Admin

Особенности программно-аппаратной реализации современных дефектоскопических устройств

Н.А. ВОРОНИН
Старший инженер НТК СНК

Д.А. ДЕРЮГИН
Старший инженер-электроник НТК СНК Дипломант Всероссийского конкурса «Инженерное искусство молодых-2008»

Рассмотрены перспективные возможности реализации ультразвуковых дефектоскопов с использованием новейшей элементной базы и принципов современного проектирования радиоэлектронных средств. Излагаются новые взгляды на проектирование дефектоскопических ультразвуковых приборов.

Дефектоскопия не стоит на месте. Поскольку это не просто наука, но и сфера деятельности, происходит постоянное совершенствование её инструментов - дефектоскопических приборов. Речь в данной статье пойдет о приборах рельсовой дефектоскопии, как наиболее близких авторам. На данный момент для проверки рельсов чаще других используют дефектоскопы, построенные на принципе ввода ультразвуковых колебаний в контролируемое изделие, так называемые ультразвуковые дефектоскопы. Всего за несколько десятилетий эти устройства от простейших телег со звуковой индикацией превратились в мощнейшие комплексы неразрушающего ультразвукового контроля. Регистрация принимаемых сигналов, их графическое отображение в виде «А» и «В» разверток на дисплее прибора, большое количество каналов ультразвукового контроля - эти и другие признаки присущи приборам, с которыми работают сегодня, таким как АВИКОН-11, МИГ-УКС, РДМ-22 и др.

Но какие приборы выйдут на линии завтра? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть требования, предъявляемые к электронике ультразвукового дефектоскопа:

• работа в жестких климатических условиях. Это одно из важнейших требований. Контроль ведется и в сорокаградусную жару, и в сорокаградусный мороз при любых погодных условиях. Поэтому все компоненты прибора должны надежно работать в этих условиях;

• высокая надежность прибора. Чем выше надежность, тем меньше времени прибор находится в ремонте, уменьшается время простоя;

• минимальное энергопотребление, необходимое для продолжительной автономной работы;

• высокая достоверность контроля. Это требование достигается не только аппаратной составляющей дефектоскопа, но и его программной частью;

• малые габариты и вес прибора. Это относится в первую очередь к съёмным однониточным и двухниточным приборам;

• малое время разработки.

Для того чтобы выпускать современные, надежные, удобные и, насколько это возможно, простые для пользователя приборы, необходимо постоянно совершенствовать применяемые в дефектоскопах решения, модернизировать элементную базу и программное обеспечение этих приборов. Производители электронных компонентов постоянно обновляют линейку своей продукции и предлагают сейчас миниатюрные, со значительно увеличенными возможностями элементы, взамен выпускавшихся ранее. Те решения, для реализации которых ранее требовались несколько интегральных микросхем и дополнительных компонентов и, в свою очередь, значительная площадь на печатной плате, сейчас нередко могут быть реализованы с использованием одной микросхемы. Возможность реализации такого рода решений значительно повышает надежность модуля и всего дефектоскопа в целом, так как наибольший вклад в надежность вносит уменьшение необходимых для монтажа компонентов, а также количества и длины печатных проводников.

В качестве примера перспективного решения такого рода стоит выделить возможность аппаратно-программной реализации фильтрации радиосигнала с последующим детектированием, на данный момент обычно реализуемой без использования программного обеспечения. Полученные после процедуры зондирования отраженные сигналы с усилителя поступают на аппаратно-реализованный фильтр. Фильтр имеет ограниченную полосу пропускания и настроен на фиксированную резонансную частоту. Данный факт вводит жесткие ограничения на область использования конкретного изделия.

Решения, применяемые специалистами ОАО «Радиоавионика», основанные на использовании современного семейства интегральных микросхем программируемой логики (ПЛИС), позволяют на программном уровне реализовать перестраиваемые в реальном времени фильтры с изменяемыми значениями полосы пропускания и резонансной частоты. Встроенные в ПЛИС Системы ФАПЧ (фазовая автоматическая подстройка частоты) позволяют значительно увеличить внутреннюю тактовую частоту микросхемы при относительно небольшой входной тактовой частоте, что в свою очередь позволяет реализовать фильтр со значительно большим значением добротности при сравнительно небольшом количестве используемых ресурсов микросхемы ПЛИС. А программная реализация детектора полученного после фильтрации радиосигнала позволяет сразу же подключать системы автоматизированного сигнализатора дефекта, формирования «А» и «В»-разверток.

Энергопотребление модуля при этом не увеличивается. Несмотря на то, что задействуется больше логических вентилей и система увеличения внутренней частоты, пропадает надобность в некоторых микросхемах и элементах, используемых ранее. Ещё стоит отметить, что от поколения к поколению снижается энергопотребление микросхем ПЛИС. А область применения портативного ультразвукового дефектоскопа, в котором будут реализованы данные функции, не станет ограничиваться только рельсовой дефектоскопией.

С точки зрения лабораторий железных дорог и других ремонтных организаций, в обязанности которых входит ремонт и поверка используемых дефектоскопических средств, решения такого рода значительно упрощают работу, так как их сотрудникам необходимо будет лишь проследить поступление сигнала на микросхему ПЛИС. Остальное всё выполнит программа. Отпадает необходимость проверять параметры входного тракта, которых немало.


Другим ярким перспективным примером в развитии ультразвуковой дефектоскопии является то, что вместо устаревших генераторов зондирующего импульса (ГЗИ), включающих в себя один-два трансформатора, массивные полевые транзисторы, сопутствующие «обвязочные» элементы и микросхемы и занимающих значительные площади на печатной плате, появилась возможность реализовать необходимое количество ультразвуковых каналов с использованием специальных транзисторных сборок и высоковольтных мультиплексоров. Все компоненты специально разработаны для использования в ультразвуковых приборах, имеют идеально подходящие характеристики и параметры. Тем более, что производителям этих микросхем за последние два года удалось расширить температурный диапазон их использования до минус 40°С. Тогда, внедряя в схему импульсный источник с выходным напряжением ±100 вольт, высоковольтный аналоговый ключ и специализированную транзисторную сборку, появляется возможность реализовать до 16 ультразвуковых каналов на площади, где сейчас помещается только 4-5 генераторов. Из схемы исключаются не только дорогостоящие и трудоемкие в изготовлении трансформаторы, но и ряд других «периферийных» компонентов.

Важной особенностью современного дефектоскопа сегодня является раздельная организация блоков обработки информации и ее регистрации, а также отображения. Такая архитектура совместно с возможностью изменения только лишь программного обеспечения блоков позволяет производить необходимое заимствование готовых модулей, входящих в состав блоков, или даже целых блоков в разных изделиях. Данная мера позволяет ускорить процесс разработки новых изделий, уменьшает объем конструкторской документации и значительно облегчает работу ремонтным организациям и, в свою очередь, значительно сокращает время на перестроение готового изделия под требования конкретных задач.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК