ГЕНЕРАТОР УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
GENERATOR OF ULTRASONIC OSCILLATIONS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройствам для генерирования ультразвуковых колебаний, в частности к генератору ультразвуковых колебаний.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время известны различные устройства для генерирования ультразвуковых колебаний, также называемые в уровне техники генераторами ультразвуковых колебаний, в большинстве из которых для возбуждения ультразвуковых волн используют метод на основе пьезоэлектрического эффекта. Следует отметить, что такие генераторы ультразвуковых колебаний находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности, в частности при осуществлении неразрушающего ультразвукового контроля трубопроводов или иных изделий.
Один из иллюстративных примеров генератора ультразвуковых колебаний описан в заявке на патент США №2003/0081505 (далее US 20030081505, опубл. 01.05.2003). В частности, в US 20030081505 раскрыт генератор ультразвуковых колебаний, содержащий транзисторные полумосты и блок управления, соединенный с указанными транзисторными полумостами с возможностью управления их работой, и содержит пьезодатчик, подключенный к транзисторным полумостам с возможностью возбуждения ультразвуковых колебаний.
Недостаток известного генератора ультразвуковых колебаний заключается в том, что он по сути может работать только в одноканальном режиме с обеспечением возможности сканирования только одного участка поверхности исследуемого объекта, так что для обеспечения возможности ультразвукового сканирования нескольких целевых участков поверхности исследуемого объекта (например, кольцевого сварного соединения трубопровода), потребовалось бы либо 1) при ультразвуковом сканировании каждого следующего участка поверхности из подлежащих ультразвуковому сканированию целевых участков поверхности исследуемого объекта перемещать такой известный генератор ультразвуковых колебаний по отношению к поверхности исследуемого объекта с обеспечением точного позиционирования возбудителя ультразвуковых колебаний по отношению к указанному сканируемому участку поверхности, либо (2) использовать множество таких известных генераторов ультразвуковых колебаний для формирования необходимой многоканальной системы ультразвукового неразрушающего контроля исследуемого объекта, в которой каждый из функциональных каналов будет представлен отдельным генератором ультразвуковых колебаний по US 20030081505, содержащим по два транзисторных полумоста и одному возбудителю ультразвуковых колебаний, т.е. потребовалось бы использовать такие известные генераторы ультразвуковых колебаний в количестве, равном необходимому количеству каналов в такой многоканальной системе.
Таким образом, очевидна потребность в дальнейшем совершенствовании известных генераторов ультразвуковых колебаний, в частности для создания многоканального генератора ультразвуковых колебаний, который бы позволял осуществлять ультразвуковое сканирование нескольких участков целевой поверхности исследуемого объекта при однократном надлежащем позиционировании такого генератора ультразвуковых колебаний по отношению к поверхности исследуемого объекта, т.е. без необходимости в многократных операциях по перемещению генератора ультразвуковых колебаний по отношению к целевой поверхности исследуемого объекта и позиционированию возбудителя ультразвуковых колебаний по отношению к каждому сканируемому участку указанной целевой поверхности исследуемого объекта или без необходимости в создании многокомпонентной и громоздкой многоканальной системы из множества генераторов ультразвуковых колебаний.
Следовательно, техническая проблема, решаемая настоящим изобретением, состоит в создании генератора ультразвуковых колебаний, в котором по меньшей мере частично устранен обозначенный выше недостаток известного генератора ультразвуковых колебаний, заключающийся в возможности его работы исключительно в одноканальном режиме.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в создании генератора ультразвуковых колебаний, решающего по меньшей мере обозначенную выше проблему.
Поставленная задача решена в настоящем изобретении благодаря тому, что в предложенном генераторе ультразвуковых колебаний, содержащем транзисторные полумосты и блок управления, соединенный с указанными транзисторными полумостами с возможностью управления их работой, указанные транзисторные полумосты образуют два каскада транзисторных полумостов, а указанный генератор дополнительно содержит электромагнитно-акустические преобразователи, подключенные к указанным каскадам транзисторных полумостов по матричной схеме таким образом, что электромагнитно-акустические преобразователи в каждой строке матричной схемы подключены к соответствующему одному из транзисторных полумостов, относящихся к одному из указанных каскадов транзисторных полумостов, а электромагнитно-акустические преобразователи в каждом столбце матричной схемы подключены к соответствующему одному из транзисторных полумостов, относящихся к другому каскаду транзисторных полумостов, при этом блок управления выполнен с возможностью выдачи заданных управляющих сигналов на транзисторные полумосты, соответствующие заданной строке матричной схемы, и транзисторные полумосты, соответствующие заданному столбцу матричной схемы, с обеспечением возможности протекания электрического тока через катушку одного из указанных электромагнитно-акустических преобразователей, соответствующего указанным строке и столбцу матричной схемы, что обеспечивает возможность генерирования ультразвуковых колебаний указанным электромагнитно-акустическим преобразователем.
