Спосіб формування дзвіноподібних імпульсів зондування для ема перетворювача та пристрій для його здійснення

1. Спосіб формування імпульсів зондування для ЕМА перетворювача, що полягає в обнулінні лічильника з наступною подачею на його рахунковий вхід імпульсів, що ідуть із частотою, обернено пропорційною періоду імпульсу зондування, з одночасним перетворенням числа, записаного в лічильнику, в аналоговий сигнал, що подають на випромінювач ЕМА перетворювача, який відрізняється тим, що після обнуління лічильника, на його рахунковий вхід подають імпульси, що ідуть із частотою, вираженою залежністю 4 fИ , де з N - ємність лічильника, Т3 - період імпульсу зондування, причому у тимчасовому інтервалі, що відповідає 2 3 89290 го Т-тригера, вихід якого, у свою чергу, з'єднаний з керуючим входом аналогового комутатора, загальний вихід якого з'єднаний із входом перетворювача напруга-струм, крім того, нормально замкнутий з виходом, вхід аналогового комутатора з'єднаний з виходом схеми масштабування, до якого одночасно підключений вхід додаткової схеми масштабування, вихід якої підключений до нормально розімкнутого з виходом входу аналогового комутатора. 3. Формувач за п. 2, який відрізняється тим, що між аналоговим комутатором і перетворювачем напруга-струм встановлений смуговий фільтр. 4. Формувач за п. 2, який відрізняється тим, що в схемі масштабування використаний дешифратор з інверсними виходами, а як функціональний цифро-аналоговий перетворювач використана з'єднана виходами матриця резисторів, при цьому його входи через діоди підключені до відповідних виходів дешифратора, а об'єднані виходи матриці резисторів з'єднані через додатковий резистор із джерелом позитивної напруги, при цьому діоди з резисторами матриці з'єднані анодами, а опір резисторів матриці вибирають із залежностей UД U (k ) Rk та RД (k ) U UИН (k ) Um 1 cos i 2 , де Винахід відноситься до техніки неруйнівного контролю матеріальних об'єктів, переважно акустичним методом. При проведенні неруйнівного контролю металевих виробів ультразвуковим методом широке застосування одержали електромагнітні акустичні перетворювачі (ЕМА перетворювачі), що містять випромінювач у вигляді котушок або струмопровідних ниток. Випромінювач розташовують паралельно поверхні об'єкта контролю та подають на нього зондувальний імпульс, що має дзвіноподібну форму. У ряді випадків, наприклад, при використанні ЕМА перетворювача з фазованою решіткою випромінювачів, до якості формування зондувальних імпульсів пред'являються підвищені вимоги (Малинка А.В. Излучение и приѐм ультразвуковых колебаний под заданным углом при электромагнитно-акустическом методе. - Дефектоскопия, 1979, №5, стр.16-20). Для формування зондувальних імпульсів із заданими характеристиками використовують як аналогові, так і цифрові схеми. Відомий спосіб формування зондувальних імпульсів для ЕМА перетворювача та пристрій для його здійснення (Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник: / В.В.Клюев, Ф.Р.Соснин, А.В.Ковалев; Под ред. В.В. Клюева. 3-е изд. - М.: Машиностроение, 2005. - стр.230). Імпульс формується за допомогою тиристорної схеми у результаті взаємної комутації ємнісного та індуктивного ланцюгів. По виду, сформований імпульс 4 RД - опір додаткового резистора, UД - пряме падіння напруги на внутрішніх вихідних ланцюгах активного виходу дешифратора та діоді, UH - мінімальна напруга на виходах резисторної матриці, UИH - напруга на виході джерела позитивної напруги, k = і - номер резистора матриці, підключеного до виходу дешифратора, що відповідає числу, і на виходах реверсивного лічильника, Um - максимальне значення напруги на виходах резисторної матриці, при цьому об'єднані виходи матриці резисторів є виходом функціонального цифро-аналогового перетворювача. 