Ультразвуковое сканирующее устройство (варианты)

Полезная модель относится к устройствам для неразрушающего контроля материалов и изделий с помощью ультразвуковых эхо-импульсов путём измерения толщины стенок и протяжённости исследуемых объектов, обнаружения дефектов материала объектов, в частности, коррозионных и трещиноподобных дефектов, а также обнаружения дефектов геометрии (профиля, толщины стенки) контролируемых изделий. Устройство может применяться для контроля толщины листового материала, стенок труб и трубопроводов. Предпочтительно использование заявленных устройств для контроля длинномерных объектов, когда необходимо транспортирование сканирующей системы на большие расстояния,например,приобследованиимагистральных
нефтегазопродуктопроводов.
Из уровня техники известно устройство для ультразвукового контроля материалов (патент РФ RU2075074 от 10.03.97, МПК: G01 N29/04), содержащее последовательно соединённые генератор модулирующего напряжения, модулятор радиосигнала, излучающий ультразвуковой преобразователь, а также последовательно соединённые приёмный ультразвуковой преобразователь, аналоговый перемножитель, входной усилитель, радиочастотный фильтр и индикатор. Один из выходов генератора модулирующего напряжения подключен через элемент задержки к одному из входов аналогового перемножителя и к одному из входов входного усилителя.
Достоинством устройства является то, что вход усилителя электрически развязан от высоковольтного выхода генератора (несколько сотен вольт) и модулятора. Однако использование пары электроакустических преобразователей для излучения и приёма ультразвуковых импульсов приводит к тому, что преобразователи занимают больше места, чем приёмоизлучающие преобразователи, и в условиях ограниченности пространства, в котором может размещаться сканирующее устройство, например, при внутритрубном сканировании, использование пар преобразователей дополнительно ограничивает количество преобразователей, которые могут быть размещены.
Известно устройство для ультразвукового контроля материалов (заявка Великобритании GB2090413 от 07.07.82, МПК: G01 N29/04; патент США US4055990 от 01.11.77, МПК: G01 N29/00; заявка Великобритании GB2105465 от 23.03.83, МПК: G01 N29/04), содержащее последовательно соединённые тактовый генератор, генератор зондирующих импульсов, ультразвуковой приёмоизлучающий преобразователь, приёмоусилительный модуль, формирователь. При этом выход генератора подключен как к ультразвуковому преобразователю, так и к входу приёмоусилительного тракта.
Известно также устройство для ультразвукового неразрушающего контроля труб (патент США US5062300 от 05.11.91, МПК: G01 N29/06), содержащее синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, мультиплексор, приёмоизлучающие ультразвуковые преобразователи, приёмоусилительный тракт. При этом выход генератора подключен к входу приёмоусилительного тракта, а также через мультиплексор подключен к ультразвуковым преобразователям. Управляющий выход генератора зондирующих импульсов подключен к управляющему входу мультиплексора. Выходы синхронизатора подключены к управляющим входам мультиплексора и генератора зондирующих импульсов. Указанные устройства с приёмоизлучающими преобразователями имеют преимущество перед устройством с парами излучающих и принимающих ультразвуковых преобразователей, поскольку позволяют разместить большее число преобразователей в заданном объёме. Однако важным недостатком таких устройств является то, что вход усилителя гальванически связан с высоковольтным выходом генератора зондирующих импульсов, что требует предъявления жёстких требований к усилителю по широкому рабочему диапазону по напряжению, поскольку отраженные ультразвуковые сигналы, принятые ультразвуковыми преобразователями, формируют на входе усилителя электрические сигналы напряжением менее 1В, а на выходе генератора возбуждающий импульс характеризуется напряжением несколько сотен вольт. Известен ультразвуковой многоканальный дефектоскоп (а.с.СССР SU1370551 от 30.01.88, МПК: G01 N29/04), содержащий распределитель импульсов, подключенные к выходам последнего управляющими входами N транзисторных ключей, число которых равно числу каналов контроля, N электроакустических преобразователей и N импульсных трансформаторов. Распределитель импульсов выполнен из последовательно соединённых тактового генератора, выход которого предназначен для подключения к входу внешней синхронизации дефектоскопа, двоичного счётчика, ёмкость которого устанавливается равной числу каналов контроля, и дешифратора, выходы которого служат выходами распределителя импульсов. В каждом канале транзисторный ключ соединён параллельно с первичной обмоткой импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена последовательно с v электроакустическим преобразователем. Свободные выводы вторичных обмоток импульсных трансформаторов ка едого канала объединены и предназначены для подключения к генераторно-приёмному тракту дефектоскопа. При этом возбуждение электроакустических преобразователей осуществляется путём периодического изменения сопротивления первичной обмотки трансформатора. Существенным недостатком такого устройства является то, что к вторичной обмотке трансформатора и, соответственно, к электроакустическому преобразователю постоянно подключено высокое напряжение (несколько сотен вольт), и тот же вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к приёмному тракту, что также ограничивает диапазон усилителей, которые могут быть использованы в приёмоусилительном тракте, из-за требования широкого рабочего диапазона по напряжению для усилителя. Известно ультразвуковое устройство для определения дефектов и толщины стенки магистральных газопроводов (патент США US5587534 от 24.12.96, МПК: G01 N29/10, аналог: WO96/13720), содержащее последовательно соединённые генератор зондирующих импульсов (до 400В), магнитный диплексер и пьезокерамический ультразвуковой приёмопередающий преобразователь, а также усилитель (с динамическим диапазоном до 64дБ), подключенный к обмотке магнитного диплексора. Достоинством указанных устройств является использование приёмоизлучающих преобразователей и отсутствие гальванической связи входа усилителя с высоковольтным выходом генератора зондирующих импульсов благодаря магнитному диплексору, обеспечивающему связь входа усилителя с выводом ультразвукового преобразователя и ограничивающему связь выхода генератора с входом усилителя благодаря магнитному насыщению сердечника
электромагнитного преобразователя, входящего в состав диплексора. Однако наличие ограниченной магнитной связи через диплексор входа усилителя с выходом генератора также ограничивает диапазон усилителей, которые могут быть использованы в устройстве.
Известно ультразвуковое устройство для автоматического контроля качества металла трубопроводов (патент РФ RU2042946 от 27.08.95, МП К: G01 N29/04), содержащее последовательно соединённые синхронизатор, генератор возбуждающих импульсов, коммутатор, пьезоэлектрические приёмоизлучающие преобразователи, многоканальный приёмоусилительный блок, блок первичной обработки информации, блоки определения местонахождения контроля, накопления информации и энергообеспечения. При этом пьезоэлектрические преобразователи подключены параллельно между собой через коммутатор к генератору возбуждающих импульсов и каждый из пьезоэлектрических преобразователей подключен к соответствующему каналу приёмно-усилительного блока.
Известно также устройство для ультразвукового контроля трубопроводов (патент РФ RU2018817 от 30.08.94, МПК: G01 N29/10), содержащее последовательно соединённые синхронизатор, генератор возбуждающих импульсов,коммутатор,пьезоэлектрическиеприёмоизлучающие
преобразователи, многоканальные приёмоусилительные тракты с регуляторами усиления и блоками автоматической регулировки. При этом каждый канал содержит блок из нескольких пьезоэлектрических преобразователей, входы которых подключены к соответствующим выходам коммутатора, и усилитель с регулятором усиления, включённый между выводами пьезоэлектрических преобразователей и входом блока обработки информации.
