МНОГОКАНАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОП

Устройство относится к технике ультразвукового контроля изделий, преимущественно к контролю рельсов, уложенных в путь, и подлежит установке в вагонах-дефектескопах, автоматрисах-дефектоскопах и иных подвижных средств ультразвукового контроля рельсов в пути.
Известны компьютерные устройства того же назначения, например:
1.Устройство для обнаружения дефектов в рельсах (Hawker В.М. Detection of flaws In rails by automated digital Interpretation of. patterns in the ultrasonic Inspection signals. В журнале Machine-aid Image Analysis. 1978. pp.326-334);
2.Мультимикропродессорная система обнаружения и классификации дефектов железнодорожных рельсов в реальном времени (Sholl Howard А.. Horrls Kevin. Nords James. A multlmicroprocessors system for rail time classification of railroad trackflaws. IEEE Trans.Comput.. 1982. V.31. N10. pp.1009-1017);
3.Вагонт-дефектоскоп железных дорог Франции (Экспресс-информация Путь и строительство железных дорог. 1985. N 27; М., стр. 1-13);
, 4. Real time-computer based instrumentation system for ultrasonic rail testing. Компьютерная система реального времени для ультразвукового контроля рельсов (описание прилагается).
Все вышеперечисленные системы имеют контактирующие с рельсом излучатели - приемники ультразвуковых сигналов, генерато-приемно-усижтельные блоки для выработки зондирующих сигналов, приема и усиления эхо-сигналов, детекторы эхо-сигналов, синхронизатор запуска генераторного блока, интерфейсные блоки для ввода информации в компьютер по программому каналу, параллельному каналу и/или каналу прямого доступа к памяти (ДМА-каналу).
Компьютер укомплектован необходимым набором периферийных устройств для приема, отображения и архивирования полученной информации и результатов ее обработки как в.автоматическом, так и в интерактивном режимах.
Кроме того, во всех аналогах предусмотрен датчик отметок пути, вырабатывающий сигналы через определенные промежутки пути, и блок определения путейской координаты и текущей скорости, что необходимо для указания координат (месторасположения) обнаруженных дефектов на железнодорожном пути. По этим признакам аналоги совпадают с предлагаемым устройством. Наиболее бжзким по совокупности признаков к предлагаемому устройству является компьютерная система 4. Эхосигналы в прототипе на пути от генераторно-приемно-усиленного блока к главному компьютеру претерпевают аналого-цифровое преобразование и подвергаются двухстадийной предварительной обработке на нескольких параллельно-последовательных микропроцессорных структурах (pipelines).
Аналого-цифровое преобразование эхо-сигналов производится через 1.25 МКС с получением десятибитного кода величины эхо-сигнала. Затем на микропроцессоре программным способом определяется максимум а1лплитуды огибающей эхо-сигнала и код его . временного положения относительно зондирующего импульса. - г пути значение амплитуды огибающей эхо-сигнала не является дифференциальным признаком нажчия, характера и местоположения отражателя (дефекта, болтового отверстия, зазора в стыке и др.) в сечении рельса.
Между амплитудой сигнала от дефекта в виде кбнтактно-усталостной трещины в головке рельса и его размерами не существует определенной зависимости: в ряде случаев амшштуда эхо-сигнала от дефекта на ранней стадии развития намного превышает амплитуду эхо-сигнала от более развитого дефекта. Многие сильно развитые контактно-усталостные дефекты с зеркально-отражающей поверхностью эхо-методом не выявляются. Одновременно, на форму и амплитуду огибающих эхо-сигналов влияет масса случайных факторов, таких как особенности поверхности отражателя, структура металла рельса, загрязненность поверхности рельса, качество акустического контакта и т.д. Поэтому амплитуда эхо-сигналов устанавжвается по эталонным образцам изменением чувствительности приемных усижтелей перед контрольной поездкой.
