JPH0227605B2 - Choonpaatsusakei - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する分野〕 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。

〔従来技術とその問題点〕

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
有しており、この遮蔽板６を圧縮バネ７で被測定
部材である板材８側へ押しつけて送信側から受信
側へ板材８の表面を伝わつて行く振動を防止する
ことで薄い板厚測定も可能な構造となつている。
ところが、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
な関係となる（板厚６mmのとき両者が一致するよ
うに調整した場合）。こののときの偏差の実験値
を近似したものが、第３図の実線で示されてい
る。この第３図で示されるように、板厚が１mm〜
７mm、７mm〜12mm（７mmを境にして傾きが変わつ
ている）までは偏差がほぼ直線的に変化し、12mm
〜30mm、30mm〜40mm、40mm以降のそれぞれの区間
はほぼ一定となつている。

つまり、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。

〔発明の目的〕

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。

〔発明の概要〕

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前測定した板厚に応じて前記
零点調整回路の比例係数を段階的に切換える係数
選択回路とを備えたことにより、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の概要の説明
を行なう。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、前記零
点較正回路の零点を前にずらすと＋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ない、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
せることで次に行なう測定（本測定）の補正量の
設定を行なおうとするものである。

しかし、この補正方法だけでは、第３図に示さ
れる近似曲線から理解されるように、その傾きが
途中で変化するので、精度の向上を図ることがで
きない。

そこで、本発明は、上述した補正方法を採用す
るとともに、補正を０〜７mm、７mm〜12mm、12mm
〜30mm、30mm〜40mm、40mm以降と板厚に応じて４
段階に分けて行なうことにより、より精度の向上
を図ることを意図したものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図ないし第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までと40mm以上は＋偏差なため−補正が必要で
あり、６mmから40mmまでは−偏差なため＋補正が
必要となつているが、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おき、０
mm〜７mm、７mm〜12mmまでの区間では板厚に比例
してそれぞれ所定の＋補正を行ない、12mm以降の
区間では、それぞれの区間において一定の＋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なうため、
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、受信振動子５に
は受信回路１１が接続されている。前記送信回路
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＝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）ずつ上昇すると前記遅延時間Ｔが
Δtずつ短かくなるように構成されている。また、
抵抗R₂に加えられる前記Ｄ／Ａコンーバータ１
３の出力電圧Ｕは、後述する制御回路２３と係数
選択回路２４とにより可変されるようになつてい
る。

前記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前記送
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１
１へ送られるように成つている。この受信回路１
１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）端子と接続されている。一方、このＲ−
SF／Ｆ１４のＳ（セツト）端子は反転回路２２を
介して前記単安定マルチバイブレータ１２の出力
側が接続されており、該Ｒ−SF／Ｆ１４は、単
安定マルチバイブレータ１２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１
２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。

前記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１
６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。も少し詳しく言う
と、音速が速いときは板厚を薄く見積るから間引
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する割合を増大するように成
つている。

前期換算回路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、前記換算回路１７から送出
されるクロツクパルスを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、前記換算回
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、例えば前記換算回路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前記カウン
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Un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図において示される
ように、12mm〜30mm、30mm〜40mm、40mm以降の板
厚の補正量をそれぞれの区間で一定とするためで
ある。そして、この「ｎ」の値は、予め定められ
ている。

このＤ／Ａコンバータ１３の出力電圧Ｕは、前
記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１２
Ａ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。

ところで、前述したように、抵抗R₂に加えら
れる前記Ｄ／Ａコンバータ１３の出力電圧Ｕはカ
ウンタ部、比較部などを有する制御回路２３とト
ランジスタＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄといくつかの抵抗とか
らなる係数選択回路２４とにより可変されるよう
になつている。

詳述すると、まず前記制御回路２３は、前記換
算回路１７が出力するクロツクパルスを計数し、
計数値が「ｍ」，「ｎ」，「ｏ」，「ｐ」となつたとき
に、トランジスターＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄへ、順次ベー
ス電流を流す構成になつている。この「ｍ」，
「ｎ」，「ｏ」，「ｐ」は、それぞれ板厚が７mm，12
mm，30mm，40mmのときに積算されるべき計数値を
示しており、予め定められている。つまり、計数
値が「ｍ」，「ｎ」，「ｏ」，「ｐ」になつたときに、
各トランジスタＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを各々導通させ、
抵抗R₂に印加される前記Ｄ／Ａコンバータ１３
の出力電圧を段階的に可変せしめることにより、
該Ｄ／Ａコンバータ１３の出力電圧に比例して変
化する短縮量τ（補正量Ｋ）の比例係数を段階的
に変化させ、補正量を調整するようにしているの
である。