Достоинством указанных устройств является использование приёмоизлучающих преобразователей. Однако гальваническая связь низковольтных входов усилителей с высоковольтными выходами генератора возбуждающих импульсов при замыкании коммутаторов негативно сказывается на характеристиках усилителя.
Общим прототипом заявленных вариантов устройств является известный эхо-импульсный ультразвуковой дефектоскоп (Й.Крауткремер, Г.Крауткремер Ультразвуковой контроль материалов. Справочник, Москва, 1991г.- стр.205-210), содержащий последовательно соединённые источник напряжения (высокогосотни вольт), генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом генератор возбуждающих импульсов содержит конденсатор, электронно управляемый ключ (в виде биполярного транзистора), имеющий два токопроводящих вывода (эмиттер и коллектор) и управляющий вход (базу) и способный проводить электрический ток от одного токопроводящего вывода к другому токопроводящему выводу (от коллектора к эмиттеру), управляющий вход ключа (база) подключен к одному из выходов схемы управления, генератор содержит также токопроводящий элемент (резистор), первый токопроводящий вывод кпюча подключен к первому выводу конденсатора и через указанный токопроводящий элемент подключен к выходу источника напряжения, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя, второй токопроводящий вывод ключа подключен к второму выводу ультразвукового преобразователя, устройство включает в себя также
второй токопроводящий элемент (резистор), подключенный параллельно ультразвуковому преобразователю.
Основным недостатком устройства по прототипу также является то, что высоковольтный выход генератора возбуждающих импульсов подключен как к одному из выводов ультразвукового преобразователя, так и к входу приёмоусилительного тракта, что препятствует получению высокого соотношения сигнал/шум для надёжной идентификации электрических импульсов, соответствующих принятым ультразвуковым импульсам.
Заявленное ультразвуковое сканирующее устройство, как и устройство по прототипу, содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом генератор возбуждающих импульсов содержит конденсатор, электронно управляемый ключ, имеющий два токопроводящих вывода и управляющий вход и способный проводить электрический ток от одного токопроводящего вывода к другому токопроводящему выводу, а также токопроводящий элемент, управляющий вход ключа подключен к одному из выходов схемы управления, первый токопроводящий вывод ключа подключен к первому выводу конденсатора и через указанный токопроводящий элемент подключен к выходу источника напряжения, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя.
В отличии от устройства по прототипу в заявленном устройстве генератор возбуждающих импульсов включает в себя также токопроводящий элемент, подключенный между указанным вторым токопроводящим выводом ключа и
вторым выводом ультразвукового преобразователя, вход приёмоусилительного тракта подключен к указанному второму выводу ключа.
В предпочтительном исполнении указанный здесь токопроводящий элемент выполнен способным создавать перепад напряжения от 0,1В до ЗВ в режиме усиления сигналов с ультразвукового преобразователя. Активное сопротивление указанного здесь токопроводящего элемента составляет от 3 Ом до 300 Ом.
Указанный здесь токопроводящий элемент выполнен в виде индуктивной катушки с активным сопротивлением от 3 Ом до 300 Ом и индуктивностью от 10 до ЗООмкГн либо (в другом подварианте) в виде резистора или полупроводникового элемента, образующего р-п переход между указанным вторым токопроводящим выводом ключа и вторым выводом ультразвукового преобразователя.
Устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по второму варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих
импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом генератор возбуждающих импульсов содержит конденсатор, электронно управляемый ключ, имеющий два токопроводящих вывода и управляющий вход и способный проводить электрический ток от одного токопроводящего вывода к другому токопроводящему выводу, а также токопроводящий элемент, управляющий вход ключа подключен к одному из выходов схемы управления, первый токопроводящий вывод ключа подключен к первому выводу конденсатора и через указанный токопроводящий элемент подключен к выходу источника напряжения, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя,
В отличие от прототипа в устройстве по второму варианту генератор возбуждающих импульсов включает в себя также токопроводящий элемент, подключенный между указанным вторым токопроводящим выводом ключа и вторым выводом ультразвукового преобразователя, вход приёмоусилительного тракта подключен к указанному первому выводу конденсатора.
В развитие второго варианта заявленное устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор
возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по третьему варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом генератор возбуждающих импульсов содержит конденсатор, электронно управляемый ключ, имеющий два токопроводящих вывода и управляющий вход и способный проводить электрический ток от одного токопроводящего вывода к другому токопроводящему выводу, а также токопроводящий элемент, управляющий вход ключа подключен к одному из выходов схемы управления, первый токопроводящий вывод ключа подключен к первому выводу конденсатора и через указанный токопроводящий элемент подключен к выходу источника напряжения, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя,
отличающееся тем, что генератор возбуждающих импульсов включает в себя также токопроводящий элемент, подключенный между указанным вторым токопроводящим выводом ключа и вторым выводом ультразвукового преобразователя, вход приёмоусилительного тракта подключен к указанному первому выводу конденсатора.
В развитие третьего варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные
средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по четвёртому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом генератор возбуждающих импульсов содержит конденсатор, электронно управляемый ключ, имеющий два токопроводящих вывода и управляющий вход и способный проводить электрический ток от одного токопроводящего вывода к другому токопроводящему выводу, управляющий вход ключа подключен к одному из выходов схемы управления, один из токопроводящих выводов ключа подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя, отличающееся тем, что
второй токопроводящий вывод ключа подключен к выходу источника напряжения, генератор возбуждающих импульсов включает в себя также,
по меньшей мере, два последовательно соединённых токопроводящих элемента, подключенных между указанным первым токопроводящим выводом ключа и вторым выводом ультразвукового преобразователя, вход
приёмоусилительного тракта подключен к точке соединения между собой указанных токопроводящих элементов. В развитие четвёртого варианта указанный здесь токопроводящий элемент, подключенный к второму выводу ультразвукового преобразователя, выполнен способным создавать перепад напряжения от 0,1В до ЗВ в режиме усиления сигналов с ультразвукового преобразователя, активное сопротивление указанного токопроводящего элемента, подключенного к второму выводу ультразвукового преобразователя, составляет от 3 Ом до 300 Ом. Указанный здесь токопроводящий элемент, подключенный к второму выводу ультразвукового преобразователя, выполнен в виде индуктивной катушки с активным сопротивлением от 3 Ом до 300 Ом и индуктивностью от 10 до ЗООмкГн, либо токопроводящий элемент, подключенный к второму выводу ультразвукового преобразователя, выполнен в виде резистора или полупроводникового элемента, образующего р-п переход между указанным вторым токопроводящим выводом ключа и вторым выводом ультразвукового преобразователя. В дальнейшее развитие четвёртого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных, устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор
возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по пятому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом генератор возбуждающих импульсов содержит конденсатор, электронно управляемый ключ, имеющий два токопроводящих вывода и управляющий вход и способный проводить электрический ток от одного токопроводящего вывода к другому токопроводящему выводу, управляющий вход ключа подключен к одному из выходов схемы управления, один из токопроводящих выводов ключа подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя, отличающееся тем, что
второй токопроводящий вывод ключа подключен к выходу источника напряжения, генератор возбуждающих импульсов включает в себя также,
по меньшей мере, два последовательно соединённых токопроводящих элемента, подключенных между указанным первым токопроводящим выводом ключа и вторым выводом ультразвукового преобразователя, вход приёмоусилительного тракта подключен к указанному первому выводу конденсатора.