5. Формувач за п. 3, який відрізняється тим, що схеми масштабування являють собою диференціальні підсилювачі, при цьому вхід, що віднімає, диференціального підсилювача, що представляє схему масштабування, підключений до об'єднаних виходів резисторної матриці, а підсумовуючий вхід підключений до джерела позитивної напруги зі UH значенням, у той час як підсумовуючий вхід диференціального підсилювача, що представляє додаткову схему масштабування, підключений до джерела позитивної напруги зі 2Um значенням, а вхід, що віднімає, з'єднаний з виходом диференціального підсилювача, що представляє схему масштабування. струму близький до виду напівхвилі синусоїди. Даний спосіб важко застосувати для порушення фазованої решітки випромінювачів, у зв'язку зі складністю формування та подачі аналогічних імпульсів, що ідуть із заданим зрушенням фаз. Крім того, формований сигнал має істотні відмінності від ідеального дзвіноподібного імпульсу і характеризується розширеним спектром генеруємих частот (Алешин Л.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия. - Минск: Вышэйшая школа, 1987. стр.40.). Відомий спосіб формування гармонійного сигналу цифровим методом, реалізований у цифровому генераторі синусоїдальних сигналів (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: т.2. - М.:Мир, 1986.- стр.109). Для формування аналогового сигналу застосовують зважене підсумовування сигналів на виході кільцевого лічильника. Зважене підсумовування здійснюють за допомогою матриці резисторів з об'єднаними виходами. Спосіб не адаптований для формування дзвіноподібних імпульсів, необхідних для порушення випромінювача ЕМА перетворювача і вимагає використання, для одержання мінімальних перекручувань, високої розрядності цифрової частини схеми. Відомий спосіб формування синусоїдальних коливань цифровим способом, реалізований у генераторі інфранизьких частот (авт.свід. СРСР 748867). Спосіб передбачає використання кільцевого лічильника імпульсів, комутатора й двох циф 5 ро-аналогових перетворювачів у вигляді резисторних матриць. Вихідну синусоїду формують із комутованих у необхідній послідовності напруг, які східчасто змінюються протягом чверті періоду і надходять на суматор з резисторних матриць. Спосіб не адаптований для формування необхідних для порушення випромінювача ЕМА перетворювача дзвіноподібних імпульсів зондування, у загальному випадку, описуваних рівнянням: I t Im 1 cos2 fИЗ t (1) де Іm - амплітудне значення аналогового сигналу (струму) на вході випромінювача ЕМА перетворювача, fИЗ - частота зондувальних імпульсів, t - час. Відомий спосіб формування синусоїдальних коливань цифровим способом, реалізований у генераторі інфранизьких частот (авт. свід. СРСР 1358062). Спосіб передбачає використання лічильника імпульсів і цифро-аналогового перетворювача у вигляді резисторної матриці. Спосіб не забезпечує необхідну для формування зондувального імпульсу точність апроксимації і не адаптований для формування необхідних для порушення випромінювача ЕМА перетворювача дзвіноподібних імпульсів зондування. Відомий спосіб формування синусоїдальних коливань цифровим способом, реалізований у дискретно-аналоговому синус-генераторі (патент РФ 2108657). Для зниження шумів у перехідних процесах у цифровій схемі генератора використовують код Грея. Спосіб відрізняється складністю і не адаптований для формування необхідних для порушення випромінювача ЕМА перетворювача дзвіноподібних імпульсів зондування. Відомий спосіб формування дзвіноподібних зондувальних імпульсів, використаний у формувачі зондувальних імпульсів ЕМА перетворювача (ЭМА приставка к ультразвуковому толщиномеру. УТЭ-М2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. НВПП Богемия. К.: 1995. - стр.9-14). Даний спосіб і пристрій для його здійснення є прототипом винаходу, що заявляється. Спосіб зводиться до наступного. Двійковий лічильник обнуляють, після чого на його рахунковий вхід подають імпульси, що випливають із частотою, обернено пропорційному періоду імпульсу зондування: N fИ (2) Tз де N - ємність лічильника, Тз - період імпульсу зондування. Число, записане