Генератор ультразвуковых колебаний согласно настоящему изобретению обеспечивают технический результат, заключающийся в повышении отказоустойчивости указанного генератора в результате уменьшения вероятности его поломки или выхода из строя, что в свою очередь обусловлено подключением электромагнитно-акустических преобразователей к соответствующим каскадам транзисторных полумостов по матричной схеме, которая позволяет в целом уменьшить общее количество электронных компонентов, задействованных в указанном генераторе для обеспечения возможности его работы в многоканальном режиме. В частности, в случае необходимости использовать сто функциональных каналов потребуется всего двадцать транзисторных полумостов и сто подключенных по матричной схеме электромагнитно-акустических преобразователей, используемых каждый в качестве возбудителя ультразвуковых колебаний, т.е. потребуется существенное меньшее количество транзисторных полумостов (в 10 раз меньше по сравнению со случаем использования генераторов ультразвуковых колебаний, способных работать только в одноканальном режиме, в количестве, равном количеству рабочих каналов). Кроме того, уменьшение общего количества электронных компонентов, задействованных в предложенном генераторе для обеспечения возможности его работы в многоканальном режиме, обеспечивает и дополнительный технический результат, заключающийся в уменьшении габаритных размеров и веса такого генератора, что упрощает доставку такого генератора в составе системы ультразвукового неразрушающего контроля к месту ультразвукового сканирования поверхности исследуемого объекта с обеспечением уменьшения энергозатрат на осуществление указанной операции доставки.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения количество электромагнитно-акустических преобразователей в каждой строке матричной схемы может соответствовать количеству транзисторных полумостов в указанном еще одном каскаде транзисторных полумостов, а количество электромагнитно-акустических преобразователей в каждом столбце матричной схемы может соответствовать количеству транзисторных полумостов в указанном каскаде транзисторных полумостов.
В другом варианте реализации настоящего изобретения каждый транзисторный полумост из обоих каскадов транзисторных полумостов может содержат верхний и нижний транзисторные ключи, при этом заданные управляющие сигналы, выдаваемые блоком управления на транзисторные полумосты, могут обеспечивать возможность изменения состояния указанных транзисторных ключей в указанных транзисторных полумостах.
Еще в одном варианте реализации настоящего изобретения для протекания электрического тока через катушку электромагнитно-акустического преобразователя блок управления может выдавать на транзисторные полумосты такие заданные управляющие сигналы, которые обеспечивают возможность открытия верхнего транзисторного ключа в транзисторных полумостах, соответствующих заданной строке матричной схемы, или транзисторных полумостах, соответствующих заданному столбцу матричной схемы, и открытия нижнего транзисторного ключа соответственно в транзисторных полумостах, соответствующих заданному столбцу матричной схемы, или транзисторных полумостах, соответствующих заданной строке матричной схемы.
В некотором варианте реализации настоящего изобретения блок управления может состоять из группы драйверов управления полумостами, каждый из которых соединен с соответствующим одним транзисторным полумостом из указанного каскада транзисторных полумостов с возможностью управления его работой, еще одной группы драйверов управления полумостами, каждый из которых соединен с соответствующим одним транзисторным полумостом из указанного еще одного каскада транзисторных полумостов с возможностью управления его работой, и из схемы управления, соединенной с указанными группами драйверов управления полумостами с возможностью управления их работой.
В некотором другом варианте реализации настоящего изобретения катушка в каждом из электромагнитно-акустических преобразователей может быть соединена с соответствующим одним из каскада транзисторных полумостов и соответствующим одним из еще одного каскада транзисторных полумостов посредством конденсатора с обеспечением возможности образования резонансного контура. Наличие такого резонансного контура обеспечивает еще один дополнительный технический результат, заключающийся в существенном увеличении напряжения и, следовательно, электрического тока, протекающего через катушку задействованного электромагнитно-акустического преобразователя, что также позволяет использовать в предложенном генераторе более низковольтный источник питания для получения требуемых характеристик указанного электромагнитно-акустического преобразователя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые приведены для обеспечения лучшего понимания сущности настоящего изобретения, составляют часть настоящего документа и включены в него для иллюстрации нижеописанных вариантов реализации и аспектов настоящего изобретения. Прилагаемые чертежи в сочетании с приведенным ниже описанием служат для пояснения сущности настоящего изобретения. В частности, на чертежах:
на фиг.1 показан иллюстративный вариант реализации генератора ультразвуковых колебаний согласно настоящему изобретению.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 схематично показан иллюстративный вариант реализации генератора 100 ультразвуковых колебаний согласно настоящему изобретению.
Генератор 100 ультразвуковых колебаний, показанный на фиг.1, предназначен для выработки или генерирования ультразвуковых колебаний и может быть использован, например, в системах для неразрушающего ультразвукового контроля трубопроводов, например магистрального трубопровода, используемого для передачи нефтепродуктов или газа, или контролирующих системах для выявления различных дефектов, таких как, например, дефекты сварки, в металлических изделиях различных видов. Генератор 100, показанный на фиг.1, относится к многоканальным высоковольтным генераторам, предназначенным для возбуждения ультразвуковых колебаний на основе электромагнитно-акустического преобразования (также называемого в уровне техники ЭМА-преобразованием или ЭМАП). Следует отметить, что генератор 100, показанный на фиг.1, также относится генераторам ультразвуковых колебаний, имеющим матричный тип, что обусловлено особенностями его конструктивного исполнения, которые будут описаны ниже более подробно. Таким образом, ввиду вышеописанных особенностей генератора 100, в уровне техники он может быть также назван как матричный генератор ультразвуковых колебаний или многоканальный высоковольтный электромагнитно-акустический генератор матричного типа, что полностью отражает нижеописанные конструктивные и функциональные особенности генератора 100.