В развитие пятого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок
МС у1С9Ц
обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по шестому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, отличающееся тем, что
включает в себя множество указанных генераторов возбуждающих импульсов с подключенными к ним ультразвуковыми преобразователями, указанные генераторы или ультразвуковых преобразователи подключены к одному приёмоусилительному тракту, точки подключения к входу приёмоусилительного тракта объединены между собой, активное сопротивление линий объединения выходов усилителей между объединёнными выводами генераторов или ультразвуковых преобразователей не превышает 5 Ом.
В развитие шестого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство вкпючает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные
средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по седьмому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, отличающееся тем, что
приёмоусилительный тракт вкпючает в себя множество усилителей, сигнальные входы усилителей представляют собой входы приёмоусилительного тракта, к сигнальному входу каждого усилителя подключены один или несколько указанных генераторов возбуждающих импульсов или ультразвуковых преобразователей, выходы усилителей объединены между собой и подключены к сигнальному входу указанного блока обработки измеренных данных, активное сопротивление линий объединения выходов усилителей между выходами любой пары усилителей, выходы которых объединены, не превышает 5 Ом.
В развитие седьмого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, усилители выполнены в виде усилителей с регулируемым выходом и имеют управляющие входы, подключенные к выходам схемы управления, устройство вкпючает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам
09 Ш
возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по восьмому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, отличающееся тем, что
включает в себя множество указанных генераторов возбуждающих импульсов с подключенными к ним ультразвуковыми преобразователями, пирёмоусилительный тракт включает в себя множество усилителей, к сигнальному входу каждого из которых подключены несколько генераторов возбуждающих импульсов и/или ультразвуковых преобразователей, а также общий усилитель, сигнальный вход которого подкпючен к выходам указанных усилителей.
В развитие восьмого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, общий усилитель выполнен с электронно управляемым коэффициентом усиления и имеет управляющий вход, подкпюченный к одному из выходов схемы управления, устройство включает в
себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по девятому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом выход генератора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя, второй вывод ультразвукового преобразователя подключен к общей точке электрической схемы, отличающееся тем, что устройство включает в себя токопроводящий элемент, подключенный одним из выводов к второму выводу ультразвукового преобразователя, вход приёмоусилительного тракта подключен к указанному второму выводу ультразвукового преобразователя через указанный токопроводящий элемент.
В развитие девятого варианта указанный здесь токопроводящий элемент выполнен способным создавать перепад напряжения от 0,1В до ЗВ в режиме усиления сигналов с ультразвукового преобразователя, активное сопротивление указанного токопроводящего элемента составляет от 3 Ом до 300 Ом.
3109 Ч
Указанный здесь токопроводящий элемент выполнен в виде индуктивной катушки с активным сопротивлением от 3 Ом до 300 Ом и индуктивностью от 10 до ЗООмкГн, либо (в другом подварианте) в виде резистора или полупроводникового элемента, образующего р-п переход между указанным вторым токопроводящим выводом ключа и вторым выводом ультразвукового преобразователя.
Устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по десятому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом выход генератора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя, второй вывод ультразвукового преобразователя подключен к общей точке электрической схемы, отличающееся тем, что устройство включает в себя токопроводящий элемент, выход источника
С)3100W
напряжения подключен к входу генератора через указанный токопроводящий элемент, активное сопротивление которого составляет не менее 10 кОм.
В развитие десятого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по одиннадцатому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом генератор возбуждающих импульсов содержит конденсатор, электронно управляемый ключ, имеющий два токопроводящих вывода и управляющий вход и способный проводить электрический ток от одного токопроводящего вывода к другому токопроводящему выводу, а также токопроводящий элемент, управляющий вход ключа подключен к одному из выходов схемы управления, первый токопроводящий вывод ключа подключен к первому выводу конденсатора и через указанный токолроводящий
элемент подключен к выходу источника напряжения, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя, второй токопроводящий вывод ключа подключен к второму выводу ультразвукового преобразователя, отличающееся тем, что устройство включает в себя множество указанных генераторов возбуждающих импульсов с подключенными к ним ультразвуковыми преобразователями, приёмоусилительный тракт включает в себя, по меньшей мере, один усилитель, сигнальный вход которого является сигнальным входом приёмоусилительного тракта, указанные генераторы или ультразвуковые преобразователи подключены к сигнальному входу указанного усилителя, указанный электронно управляемый ключ выполнен на элементе тиристорного типа или биполярного транзисторного типа или полевого транзисторного типа. В развитие одиннадцатого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных, устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по двенадцатому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, приёмоусилительный тракт включает в себя усилитель, сигнальный вход которого является сигнальным входом приёмоусилительного тракта,
отличающееся тем, что усилитель выполнен с электронно регулируемым выходом и имеет управляющий вход, подключенный к одному из выходов схемы управления, усилитель выполнен способным открывать и закрывать указанный выход в зависимости от сигнала или потенциала на управляющем входе усилителя.
В развитие двенадцатого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбу кдающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по тринадцатому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, приёмоусилительный тракт включает в себя усилитель, сигнальный вход которого является сигнальным входом приёмоусилительного тракта, отличающееся тем, что
включает в себя не менее четырёх указанных генераторов возбуждающих импульсов с подключенными к ним ультразвуковыми преобразователями, при этом указанные генераторы или указанные ультразвуковые преобразователи подключены к одному усилителю.
В развитие тринадцатого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подкпюченные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по четырнадцатому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, приёмоусилительный тракт включает в себя усилитель, сигнальный вход которого является сигнальным входом приёмоусилительного тракта, отличающееся тем, что
включает в себя множество указанных генераторов возбуждающих импульсов с подключенными к ним ультразвуковыми преобразователями, а также множество указанных усилителей, при этом ультразвуковые преобразователи непосредственно или через указанные генераторы подключены к указанным усилителям, приёмоусилительный тракг включает в себя также общий усилитель, сигнальный вход которого подключен к выходам не менее, чем трёх указанных усилителей.
В развитие четырнадцатого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по пятнадцатому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, отличающееся тем, что
включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, при этом к одному каналу приёмоусилительного тракта подключены не менее двенадцати ультразвуковых преобразователей.
В развитие пятнадцатого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Ультразвуковое сканирующее устройство по шестнадцатому варианту содержит последовательно соединённые источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приёмоизлучающий ультразвуковой преобразователь.
a также схему управления и последовательно соединённые приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, отличающееся тем, что
указанный генератор и приёмоусилительный тракт конструктивно объединены в одном блоке и герметизированы от внешней среды, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, при этом к одному блоку подключены не менее тридцати ультразвуковых преобразователей.
В развитие шестнадцатого варианта устройство выполнено в виде внутритрубного дефектоскопа, устройство включает в себя множество ультразвуковых преобразователей, подключенных к одному или нескольким генераторам возбуждающих импульсов, а также к приёмоусилительному тракту, блок обработки измеренных данных включает в себя последовательно подключенные средства аналого-цифрового преобразования измеренных данных и средства записи цифровых данных,
устройство включает в себя также герметичную оболочку и носитель указанных ультразвуковых преобразователей, которые установлены на носителе по поверхности с осевой симметрией, при этом источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, схема управления, приёмоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных установлены в указанной герметичной оболочке.
Основной технический результат, получаемый в результате реализации группы заявленных полезных моделей, общий для всех вариантов,- повышение эффективности обнаружения дефектов материала и/или дефектов геометрии сканируемых объектов благодаря повышению эффективности идентификации электрических сигналов, соответствующих принятым отражённым ультразвуковым импульсам при ограниченном пространстве для размещения аппаратуры.