в лічильнику, перетворять в аналоговий сигнал відповідно до залежності: i I i Im 1 cos 2 (3) N де Im - амплітудне значення аналогового сигналу на вході випромінювача ЕМА перетворювача, i - число, записане в лічильнику. При сталості частоти вхідних імпульсів, вираження (3) в інтервалі 0...2 описує дзвіноподібний імпульс. Даний аналоговий сигнал подають на випромінювач ЕМА перетворювача. Формувач, що реалізує спосіб, складається з послідовно з'єднаних генератора тактових імпуль 89290 6 сів, двійкового лічильника, логічної схеми, цифроаналогового перетворювача, генератора струму й котушки випромінювача ЕМА перетворювача. Крім того, формувач містить пристрій керування, з'єднаний з обнуляючим входом двійкового лічильника. Робота формувача, обраного за прототип, полягає в наступному. Після появи роздільного сигналу на обнуляючому вході, двійковий лічильник починає підрахунок імпульсів, що надходять від генератора тактових імпульсів. У міру збільшення числа на виході двійкового лічильника, змінюється напруга на виході цифро-аналогового перетворювача. Причому за час повного заповнення вихідних розрядів двійкового лічильника, напруга на виході цифро-аналогового перетворювача змінюється за заданим законом відповідно до рівняння: i UЦАП i UA 1 cos 2 (4) N де UA - амплітудне значення напруги сигналу на виході цифро-аналогового перетворювача, N максимальне число, що може бути записане у двійковому лічильнику, i - поточне число, записане у двійковому лічильнику. Одержання залежності (4) на виході лінійного цифро-аналогового перетворювача забезпечується логічною схемою, яка представляє собою функціональний перетворювач коду, що лінійно змінюється, у код, що описує дзвіноподібних сигнал. Напруга, що змінюється за заданим законом, з виходу цифро-аналогового перетворювача надходить на генератор струму, який перетворює його в струмовий сигнал, що змінюється за заданим законом, і подається на котушку випромінювача ЕМА перетворювача. Спосіб формування зондувальних імпульсів відрізняється складністю через необхідність застосування логічної схеми й підвищених вимог до розрядності використовуваного двійкового лічильника, що визначається обмеженнями на погрішності формування вихідного сигналу. В основу винаходу покладене завдання спрощення формувача з одночасним зниженням вимог до розрядності цифрової частини схеми, а також розширення арсеналу технологічних засобів, використаних при виготовленні апаратури з ЕМА перетворювачами. За допомогою лічильника з функціональним цифро-аналоговим перетворювачем здійснюється формування аналогового сигналу в межах чверті періоду імпульсу зондування, на підставі чого проводиться відновлення аналогового сигналу в межах усього періоду. Це дозволяє спростити реалізацію цифрової частини пристрою й домогтися одержання якісного сигналу із застосуванням нових засобів схемотехніки. Завдання, покладене в основу винаходу, вирішується за рахунок того, що в способі формування дзвіноподібних імпульсів зондування для ЕМА перетворювача, який полягає в обнулінні лічильника з наступною подачею на його рахунковий вхід імпульсів, що випливають із частотою, обернено пропорційному періоду імпульсу зондування, з одночасним перетворенням числа, записаного в лічильнику в аналоговий сигнал, що подають на 7 89290 випромінювач ЕМА перетворювача, відповідно до винаходу, після обнуління лічильника, на його рахунковий вхід подають імпульси, що випливають із 4 N , де N - ємність лічильника, Тз частотою fИ Tз період імпульсу зондування, причому в тимчасовому інтервалі, що відповідає 0... - зміни імпу2 льсу зондування, на лічильнику здійснюють прямий підрахунок імпульсів, а код на виході лічильника перетворять в аналоговий сигнал відповідно до залежності II(i)=I(i), де i i - функція зміни аналоговоm 1 cos 2 N го сигналу, де Im - амплітудне значення аналогового сигналу на вході випромінювача ЕМА перетворювача, i - число, записане в лічильнику, у наступному тимчасовому інтервалі, що відповідає ... зміни імпульсу зондування, на лічильнику 2 роблять реверсивний підрахунок імпульсів, причому код на виході лічильника перетворять в аналоговий сигнал відповідно до залежності III(i)=2·lm-I(i), далі, у тимчасовому інтервалі, що відповідає 3 зміни імпульсу зондування, на лічильни... 