Как показано на фиг.1, генератор 100 содержит два транзисторных полумоста 1.1, 1.2, образующих первую группу или первый каскад транзисторных полумостов и содержащих каждый по два N-канальных транзистора 8, и два транзисторных полумоста 2.1, 2.2, образующих вторую группу или второй каскад транзисторных полумостов и также содержащих каждый по два N-канальных транзистора 8. Следует отметить, что в качестве N-канальных транзисторов 8 в транзисторных полумостах 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 могут быть использованы MOSFET-транзисторы (полевые МОП-транзисторы) или IGBT-транзисторы (биполярные транзисторы с изолированный затвором, БТИЗ), в частности транзисторы «CoolMOS CFD7» от компании «Infineon Technologies». Следует также отметить, что в транзисторных полумостах 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 предпочтительно используются идентичные транзисторы 8, что в дальнейшем обеспечивает возможность одинаковой работы всех излучающих каналов в генераторе 100, при этом технические характеристики транзисторов 8 должны удовлетворять требуемым частотным характеристикам, токовых характеристикам и соответствующему коммутируемому напряжению питания.
Как показано на фиг.1, в каждом из транзисторных полумостов 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 один из двух транзисторов 8, соединенный своим стоком с общей шиной высоковольного питания (например, 200 В), используется в качестве транзисторного ключа верхнего уровня или верхнего транзисторного ключа, а другой транзистор 8, соединенный своим истоком с общем шиной «Земля», используется в качестве транзисторного ключа нижнего уровня или нижнего транзисторного ключа, при этом транзистор 8, используемый в качестве указанного верхнего транзисторного ключа, соединен своим истоком со стоком транзистора 8, используемого в качестве указанного нижнего транзисторного ключа.
Кроме того, как показано на фиг.1, генератор 100 также содержит четыре драйвера 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 управления полумостом, также называемые в уровне техники контроллерами управления полумостом, полумостовыми драйверами, драйверами полумоста или т.п., при этом драйверы 5.1, 5.2 образуют первую группу драйверов в генераторе 100, соответствующую строкам нижеописанной матричной схемы, а драйверы 6.1, 6.2 образуют вторую группу драйверов в генераторе 100, соответствующую столбцам нижеописанной матричной схемы.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения вместо N-канальных транзисторов 8 в транзисторных полумостах 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 могут быть использованы и P-канальные транзисторы при условии применения в генераторе 100 подходящих контроллеров или драйверов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2, позволяющих управлять работой P-канальных транзисторов в соответствующих полумостах 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, в частности изменять их состояние в ответ на прием конкретного управляющего сигнала от схемы 7 управления).
В другом варианте реализации настоящего изобретения вместо N-канальных транзисторов 8 в транзисторных полумостах 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 могут быть использованы и известные в уровне техники биполярные транзисторы, работающие в ключевом режиме, при условии применения в генераторе 100 подходящих контроллеров или драйверов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2, позволяющих управлять работой полярных транзисторов в соответствующих полумостах 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, в частности изменять их состояние в ответ на прием конкретного управляющего сигнала от схемы 7 управления).
Затворы обоих транзисторов 8 в каждом из транзисторных полумостов 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 подключены соответственно к одному из драйверов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2. В частности, затвор транзистора 8, используемого в качестве верхнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 1.1, подключен к выходу управления затвором верхнего уровня в драйвере 5.1, затвор транзистора 8, используемого в качестве нижнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 1.1, подключен к выходу управления затвором нижнего уровня в драйвере 5.1. Кроме того, затвор транзистора 8, используемого в качестве верхнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 1.2, подключен к выходу управления затвором верхнего уровня в драйвере 5.2, затвор транзистора 8, используемого в качестве нижнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 1.2, подключен к выходу управления затвором нижнего уровня в драйвере 5.2. Кроме того, затвор транзистора 8, используемого в качестве верхнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 2.1, подключен к выходу управления затвором верхнего уровня в драйвере 6.1, затвор транзистора 8, используемого в качестве нижнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 2.1, подключен к выходу управления затвором нижнего уровня в драйвере 6.1. Кроме того, затвор транзистора 8, используемого в качестве верхнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 2.2, подключен к выходу управления затвором верхнего уровня в драйвере 6.2, затвор транзистора 8, используемого в качестве нижнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 2.2, подключен к выходу управления затвором нижнего уровня в драйвере 6.2.
Кроме того, в каждом из транзисторных полумостов 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 транзистор 8, используемый в качестве верхнего транзисторного ключа, дополнительно соединен своим истоком с выходом для возврата плавающего питания верхнего уровня, относящимся к соответствующему одному из драйверов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2.
Следует отметить, что в генераторе 100 в качестве драйверов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 управления полумостом предпочтительно используются идентичные микросхемы, известные в уровне техники, например могут быть использованы известные драйверы «IR2110» ключей нижнего и верхнего уровня от компании «Infineon Technologies или известные драйверы «UCC27714D» управления затвором от компании «Texas Instruments».