большой плотности размещения ультразвуковых преобразователей и ограниченном ресурсе энергопотребления.
Механизм достижения указанного технического результата состоит в том, что заявленное подключение ультразвуковых преобразователей, усилителей приёмоусилительного тракта и генераторов возбуждающих импульсов позволяет многократно снизить влияние возбуждающего импульса высокого напряжения (несколько сотен вольт) от генератора возбуждающих импульсов на уровень напряжения на входе приёмоусилительного тракта, что позволяет снизить требования по диапазону входного напряжения, предъявляемые к входному или общему усилителю, и, тем самым, повьюить соотношение сигнал/шум при усилении низковольтных сигналов с ультразвукового преобразователя, соответствующих принятым ультразвуковым импульсам.
Реализация заявленного устройства в многоканальном исполнении позволяет напрямую подключать группу ультразвуковых преобразователей и связанных с ними генераторов возбуждающих импульсов к входу усилителя без каких-либо разделительных устройств, поскольку подключение входа усилителя к генератору как указано для заявленного устройства позволяет пренебречь взаимным влиянием генераторов, поскольку в этой схеме оно не влияет на работоспособность каждого генератора. Кроме того, это позволяет минимизировать количество электронных компонент и, соответственно, минимизировать энергопотребление и габаритные размеры дефектоскопа в условиях ограниченности ресурса электропитания и объёма для размещения оборудования, что особенно критично при внутритрубном обследовании магистральных трубопроводов.
Значения активных сопротивлений на указанных участках могут быть и больше указанных, однако в этом случае использование схемы с большими
значениями сопротивлений сопряжено с большими временами заряда-разряда конденсаторов, что ограничивает частоту генерирования (следования) ультразвуковых импульсов. С другой стороны, значения активного сопротивления между выходом источника высокого напряжения и входом питания генератора возбуждающих импульсов могут быть меньше, чем указано выше, однако при этом следует учитывать, что активное сопротивление в заданном диапазоне позволяет обеспечивать функции защиты от поражения электрическим током оператора дефектоскопа в результате повреждения кабеля, к которому подключен ультразвуковой преобразователь, а также функции взрывобезопасности в случае повреждения указанного кабеля во взрывоопасной зоне. Поэтому указанные значения для активных сопротивлений являются наиболее оптимальными и предпочтительными.
Заявленное сканирующее устройство для эхо-импульсного дефектоскопа представляет собой устройство для неразрушающего ультразвукового контроля материалов и изделий (ультразвукового сканирования материалов и изделий и обработки данных измерений, последующей идентификации данных) для обнаружения дефектов структуры материала, определения геометрии изделий (геометрических параметров изделий: профиля трубы, толщины стенки и других), в том числе определения дефектов геометрии изделий. В предпочтительном исполнении обоих вариантов заявленного устройства: управляющий вход указанного усилителя подключен к управляющему входу генератора, усилители выполнены с электронно управляемым порогом, сигнальные входы усилителя с регулируемым выходом являются сигнальными входами приёмно-усилительного тракта, электронно управляемый ключ выполнен на одном или нескольких р-п-р, п-р-п или полевых транзисторах или иных полупроводниковых элементах с р-п переходами, подключенный к ультразвуковому преобразователю вывод
указанного ранее конденсатора подключен к преобразователю через токопроводящие элементы. Подключенные к усилителю выходы генераторов (первые выводы конденсаторов) подключены к вторым выводам ультразвуковых преобразователей через токопроводящие элементы в виде нескольких резисторов, индуктивных элементов, транзисторов, диодов и/или других полупроводниковых элементов, в том числе с р-п переходами, например, включенными параллельно между собой с противоположным направлением электропроводимости, второй сигнальный вход (земляной) каждого усилителя с регулируемым выходом подключен к вторым выводам каждого ультразвукового преобразователя. Блок обработки измеренных данных представляет собой блок оцифровки измеренных данных, сжатия цифровых данных, записи данных в накопитель цифровых данных или дистанционной передачи данных. В процессе обработки измеренных данных оцифрованные параметры принятых импульсов (соответствующих зондирующим импульсам для каждого ультразвукового преобразователя) объединяют в кадры данных, указанные параметры включают в себя оцифрованные амплитудные значения импульсов и времени, прошедшего после запуска соответствующего зондирующего импульса, для каждого амплитудного значения.
Устройство также может быть выполнено в соответствии с признаками, характеризующими любую подгруппу из описанных выше вариантов исполнения заявленного устройства.
На фиг.1 изображён ультразвуковой дефектоскоп в исполнении, предназначенном для внутритрубного контроля трубопроводов;
на фиг.2, фиг.З изображена схема генератора возбуждающих электрических импульсов;
31оДО
на фиг.4 изображена схема подключения нескольких генераторов возбуждающих электрических импульсов к приёмоусилительному тракту;
на фиг.5 изображена схема подключения электронных модулей и элементов многоканального ультразвукового дефектоскопа;
на фиг.6 изображена схема, иллюстрирующая ход зондирующих ультразвуковых импульсов, испускаемых по нормали к внутренней стенке трубопровода;
на фиг.7 изображена схема, иллюстрирующая ход зондирующих ультразвуковых импульсов, испускаемых под углом к нормали внутренней стенки трубопровода;
на фиг.8 изображено графическое отображение измеренных данных о толщине стенки трубопровода для некоторого участка обследованного трубопровода, позволяющее идентифицировать сварные швы;
на фиг.9 изображено графическое отображение измеренных данных о толщине стенки трубопровода для некоторого участка обследованного трубопровода, позволяющее идентифицировать коррозионные потери металла.
В результате решения задачи уменьшения габаритов электронного оборудования дефектоскопов и уменьшения потребляемой мощности в условиях ограниченности ресурса электропитания разработана заявленная схема излучения и приёма ультразвуковых импульсов, позволяющая подключать сотни ультразвуковых датчиков (преобразователей) и получать, таким образом, высокое разрешение при сканировании за один проход поверхности объекта с периметром до нескольких метров.
На фиг.1 изображено заявленное устройство в виде дефектоскопа во внутритрубном исполнении для обследования трубопровода диаметром  с
толщиной стенки 4-ЗОмм. В представленном исполнении устройство включает в себя: корпус 1, образующий взрывонепроницаемую оболочку, в которой располагается источник питания и электронная аппаратура для измерений, обработки и хранения получаемых данных измерений на основе бортового компьютера, управляющего работой внутритрубного дефектоскопа в процессе его движения внутри трубопровода. В качестве источника питания устанавливаются аккумуляторные батареи или батареи гальванических элементов общей ёмкостью до 1000 А-ч. В хвостовой части дефектоскопа установлены ультразвуковые преобразователи 2, попеременно излучающие и принимающие ультразвуковые импульсы. На корпусе дефектоскопа установлены полиуретановые манжеты 3 и одометры 4.
