JPS60312A - 超音波厚さ計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ｒｌどの金部や、プラ
スチック、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、同一材料ルら
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、超音波全発射してから、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、左右に分かれたシュー２，３伺
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８０表面を伝わっ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っている。

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Ｉ、ｎ、ＩＩ
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６囮のとき
両者が一紋１−るように調整した場合）、第３図に示す
ように最高上０．１８１ｇぐらいの偏差を生じていた。

第２図、第３図で板厚が１ｍｍ〜１２ｍｇまでは偏差が
直線的に変化し、１２順〜３０朋は一定となる。これは
、１２順〜３０朋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。缶缶落社−′、　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１′！、放置すると
、ｎ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１／１ｏ〜１／Ｉ　ＯＱ
ｌＫの精密さで測定を行なおうとするとき誤差が大きく
なっ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っ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
おる。

本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされたものであＶ
、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った超
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ッ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た
ことにより、前記目的を達成しようとするものである。

１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・受信間の時間間隔は、第１図の板
材８内の経路時間とシュー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（シュー２，３中を超音波パルスが
通過する時間ン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十の補正をし、後にずらすと−の
補正をしたのと等価になる。よっ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全行ない、
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ｌχ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闘まで十
偏差なため一補正が必要であり、６＋ｉｍからは一偏差
なため十補正が必要となっているが、本実施例では、第
２図、第３図の点線に示す如く予め板厚０朋のとき偏差
が０となるように設定して常に十補正を行はうようにし
ておき、ｏ關〜１２ｍｍまでは板厚に比例して十補正を
行ない、１２玉以後一定の十補正を掛けるものとする。

また、非同期式発振器のクロッ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
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ｚようものとする。

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
計のブロック図であり、第５図はタイミングチャートで
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ｌ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ｌＯ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（図示せずンからスタートトリガが入力される
ように成っており、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」であった出力が「）
・イ」となる。この「ハイ」状態は、タイミング用Ｃｋ
Ｌ回路の回路定数Ｃ９几ｌ、几２及び几１の一端に掛る
電諒電圧＋Ｖ　、　Ｒ２ｔＤ−ｍＶｃ掛るＤ／Ａコンバ
ータ１３の出力電圧Ｕで定まる時間Ｔだけ続いたのも再
び「ロー」に戻る。前記Ｄ／Ａコンバータ１３の出力電
圧ＵはＵ＝Ｏ〜Ｕ　＝　Ｕｍａｘまで１ステツプず０つ
階段状に上昇するように成っており、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。

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
スはシュー２．板材８、シュー３ｆｆ：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
られるように成っている。この受信回路１１は信号の増
幅機能並ひに自動利得調整機能（ＡＧＣＪ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
成っている。この受信回路１１の出力側はＲ−Ｓフリラ
グフロップ（以下ｒｋＬ−ｓＦ／ＦＪと略す〕１４のＲ
（リセット）端子と接続されている。一方、このＲ−８
Ｆ／ｌｉ’１４のＳ（セット〕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、該几−８”／Ｆ　１４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１″
るとセット状態になって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ット状
態に７よってＱ端子出力を「ロー」とする。このように
構成されたＲ−８Ｆ／Ｆ１４は、単安定マルチノくイブ
レータ１２の「ノ１イＪ→「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ノくルス幅として方形波出力を行な
う機能を有する。

前記凡−８Ｆ／Ｆ　１４のＱ端子はＡＮＤ回路１５の一
方の入力端子と接続されて−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−８Ｆ／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
ック、＜ルスが出力側に接続された換算回路１７へ送出
されるように成っている。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−８Ｆ／Ｆ１４の方形波出
力のパルス幅が変化することから、ＤＩＰスイッチ群な
どの音速設定部１８で設定された音速に応じて、ＡＮＤ
回路１５の出カッ（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っ
ている。

前記換算回路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１
９は、前記換算回路１７から送出されるクロックパルス
を計数する機能ケ有しており、更ＶＣ醜うならばアバレ
ージングのための１６０回の測定に係る全てのクロック
パルスｅｌ算計数出来るように構成されでいる。また、
前記換算回路１７のクロックパルス出力ｉｄＤ／Ａコン
バータ１３に入力されるよう成っている。このＤ／Ａコ
ンバータ１３は、例えは前記換算回路１７が出力するク
ロックパルスを計数するカウンタ部（−示せず〕と、こ
のカウンタ部の各桁のビット端子に接続したはしご回路
（図示せず）から成り、外部からクロックパルスを入力
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っている。