Кроме того, как показано на фиг.1, генератор 100 также содержит схему 7 управления, соединенную с каждым из драйверов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 с возможностью управления их работой. Следует отметить, что в качестве схемы 7 управления может быть использована любая подходящая управляющая микросхема в виде микроконтроллера или ПЛИС, например ПЛИС из семейства «FPGA Intel MAX», в частности цифровая интегральная микросхема «10CL006YE144C8G» от компании «Altera Corp», или микроконтроллер из семейства «STM32 32-bit Arm Cortex MCU». Следует также отметить, что использование одной схемы 7 управления, к которой подключены все драйверы 5.1, 5.2, 6.1, 6.2, в конечном итоге позволяет более точно синхронизировать работу всех транзисторных полумостов 1.1, 1.2, 2.1, 2.2.
Схема 7 управления выполнена с возможностью формирования дискретных управляющих сигналов в виде меандра и возможностью одновременной передачи или выдачи сформированных дискретных управляющих сигналов на целевые драйверы из драйверов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2, при этом управляющие сигналы от схемы 7 управления могут поступать на соответствующие логические входы в указанных целевых драйверах, в частности на логический вход для верхнего уровня (по фазе) и логический вход для нижнего уровня (по фазе), для последующего целевого изменения состояния транзисторов 8 в транзисторных полумостах, находящихся под управлением указанных целевых драйверов. Следует отметить, что уровень управляющего сигнала, поступающего на соответствующий один из двух логических входов в каждом целевом драйвере из драйверов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2, определяется указанным целевым драйвером и по сути является стандартным для управляющих микросхем (как правило находится в пределах от 3,3 В до 12 В).
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения схема 7 управления и драйверы 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 могут быть выполнены в виде одиночного блока управления, который может быть реализован в виде любой подходящей микросхемы, на которой могут быть размещены соединенные с возможностью обмена данными схема 7 управления и драйверы 5.1, 5.2, 6.1, 6.2, а также, при необходимости, и иные вспомогательные электронные компоненты, обеспечивающие работу схемы 7 управления.
В зависимости от управляющих сигналов, принятых от схемы 7 управления каждым целевым драйвером из драйверов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 на двух своих логических входах, указанный целевой драйвер в ответ формирует свои управляющие сигналы драйвера, соответствующие по форме указанным принятым управляющим сигналам, и одновременно выдает их на затворы соответствующих транзисторов 8 в соответствующем одном из транзисторных полумостов 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, находящемся под управлением указанного целевого драйвера, при этом с выхода указанного целевого драйвера для управления затвором верхнего уровня управляющий сигнал драйвера, соответствующий управляющему сигналу, принятому от схемы 7 управления в указанном целевой драйвере на логическом входе для верхнего уровня, будет выдан на транзистор 8, используемый в указанном транзисторном полумосте в качестве верхнего транзисторного ключа, а с выхода указанного целевого драйвера для управления затвором нижнего уровня управляющий сигнал драйвера, соответствующий управляющему сигналу, принятому от схемы 7 управления в указанном целевой драйвере на логическом входе для нижнего уровня, будет выдан на другой транзистор 8, используемый в указанном транзисторном полумосте в качестве нижнего транзисторного ключа.
Таким образом, управляющие сигналы драйвера, выдаваемые на целевые транзисторы 8, относящиеся к одному из транзисторных полумостов 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, находящемся под управлением соответствующего одного из драйверов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2, принявшего управляющие сигналы от схемы 7 управления, способны привести к изменению состояния указанных целевых транзисторов 8, в частности к открытию/закрытию одного из указанных целевых транзисторов 8 и/или открытию/закрытию другого целевого транзистора 8, в зависимости от формы управляющих сигналов драйвера, поступивших на затвор указанных целевых транзисторов 8.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения вместо общей схемы 7 управления могут быть использованы две отдельные схемы управления, выполненные идентично схеме 7 управления и имеющие те же самые функциональные возможности, что схема 7 управления, при этом одна из таких отдельных схем управления может быть предназначена для управления работой драйверов 5.1, 5.2, управляющих работой транзисторов 8 в транзисторных полумостах 1.1, 1.2, образующих первый каскад транзисторных полумостов, а другая отдельная схем управления может быть предназначена для управления работой драйверов 6.1, 6.2, управляющих работой транзисторов 8 в транзисторных полумостах 2.1, 2.2, образующих второй каскад транзисторных полумостов, при этом синхронизация таких двух отдельных схем управления может быть обеспечена путем их общего тактирования.
Еще в одном варианте реализации настоящего изобретения схема 7 управления может быть соедиенна с драйверами 5.1, 5.2, 6.1, 6.2 посредством преобразователя уровней (не показан), на входы которого могут поступать управляющие сигналы, сформированные схемой 7 управления, а с соответствующих выходов преобразователя уровней дискретные управляющие сигналы уже могут поступать на целевые драйверы из драйверов 5.1, 5.2, 6.1, 6.2.
Следует отметить, что две группы управляющих сигналов, одновременно выдаваемые схемой 7 управления соответственно на один из драйверов 5.1, 5.2 и один из драйверов 6.1, 6.2, позволяют сформировать любые необходимые комбинации состояний из состояний четырех транзисторов 8, относящихся к двум транзисторным полумостам, находящимся под управлением указанных двух задействованных драйверов, т.е. состояний двух транзисторов 8, относящихся к соответствующему транзисторному полумосту, находящемуся под управлением указанного одного из драйверов 5.1, 5.2, и состояний двух транзисторов 8, относящихся к соответствующему транзисторному полумосту, находящемуся под управлением указанного одного из драйверов 6.1, 6.2.