На фиг.2 изображена схема подключения ультразвукового преобразователя к генератору возбуждающих импульсов. Один приёмоизлучающий канал содержит последовательно подкпюченные источник напряжения 21, электронно управляемый ключ 22, токопроводящий модуль 24, конденсатор 23, ультразвуковой преобразователь 2, токопроводящий модуль 27, электронно управляемый ключ 26, а также схему управления 28, токопроводящий модуль 25, приёмоусилительный тракт 29, блок обработки измеренных данных 30. Токопроводящий модуль 25 подключен параллельно ультразвуковому преобразователю 2. Управляющие входы ключа 22 и ключа 26 подключены к соответствующим выходам схемы управления 28. Последовательно соединённые ключ 26 и токопроводящий элемент 27 составляют цепь разряда конденсатора 23, которая с одной стороны подключена к выводу конденсатора 23, а с другой стороны подключена ко второму выводу приёмоизлучающего ультразвукового преобразователя 2 (второй вывод конденсатора 23 подкпючен к первому выводу преобразователя 2). Токопроводящий элемент 25 обеспечивает полный разряд
конденсатора 23. Точка подключения входа приёмоусилительного тракта 29 является точкой соединения между собой токопроводящего элемента 26 (в виде ключа) и элемента 27. Ключ 26 может быть выполнен как в виде биполярных транзисторов, так и в виде полевых транзисторов, в виде элементов интегральных микросхем соответствующего типа, а также в виде каких-либо коммутаторов (реле) подходящего типа, параметры которых могут быть выбраны специалистом исходя из параметров ультразвукового преобразователя (исходя, в первую очередь, из допустимого напряжения на выводах преобразователя, тока через преобразователь, допустимой периодичности подачи импульсов на ультразвуковой преобразователь). Токопроводящие элементы 24, 25, 27 могут быть как резисторами, так и индуктивными элементами, полупроводниковыми элементами, в том числе включающими р-п переходы, (в зависимости от параметров преобразователя и схемы подключения ультразвукового преобразователя к генератору возбуждающих импульсов, которая рекомендована производителем ультразвуковых преобразователей выбранного типа).
На фиг.З представлен пример реализации схемы, изображённой на фиг.2. Так, в схеме на фиг.З электронно управляемые ключи выполнены в виде р-п-р транзисторов, где эмиттер и коллектор являются токопроводящими выводами ключа, способными проводить электрический ток от эмиттера к коллектору, а база является управляющим входом ключа, подключенным к выходу схемы управления 28. Токопроводящий модуль 24 выполнен в виде резистора 32, токопроводящий модуль 25 представляет собой сборку соединённых параллельно между собой резистора 38, конденсатора 37 и индуктивности 36. Токопроводящий модуль 27 представляет собой сборку соединённых параллельно между собой резистора 34 и индуктивности 35. Эмиттер транзистора 22 подкпючен через резистор 31 к выходу источника напряжения 21, коллектор транзистора 22 подкпючен через
резистор 32 к первому выводу конденсатора 23, а через резисторы 32 и 33- к эмиттеру транзистора 26. Второй вывод конденсатора 23 подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя 2. Коллектор транзистора 26 лодключен через соединённые параллельно резистор 34 и индуктивный элемент 35 к общей точке- второму выводу ультразвукового преобразователя 2. Напряжение на выходе источника 21 может быть 300-500В. Активное сопротивление индуктивности 35 составляет не менее сопротивления резистора 34, активное сопротивление индуктивности 36 составляет не менее сопротивления резистора 38. Ёмкость конденсатора 23 составляет ЗОО-ЮОООпф, ёмкость конденсатора 37 составляет 10-100пф и может отличаться в зависимости от конструктивного исполнения ультразвукового преобразователя 2 и рекомендаций производителя ультразвукового преобразователя.
На фиг.4 лредставлен пример реализации подключения нескольких генераторов возбуждающих имлульсов с подключенными к ним ультразвуковыми преобразователями к одному приёмоусилительному тракту.
Первый генератор включает в себя транзисторы 22, 26, конденсаторы 23,
37,индуктивность 35, резисторы 31, 32, 33, 38, к этому генератору подключен ультразвуковой преобразователь 91. Эмиттер транзистора 22 подключен через резистор 31 к выходу источника налряжения 21, коллектор транзистора 22 подключен через резистор 32 к лервому выводу конденсатора 23, а через резисторы 32 и 33- к эмиттеру транзистора 26. Второй вывод конденсатора 23 подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя 91. Коллектор транзистора 26 лодключен через соединённые параллельно резистор 34 и индуктивный элемент 35 к общей точке- второму выводу ультразвукового преобразователя 91. Сборка соединённых параллельно между собой резистора
ультразвуковому преобразователю 91. База транзисторов 22, 26 является управляющим входом, подключенным к выходу схемы управления 28.
Второй генератор включает в себя транзисторы 41, 42, конденсаторы 43, 44, индуктивность 45, резисторы 46, 47, 48, 49, к этому генератору подключен ультразвуковой преобразователь 92. Эмиттер транзистора 41 подключен через резистор 36 к выходу источника напряжения 21, коллектор транзистора 42 подключен через резистор 47 к первому выводу конденсатора 43, а через резисторы 47 и 48- к эмиттеру транзистора 42. Второй вывод конденсатора 43 подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя 92. Коллектор транзистора 42 подключен через соединённые параллельно резистор 34 и индуктивный элемент 35 к общей точке- второму выводу ультразвукового преобразователя 92. Сборка соединённых параллельно между собой резистора 49, конденсатора 44 и индуктивности 45 подключена параллельно ультразвуковому преобразователю 92. База транзисторов 41, 42 является управляющим входом, подключенным к выходу схемы управления 28.
Третий генератор включает в себя транзисторы 51, 52, конденсаторы 53, 54, индуктивность 55, резисторы 56, 57, 58, 59, к этому генератору подключен ультразвуковой преобразователь 93. Эмиттер транзистора 51 подключен через резистор 56 к выходу источника напряжения 21, коллектор транзистора 52 подключен через резистор 57 к первому выводу конденсатора 53, а через резисторы 57 и 58- к эмиттеру транзистора 52. Второй вывод конденсатора 53 подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя 93. Коллектор транзистора 52 подключен через соединённые параллельно резистор 54 и индуктивный элемент 55 к общей точке- второму выводу ультразвукового преобразователя 93. Сборка соединённых параллельно между собой резистора 59, конденсатора 54 и индуктивности 55 подключена параллельно
ультразвуковому преобразователю 93. База транзисторов 51, 52 является управляющим входом, подключенным к выходу схемы управления 28.
Напряжение на выходе источника 21 может быть 300-500В. Активное сопротивление индуктивности 35 не менее сопротивления резистора 34, активное сопротивление индуктивностей 36, 45, 55 составляет не менее сопротивления резисторов 38, 49, 59 соответственно. ЁМКОСТЬ конденсаторов 23, 43, 53 составляет 300-1 ООООпф, ёмкость конденсаторов 37, 44, 54 составляет 10-100пф и может отличаться в зависимости от конструктивного исполнения ультразвуковых преобразователей 91, 92, 93.
Токопроводящие элементы- резистор 34 и индуктивность 35 являются элементами цепи разряда конденсатора, общими для нескольких (трёх) генераторов, первый вывод которых подключен к коллекторам транзисторов 26, 42, 52 и к сигнальному входу приёмоусилительного тракта 29, а вторые выводы подключены к общей точке (земле), к которой подключены вторые выводы всех ультразвуковых преобразователей 91-93, источника напряжения 21, приёмоусилительного тракта 29, схемы обработки измеренных данных 30.
Аналогичным образом к одному приёмоусилительному тракту могут быть подключены 4, 8, 16 и более генераторов возбуждающих электрических импульсов с подключенными к каждому из них ультразвуковыми преобразователями.
