Материал: ОППС курсовой 15 05 2012

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

Кафедра «Методы и приборы неразрушающего контроля»

Разработка специализированного ультразвукового импульсного дефектоскопа

методические указания

к выполнению курсового проекта по дисциплине

«Основы проектирования приборов и систем»

Санкт - Петербург

2011 г.

Цель работы – освоить основные этапы разработки и постановки на производство специализированного ультразвукового дефектоскопа реализующего поставленные задачи контроля объектов.

1. Задание и содержание курсового проекта

1.1. Задание к курсовому проекту содержит наименование объекта контроля и технологию контроля.

1.2. На основании задания студент должен:

• проанализировать схемы прозвучивания объекта контроля и рассчитать параметры контроля;

• определить основные технические характеристики дефектоскопа;

• спроектировать функциональную схему аналогового дефектоскопа и построить временные диаграммы;

• спроектировать структурную схему цифрового дефектоскопа и обосновать выбор процессора и матричного индикатора;

• разработать «Техническое задание» на дефектоскоп.

1.3 Содержание курсового проекта.

Материалы курсового проекта представляются в виде пояснительной записки. Пояснительная записка должна содержать следующие разделы:

Введение (задание на курсовой проект и актуальность темы).

1. Расчет параметров контроля и определение основных технических характеристик дефектоскопа.

2. Разработка функциональной схемы аналогового дефектоскопа.

3. Разработка структурной схемы цифрового дефектоскопа.

4. Разработка «Технического задания» на дефектоскоп.

2. Расчет параметров контроля и определение основных технических характеристик дефектоскопа

Совокупность характеристик, определяющих точность измерения и воспроизводимость результатов контроля, называют основными параметрами контроля. Изменение основных параметров контроля приводит к ошибкам в оценке годности изделия, поэтому они задаются нормативно-технической документацией. Основные параметры контроля определяются соответствующими параметрами аппаратуры. Основные технические характеристики импульсных дефектоскопов в настоящее время установлены ГОСТ 23049-84. Основные технические характеристики специализированных дефектоскопов устанавливаются в технических условиях на эти приборы. Параметры контроля и аппаратуры при рассмотрении взаимосвязи отдельных элементов процесса ультразвуковой дефектоскопии сведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

2.1. Расчет максимальной длительности развертки.

Максимальная длительность развертки рассчитывается исходя из анализа схемы прозвучивания объекта контроля. Максимальная длительность развертки или «зона контроля» должна быть не менее чем время распространения ультразвука до максимально удаленного дефекта и обратно.

2.2. Выбор рабочей частоты.

Рабочая частота выбирается с учетом неравенства:

где:

b - размер минимального недопустимого дефекта, мм;

с – скорость распространения ультразвука в материале изделия, м/сек;

f_р – рабочая частота, МГц.

Снизу рабочая частота ограничивается размером минимального недопустимого дефекта, а сверху рабочая частота ограничивается затуханием ультразвука в материале изделия.

2.3. Выбор частоты следования зондирующих импульсов опре­деляется задачами контроля, размерами и геометрической формой объекта контроля. При выборе частоты следования зондирующих импульсов учитываются: размеры контролируемого изделия, скорость сканирования, потребляемая энергия при питании дефектоскопа от аккумулятора. Малая частота следования зондирующих импульсов снижает производительность контроля. При по­вышении частоты синхронизации вероятность обнаружения дефектов возрастает. При ручном контроле учитываются только размеры контролируемого изделия.

где:

Тсл – период следования зондирующих импульсов, мкс;

H – размер изделия в направлении прозвучивания мм;

m – количество донных импульсов; выбирается с учетом размеров изделия;

m = 2 если Н ≤ 2,5 м; m = 1 если Н > 2,5 м;

τ_и – длительность зондирующего импульса, мкс;

n´ - количество периодов зондирующего импульса; n´ = 4 ÷ 8, если Н ≤ 0,5 м; n´ = 8 ÷ 16, если Н > 0,5 м.

Δt – временной интервал, гарантирующий несовпадение последнего эхо импульса предыдущего цикла «излучения-приёма», с зондирующем импульсом следующего цикла «излучения-приёма» ~ 10 мкс. Циклом «излучения – приема» называется временной интервал между двумя последовательными зондирующими импульсами.

Период следования зондирующих импульсов для автоматизированного (механизированного) контроля определяется по формуле:

где:

Тсл – период следования зондирующих импульсов, МГц;

V - скорость сканирования, м/сек;

Δl – минимальный условный размер фиксируемого дефекта, мм;

n – коэффициент инерционности индикатора.

2.4. Расчет параметров схемы временной селекции.

Параметры схемы временной селекции рассчитываются на основе анализа схемы прозвучивания объекта контроля. В результате расчета должны быть определены:

• количество стробов;

• диапазоны регулировки длительности стробов и их задержки.

2.5 Определение коэффициента усиления усилителя высокой частоты.

Коэффициент усиления усилителя высокой частоты определяется по формуле:

U_min = U_ЗИ S_a´

где:

U_вых – амплитуда эхосигнала на выходе усилителя высокой частоты определяется элементной базой. Обычно 4 ÷ 5 В достаточно для подачи на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);

U_min – минимальная амплитуда эхосигнала от дефекта рассчитывается по формуле акустического тракта В;

U_ЗИ – амплитуда зондирующего импульса: U_ЗИ = 100 ÷ 200В для объектов Н ≤ 1 м; U_ЗИ = 200 ÷ 400 В для объектов Н ≥ 1м.

- коэффициент прозрачности;

S_a´ - площадь мнимого излучателя, мм²;

b - размер минимального недопустимого дефекта, мм;

λ – длина волны, мм;

Δr – путь ультразвука в мнимом излучателе, мм;

δ – коэффициент затухания, дБ/м;

A, y, x, 1+q – коэффициенты, зависящие от выбранной модели дефекта.

U_min – минимальная амплитуда эхосигнала от дефекта рассчитывается по формуле акустического тракта (2.6), В;

На основании расчетов основных параметров контроля определить основные технические характеристики проектируемого дефектоскопа и оформить в табличной форме. Основные технические характеристики дефектоскопа УД2-70 представлены в Приложении 1.

3. Разработка функциональной схемы аналогового дефектоскопа

Функциональная схема специализированного дефектоскопа проектируется на основании анализа задач контроля, схем прозвучивания и расчета параметров контроля. Рекомендуется разработать свою или оптимизировать функциональную схему типового аналогового дефектоскопа (рис. 3.1). Для пояснения алгоритма работы дефектоскопа необходимо построить временные диаграммы спроектированной функциональной дефектоскопа.

«по слоям» модулятор аноды Y

катод Х

«от поверхности»

ПЭП

Рисунок 3.1. Функциональная схема типового эхо - импульсного

дефектоскопа общего назначения

Задающим узлом дефектоскопа является генератор синхроимпульсов (ГСИ), работающий в автоколебательном режиме. Он периодически запускает генератор импульсов возбуждения (ГИВ), схему автоматической сигнализации дефектов (АСД), глубиномер, схему временной регулировки чувствительности (ВРЧ) и генератор напряжения развертки (ГНР). В приемном тракте принятые сигналы проходят: ограничение, ослабление, усиление, детектирование, одностороннее ограничение и дополнительное усиление. Только импульс ВРЧ предназначен для коррекции усиления и является в этом тракте служебным. 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.

4. Разработка структурной схемы цифрового дефектоскопа

В цифровом дефектоскопе (рис. 4.1) 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).