Основным признаком. позволяющим выделить эхо-сигнал на фоне помех и произвести классификацию дефектов на фоне эхо-сигналов от конструктивных элементов пути (болтовые стыки, отверстия и др.), является изменение временной задержки эхо-сигнала относительно зондирующего импульса в последовательных циклах излучения-приема ультразвуковых колебаний (УЗК).
В прототипе значение временной задержки фиксируется двоичным восьмиразрядным кодом. соответствующим появлению максимума огибающей эзсо-сигнала. Как отмечалось выше, положение максимума ргибающей в последовательных циклах зондирования зависит от множества случайных факторов, и при длительности огибающей эхо-сигнала до 10 мкс разность задержек в последовательных циклах излучения-приема может - 3 - 4
оказаться измеренной с недопустимо большой погрешностью. Кроме того, весь тракт предпроцессорной обработки, суть которого в конечном счете заключается в формировании и передачи массива данных для последующей обработки на компьютере, является слишком сложным.
Предлагаемое устройство является более простым по сравнению с аналогами и прототипом и позволяет повысить точность определения временной задержки эхо-сигнала относительно зондирующего. Эти задачи упрощение устройства и повышение точности - обеспечиваются его схемой. Общими с прототипом являются генераторно- приемно-усилительный блок, синхронизатор, датчик отметок пути с блоком определения путейской координаты и скорости, а также интерфейсный блок, обеспечивающий передачу накопленных за время одного цикла излучения-приема данных и данных по текущим координате и скорости по каналу прямого доступа в компьютер, и сам компьютерный комплекс стандартного состава.
В отличие от прототипа для достижения поставленных задач в устройство введены блок пороговых элементов и укоротителей эхо-сигналов, выходы которых подключены к установочным входам введенных триггеров, блок памяти с произвольным доступом со счетчиком адреса и дизъюнктором и блок управления особого вида. Кроме того, для формирования данных с постоянным шагом по пути при постоянной частоте работы синхронизатора в устройство введен формирователь сигналов запуска. Для повышения гибкости устройства блок управления содержит последовательно соединенные генератор, конъюнктор, счетчик и запоминающее устройство (программируемое ПЗУ, или ЗУ с произвольным доступом), а также триггер, подключенный своим цыходом ко второму входу конъюнктора.
На фиг.2 представлена схема блока управления устройством.
На фиг. 3 представлена временная диаграмма входных и выходных сигналов блока управления , поясняющая как работу блока управления, так и всего предлагаемого устройства.
Предлагаемый многоканальный ультразвуковой дефектоскоп (фиг.1) состоит из генераторно-приемно-усилительного блока 1. который генерирует зондирующие сигналы в п излучателей, детектирует и ограничивает амплитуду принятых эхо-сигналов по п приемникам. Этот блок является стандартным для любого ультразвукового дефектоскопа. Его выходы подключены к блоку пороговых элементов и укоротителей сигналов 2. Любой из п каналов этого блока состоит из последовательно соединенных порогового элемента, например. триггера Шмитта. и укоротителя сигналов, выполненого. например, на основе D-триггера с обратной R-C связью иж на логических элементах типа инвертор плюс дизъюнктор.
Выходы блока 2 подключены к установочным входам соответствующих триггеров 3. выходы которых поданы на соответствующие входы данных блока памяти с произвольным доступом 4, к адресным входам которого подключены соответствующие выходы счетчика 5. Выходы блока 4 поданы на входы интерфейсного блока 6, выходы которого подключены к входам системной шины данных компьютера 7. Кроме того, для передачи значений текущей координаты и скорости по параллельному интерфейсу условно показано соединение выхода блока определения путейской координаты и скррости 8 с соответствующим входом блока 6 и выхода последнего с входом компьютера 7. Вход блока 8 подключен к выходу датчика пути 9. Выход синхронизатора 10 подключен к входу инициализации блока 1 и к входу формирователя сигналов запуска 11. к входу настройки которого подключен выход блока 8 для передачи кода скорости в - 5 блок 11. Выход формирователя 11 подан на пусковой вход блока управления 12. Формирователь сигналов запуска 11 представляет собой счетчик с модулем пересчета, зависящим от кода скорости движения вагона-дефектескопа.
