RU2224247C1 - Ультразвуковой дефектоскоп (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам для неразрушающего контроля материалов путем ультразвукового сканирования. Ультразвуковой дефектоскоп содержит источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приемоизлучающий ультразвуковой преобразователь, схему управления, приемоусилительный тракт и блок обработки данных, соответствующим образом соединенные между собой. Причем генератор возбуждающих импульсов содержит конденсатор, электронно-управляемый ключ и токопроводящий модуль, а генератор возбуждающих импульсов включает в себя цепь разряда конденсатора, состоящую из токопроводящего модуля. Данное устройство также может быть выполнено еще в трех конструктивных вариантах исполнения. Данное изобретение направлено на повышение эффективности обнаружения дефектов материала диагностируемой конструкции в условиях ограниченного пространства для размещения диагностирующей аппаратуры. 4 с. и 4 з.п.ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к устройствам для неразрушающего контроля материалов и изделий с помощью ультразвуковых импульсов эхо-методом путем визуализации внутреннего строения 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 дефектоскопии гипсового материала, стенок труб и трубопроводов. Предпочтительно использование заявленных устройств для контроля длинномерных объектов, когда необходимо транспортирование дефектоскопа на большие расстояния, например при обследовании магистральных нефтегазопродуктопроводов.

Из уровня техники известно устройство для ультразвукового контроля материалов (патент РФ RU 2075074 от 10.03.97. МПК G 01 N 29/04), содержащее последовательно соединенные генератор модулирующего напряжения, модулятор радиосигнала, излучающий ультразвуковой преобразователь, а также последовательно соединенные приемный 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 приема ультразвуковых импульсов приводит к тому, что преобразователи занимают больше места, чем приемоизлучающие 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 GB 2090413 от 07.07.82. МПК G 01 N 29/04; патент США US 4055990 от 01.11.77. МПК G 01 N 29/00; заявка Великобритании GB 2105465 от 23.03.83. МПК G 01 N 29/04), содержащее последовательно соединенные тактовый генератор, генератор зондирующих импульсов, ультразвуковой приемоизлучающий преобразователь, приемоусилительный модуль, формирователь. При этом выход генератора подключен как к ультразвуковому преобразователю, так и к входу приемоусилительного тракта.

Известно также устройство для ультразвукового неразрушающего контроля труб (патент США US 5062300 от 05.11.91. МПК G 01 N 29/06), содержащее синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, мультиплексор, приемоизлучающие ультразвуковые преобразователи, приемоусилительный тракт. При этом выход генератора подключен к входу приемоусилительного 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 приемоизлучающими преобразователями имеют преимущество перед устройством с парами излучающих и принимающих ультразвуковых преобразователей, поскольку позволяют разместить большее число преобразователей в заданном объеме. Однако важным недостатком таких устройств является то, что вход усилителя гальванически связан с высоковольтным выходом генератора зондирующих импульсов, что требует предъявления жестких 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 SU 1370551 от 30.01.88, МПК: G 01 N 29/04), 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 соединенных тактового генератора, выход которого предназначен для подключения к входу внешней синхронизации дефектоскопа, двоичного счетчика, емкость которого устанавливается равной числу каналов контроля, и дешифратора, выходы которого служат выходами распределителя импульсов. В каждом канале транзисторный ключ соединен параллельно с первичной обмоткой импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена последовательно с электроакустическим преобразователем. Свободные выводы вторичных обмоток импульсных трансформаторов каждого канала объединены и предназначены для подключения к генераторно-приемному тракту дефектоскопа. При этом возбуждение электроакустических преобразователей осуществляется путем 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 приемному тракту, что также ограничивает диапазон усилителей, которые могут быть использованы в приемоусилительном тракте из-за требования широкого рабочего диапазона по напряжению для усилителя.

Известно ультразвуковое устройство для определения дефектов и толщины стенки магистральных газопроводов (патент США US 5587534 от 24.12.96. МПК G 01 N 29/10, аналог: WO 96/13720), содержащее последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов (до 400 В), магнитный диплексер и пьезокерамический ультразвуковой приемопередающий преобразователь, а также усилитель (с динамическим диапазоном до 64 дБ), подключенный к обмотке магнитного диплексора.

Достоинством указанных устройств является использование приемоизлучающих 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 RU 2042946 от 27.08.95. МПК G 01 N 29/04), содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор возбуждающих импульсов, коммутатор, пьезоэлектрические приемоизлучающие преобразователи, многоканальный приемоусилительный 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 приемно-усилительного блока.

Известно также устройство для ультразвукового контроля трубопроводов (патент РФ RU 2018817 от 30.08.94. МПК G 01 N 29/10), содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор возбуждающих импульсов, коммутатор, пьезоэлектрические приемоизлучающие преобразователи, многоканальные приемоусилительные 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, включенный между выходами пьезоэлектрических преобразователей и входом блока обработки информации.