Кроме того, генератор 100 также содержит четыре электромагнитно-акустических преобразователя 3.1, 3.2, 4.1, 4.2. Как показано на фиг.1, электромагнитно-акустические преобразователи 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 подключены к соответствующим транзисторным полумостам 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 по матричной схеме включения с получением матрицы электромагнитно-акустических преобразователей, образованной из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 и имеющей размеры 2 на 2 (т.е. по два электромагнитно-акустических преобразователя в каждой строке матрицы и по два электромагнитно-акустических преобразователя в каждом столбце матрицы). Другими словами, полученная матрица электромагнитно-акустических преобразователей выполнена из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 таким образом, что в первой строке включены электромагнитно-акустические преобразователи 3.1, 3.2, во второй строке включены электромагнитно-акустические преобразователи 4.1, 4.2, в первом столбце включены электромагнитно-акустические преобразователи 3.1, 4.1, а во втором столбце включены электромагнитно-акустические преобразователи 3.2, 4.2. Особенности соединения электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 между собой и с соответствующими транзисторными полумостами 1.1, 1.2, 2.1, 2.2 в генераторе 100 для образования вышеописанной матрицы электромагнитно-акустических преобразователей проиллюстрированы на фиг.1.
Как показано на фиг.1, электромагнитно-акустические преобразователи 3.1, 3.2 подключены оба к транзисторному полумосту 1.1, т.е. к одному и тому же транзисторному полумосту из первого каскада транзисторных полумостов, в частности электромагнитно-акустические преобразователи 3.1, 3.2 подключены каждый к истоку транзистора 8, используемого в транзисторном полумосте 1.1 в качестве верхнего транзисторного ключа, и стоку транзистора 8, используемого в транзисторном полумосте 1.1 в качестве нижнего транзисторного ключа. Кроме того, каждый из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2 дополнительно подключен к соответствующему одному из транзисторных полумостов 2.1, 2.2, т.е. электромагнитно-акустические преобразователи 3.1, 3.2 дополнительно подключены к разным транзисторным полумостам из второго каскада транзисторных полумостов, в частности электромагнитно-акустический преобразователь 3.1 подключен к истоку транзистора 8, используемого в транзисторном полумосте 2.1 в качестве верхнего транзисторного ключа, и стоку транзистора 8, используемого в транзисторном полумосте 2.1 в качестве нижнего транзисторного ключа, а электромагнитно-акустический преобразователь 3.2 подключен к истоку транзистора 8, используемого в транзисторном полумосте 2.2 в качестве верхнего транзисторного ключа, и стоку транзистора 8, используемого в транзисторном полумосте 2.2 в качестве нижнего транзисторного ключа.
Открытие транзистора 8, используемого в транзисторном полумосте 1.1 в качестве верхнего транзисторного ключа (т.е. открытие верхнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 1.1) и открытие транзистора 8, используемого в транзисторном полумосте 2.1 в качестве нижнего транзисторного ключа (т.е. открытие нижнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 2.1) по сути приводит к протеканию электрического тока через катушку электромагнитно-акустического преобразователя 3.1 в одном направлении, в частности в положительном направлении или прямом направлении, а открытие транзистора 8, используемого в транзисторном полумосте 2.1 в качестве верхнего транзисторного ключа (т.е. открытие верхнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 2.1) и открытие транзистора 8, используемого в транзисторном полумосте 1.1 в качестве нижнего транзисторного ключа (т.е. открытие нижнего транзисторного ключа в транзисторном полумосте 1.1) по сути приводит к протеканию электрического тока через ту же самую катушку электромагнитно-акустического преобразователя 3.1 в противоположном направлении, т.е. в отрицательном направлении или обратном направлении. Аналогичным образом обеспечивается протекание электрического тока через катушки остальных электромагнитно-акустических преобразователей, т.е. электромагнитно-акустических преобразователей 3.2, 4.1, 4.2 в одном направлении и обратном направлении.
