定される板厚が一定値以上になつた場合は直
ちに補正値を必要最小限の値に固定する第２の調
整機能とを備えていることを特徴とする超音波厚
さ計。