Дипломная работа: Модернизация приборов ультразвукового контроля труб
Скорость ультразвука в стали составляет V = 5920 м/сек. Для такой скорости период развертки, с учетом прямого и обратного хода ультразвукового луча будет
Т4 = 2 * L / 5920 м/cек = 48.7 мксек.
Ширина сварного шва D для толщины листа H = 15 мм. D = 15 мм., таким образом длительность строб-импульса Т4 - Т3 будет
Т4 - Т3 = 2 * D / 5920 м/сек. = 5 мксек.
2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ДЕФЕКТОСКОПОМ
Современные Ультразвуковые эхоскопы позволяют не только формировать эхоизображения, но и измерять по ним необходимые структурно - топологические и динамические характеристики исследуемых объектов, а также осуществлять функции анализа и сохранения измеряемых значений. Такие эхоскопы по существу являются информационно-измерительными системами (ИИС) и они обобщенно могут быть представлены следующей структурной схемой.
Рисунок 7-Обобщенная структурная схема ИИС ультразвуковой эхоскопии
Подсистемой ультразвукового сканирования осуществляется пространственно-селективное ультразвуковое зондирование исследуемой среды и формирование одномерного или многомерного сигнального поля, как функции пространственных координат, времени, амплитуды, спектра или других параметров эхо-сигналов, а также преобразование этого поля в упорядоченную во времени, одномерную последовательность эхо-сигналов, согласованную с радиотехническим трактом ИИС. В подсистеме сканирования вы выполняется также предварительная обработка сигналов, включающая процедуры функционального усиления, задержки, стробирования, ограничения, пространственной фильтрации, нормировке и другие, в результате которой обеспечивается согласование диапазонов изменения параметров электроакустического волнового тракта с соответствующими характеристиками радиотехнических устройств формирования, отображения и анализа эхоизображений.
Структура подсистемы ультразвукового сканирования в зависимости от решаемых ИИС задач может быть весьма разнообразной, однако во всех случаях неотьемлимыми её частями являются: генератор электрических сигналов, излучающие и приемные электроакустические преобразователи, сканирующие устройства, приемник эхо-сигналов и необходимые устройства первичной обработки эхо-сигналов (рис ). В процессе формирования эхоизображений генератор электрических сигналов вырабатывает импульсы, возбуждающие электроакустический преобразователь, который излучает зондирующие импульсы в исследуемую среду. Электроакустический преобразователь является также акустической антенной, обеспечивающей направленное излучение зондирующих ультразвуковых импульсов. В исследуемой среде в пределах пространственной протяженности ультразвукового луча образуются волновые эхолокационные каналы.
Рисунок 8-Обобщенная структура подсистемы ультразвукового сканирования
Для исключения влияния искажающих возмущений и помех, появляющихся в эхолокационных каналах, в составе подсистемы ультразвукового сканирования обычно предусматриваются соответствующие функциональные корректирующие устройства, например блоки временной регулировки усиления и динамического диапазона эхо - сигналов, коррекции поглощения, рассеяния ультразвука в среде и т.д. Синтез корректирующих операторов, определяющих алгоритмы работы этих устройств, основывается на математических моделях возмущающих воздействий в среде и электроакустических цепях передачи сигналов.
С учетом того, что процессы эхоскопии случайно -неоднородных сред не всегда могут быть априорно адекватно промоделированы, устройства коррекции сигнальных искажений должны допускать интерактивное воздействие оператора на возможно большее число управляемых параметров и характеристик электроакустического тракта. С этой целью в структурную схему современных эхоскопов часто вводятся блоки адаптивного управления параметрами приемноусилительного тракта подсистем, и обеспечивается связь источника зондирующих сигналов с процессором. Введение таких дополнительных связей отражает появление функций программной управляемости измерительных зондирующих воздействий на объект при пространственном сканировании направления ультразвукового луча.
Подсистемой формирования эхоизображений обеспечиваются: обратное преобразование одномерной последовательности эхо - сигналов в многомерный сигнальный эквивалент эхоизображения, запись и хранение сигнального эквивалента эхоизображения в специально организованной памяти, а также визуальное отображение эхоизображения на соответствующем индикаторе в необходимом временном масштабе. При этом часто выполняются процедуры обработки информации, позволяющие повысить разрешающую способность и достоверность информации. Задачей подсистемы отображения формирования эхоизображений является также согласование динамического диапазона амплитуд отображаемых сигналов с динамическим диапазоном индикатора, а также коррекция нелинейности его характеристики [ ].