Таким образом, для приведения в действие необходимого электромагнитно-акустического преобразователя из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2, расположенного в заданных строке и столбце в вышеописанной матричной схеме включения электромагнитно-акустических преобразователей в генераторе 100, схема 7 управления должна выдать соответствующие управляющие сигналы на тот драйвер из драйверов 5.1, 5.2, который управляет, посредством своих управляющих сигналов драйвера, работой транзисторного полумоста из транзисторных полумостов 1.1, 1.2, к которому подключены электромагнитно-акустические преобразователи, находящиеся в указанной строке, в которой относится указанный необходимый электромагнитно-акустический преобразователь, и на тот драйвер из драйверов 6.1, 6.2, который управляет, посредством своих управляющих сигналов драйвера, работой транзисторного полумоста из транзисторных полумостов 2.1, 2.2, к которому подключены электромагнитно-акустические преобразователи, находящиеся в указанном столбце, в которому относится указанный необходимый электромагнитно-акустический преобразователь, при этом транзисторный мост, образованный из указанных задействованных транзисторных полумостов (указанные один из транзисторных полумостов 1.1, 1.2 и один из транзисторных полумостов 2.1, 2.2, соединенные друг с другом посредством указанного приводимого в действие электромагнитно-акустического преобразователя), будет обеспечивать возможность протекания электрического тока через катушку указанного приводимого в действие электромагнитно-акустического преобразователя в одном направлении или обратном направлении в зависимости от состояний транзисторов 8 в указанных задействованных транзисторных полумостах, обусловленных управляющими сигналами драйвера, выданными указанными задействованными драйверами на эти транзисторы 8. Другими словами, коммутация верхнего и нижнего транзисторных ключей в транзисторном мосте, образованном вышеописанным образом из двух соответствующих транзисторных полумостов при приведении в действие необходимого электромагнитно-акустического преобразователя, обеспечивает возможность протекания электрического тока через указанный необходимый электромагнитно-акустический преобразователь, в частности позволяет электрическому току протекать через катушку этого необходимого электромагнитно-акустического преобразователя сначала в одном направлении или обратном/противоположном направлении, при этом при протекании электрического тока через указанную катушку необходимого электромагнитно-акустического преобразователя транзисторные ключи остальных полумостов оказываются скоммутированными таким образом, что не происходит протекания электрического тока через остальные электромагнитно-акустические преобразователи из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2, которые не должны были быть приведены в действие. Ниже в качестве примера представлена таблица, в которой приведены начальные состояния всех восьми тразисторых ключей, относящихся к транзисторным полумостам 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, показанным на фиг.1., и состояния указанных транзисторов 8 при протекании электрического тока через катушку электромагнитно-акустического преобразователя 3.1.
Таблица. Состояния транзисторных ключей в транзисторных полумостах
Транзистор
Начальное состояние
Положительное направление
Отрицательное направление
Верхний транзисторный ключ в транзисторном полумосте 1.1
закрыт
открыт
закрыт
Нижний транзисторный ключ в транзисторном полумосте 1.1
открыт
закрыт
открыт
Верхний транзисторный ключ в транзисторном полумосте 1.2
закрыт
закрыт
закрыт
Нижний транзисторный ключ в транзисторном полумосте 1.2
открыт
открыт
открыт
Верхний транзисторный ключ в транзисторном полумосте 2.1
закрыт
закрыт
открыт
Нижний транзисторный ключ в транзисторном полумосте 2.1
открыт
открыт
закрыт
Верхний транзисторный ключ в транзисторном полумосте 2.2
закрыт
закрыт
закрыт
Нижний транзисторный ключ в транзисторном полумосте 2.2
открыт
открыт
открыт
Следует отметить, что матричная схема включения четырех электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 (матрица размером 2 на 2), описанная выше со ссылкой на фиг.1, является лишь иллюстративным примером, демонстрирующим возможность реализации 4-канального генератора 100 ультразвуковых колебаний, и может быть легко масштабирована до матричной схемы включения электромагнитно-акустических преобразователей с любым необходимым размером, например 10 на 10 (т.е. матрица, образованная суммарно из ста электромагнитно-акустических преобразователей: по десять электромагнитно-акустических преобразователей в каждой строке и десять электромагнитно-акустических преобразователей в каждом столбце), при этом для обеспечения возможности управления работой всех электромагнитно-акустических преобразователей в такой матрице потребуется всего десять транзисторных полумостов в первом каскаде транзисторных полумостов, относящихся каждый к электромагнитно-акустическим преобразователям в соответствующей одной из десяти строк матрицы, и десять транзисторных полумостов во втором каскаде транзисторных полумостов, относящихся каждый к электромагнитно-акустическим преобразователям в соответствующем одном из десяти столбцов матрицы. Использование такой матричной схемы включения электромагнитно-акустических преобразователей, имеющей размер 10 на 10, по сути позволяет реализовать 100-канальный генератор ультразвуковых колебаний с использованием всего двадцати транзисторных полумостов, в частности за счет соединения указанных электромагнитно-акустических преобразователей с указанными транзисторными полумостами по матричной схеме включения. Следует также отметить, что по габаритам такой 100-канальный матричный генератор ультразвуковых колебаний будет занимать место или пространственный объем, по сути соответствующий 10 отдельным генераторам ультразвуковых колебаний, а не 100 отдельным генераторам ультразвуковых колебаний
В частности, генератор 100 может содержать матрицу электромагнитно-акустических преобразователей, имеющую размер N x M, где N предпочтительно равно M, что требует наличия транзисторных полумостов в первом каскаде транзисторных полумостов в количестве N (т.е. в том же количестве, что и количество строк в матрице электромагнитно-акустических преобразователей, содержащейся в генераторе 100) и наличия транзисторных полумостов во втором каскаде транзисторных полумостов в количестве M (т.е. в том же количестве, что и количество столбцов в матрице электромагнитно-акустических преобразователей, содержащейся в генераторе 100). Следует отметить, что в предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения количество электромагнитно-акустических преобразователей в каждой строке матричной схемы соответствует или равно количеству транзисторных полумостов во втором каскаде транзисторных полумостов, а количество электромагнитно-акустических преобразователей в каждом столбце матричной схемы соответствует или равно количеству транзисторных полумостов в первом каскаде транзисторных полумостов.