Выход готовности (RDY) блока 12 через соответствующий вход блока 6 подан на вход запроса (DRQ) прямого доступа к памяти компьютера 7. Выход сброса (RST) блока 12 подан на синхро-входы триггеров 3 и на первый вход дизъюнктора 13. На входы данных триггеров 3 подан логический нуль.
На второй вход дизъюнктора 13 подан сищал считывания данных от канала прямого доступа к памяти (DACK & IOR) компьютера 7 через интерфейсный блок 6. Выход дизъюнктора подан на счетный вход счетчика
5. Выход блока управления 12 чтение/запись (R/W) подключен к соответствующему входу блока памяти 4.
Схема блока управления 12 показана на фиг. 2 и включает в себя генератор 14. выход которого подан на первый вход конъюнктора 15. на второй вход которого подан выход триггера 16. Выход конъюнктора 15 подключен к синхро-входу счетчика 17. Выходы счетчика 17 подключены к адресным входам запоминающего устройства 18. выход STOP которого подан на счетный вход триггера 16 и вход сброса счетчика 17. а остальные выходы являются выходами блока управления 12 и подключены в соответствии с описанным выше. На вход установки триггера 16 подан выход формирователя запускающих сигналов И.
В ы б .ор параметров основных блоков предлагаемого устройства
требует дополнительного обсуждения. При количестве информационных входных каналов равном п для работы устройства необходимо п триггеров 3 и п-разрядный блок памяти 4. Минимальная емкость блока памяти 4 определяется как ближайшее большее целое отношения Tw/At. где: Tw - рабочий участок цикла излучения приема, (мкс) (см. фиг. 3);
- 6 At - допустимая погрешность фиксации величины задержки эхо-сигнала относительно начала цикла (мкс).
Длительность рабочего участка цикла излучения-приема находится в пределах 120-140 мкс. а допустимая погрешность в пределах 1-4 мкс. Отсюда минимальная емкость блока памяти определяется в пределах 30...140 п-разрядных слое. в соответствии с чем определяется разрядность счетчика адреса 5. При этом с заданной точностью запоминается в блоке 4 временное положение в цикле зондирования до 30...140 эхо-сигналов по каждому каналу.
Генератор 14 должен вырабатывать импуфсы с периодом не более At/2 мкс, а емкость запоминающего устройства (ЗУ) 18 должна быть больше ближайшего целого отношения 2(Tli+Tw)/At (см. фиг. 3).
Разрядность ЗУ 18 определяется необходимым числом управляющих сигналов, в схеме предлагаемого устройства их показано четыре. Отметим, что предложенное построение блока управления на основе ЗУ обеспечивает гибкость всего предлагаемого устройства с учетом возможности программирования и перепрограммирования ЗУ 18 в соответствии с требуемой временной диаграммой и требуемым количеством управляющих сигналов.