В основу подсистемы формирования эхоизображений обычно закладывается двумерное запоминающее устройств, в качестве которого могут использоваться аналоговые запоминающие электронно-лучевые трубки, а также цифровые элементы памяти. В современных ИИС ультразвуковой эхоскопии именно цифровые устройства памяти находят наиболее широкое применение. Поскольку они обеспечивают преобразование эхоизображений с минимальными искажениями и хорошо согласуются с цифровыми процессорными устройствами управления и обработки сигналов. Обобщенная структурная схема подсистемы цифрового формирования-хранения эхоизображений приведена на рисунке.
Рисунок 9-Обобщенная структурная схема подсистемы формирования эхоизображения
Процессор имеет связь с устройствами буферизации и записи эхосигналов в память, а также вычисления адресов и весовых параметров записи, зависимых от координат ультразвукового сканирования. Для обеспечения преобразования эхосигналов в реальном масштабе времени, поступающих из подсистемы сканирования, при малых уровнях квантования по времени и амплитуде аналого-цифровые преобразователи должны работать при довольно высоких частотах дискретизации, достигающих 20-40 МГц. При необходимости коррекции искажений эхосигналов иногда используется нелинейная амплитудная функция преобразования. Кроме этого может проводиться покоординатная весовая коррекция амплитуды, так называемая временная регулировка чувствительности (ВРЧ) или временная регулировка порога (ВРП). Буферная память также обеспечивает согласование временных процессов приема эхо - сигналов и формирования телевизионного эквивалента эхоизображений при разных пространственных пределах и видах ультразвукового сканирования.
Подсистема анализа информации служит для визуального отображения информации ИИС на различных стадиях её сбора и обработки, ввода целеуказателей и директив оператора, касающихся режимов анализа, непосредственно измеряемых параметров и алгоритмов вычисления требуемых характеристик, а также ввода извне дополнительной служебной информации. Подсистема анализа обеспечивает визуализацию эхоизображений и их увеличенных фрагментов непосредственно в процессе записи информации в запоминающие устройства и в режиме регенерации стоп - кадра, совмещение с эхоизображением метрических шкал, перемещаемым маркерным меткам и других семантических индексов. В соответствии с вводимыми директивами и маркирующими целеуказаниями подсистема проводит вычисления необходимых характеристик исследуемых объектов по заложенным в ИИС алгоритмам и отображение результатов вычислений в алфавитно-цифровом и графическом виде.
Для выполнения указанных функций наилучшим образом подходит структура, использующая управляющую микроЭВМ. Основным структурным элементом подсистемы в этом случае должно быть программно - управляемое устройство формирования шкал и другой служебной информации, совмещаемой с эхоизображениями при их многопараметрическом анализе. В качестве устройств отображения информации в современных ИИС ультразвуковой эхоскопии, как правило, применяются телевизионные устройства.
При разработке нового прибора, у которого нет аналогов в Росси, имеет смысл придерживаться вышеизложенной концепции организации функциональной схемы и идеи работы дефектоскопа, кроме этого необходимо соблюсти все требования оговоренные в техническом задании. Для реализации аппаратной части можно применить функционально законченные узлы высокой степени интеграции на базе IBM совместимых персональных компьютеров в промышленном исполнении. Архитектура аппаратной части прибора должна быть максимально гибкой для возможной настройки на любой технологический процесс контроля качества сварных соединений и допускать наращивание каналов. Последовательность работы каналов должна допускать любую конфигурацию и возможность работы каналов, как в раздельном, так и в раздельно - совмещенном режиме. Каждый канал должен иметь независимые настройки временных задержек и коэффициента усиления предварительных усилителей. Все настройки должны сохраняться в памяти параметров компьютера и сохраняться при выключении или сбоях электрического питания с последующим восстановлением работоспособности в предыдущем режиме.
Обобщенная функциональная схема прибора в соответствии с требованиями технического задания приведена на рисунке
Рисунок 10-Обобщенная структурная схема прибора
3. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ
3.1 Анализ системной магистрали ISA
Блок управления ультразвукового дефектоскопа является цифровым устройством, выполненным в виде отдельной платы и устанавливаемым в пассивную плату промышленной станции. Входные и выходные сигналы по уровню напряжения должны соответствовать системной магистрали ISA, (Industrial Standard Architecture) и кроме этого необходимо учитывать скорость обмена данными по шине.
Особенности магистрали ISA.
