JPS60313A - 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ｒｃどの金属や、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。分
割を探触子１は左右に分かれたシュー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、ＩＩＩ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朋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１絹〜１２順までは偏差が直線的に変化し、１
２酊〜３０ｍは一定となる。これは、１２隨〜３０闘の
範囲は分割型探触子の焦点経路近傍でアリ安定領域とな
るからである。

酌ｆ壌津目ミ端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、醇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１／１０〜１７１００ｍ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、アバレージングのための複数回の測定の内、
初回から所定回数までの測定に係るクロックパルスを一
定範囲内で積算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
点調圧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（７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
発振器のクロッ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ックパルスの１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１−るため複数回の測定値を積算して板厚をめるアバ
レージング方式が採用されている。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、
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、
所定の補正量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すくシ
確実な補正を行なおつとするものである。

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１〜６ｎまで十
偏差７【ため−補正が必要でめり、６龍からは一偏差な
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ｏｍｍのとき偏差
が０となるよう＆’Ｃ設定して常に十補正を行なうよう
Ｖこしておき、０１１〜１２ｍｍ１では板厚に比例して
十補止を行ない、１２ｍ以後一定の十補正を掛けるもの
とし、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１＝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
計のブロック図でアリ、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Ｆｉｉ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９、と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」でらった出力が「
ハイ」となる。この「ハイ」状態は、タイミング用Ｃ１
（回路の回路定数Ｃ９几１．Ｒ２及びＲ１の一端に掛る
電源電圧＋ｖ、ｌ（＋２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＝Ｏ〜Ｕ　＝　Ｕｍａｘまで１ステツプずつ階段状
に上昇するように成っており、Ｕが１ステツプ分（＝Δ
Ｕ）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っている。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１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−８フリツプフロツプ（以下［几−８Ｆ／Ｆ　Ｊと略
す）１４のＲ（リセット）端子と接続されている。一方
、この几−８Ｆ／Ｆ　１４の８（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Ｒ−８Ｆ／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から受信信号を人力するとリセ
ット状態になって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、単安定マルチバイ
ブレータ１２の「ハイ」→「ロー」への立下が９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。

前記比−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Ｈ，−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の出力パルス列から一定の割合でパルスの間引
＠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＠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
を計数する機能を有しており、更に言うｒｌらはアバレ
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のクロックパルス出力はｌ）／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、例えば前記換算回路１７が出力するク
ロックパルスを計数するカウンタ部（図示せず）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、ｒｌｌＪ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「ｎ」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「ｎ」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１２朋以降補正量
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ＣＲ回路を成す
Ｒ，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は回を追うごどに短くなる。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Ｏ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
点が前に移動するためこの分、次回の測定で１（−８Ｆ
／Ｆ１４の出力する方形波のパルス幅が長＜　ｔＸ、　
、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［ｎＪとなった
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回の測定が終わったとき又は「ｎ」と
なったとき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τゎで決する一定補正量Ｋ　（１
６）又はＫｎ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回まで各回測定
終了時の、単位厚さ当りの補正量にの変化（０〜１２ｍ
ｇまシ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
正量にとの関係を第８図に示す。前記単安定マルチバイ
ブレータ１２のタイミング用ＣＲ回路の定数、Ｒ１の印
加電圧＋Ｖ１Ａ／Ｄコンバータ１３のステップ電圧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、前記換算回路１７から出力さ
れるクロックパルスは積算カウンタ１９で全て積算され
るようになっている。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１／１００ｍ単位で表示されるよう
に成っている。

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
．００　ｙｒａと表示するように　゛成っているものと
する。このとき、Ｄ／Ａコンバータ１３のカウンタ部が
１６回の測定を行ン１う以前にホールドする計数値ｎは
、１２．００ｍ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１８で
設定し装置を稼動すると、制御回路の働きでＲ−８Ｆ／
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１３０カウンタ部がクリアされる。

従って、前記Ｄ／Ａコンバータ１３の出力はＯ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け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
５１Ｃ受波されると、受信回路１１を経て几−８Ｆ／Ｆ
　ｌ　４に送られ該Ｒ−８Ｆ／ＰＩ？リセットせしめる
。この几−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。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Ｔ　ｏよりτ（１）だけ短くなる。即５、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。このトリガパルスヲ受
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−８Ｆ／に’　１
４は、１回目の測定の結果、１回目より２回目の方がτ
（ＩＪ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（１）の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、１）／Ａコンバータ１３でも積算して計数
される。このため、ｌ）／Ａコンバータ１３の出力はＵ
（υの２倍より大きなＵ（２）となって、遅延時間Ｔも
ｒｌ＋、よジτ（２）だり短くなり、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〜１２龍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１２闘以上あり、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Ｕｕｏ（＝
１２０ＸΔＵ）で一定となり、こ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ｈ補正量に
＋ｔ。

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
定値に係るりφ）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Ｏ容易な構成で板厚に応じた補正を自動的１１Ｃｒｉ
ずことができ、更に、アバレージングを行なう几めの複
数回の測定の内、１／ＩＯＫ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
度圧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、安定化の効果を元号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７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膚を可変し補正量を設定するよう
にしたので面（ロ）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、アノ（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ｒｚうことができる。

【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ック図、ＷＪ５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
音波厚さ針の動作説明図、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
   ングまでクロックパルスを計数す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
   に於て、複数回の測定の内、初回から所定回数までの測
   定に係るクロックパルスを一定範囲内で積算計数するカ
   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。