По поводу формирователя сигналов запуска И. Джтельность цикла зондирования, определяемая синхронизатором 10, обычно находится в пределах 250... 400 мкс. что при скорости перемещения предлагаемого устройства 60 км/ч соответствует периоду зондирования по пути примерно 4. ..6 мм. При .снижении скорости этот период по пути пропорционально уменьшается, гчуо приводит к излишней дискретности зондирования. увеличению памяти компьютера 7 для хранения результатов контроля и некоторым сложностям в обработке этих результатов. Формирователь И
- 7 -
сглаживает неравномерность длительности периода циклов излучения-приема по пути, упрощая обработку эхо-сигналов и сокращая необходимый объем памяти в компьютере 7.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. По сигналу синхронизатора 10 генераторно-приемно-усилительный блок генерирует зондирующие сигналы, принимает и усижвает эхо-сигналы. Этот же сигнал синхронизатора инициирует работу формирователя сигналов запуска 11. В последнем в зависимости от текущей скорости контроля вырабатывается или не вырабатывается сигнал запуска на вход S блока управления 12. Эхо-сигналы с выхода блощ 1 поступают на вход блока ограничителей и укоротителей сигналов 2. В этом блоке отсекаются эхо-сигналы, не преодолевшие заданный порог амплитуды огибающей, а эхо-сигналы достаточной амплитуды укорачиваются до длительности 100...200 наносекунд с характерной длительности до 10 мкс. Как следует из совместного рассмотрения фиг.1 и фиг.3., такая операция необходима для повышения точности определения времени задержки эхо-сигнала относительно начала цикла и. кроме того, существенно снижает вероятность попадания одного эхо-сигнала в два соседних промежутка времени между сигналами RST и R/W (см.фиг. 3). Последнее обстоятельство тем более важно, что наличие двух эхо-сигналов в одном цикле излучения-приема УЗК является одним из характерных признаков дефекта в болтовых отверстиях рельса. Блок управления 12 на своем выходе R/W вырабатывает в начале цикла единичный сигнал
длительностью Тй, который воздействует на вход блока памяти 4,
препятствуя ;за-писи эхо-сигналов вне рабочего участка цикла излученияцриема УЗК (фиг.3). В конце участка Th сигналом с выхода RST блока 12 производится сброс триггеров 3. Эхо-сигналы с выхода блока 2 устанавливают триггеры 3 в единичное состояние, состояние триггеров
- 8 фиксируется в блоке памяти 4 положительным фронтом сигаалов на входе R/W. Сигналы на синхро-входах триггеров 3 сбрасывают триггера, одновременно инкрементируя счетчик адреса 5 с дискретностью, заданной содержимым ЗУ 18 и частотой генератора 14 (фиг.2). Отметим, что во время переключения счетчика адреса 5 единичными  сигналами по входу R/W блока 4 запрещается запись в блок памяти 4.
Процесс накопления данных в блоке памяти 4 за один цикл излучения-приема завершается по истечении рабочего периода Tw. При этом вырабатывается на соответствующих выходах ЗУ 18 сигнал STOP, останавливающий работу счетчика 17. и сигнал RDY, инициирующий через интерфейсный блок 6 работу канала прямого доступа к памяти компьютера 7.
Блок памяти 4 при этом находится в режиме чтения (сигнал на входе R/W равен логической единице). Компьютер 7 через интерфейс 6 инициирует считывание накопленной в блоке памяти 4 информации по каналу прямого доступа, переключая адресный счетчик 5 через дизъюнктор 13 в темпе, определяемом работой канала прямого доступа к памяти. Заметим, что чтение содержимого блока памяти 4 возможно до окончания текущего цикла излучения-приема и в течении нерабочего периода Th следующего цикла.
Предположим, к примеру, что число каналов контроля равно 16, длительность цикла излучения-приема Тс равна 250 мкс (см.фиг.3). джтельность рабочего периода Tw равна 120 мкс, длительность  мкс и джтельность .положительного сигнала RST равна 0,5 мкс. Тогда в масштабе фиггЗ; время задержки эхо-сигналов относительно начала цикла фиксируется с точностью на хуже 1,5 мкс, количество эхо-сигналов, время задержек которых может быть зафиксировано в одном цикле зондирования, до 80. Для считывания информации, накопленной за цикл
- 9 излучения-приема в блоке памяти 4. через канал прямого доступа имеется 130 МКС. При этом в памяти компьютера 7 информация будет представлена в виде, аналогичном приведенному в таблице.
Столбцы таблицы соответствуют информационным каналом, а строки номерам стробов ti. tg и т.д. (см.фиг.3).
В этом примере по каналу О зафиксированы эхо-сигналы с задержкой относительно начала цикла: 130,0...131,5 мкс; 145.5... 147,0 мкс в i-том цикле и (31,5...37,5)мкс в 1+1-м цикле; по каналу 3 (36,0.,.37,5)мкс в 1-том цикле; в канале 4 эхо-сигналы отсутствуют и т.д. . - 10 0123456
- и Таблица12 13 14 15