Магистраль ISA относится к демультиплексированным, (то есть имеющим раздельные шины адреса и данных)16-разряд-ным системным магистралям среднего быстродействия. Обмен осуществляется 8- или 16-разрядными данными. На магистрали реализован раздельный доступ к памяти компьютера и устройствам ввода/вывода (для этого имеются специальные сигналы). Максимальный объем адресуемой памяти составляет 16 Мбайт (24 адресных линии). Максимальное адресное пространство для устройств ввода/вывода - 64 Кбайта (16 адресных линий). Магистраль поддерживает регенерацию динамической памяти, радиальные прерывания и прямой доступ к памяти. Допускается также захват магистрали. Назначение контактов разъёма представлено в таблице 1 (здесь знак минус перед названием сигнала означает, что активный уровень сигнала - логический нуль)
Таблица 1 - Назначение контактов разъема ISA.
| Контакт | Цепь | I/O | Контакт | Цепь | I/O |
| A1 | -I/O CH CK | I | B1 | GND | - |
| A2 | SD7 | I/O | B2 | RESET DRV | O |
| A3 | SD6 | I/O | B3 | +5 В | - |
| A4 | SD5 | I/O | B4 | IRQ9 (IRQ2) | I |
| A5 | SD4 | I/O | B5 | -5 В | - |
| Контакт | Цепь | I/O | Контакт | Цепь | I/O |
| A6 | SD3 | I/O | B6 | DRQ2 | I |
| A7 | SD2 | I/O | B7 | -12 В | - |
| A8 | SD1 | I/O | B8 | 0WS | I |
| A9 | SD0 | I/O | B9 | +12 В | - |
| A10 | I/O CH RDY | I | B10 | GND | - |
| A11 | AEN | O | B11 | -SMEMW | O |
| A12 | SA19 | I/O | B12 | -SMEMR | O |
| A13 | SA18 | I/O | B13 | -IOW | I/O |
| A14 | SA17 | I/O | B14 | -IOR | I/O |
| A15 | SA16 | I/O | B15 | -DACK3 | O |
| A16 | SA15 | I/O | B16 | DRQ3 | I |
| A17 | SA14 | I/O | B17 | -DACK1 | O |
| A18 | SA13 | I/O | B18 | DRQ1 | I |
| A19 | SA12 | I/O | B19 | -REFRESH | I/O |
| A20 | SA11 | I/O | B20 | SYSCLK | O |
| A21 | SA10 | I/O | B21 | IRQ7 | I |
| A22 | SA9 | I/O | B22 | IRQ6 | I |
| A23 | SA8 | I/O | B22 | IRQ5 | I |
| Контакт | Цепь | I/O | Контакт | Цепь | I/O |
| A24 | SA7 | I/O | B24 | IR4 | I |
| A25 | SA6 | I/O | B25 | IR3 | O |
| A26 | SA5 | I/O | B26 | -DACK2 | O |
| A27 | SA4 | I/O | B27 | T/C | O |
| A28 | SA3 | I/O | B28 | BALE | - |
| A29 | SA2 | I/O | B29 | +5 В | O |
| A30 | SA1 | I/O | B30 | OSC | - |
| A31 | SA0 | I/O | B31 | GND | - |
| C1 | -SBHE | I/O | D1 | -MEM CS16 | I |
| C2 | LA23 | I/O | D2 | -I/O CS16 | I |
| C3 | LA22 | I/O | D3 | IRQ10 | I |
| C4 | LA21 | I/O | D4 | IRQ11 | I |
| C5 | LA20 | I/O | D5 | IRQ12 | I |
| C6 | LA19 | I/O | D6 | IRQ15 | I |
| C7 | LA18 | I/O | D7 | IRQ14 | I |
| C8 | LA17 | I/O | D8 | -DACK0 | O |
| C9 | -MEMR | I/O | D9 | DRQ0 | I |
| C10 | -MEM | I/O | D10 | -DACK5 | O |
| C11 | SD8 | I/O | D11 | DRQ5 | I |
| C12 | SD9 | I/O | D12 | -DACK6 | O |
| C13 | SD10 | I/O | D13 | DRQ6 | I |
| C14 | SD11 | I/O | D14 | -DACK7 | O |
| C15 | SD12 | I/O | D15 | DRQ7 | I |
| C16 | SD13 | I/O | D16 | +5 В | - |
| C17 | SD14 | I/O | D17 | -MASTER | I |
| C18 | SD15 | I/O | D18 | GND | - |
В магистрали ISA используется положительная логика на шинах адреса и данных, то есть единице соответствует высокий уровень напряжения, а нулю - низкий На магистрали присутствуют четыре напряжения питания: +5 В, -5 В, +12 В, -12 В, которые могут использоваться платами расширения.