Как было описано выше, схема 7 управления позволяет в генераторе 100 формировать управляющие сигналы, обеспечивающие возможность управлениями транзисторными ключами во всех транзисторных полумостах, входящих в состав генератора 100, при этом задание определенного состояния транзисторных ключей позволяет сформировать необходимый транзисторный мост из одного транзисторного полумоста, относящегося к первому каскаду транзисторных полумостов, соответствующих каждый одной из строк матрицы электромагнитно-акустических преобразователей, и одного транзисторного полумоста, относящегося ко второму каскаду транзисторных полумостов, соответствующих каждый одному из столбцов матрицы электромагнитно-акустических преобразователей, что по сути позволяет выбрать или привести в действие целевой электромагнитно-акустический преобразователь. Следует отметить, что заданные паттерны или схемы управления транзисторными ключами, определяющие последовательность приведения в действие электромагнитно-акустических преобразователей и особенности соответствующих управляющих сигналов, предварительно известны схеме 7 управления и сохранены в ее внутренней памяти. Схемы управления транзисторными ключами, сохраненные в памяти схемы 7 управления, по сути позволяют последовательно привести в действие все электромагнитно-акустические преобразователи, входящие в состав генератора 100, или по меньшей мере часть из них в любом необходимом порядке в зависимости от задачи, решаемой с использованием генератора 100. Кроме того, схема 7 управления может быть перенастроена любым необходимым образом с использованием программного обеспечения верхнего уровня для изменения или настройки по меньшей мере одной из схем управления транзисторными ключами, хранящихся в памяти схемы 7 управления.
Как показано на фиг.1, генератор 100 дополнительно содержит диоды 9: по одному однонаправленному диоду 9 включено в двух линиях соединения каждого из четырех электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 с верхним и нижним транзисторными ключами соответствующего одного из транзисторных полумостов 1.1, 1.2, относящихся к первому каскаду транзисторных полумостов, и по одному однонаправленному диоду 9 включено в двух линиях соединения указанного электромагнитно-акустического преобразователя с верхним и нижним транзисторными ключами соответствующего одного из транзисторных полумостов 2.1, 2.2, относящихся ко второму каскаду транзисторных полумостов (т.е. по четыре однонаправленных диода на каждый из четырех электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2), причем указанные четыре однонаправленных диода, соответствующие указанному электромагнитно-акустическому преобразователю, включены таким образом, что они позволяют защитить соответствующие верхние и нижние транзисторные ключи от токов, возникающих при размыкании индуктивном нагрузки, т.е. при прекращении протекания электрического тока через катушку указанного электромагнитно-акустического преобразователя.
Кроме того, как показано на фиг.1, генератор 100 дополнительно содержит конденсаторы 10: по одному конденсатору в линии соединения каждого из четырех электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 с соответствующим одним из транзисторных полумостов 1.1, 1.2, относящихся к первому каскаду транзисторных полумостов, и по одному конденсатору в линии соединения указанного электромагнитно-акустического преобразователя с соответствующим одним из транзисторных полумостов 2.1, 2.2, относящихся ко второму каскаду транзисторных полумостов (т.е. по два конденсатора на каждый из четырех электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2). В частности, один из двух конденсаторов, соответствующих одному из четырех электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2, по сути включен между катушкой указанного электромагнитно-акустического преобразователя и двумя диодами, использованными для соединения указанного электромагнитно-акустического преобразователя с верхним и нижним транзисторными ключами соответствующего одного из транзисторных полумостов 1.1, 1.2, относящихся к первому каскаду транзисторных полумостов, а другой конденсатор, соответствующий указанному электромагнитно-акустическому преобразователю, по сути включен между катушкой указанного электромагнитно-акустического преобразователя и другими двумя диодами, использованными для соединения указанного электромагнитно-акустического преобразователя с верхним и нижним транзисторными ключами соответствующего одного из транзисторных полумостов 2.1, 2.2, относящихся ко второму каскаду транзисторных полумостов.
Следует отметить, что любой транзисторный мост, образуемый из соответствующих двух задействованных транзисторных полумостов при приведении в действие, посредством системы 7 управления, целевого электромагнитно-акустического преобразователя посредством, будет содержать колебательный контур, состоящий из катушки указанного целевого электромагнитно-акустического преобразователя и соответствующей одной из двух емкостей, при этом частота коммутации транзисторов (т.е. частоты протекания тока через указанную катушку), относящихся к указанным задействованным транзисторным полумостам, значение индуктивности указанной катушки и значение указанной емкости, входящей в состав указанного колебательного контура, подобраны таким образом, что обеспечена возможность перехода указанного колебательного контура в состояние резонанса (т.е. достигается резонанс указанного колебательного контура), что существенно увеличивает напряжение и, следовательно, и ток, протекающий через указанный электромагнитно-акустический преобразователь, по сравнению с коммутируемым на входе указанных транзисторов. Например, при коммутируемом напряжении 200 В на транзисторе, на катушке целевого электромагнитно-акустического преобразователя размах напряжения может достигать 1500 В. Таким образом, использование колебательного контура, способного переходить в состояние резонанса, позволяет использовать в генераторе 100 более низковольтный источник питания для получения требуемых характеристик целевого электромагнитно-акустического преобразователя. Как показано на фиг.1, катушка любого приводимого в действие электромагнитно-акустического преобразователя из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 в сочетании с соответствующим конденсатором способна образовывать вышеописанный колебательный контур. В одном из предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения катушка в каждом из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 может иметь индуктивность 100 мкГн, при этом в таком случае каждый конденсатор, образующий вышеописанный колебательный контур с соответствующей одной из таких катушек, может иметь емкость, составляющую, например, 47 нФ.
