2. Разработка функциональной схемы аналогового дефектоскопа

Функциональная схема специализированного дефектоскопа проектируется на основании анализа задач контроля, схем прозвучивания и расчета параметров контроля

Рисунок 2. Функциональная схема типового эхо – импульсного дефектоскопа общего назначения

Задающим узлом дефектоскопа является генератор синхроимпульсов (ГСИ), работающий в автоколебательном режиме. ГСИ вырабатывает последовательности электрических импульсов с надлежащими временными сдвигами между ними, обеспечивая согласование во времени всех блоков. Он периодически запускает генератор импульсов возбуждения (ГИВ), схему автоматической сигнализации дефектов (АСД), глубиномер, схему временной регулировки чувствительности (ВРЧ) и генератор напряжения развертки (ГНР). ГИВ предназначен для формирования высоковольтных импульсов малой длитель­ности (0,2-3 мкс), которые используются для возбуждения колебаний излучающего преобразователя (несущая частота импульсов (частота высокочастотных колебаний, запол­няющих импульс) подстраивается индуктивностью, монтируемой либо в приборе, либо в преобразователе. Генерируются экспоненциальные затухающие или, более рациональные энергетически, колоколообразные импуль­сы.); система АСД предназначена для автоматической фиксации момента обнаружения дефекта; ГНР обеспечивают временную развёртку, при которой перемещение луча по экрану пропорционально времени. В приемном тракте принятые сигналы проходят: ограничение, через ограничитель – устройство, защищающий приемный тракт от зондирующего импульса (ЗИ); ослабление, с помощью аттенюатора – устройство для калиброванного ослабления сигналов; усиление, благодаря системе УВЧ (усилитель высокой частоты); детектирование, через амплитудный детектор – устройство, выделяющее из амплитудно-модулирующего ЗИ колебание, моделирующее сигнал; одностороннее ограничение, с помощью отсечки и дополнительное усиление. Только импульс ВРЧ (временная регулировка чувствительности) предназначен для коррекции усиления и является в этом тракте служебным (выравнивает амплитуды сигналов от дефектов, залегающих на разной глубине). Сигналы же схемы АСД и ГНР полностью является служебным и предназначены для селекции и наглядного представления сигналов на экране дефектоскопа. В универсальных дефектоскопах можно менять параметры служебных импульсов в значительных пределах.

3. Разработка структурной схемы цифрового дефектоскопа.

В цифровом дефектоскопе (рис. 3) служебные функции реализуются программно. Например: вместо временного селектора на базе двух генераторов прямоугольных импульсов и схемы «И» программно задается алгоритм предусматривающий:

• анализ временного положения эхо-сигнала относительно зондирующего импульса;

• оценку амплитуды эхо-сигнала и сравнение с заданным пороговым уровнем (порог АСД).

• включение звукового индикатора при превышении амплитуды эхо - сигнала выше порога АСД и находящегося в зоне АСД.

В то же время передающий и приемный тракт остаются аналоговыми, но с цифровым управлением. С целью исключения взаимного влияния аналоговой части на цифровую и наоборот предусматривают раздельные шины питания. Синхронизация работы всех блоков дефектоскопа выполняют путем деления частоты тактового генератора микропроцессора. Кроме того, необходимы меры для минимизации (устранения) цифрового шума в момент перехода электрических ключей с «0» положения на «1» и обратно.

Цифровой дефектоскоп состоит из следующих основных блоков:

• Передающее – приемное устройство

• Устройство обработки.

• Панели управления и индикации.

В электронном блоке также размещается блок питания со встроенным аккумулятором, стабилизатором напряжения, схемой защиты и преобразователем напряжения, который из постоянного напряжения 12В формирует необходимые напряжения питания для микропроцессора (2,4В; 5В); для микросхем (5-12В) и для генератора развертки (80В). Для обеспечения работоспособности матричного дисплея используется напряжение (ЖК индикатор - до 30В; электролюминесцентный индикатор - до 300В).

Для формирования зондирующих импульсов используются сигналы тактового генератора устройства обработки. Сигналы тактового генератора в ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) делятся в определенное число раз и вырезается всего лишь 2-3 периода – цуг колебаний. Эти сигналы поступают в ГИВ и через коммутатор (мультиплексор) подаются на ПЭП. В цифровом дефектоскопе ГИВ практически как усилитель. Мощность зондирующего импульса может быть изменена путем изменения количества периодов и питающего напряжения. Период следования зондирующих импульсов также задается с ПЛИС. Приемный тракт дефектоскопа реализуется с помощью высокоточных усилителей АD-600,605 с общим коэффициентом усиления до 80 дБ и с линейной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) от 0,3 до 30 МГц. Управление параметрами этой схемы осуществляется программно тем же самым ПЛИС через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Рисунок 3. Структурная схема типового цифрового ультразвукового дефектоскопа.

Отраженные эхо-сигналы из контролируемого объекта поступают на приемную пластину и через коммутатор на вход приемного тракта. Оцифрованные по времени и амплитуде эхо-сигналы через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) подвергаются обработке в ПЛИС по заданной программе. В устройстве обработки в зависимости от режима работы дефектоскопа из перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) кодовых программ, выбирается та или иная программа, которая реализуется в центральном модуле процессора (ЦМП). Например: демонстрация на экране закона ВРЧ; представление сигналов в виде «А-скан» или «В-скан»; индикация координат дефекта. При расчете координат дефекта коэффициенты пересчета (скорость ультразвука, угол ввода луча и время задержки в ПЭП) выбираются из ППЗУ кодов данных. Оперативные данные о текущих параметрах сигнала берутся с оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Запоминающими устройствами управляет ЦМП. Матричный дисплей, состоящий из множества пикселей, формирует необходимые изображения (графические, текстовые, цифровые) по сигналам, проступающим с управляющего контроллера дисплея. При выборе дисплея необходимо учитывать:

• геометрические размеры прибора;

• организация (число точек, знаков, строк);

• функциональные возможности (сенсорный ввод);

• оптические (яркость, контрастность, угол обзора);

• температурный диапазон (рабочая и температура хранения);

• быстродействие;

• энергопотребление;

• стоимость.

Так как прибор разрабатывается для использования в вагонных/вагоноремонтных депо, для контроля обода цельнокатаного колеса, то температурный диапазон не будет иметь большого разброса, потому что контроль и работа прибора будут производиться в отапливаемых помещениях. Контроль обода – стационарный процесс, не требующий постоянной работы прибора от аккумулятора, поэтому энергопотребление дисплея не играет большой роли. Но нужно быстродействие, адекватные габариты прибора и, желательно, дешевизна дисплея. Из сказанного выше можно подобрать необходимый дисплей – ЖК. Достоинства ЖК-индикаторов заключаются в следующем:

• малая потребляемая мощность (110 мкВт/см²);

• работа при высоком уровне внешней освещенности;

• простота конструкции и технологии изготовления;

• низкая стоимость,

• низкое рабочее напряжение.