2 ку роблять прямий підрахунок імпульсів, а код на виході лічильника перетворять в аналоговий сигнал відповідно до аналогічної залежності I III(i)=2·lmI(i), після чого, у тимчасовому інтервалі, що відповідає 3 ...2 зміни імпульсу зондування, на лі2 чильнику роблять реверсивний підрахунок імпульсів, при цьому код на виході лічильника перетворять в аналоговий сигнал відповідно до залежності IIV(i)=I(i). Спосіб заснований на симетричності елементів дзвіноподібного сигналу в межах періоду щодо осей абсцис і ординат. Маючи інформацію про зміну сигналу в межах його зміну в межах 2 ... 0... 2 , можна одержати (відобразивши його що до осі ординат), а також у межах ... 3 2 i 3 (при відображенні сигналу за напівпері...2 2 од щодо осі абсцис. Спосіб здійснюють наступним чином. На початковому етапі формують послідовність імпульсів, що випливають із частотою: 4 N fИ , (5) Tз Імпульси подають на лічильник. При виконанні умови (5), лічильник в активному режимі буде повністю заповнюватися за час, рівний чверті періоду імпульсу зондування. При цьому значення числа, записаного в лічильнику, постійно перетворюють в 8 аналоговий сигнал (зокрема, струм) відповідно до залежності: i (6) 2 N де Іm - амплітудне значення аналогового сигналу на вході випромінювача ЕМА перетворювача, i число, записане в лічильнику. Цикл формування імпульсів зондування починають із обнуління лічильника. У міру надходження імпульсів до повного заповнення всіх розрядів лічильника, що відповідає зміні імпульсу зондуIi Im 1 cos вання в межах , аналоговий сигнал фор2 мують відповідно до залежності: II(i)=I(i) (7) далі, після заповнення лічильника, його переводять у реверсивний режим, у результаті чого число, записане в лічильнику, починає зменшуватися від максимального до мінімального значення, що відповідає зміні імпульсу зондування в межах 2 ... 0... . Після обнуління лічильника, його знову переводять у режим прямого підрахунку імпульсів. Процес заповнення лічильника на даному етапі відповідає зміні імпульсу зондування в межах 3 . Аналоговий сигнал на другому и тре... 2 тьому етапах формують відповідно до залежностей: III(i)=2·lm-I(i) (8) IIII(i)=2·lm-I(i) (9) На четвертому етапі, що відповідає зміні імпульсу зондування в межах 3 ...2 , лічильник 2 знову переводять у реверсивний режим, і, до обнуління, формують аналоговий сигнал відповідно до залежності: IIV(i)=I(i) (10) При необхідності формування послідовності імпульсів зондування, цикли повторюють необхідну кількість разів. Спосіб пояснюється малюнком, представленим на Фіг.1, на якому показана циклограма формування імпульсу зондування. Де: i - число, записане в лічильнику; I(i) - функція перетворення числа i в аналоговий сигнал; Із(i) - аналоговий сигнал на вході випромінювача ЕМА перетворювача (імпульс зондування), I, II, III, IV - етапи формування аналогового сигналу. Пропонований спосіб може бути здійснений за допомогою формувача імпульсів зондування для ЕМА перетворювача, що містить послідовно з'єднані генератор імпульсів, лічильник, дешифратор, функціональний цифро-аналоговий перетворювач, схему масштабування, а також пристрій керування, який своїм виходом підключений до входу обнуління лічильника та перетворювача напругаструм, вихід якого підключений до входу випромінювача ЕМА перетворювача, у якому, відповідно до винаходу, використаний реверсивний лічиль 9 ник, а в схему додатково уведені R-S-тригер, рахунковий Т-тригер, додаткова схема масштабування й перемикаючий аналоговий комутатор, причому вхід R R-S-тригера з'єднаний з виходом дешифратора, що відповідає мінімальному числу на виходах