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」になったときは、［ｎＪとなるまで
の間、換算回路１７から送られるクロックパルスを全て
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回の測定が終わったとき又は１６回以前に計数値
がｊｎＪとなったとき、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
るようになっている。

ここでカウンタ部の計数値がｒｎＪとなったとき積算を
止める理由は、第３図において板厚が１２ｍ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、前記単安定
マルチバイブレータ１２のタイミング用Ｃ几回路を成す
几２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、トリガハＦＬｓ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／にコンバータ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
に成っている。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７ｂめこの分、次回の測定でＲ，−８
Ｆ／Ｆ　１４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ＩＪ／Ａコン
バータ１３のカウンタ部の計数値がｒｎＪとなったとき
はその回数まで順欠同様に行なわれ補正量調整期間とさ
れる。１６回の測定が終わったとき又は１’ｎＪとＥつ
たとき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τｈで決まる一定補正量Ｋ（１６）又
はに、となり、　以下１６０回目まで測定がくり返され
るように成っている。初回から１６＠まで各回測定終了
時の、単位厚さ轟９の補正量にの変化（０〜１２ｍまで
ン及び板厚をパラメータとした補正量にの変化の様子を
第６図及び第７図に示し、１６回終了時の板厚と補正ｉ
Ｋとの関係全第８図に示す。前記却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＋■、Ａ／Ｄコンバータ１３のステップ配圧ΔＵ￥ｉ
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、前記換算回路１７がら出力さ
れるクロックパルスは積算カウンタ１９で全てｄ（算さ
れるようＶＣなっている。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（図示せす）の働きで前記積算カウンタ１９
の積算値に応じた板厚が１／１００簡単位で表示される
ように成っている。

θ−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１００が１．００ｍ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のカラ／り部が１６回の測定を行なう以前にホー
ルドする計数値［ｌは、１２．００ｍｍの板厚の１６回
分の積算値であり、 ６０ となる。

まず、板材８の材質に対応する音速を音速設定部１Ｂで
設定し装置を稼動すると、制御回路の働きでＲ，−ｓＦ
／Ｆ１４がリセットされるとともに、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１）／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
九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、初期遅鳶時間Ｔ、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−８Ｆ／Ｆ１４がセットされる。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を経て几−８Ｆ／Ｆ　１４に送られ該几
−８Ｆ／Ｆ　１４ｆリセツトせしめる。このＲ−８Ｆ／
Ｆ１４がセット状態にある間、ＡＮＤ回路１５からクロ
ックパルスが出力される。このクロックパルスは、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によっ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。ｌ）／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Ｔｏ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。几−８Ｆ／Ｆ　１４は
、１回目の測定の結果、１回目より２回目の方がτ（１
）だけ早くセットされており、受信回路１１の出力でリ
セットされるまでの時間が長くなる。従って前記換算回
路１７からは補正量Ｋ　（ＩＪＯ分だけ増大した数のク
ロックパルスが出力される。このクロックパルスは積算
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、　Ｌ）／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（
υの２倍より大きなＵ（２）とｒｚつて、遅延時間Ｔも
Ｔ、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θ〜
１２ｍまでの場合には補正量Ｋが第６図に従って増大し
、１６回の補正量調整期間が終わっ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−Ｈに
対応する。！また、板厚が１２ｗ以上あり、１６回の測
定を終わる前に前記Ｄ／Ａコンバータ１３のカウンタ部
の計数値が１２０となったとき、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　ＸΔＵ）で一定となり、仁のため次回以降の測
定に対する短縮量が一定となって板厚によらない補正量
に１２＠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
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ックパルスは補正
量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／ドンイバ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
定値に係るクロックパルス＝２Ｄ／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
行なっていくので、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クの遅
延時間をタイミング用几Ｃ回路の時定数で設定するよう
にしたが、クロッ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ったのち
、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。

以上説明したように本発明によれは小屋・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
よって、１／１０〜１／１００ｇｘＮ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全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ック図、第５図はタイ
ミングチャート、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・・・単安
定マルチバイブレータ、１３・・・Ｄ／Ａコンバータ、
１６・・・非同期式発振器、１９・・・積算カウンタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）、被測定部材を介し超音波の送受を行なう分割型
   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
   グまでクロックパルスヲ計数し板厚をめる計測回路とを
   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かかるクロックパルスを
   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
   点調整回路とを備えたことを特徴とする超音波厚さ計。