На фиг.5 показан пример подключения электронных модулей ультразвукового дефектоскопа в многоканальном исполнении. В этом варианте имеются три канала усилителей 291, 292, 293 с регулируемым выходом, к каждому из которых подключены (в соответствии со схемами фиг.2, фиг.З, фиг.4) по три генератора возбуждающих импульсов с подключенными к каждому из них ультразвуковыми преобразователями: генераторы 61-63 с преобразователями
93 подключены к усилителю 291, генераторы 64-66 с преобразователями 94-96 подключены к усилителю 292, генераторы 67-69 с преобразователями 97-99 подключены к усилителю 293. Выходы всех усилителей с регулируемым порогом непосредственно объединены (без каких-либо разделительных резисторов) и подключены к сигнальному входу усилителя 75 с регулируемым коэффициентом усиления, выход которого подключен к сигнальному входу логарифмического усилителя 76. Усилители с регулируемым выходом 291, 292, 293, а также усилитель 75 и логарифмический усилитель 76 образуют приёмоусилительный тракт 29 (фиг.2, фиг.З, фиг.4). Схема 30 обработки измеренных данных (фиг.2, фиг.З, фиг.4) содержит последовательно соединённые сумматор 77 (фиг.5), аналого-цифровой преобразователь 78 (АЦП), модуль преобразования и записи цифровых данных 79 на основе бортового компьютера, схему 86 анализа данных от одометров 83, 84, 85, позволяющую синхронизовать запуск ультразвуковых преобразователей со скоростью движения дефектоскопа. Схема управления 28 (фиг.2, фиг.З, фиг.4) содержит вычислительный модуль 80 (фиг.5) на основе бортового компьютера, цифро-аналоговые преобразователи 81 и 82. Входы ЦАП 81 и 82 подключены к выходам вычислительного модуля 80. Выход ЦАП 81 подключен к управляющему входу общего усилителя 290 с регулируемым коэффициентом усиления, выход ЦАП 82 подключен ко второму входу сумматора 77. Выходы схемы 86 анализа одометрических данных и модуля 79 преобразования и записи цифровых данных подключены к входам вычислительного модуля 80. Управляющие выходы вычислительного модуля подключены к управляющим входам модуля 79 преобразования и записи цифровых данных, генераторов 61-69 возбуждающих электрических импульсов, усилителей 291, 292, 293 с регулируемым выходом.
IW
|Ш)2. Ш
Как указывалось ранее, к каждому усилителю с регулируемым выходом могут быть подключены восемь и более генераторов возбуждающих импульсов с ультразвуковыми преобразователями. Кроме того, аналогичным образом к общему усилителю 290 могут быть подключены четыре, восемь и более усилителей с регулируемым выходом, к каждому из которых подключено по несколько генераторов возбуждающих импульсов с ультразвуковыми преобразователями. Кроме того, ультразвуковой дефектоскоп может содержать несколько описанных приёмоусилительных трактов, подключенных к одной или нескольким схемам обработки измеренных данных. Так, во внутритрубном ультразвуковом дефектоскопе, приведённом на фиг.1, используется двенадцать приёмоусилительных трактов, к каждому из которых подключено более тридцати приёмоизлучающих ультразвуковых преобразователей.
Заявленное устройство работает следующим образом. Дефектоскоп помещают в трубопровод и вкпючают перекачку продукта (нефти, нефтепродукта) по трубопроводу. Полиуретановые манжеты 3 обеспечивают центровку дефектоскопа внутри трубопровода и его продвижение потоком перекачиваемой по трубопроводу среды. При движении дефектоскопа колёса установленных на корпусе дефектоскопа одометров 4 прижимаются к внутренней стенке трубопровода, одометры 4 генерируют импульсы, число которых пропорционально измеренной одометром дистанции, импульсы от одометров проходят обработку в схеме 86, обеспечивающей согласование времени запуска ультразвуковых преобразователей с показаниями одометров. Информация о длине пройденного пути, измеренная одометрами, записывается в накопитель бортового компьютера и позволяет после выполнения диагностического пропуска и обработки накопленных данных определить положение дефектов на
ic«3  трубопроводе и, соответственно, место последующей экскавации и ремонта трубопровода. В процессе движения внутритрубного ультразвукового дефектоскопа внутри трубопровода ультразвуковые преобразователи периодически испускают ультразвуковые импульсы. При решении задачи ультразвуковой толщинометрии ультразвуковые импульсы 124 фиг.6 испускают перпендикулярно внутренней поверхности листового материала или стенки трубы. Указанные импульсы частично отражаются от внутренней стенки 121, от внешней стенки 122 или от области дефекта 123, например, расслоения металла в стенке. Частично ультразвуковые импульсы 129 проходят через границу сред, образуемую внешней стенкой. После испускания ультразвуковых импульсов ультразвуковые преобразователи принимают импульсы 125, отражённые от внутренней стенки, импульсы 127, 128, отражённые от внешней стенки, либо импульсы 126, отражённые от указанной области дефекта стенки. С целью обнаружения трещин в листовом материале или стенке ультразвуковые импульсы 132 фиг.7 испускают под углом около 15°-21° (предпочтительно 17°-19°) к нормали внутренней поверхности стенки. Указанные импульсы частично отражаются от внутренней стенки 121, от внешней стенки 122 или от трещиноподобного дефекта 131. Частично ультразвуковые импульсы 133 проходят через границы сред или отражаются 134, ослабляя, тем самым, полезный отражённый импульс 135. После испускания ультразвуковых импульсов ультразвуковые преобразователи принимают импульсы 135, отражённые от трещиноподобного дефекта 131. |Ж)5103 0Г
ощ, Последовательный запуск и опрос ультразвуковых преобразователей 91-99, возбуждаемых генераторами 61-69, реализуется с помощью вычислительного модуля 80, который последовательно подаёт управляющие импульсы на управляющие входы генераторов 61-69 и на управляющие входы усилителей 291, 292, 293. По получении управляющего импульса на управляющем входе генератора последний формирует электрический импульс напряжением 100-ЗООВ и подаёт его на ультразвуковой приёмоизлучающий преобразователь, который излучает ультразвуковой импульс в направлении контролируемого объекта, в частности, в направлении стенки трубопровода. Через некоторое время, необходимое для прохождения ультразвукового импульса от преобразователя до точки отражения и обратно, отражённые ультразвуковые импульсы принимаются тем же ультразвуковым преобразователем и формируют в точке подключения сигнального входа усилителя к генератору электрический импульс напряжением менее 1-100мВ. Вычислительный модуль 80 отсчитывает время, прошедшее после излучения ультразвукового импульса (подачи соответствующего управляющего импульса на соответствующий генератор), и через заданный отрезок времени (запрограммированный перед пропуском дефектоскопа в трубопроводе или определяемый в процессе пропуска дефектоскопа по показаниям одометров 83, 84, 85 в зависимости от скорости ультразвукового дефектоскопа в трубопроводе) подаёт управляющий импульс на управляющий вход усилителя с регулируемым порогом, подключенный к указанному генератору, и открывает выход соответствующего усилителя на заданный промежуток времени (длительность которого определяется тем, какой путь проходит ультразвуковой импульс в среде от преобразователя до точки отражения импульса и обратно). Электрический импульс, сформировавшийся на сигнальном входе усилителя с регулируемым выходом, усиливается указанным усилителем.