реверсивного лічильника, вхід S R-Sтригера з'єднаний з виходом дешифратора, що відповідає максимальному числу на виходах реверсивного лічильника, при цьому прямий вихід R-Sтригера з'єднаний із входом реверсивного лічильника, що управляє напрямком рахунку, а інверсний вихід з'єднаний із входом рахункового Т-тригера, вихід якого, у свою чергу, з'єднаний з керуючим входом аналогового комутатора, загальний вихід якого з'єднаний із входом перетворювача напругаструм, крім того, нормально замкнутий з виходом вхід аналогового комутатора з'єднаний з виходом схеми масштабування, до якого одночасно підключений вхід додаткової схеми масштабування, вихід якої підключений до нормально розімкнутого з виходом входу аналогового комутатора. Робота формувача імпульсів зондування для ЕМА перетворювача, що здійснює пропонований спосіб, пояснюється малюнками, представленими на Фіг.2 і 3. На Фіг.2 зображена функціональна схема формувача. Де 1 - генератор імпульсів, 2 - реверсивний лічильник, 3 - дешифратор, 4 - функціональний цифровий перетворювач, 5 - пристрій керування, 6 - R-S-тригер, 7 - рахунковий Т- тригер, 8 - схема масштабування, 9 - додаткова схема масштабування, 10 - аналоговий комутатор, 11 перетворювач напруга-струм, 12 - випромінювач ЕМА перетворювач. На Фіг.3 зображена функціональна схема варіанту виконання функціонального цифрового перетворювача та схем масштабування. Де: 2 - реверсивний лічильник, 3 - дешифратор, 4 функціональний цифровий перетворювач, 7 - рахунковий Т-тригер, 10 - аналоговий комутатор, 11 перетворювач напруга-струм, 13 - резистори матриці, 14 - додатковий резистор, 15 - діоди, 16 диференціальний підсилювач, що представляє схему масштабування, 17 - диференціальний підсилювач, що представляє додаткову схему масштабування. Робота формувача імпульсів зондування для ЕМА перетворювача полягає в наступному. За допомогою пристрою керування 5 на вхід R0 реверсивного лічильника 2 подають імпульс скидання, по якому лічильник 2 обнуляється. Від генератора 1 на рахунковий вхід С реверсивного лічильника 2 надходять імпульси, що випливають із частотою, обумовленою вираженням (5). На першому виході дешифратора 3, що відповідає нульовому числу на виходах лічильника 2 формується логічний сигнал, що надходить на вхід R R-S-тригера 6 і сигнал, що переводить, на його прямому виході та, відповідно на А вході лічильника 2 у стан, що дозволяє прямий підрахунок імпульсів. У міру збільшення числа, записаного в лічильнику 2, змінюються активні виходи дешифратора 3, а на виході схеми масштабування 8 з'являється сигнал відповідно до залежності: 89290 10 i (11) 2 N де Um - амплітудне значення напруги на виході схеми масштабування 8, i - число, записане в лічильнику 2. Під час першого прямого заповнення лічильника 2 сигнал на виході рахункового Т- тригера 7 утримує перемикач аналогового комутатора 10 у верхньому за схемою (Фіг.2) положенні. Отже, на вході перетворювача напруга-струм 11 буде формуватися сигнал, зміна якого описуватися залежністю (11). Відповідно, зміна струму на його виході буде визначатися залежністю (7). Після заповнення лічильника 2, активізується вихід дешифратора 3, що відповідає максимальному числу N. Логічний сигнал із цього виходу надходить на вхід S R-S-тригера 6 і переводить сигнал на його прямому виході та, відповідно на вході А лічильника 2 у стан, що дозволяє зворотний підрахунок імпульсів. Одночасно із цим, рахунковий Т-тригер 7, що працює по фронті вхідного сигналу, переводить перемикач аналогового комутатора 10 у нижнє за схемою (Фіг.2) положення. Додаткова схема масштабування 9 настроєна таким чином, щоб напруга на її виході визначалося залежністю: U9(i)=2·Um -U8(i) (12) Отже, напруга на вході перетворювача напруга-струм 11 на даному етапі формування буде визначатися вираженням (11), а струм на його виході - вираженням (8). Після обнуління лічильника, по сигналу, що йде з дешифратора 3, R-Sтригер 6 знову змінює напрямок