具体的に述べると、例えば板厚が４mmのとき
は、測定を16回行なつても計数値は「ｍ」にはな
らないため、トランジスターにベース電流は流れ
ない。しかし、板厚が8.5mmのときは、16回終了
以前に計数値が「ｍ」となるため、「ｍ」になつ
たときにトランジスターＡにベース電流を流し、
抵抗R₂に加える電圧を減少させることにより比
例係数を変化させ、補正量の調節を行なうのであ
る。また板厚が20mmのときは、計数値が「ｍ」，
「ｎ」と変化するので、「ｍ」になつたときに、上
述したようにトランジスターＡにベース電流を流
し、「ｎ」になつたときにはトランジスターＢへ
もベース電流を流すのである。そして、「ｎ」に
なつたときは、Ｄ／Ａコンバータ１３の出力電圧
が一定となるので、これ以後の補正量はそれぞれ
の区間で一定となるのである。また、板厚が36mm
のときは計数値が「ｍ」，「ｎ」，「ｏ」以上にまで
積算されるので、「ｏ」になつたときにはトラン
ジスターＣをも導通せしめ、また板厚が42mmのと
きは、計数値が「ｐ」以上になるので、「ｐ」に
なつたときにトランジスターＤを導通させること
により（このときは、全トランジスターが導通し
ていることになる）、補正量の調整を段階的に行
ない、近似精度の向上を図つているのである。

以上の動作を行なうことにより、16回の測定が
終つた時には一定の補正量Ｋが得られ、以下160
回目まで測定がくり返されるようになつている。

初回から16回まで各回測定終了時の板厚をパラ
メータとした補正量Ｋの変化の様子を第６図に示
し、16回終了時の板厚と補正量Ｋとの関係を第７
図に示す。

つまり、上述した構成を採用し、単安定マルチ
バイブレータ１２のタイミング用CR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、係数選択回路２４のトランジスター、
抵抗を所定の値に設定することにより、第７図の
線図を第３図の点線と一致させることができるの
である。

一方、各回の測定動作において、前記換算回路
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）の働きで前記積算カウンタ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。

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、前記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（図示せず）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が反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。前記超音波
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／Ｆ１４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１３で計
数され対応するアナログ電圧Ｕ(1)が出力される。
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。従つて前記換算回
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。以下同様の操作をくり返し
ていくわけだが、上述したように途中で計数値が
「ｍ」，「ｎ」，「ｏ」，「ｐ」をこえる場合は、制御
回路２３がトランジスターＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄのベー
スに電流を流し、Ｄ／Ａコンバータ１３の出力電
圧を変化させることにより、そのつど前述した比
例係数を段階的に変化せしめている。

そして、16回の補正量調整期間が終つたとき板
厚に応じた補正量（16）が得られるのである（第
６図参照）。この補正量（16）は、第３図の点線
に対応する。

このようにして、補正量調整期間が終わると、
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に遂次積算さ
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２
０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で表示される。

第８図はこのようにして補正を４段階に可変せ
しめた場合の実験結果の誤差を示している。誤差
は、±0.02mm以内になつており、精度が非常に向
上していることが理解される。

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、また、
該電圧を所定の値に可変せしめるようにして単安
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回までの間も遂次補正を
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べて全体の
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く、また、補正量の調整
を１回又は複数回の前測定で行なつたのち、１回
又は複数回のアバレージングによる本測定を行な
うようにしてもよい。

〔発明の効果〕

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図は第４図に示す超音波厚さ計の動作
説明用の線図、第７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、第
８図は本実施例の実験結果の誤差を示す線図であ
る。 １……分割型探触子、８……被測定部材、１２
……零点較正回路としての単安定マルチバイブレ
ータ、１３……カウンター、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、２４…
…係数選択回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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
   から受波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
   於て、予め定められた零点による被測定部材の前
   測定時の板厚に係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
   に比例して前記零点較正回路の零点を可変させる
   零点調整回路と、前測定した板厚に応じて前記零
   点調整回路の比例係数を段階的に切換える係数選
   択回路とを備えたことを特徴とする超音波厚さ
   計。