проходит через его выход на вход усилителя 290 с регулируемым коэффициентом усиления, далее усиливается в логарифмическом усилителе 76, подаётся на первый вход сумматора 77, где суммируется со значением, задаваемым с вычислительного модуля 80 с помощью 1ДАП 82, далее импульс с сумматора проходит аналого-цифровое преобразование в АЦП 78, и оцифрованные значения преобразуются в модуле 79 и сохраняются в накопителе цифровых данных. Коэффициент усиления усилителя 290 с регулируемым порогом устанавливается вычислительным модулем 80 с помощью цифро-аналогового преобразователя 81. Для синхронизации режима сканирования (излучения зондирующих ультразвуковых импульсов) реализована схема 86 обработки одометрических данных от одометров 83, 84, 85. Выходы одометров 83, 84, 85 подключены к входам схемы 86, выход схемы 86, соответствующий запуску ультразвуковых преобразователей, подключен к одному из входов схемы 80. Ультразвуковые преобразователи возбуждаются последовательно: управляющий сигнал с модуля 80 инициирует генератор 61, который возбуждает ультразвуковой преобразователь 91, отражённый ультразвуковой импульс формирует электрический импульс на входе усилителя 291, управляющий импульс с модуля 80 открывает выход усилителя 291, и указанный электрический импульс проходит через усилители 290 и 76 на сумматор 77 и АЦП 78. После этого управляющий импульс с модуля 80 инициирует генератор возбуждающих импульсов 62, который возбуждает ультразвуковой преобразователь 92. Управляющий импульс с модуля 80 открывает выход усилителя 291, и электрический импульс с преобразователя 92, соответствующий принятому отражённому ультразвуковому импульсу, усиливается в усилителях 291, 290, 76. Аналогично возбуждается ультразвуковой преобразователь 93 и усиливается электрический импульс, соответствующий
omf
отражённому ультразвуковому импульсу, принятому ультразвуковым преобразователем 93.
Ультразвуковые преобразователи 94-99 возбуждаются аналогично с помощью генераторов возбуждающих импульсов 64-69 соответственно. Электрические импульсы, соответствующие ультразвуковым импульсам, принятым преобразователями 94-96, усиливаются с помощью усилителей 292, 290, 76; электрические импульсы, соответствующие ультразвуковым импульсам, принятым преобразователями 97-99, усиливаются с помощью усилителей 293, 290, 76.
Для инициирования генератора возбуждающих импульсов фиг.З в одном из способов управляющий импульс из схемы управления 28 подаётся на базу транзистора 22 и открывает его. Транзистор 26 при этом закрыт, и конденсатор 23 заряжается. Сопротивление резисторов 31, 32 при этом сотавляет 10-100кОм, сопротивление резистора 33 составляет 3-10Ом, сопротивление резисторов 34, 38 составляет 10-1 ОООм. Управляющий импульс из схемы управления 28 подаётся на базу транзистора 26 и открывает его. Конденсатор 23 при этом разряжается, на выводах преобразователя 2 формируется импульс с пиковым напряжением 150В, который возбуждает ультразвуковой преобразователь 2, который излучает ультразвуковой импульс в направлении стенки. После отражения от внутренней и/или внешней стенки ультразвуковой импульс приходит в ультразвуковой преобразователь 2 и возбуждает в нём электрический импульс. На сигнальном входе приёмоусилительного тракта формируется электрический импульс напряжением от 1 до ЮОмВ, который усиливается в приёмоусилительном тракте 29. Через 20-100мкс после открытия транзистора 26 он закрывается (по окончании управляющего импульса со схемы управления 28), конденсатор 23 заряжается, и через промежуток времени, соответствующий
Шт
продвижению дефектоскопа в трубопроводе на 3мм (около Змс), из схемы управления 28 подаётся очередной управляющий импульс, открывающий транзистор 26 для излучения очередного зондирующего ультразвукового импульса. При описанном использовании заявленного устройства ключ 22 может быть заменён прямым соединением выхода источника напряжения 21 с выводом конденсатора 23 через резисторы 31 и 32, а также прямым соединением выхода источника напряжения 21 с выводом конденсатора 23.
При ином использовании указанного устройства фиг.З сопротивление резисторов 31, 32 составляет 5-50 Ом, сопротивление резисторов 34, 38 составляет 10-100 Ом, сопротивление резистора 33 составляет 3-10 Ом, управляющий импульс со схемы управления 28 открывает транзистор 22, при этом на преобразователь 2 подаётся возбуждающий электрический импульс, преобразователь 2 излучает ультразвуковой импульс в направлении стенки трубопровода, далее управляющий импульс со схемы управления 28 открывает транзистор 26, конденсатор 23 разряжается через резисторы 33, 34 и ключ 26, которые составляют схему разряда конденсатора 23. Ультразвуковой импульс, отражённый от внутренней и/или внешней поверхности стенки, возбуждает электрический импульс на сигнальном входе приёмоусилительного тракта 29. Через 20-100МКС после отфывания транзистора 22 транзисторы 22 и 26 закрываются, а через промежуток времени около 1мс очередной управляющий импульс со схемы управления 28 открывает транзистор 22 и запускает очередной цикл излучения-приёма ультразвукового импульса.
Фиг.4 более подробно иллюстрирует работу нескольких генераторов, подключенных к одному приёмоусилительному тракту. Так, в первом варианте использования представленного устройства перед возбуждением ультразвуковых преобразователей 91-93 фиг.4 из схемы управления 28 подаётся управляющий
сигнал на базу транзисторов 22, 41, 51 и открывает их. Транзисторы 26, 42, 52 при этом закрыты, и конденсаторы 23, 43, 53 заряжаются. При этом сопротивление резисторов 31, 46, 56, 32, 47, 57 составляет 20-100 кОм, сопротивление резисторов 33, 48, 58 составляет 3-10 Ом, сопротивление резисторов 34, 38, 49, 59 составляет 10-100 Ом. Управляющий импульс из схемы управления 28 подаётся на базу транзистора 26 и отфывает его. Конденсатор 23 при этом разряжается, на выводах преобразователя 91 формируется импульс с пиковым напряжением 150В, который возбуждает ультразвуковой преобразователь 91, который излучает ультразвуковой импульс в направлении стенки. После отражения от внутренней и/или внешней стенки ультразвуковой импульс приходит в ультразвуковой преобразователь 91 и возбуждает в нём электрический импульс. На сигнальном входе приёмоусилительного тракта 29 формируется электрический импульс . напряжением от 1 до ЮОмВ, который усиливается в приёмоусилительном тракте 29. Через 20-100мкс после открытия транзистора 26 он закрывается, конденсатор 23 заряжается.
После этого управляющий импульс из схемы управления 28 подаётся на базу транзистора 42 и открывает его. Конденсатор 43 при этом разряжается, на выводах преобразователя 92 формируется импульс с пиковым напряжением 150В, который возбуждает ультразвуковой преобразователь 92, который излучает ультразвуковой импульс в направлении стенки. После отражения от внутренней и/или внешней стенки листа или трубы ультразвуковой импульс приходит в ультразвуковой преобразователь 92 и возбуждает в нём электрический импульс. На сигнальном входе приёмоусилительного тракта 29 формируется электрический импульс напряжением от 1 до ЮОмВ, который усиливается в приёмоусилительном тракте 29. Через 20-100мкс после открытия транзистора 42 он закрывается, конденсатор 43 заряжается.