рахунку. Однак зміна його стану не приводить до зміни стану на виході працюючі по фронті вхідного сигналу рахункового Т-тригера 7. У результаті цього, перемикач аналогового комутатора залишається в нижньому за схемою (Фіг.2) положенні, а струм на виході перетворювача напруга-струм 11 визначається залежністю (9). Після заповнення лічильника 2 і чергової зміни напрямку рахунку, рахунковий Т-тригер 7 змінить стан на своєму виході, перевівши перемикач аналогового комутатора 11 у верхнє за схемою (Фіг.2) положення. В результаті, струм на виході перетворювача напруга-струм 11 на останньому етапі формування імпульсу зондування почне визначатися вираженням (10). Для зниження «ступінчастості» формованого сигналу, додатково використовують смуговий фільтр, що включають після схеми масштабування або після аналогового комутатора. Функціональний цифро-аналоговий перетворювач 4 може бути побудований на основі резисторної матриці (Фіг.3). У цьому випадку в схемі використовують дешифратор з інверсними виходами, підключеними через діоди до входів відповідних резисторів матриці. Об'єднані виходи резисторної матриці з'єднані через додатковий резистор із джерелом позитивної напруги, при цьому діоди з резисторами матриці з'єднані анодами. Опору резисторів матриці вибирають із умови U Д UH (k ) Rk , RД (k ) UH UИН U8 (i) Um 1 cos 11 де RД - опір додаткового резистора, UД - пряме спадання напруги на внутрішніх вихідних ланцюгах активного виходу дешифратора й діоді, UH - мінімальна напруга на виходах резисторної матриці, UИН - напруга на виході джерела позитивної напруi , де k=i - номер резис2 N тора матриці, підключеного до виходу дешифратора, що відповідає числу і на виходах реверсивного лічильника, Um - максимальне значення напруги на виходах резисторної матриці. Напруга на виході функціонального аналогоцифрового перетворювача, у цьому випадку, змінюється за рахунок того, що до загального проведення в конкретний момент часу виявляється підключений тільки один резистор матриці 13. Діоди 15 необхідні для зниження впливу на вихідну напругу сигналів високого логічного рівня, які присутні на неактивних виходах дешифратора. Очевидно, що в цьому випадку, напруга на об'єднаних виходах резисторів матриці 13, не може бути нижчою деякого мінімального значення, що визначається спаданням напруги на відкритих р-n - переходах вихідних ланцюгів дешифратора 3 і діоди 15. Даний початковий рівень, UH може бути легко врахований у схемі масштабування 8. Для цього, схеми масштабування можуть являти собою диференціальні підсилювачі 16 і 17. При цьому вхід, ги, (k ) Um 1 cos 89290 12 що віднімає, диференціального підсилювача, представляє схему масштабування підключений до об'єднаних виходів резисторної матриці, а підсумовуючий вхід підключено до джерела позитивної напруги зі UH значенням, у той час як підсумовуючий вхід диференціального підсилювача, що представляє додаткову схему масштабування, підключений до джерела позитивної напруги зі 2Um значенням, а вхід, що віднімає, з'єднаний з виходом диференціального підсилювача, що представляє схему масштабування. Практична схема формувача, що реалізує пропонований спосіб, розроблена для ЕМА перетворювача, що працює на частоті 1,25Мгц. Схема зібрана на мікросхемах ТТЛ логіки 74 серії, схеми масштабування - на операційних підсилювачах LM318, комутатор МАХ4121. Для простоти реалізації використаний чотирьохрозрядний лічильник. Для побудови функціонального перетворювача застосована резисторна матриця, набрана із прецизійних резисторів MFR0W4 0,1%. Між аналоговим комутатором і перетворювачем напруга-струм установлений смуговий фільтр на частоту 1,25Мгц. Результати експериментальної перевірки показали, що пропонований спосіб забезпечує формування дзвіноподібного зондувального імпульсу із заданими характеристиками. 13 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 89290 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601