Протекание электрического тока через катушку каждого из электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 обеспечивает возможность возбуждения ультразвуковых колебаний, направление распространения которых зависит, в частности, от направления протекания электрического тока через указанную катушку.
Генератор 100, описанный выше со ссылкой на фиг.1, может быть использован в фазированных антенных решетках, основанных на электромагнитно-акустической технологии и работающих с использованием цифровых алгоритмов фокусировки, таких как, например, TFM- алгоритм (Total Focusing Method), при захвате данных с использованием алгоритма полноматричного захвата (FMC; Full Matrix Capture), а также в многоканальных системах неразрушающего контроля, основанных на электромагнитно-акустической технологии при последовательном генерировании ультразвуковых колебаний, обеспечиваемых электромагнитно-акустическими преобразователями, выполненными по типу электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2, выполняющих каждый функцию возбудителя ультразвуковых колебаний.
В случае применения матричного генератора 100 в многоканальной системе неразрушающего ультразвукового контроля, используемой, например, для выявления дефектов кольцевых сварных соединений трубопровода при сканировании каждого исследуемого кольцевого сварного соединения будет отсутствовать необходимость в механическом перемещении одного возбудителя ультразвуковых колебаний по окружности трубопровода, поскольку такое механическое перемещение по сути заменено на совокупность электромагнитно-акустических преобразователей (выполнены по типу электромагнитно-акустических преобразователей 3.1, 3.2, 4.1, 4.2), которые выполняют каждый в генераторе 100 функцию возбудителя ультразвуковых колебаний и которые могут быть последовательно размещены на специальном кольце, установленном на специальном средстве доставки в указанной многоканальной системе неразрушающего ультразвукового контроля (т.е. могут быть расположены по кругу, соответствующему окружности трубопровода). В частности, последовательное приведение в действие таких расположенных по кругу электромагнитно-акустических преобразователей будет по сути имитировать механическое перемещение по кругу одного электромагнитно-акустического преобразователя, выполняющего функцию возбудителя ультразвуковых колебаний. Следует отметить, что рабочие каналы в такой многоканальной системе неразрушающего ультразвукового контроля, использующей генератор 100, по сути не будут ничем отличаться друг от друга, при этом единовременно может быть задействован только один такой канал, что обуславливает необходимость последовательного приведения в действие расположенных по кругу электромагнитно-акустических преобразователей, возбуждающих ультразвуковые колебания. При перемещении такой системы неразрушающего ультразвукового контроля внутри трубопровода будет осуществляться последовательное излучение ультразвуковых колебаний с использованием электромагнитно-акустических преобразователей, входящих в состав матричного генератора 100, и прием ультразвуковых колебаний с использованием коммутируемого приемника ультразвуковых колебаний: матричный генератор 100 сначала будет приводить в действие первый электромагнитно-акустический преобразователь, к которому будет коммутироваться приемник ультразвуковых колебаний (приемный тракт) с обеспечением возможности осуществления ультразвукого сканирования соответствующего участка внутренней поверхности трубопровода, затем матричный генератор 100 будет приводить в действие второй электромагнитно-акустический преобразователь, к которому также будет коммутироваться приемник ультразвуковых колебаний (приемный тракт) с обеспечением возможности осуществления ультразвукого сканирования другого участка внутренней поверхности трубопровода, а далее матричный генератор 100 будет последовательно приводить в действие все оставшиеся электромагнитно-акустические преобразователи, к которым также будет коммутироваться приемник ультразвуковых колебаний (приемный тракт) с обеспечением возможности осуществления ультразвукого сканирования остальных участков внутренней поверхности трубопровода, что в конечном итоге позволит просканировать внутреннюю поверхность трубопровода по всей его окружности.
В случае применения матичного генератора 100 с фазированными антенными решетками такой генератор 100 может быть использован только в варианте цифровой фокусировки фазированной решетки. Работа в таком режиме заключается в следующем. Схема управления подключается к первому генератору ультразвуковых колебаний, функцию которого выполняет соответствующий один из электромагнитно-акустических преобразователей в матричном генераторе 100, с обеспечением генерирования ультразвуковых колебаний, при этом в это же время все приемники ультразвуковых колебаний в фазированной антенной решетке будут осуществлять прием ультразвуковых колебаний. В дальнейшем схема управления подключается ко второму генератору ультразвуковых колебаний, функцию которого выполняет другой электромагнитно-акустический преобразователь в матричном генераторе 100, с обеспечением генерирования ультразвуковых колебаний, при этом прием ультразвуковых колебаний так же будут осуществляется всеми приемниками ультразвуковых колебаний в фазированной антенной решетке. Вышеописанная операция будет повторяться до тех пор, пока операция ультразвукового сканирования не будет завершена с использованием последнего такого генератора ультразвуковых колебаний, функцию которого также выполняет соответствующий один из электромагнитно-акустических преобразователей в матричном генераторе 100. В таком случае фокусировка производится уже при постобработке данных, при этом отсутствует необходимость в единовременном сканировании с использованием всех генераторов ультразвуковых колебаний.