jcj)iQ.m
Далее последовательно управляющий импульс из схемы управления 28 подаётся на базу транзистора 52 и открывает его. Конденсатор 53 при этом разряжается, на выводах преобразователя 93 формируется импульс с пиковым напряжением 150В, который возбуждает ультразвуковой преобразователь 93, который излучает ультразвуковой импульс в направлении стенки трубы или листового материала. После отражения от внутренней и/или внешней стенки ультразвуковой импульс приходит в ультразвуковой преобразователь 93 и возбуждает в нём электрический импульс. На сигнальном входе приёмоусилительного тракта 29 формируется электрический импульс напряжением от 1 до ЮОмВ, который усиливается в приёмоусилительном тракте 29. Через 20-100мкс после открытия транзистора 52 он закрывается, конденсатор 53 заряжается. При описанном использовании заявленного устройства ключи 22, 41, 51 могут быть заменены на один ключ 22 так, что коллектор ключа 22 подключен напрямую или через резистор (резисторы) к одному из выводов каждого конденсатора 23, 43, 53. Указанные ключи могут быть также заменены прямым соединением выхода источника напряжения 21 с первым выводом каждого из конденсаторов: 23, 43, 53. При ином способе использования представленного устройства фиг.4: при использовании транзисторов 22, 41, 51 фиг.4 для коммутации возбуждающих импульсов ультразвуковыми преобразователями 91, 92, 93 соответственно резисторы 33, 34 и ключ 26 составляют цепь разряда конденсатора 23; резисторы 48, 34 и ключ 42 составляют цепь разряда конденсатора 43; резисторы 53, 34 и ключ 52 составляют цепь разряда конденсатора 53. При этом сопротивление резисторов 31, 46, 56, 32, 47, 57 составляет 5-50 Ом, сопротивление резисторов 33, 48, 58 составляет 3-10 Ом, сопротивление резисторов 34, 38, 49, 59 составляет 10-100 Ом. При этом последовательно отфываются транзисторы: 22,
26 и через 20-100мкс закрываются, далее последовательно открываются транзисторы 41, 42 и через 20-100мкс зафываются, последовательно открываются транзисторы 51, 52 и через 20-100мкс закрываются.
Аналогичным образом последовательно инициируются другие генераторы возбуждающих импульсов (при их наличии, например, в дефектоскопе, изображённом на фиг.1, в схеме дефектоскопа фиг.4), при этом каждый ультразвуковой преобразователь возбуждается через промежуток времени, соответствующий продвижению дефектоскопа вдоль сканируемой поверхности на 3мм (около Змс), когда из схемы управления 28 подаётся очередной управляющий импульс для излучения очередного зондирующего ультразвукового импульса. При этом суммарное время открытого состояния транзисторов 26, 42, 52 и далее (при наличии большого числа генераторов) не должно превышать промежуток времени между обращениями к каждому генератору (и соответствующему ультразвуковому преобразователю). При наличии нескольких приёмоусилительных каналов управляющий сигнал схемы управления 28 может запускать сразу несколько генераторов, подключенных обязательно к разным приёмоусилительным трактам. Каждый приёмоусилительный тракт с подключенным к его выходу аналогоцифровым преобразователем может быть подключен к входам одной схемы преобразования цифровых данных 79 или альтернативно могут использоваться несколько схем преобразования цифровых данных , несколько схем управления, к каждой из которых подключена своя группа генераторов возбуждающих импульсов с подключенными к ним ультразвуковыми преобразователями и приёмоусилительными трактами.
В процессе пропуска внутритрубного ультразвукового дефектоскопа фиг.1 определяют скорость движения дефектоскопа внутри трубопровода и выполняют проверку условия, состоящего в том, что скорость движения дефектоскопа
составляет не менее 0,1 м/с и не более 1,5м/с. При невыполнении указанного условия ультразвуковые преобразователи запускают с заданным периодом.
В соответствии с алгоритмом, реализуемым программой бортового компьютера в процессе диагностического пропуска дефектоскопа, оцифрованные измеренные данные от группы преобразователей объединяются в кадры данных, в кадр данных заносятся параметры принятых импульсов, соответствующих зондирующим импульсам для каждого ультразвукового преобразователя, а также время по таймеру, однозначно связанное с временем запуска указанных зондирующих импульсов. Указанные параметры принятых импульсов включают в себя оцифрованные значения импульсов (напряжений) и времени для каждого оцифрованного значения, прошедшего с момента запуска соответствующего зондирующего импульса до момента оцифровки электрического импульса, соответствующего принятому ультразвуковому импульсу. Кадр данных включает в себя указанные параметры принятых импульсов, соответствующих 64 зондирующим импульсам для каждого преобразователя из группы ультразвуковых преобразователей, для каждой указанной группы преобразователей записывают значение времени по таймеру, однозначно связанное с временем запуска каждого преобразователя из указанной группы преобразователей. Оцифрованные данные записывают в накопитель цифровых данных путём записи в файл 20 указанных кадров данных, а также времени открытия файла и времени зафытия файла, указанное время определяют по часам компьютера, управляющего записью данных в накопитель. Время по часам компьютера и время по таймеру синхронизируют между собой и с временем по таймеру, установленному вне ультразвукового дефектоскопа перед пропуском ультразвукового дефектоскопа и после пропуска ультразвукового дефектоскопа. В предпочтительном варианте исполнения в процессе пропуска дефектоскопа в трубопроводе выполняют как
SaC)5l(P3
измерения толщинометрии, так и измерения, направленные на поиск трещиноподобных дефектов.
По завершении контроля заданного участка трубопровода дефектоскоп извлекают из приёмной камеры трубопровода и переносят накопленные в процессе диагностического пропуска данные на компьютер вне дефектоскопа. Операция переноса данных может выполняться, например, путём передачи данных с помощью какого-либо устройства обмена данными, например, через сетевой, последовательный, параллельный, USB- и иной порт, установленный как на бортовом компьютере, так и на компьютере вне дефектоскопа, через обмен данными по кабелю, радио- или инфракрасному каналу. Кроме того, как известно, перенос данных из дефектоскопа в компьютер вне дефектоскопа может осуществляться путём извлечения носителя данных из дефектоскопа и его последующего подключения к компьютеру, установленному вне дефектоскопа. На компьютере, установленном вне дефектоскопа (компьютере интерпретации данных) запускают программу интерпретации полученных данных. Такие программы хорошо известны из уровня техники. Одной из функций программы интерпретации данных является визуальное отображение полученных данных на экране монитора или на печати в форме, позволяющей анализировать данные, полученные в результате инспекционного пропуска дефектоскопа. Анализ записанных данных позволяет идентифицировать дефекты материала стенки трубопровода (толщины стенки или профиля сечения трубопровода) с целью последующего ремонта дефектных участков трубопровода.
На фиг.8 и фиг.9 представлены фрагменты графического представления данных, полученных в результате диагностического пропуска ультразвукового дефектоскопа, позволяющие идентифицировать особенности трубопровода (тройники, вантузы, врезки, механические повреждения, ремонтные заплаты,
|0
элементы арматуры, подкладные сварные кольца, продольные, поперечные, ремонтные швы) и дефекты его стенок. По оси L фиг.8, фиг.9 отложена длина трубопровода по его оси, по оси LR отложена длина по периметру в плоскости сечения трубопровода. Чёрные точки на изображении показывают, что в этих местах на трубе отличие измеренного значения толщины стенки трубы от номинального для данного участка трубопровода больше заданного порогового значения. На фиг.8 идентифицируются характерные особенности трубопроводов: продольные сварные швы 161 и 162 труб, сварной шов между трубами 163, вантуз 164. На фиг.9 изображены характерные коррозионные дефекты 171 трубопроводов, идентифицируемые в результате проведения внутритрубной ультразвуковой дефектоскопии с помощью заявленного устройства.
lwMew(