Достоинством указанных устройств является использование приемоизлучающих 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, М. , 1991г., с.205-210), содержащий последовательно соединенные источник напряжения (высокого - сотни вольт), генератор возбуждающих импульсов, приемоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединенные приемоусилительный 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 модуль (резистор), первый токопроводящий вывод ключа подключен к первому выводу конденсатора и через указанный токопроводящий модуль 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 модуль (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 приемоусилительного тракта, что препятствует получению высокого соотношения сигнал/шум для надежной идентификации электрических импульсов, соответствующих принятым ультразвуковым импульсам.

Заявленный ультразвуковой дефектоскоп по первому варианту, как и дефектоскоп по прототипу, содержит последовательно соединенные источник напряжения (высокого- сотни вольт), генератор возбуждающих импульсов, приемоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединенные приемоусилительный 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, генератор включает в себя также токопроводящий модуль (элемент, способный проводить переменный электрический ток), управляющий вход ключа подключен к одному из выходов схемы управления, первый токопроводящий вывод ключа подключен к первому выводу конденсатора и через указанный токопроводящий модуль (способный проводить переменный электрический ток) подключен к выходу источника напряжения, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя, дефектоскоп включает в себя также второй токопроводящий модуль (способный проводить переменный электрический ток), подключенный параллельно ультразвуковому преобразователю.

В отличие от прототипа в заявленном дефектоскопе по первому варианту генератор возбуждающих импульсов включает в себя также цепь разряда конденсатора, состоящую из токопроводящего модуля (способного проводить переменный электрический ток), второй токопроводящий вывод ключа подключен к второму выводу ультразвукового преобразователя через указанную цепь разряда конденсатора, вход приемоусилительного тракта подключен к указанному второму выводу ключа.

Основной технический результат, получаемый в результате реализации заявленного изобретения, общий для обоих вариантов заявленного изобретения - повышение эффективности обнаружения дефектов материала и/или дефектов геометрии сканируемых объектов благодаря повышению эффективности идентификации электрических сигналов, соответствующих принятым отраженным 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 входа приемоусилительного тракта позволяет многократно снизить влияние возбуждающего импульса высокого напряжения (несколько сотен вольт) от генератора возбуждающих импульсов на уровень напряжения на входе приемоусилительного тракта, что позволяет снизить требования по диапазону входного напряжения, предъявляемые к входному усилителю, и тем самым повысить соотношение сигнал/шум при усилении низковольтных сигналов с ультразвукового преобразователя, соответствующих принятым ультразвуковым импульсам.

В развитие первого варианта заявленного изобретения дефектоскоп включает в себя также второй электронно- управляемый ключ, вход питания генератора подключен к выходу источника напряжения (высокого - сотни вольт) через указанный второй ключ (один из токопроводящих выводов ключа подключен к выходу источника напряжения, второй токопроводящий вывод ключа подключен к первому выводу конденсатора), управляющий вход второго ключа подключен к одному из выходов указанной схемы управления. Цепь разряда конденсатора состоит из резистивного и/или индуктивного и/или полупроводникового токопроводящего модуля.

Заявленный ультразвуковой дефектоскоп по второму варианту содержит последовательно соединенные источник напряжения (высокого - сотни вольт), множество генераторов возбуждающих импульсов с подключенными к ним приемоизлучающими ультразвуковыми преобразователями, а также схему управления и последовательно соединенные приемоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом каждый из указанного множества генераторов 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, генератор включает в себя также токопроводящий модуль (способный проводить переменный электрический ток), управляющий вход ключа подключен к одному из выходов схемы управления, первый токопроводящий вывод ключа подключен к первому выводу конденсатора и через указанный токопроводящий модуль (способный проводить переменный электрический ток) подключен к выходу источника напряжения, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя, дефектоскоп включает в себя также второй токопроводящий модуль (способный проводить переменный электрический ток), подключенный параллельно ультразвуковому преобразователю.

В отличие от прототипа в заявленном дефектоскопе по второму варианту каждый генератор возбуждающих импульсов включает в себя также цепь разряда конденсатора, состоящую из токопроводящего модуля (способного проводить переменный электрический ток), второй токопроводящий вывод ключа подключен к второму выводу ультразвукового преобразователя через указанную цепь разряда конденсатора, каждый из указанного множества генераторов подключен к одному приемоусилительному тракту (к одному входу приемоусилительного тракта), при этом вход приемоусилительного тракта подключен к указанному второму выводу ключа.

Основной технический результат, получаемый в результате реализации заявленного изобретения, общий для всех вариантов заявленного изобретения - повышение эффективности обнаружения дефектов материала и/или дефектов геометрии сканируемых объектов благодаря повышению эффективности идентификации электрических сигналов, соответствующих принятым отраженным 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 входа приемоусилительного тракта позволяет многократно снизить влияние возбуждающего импульса высокого напряжения (несколько сотен вольт) от генератора возбуждающих импульсов на уровень напряжения на входе приемоусилительного тракта, что позволяет снизить требования по диапазону входного напряжения, предъявляемые к входному усилителю, и тем самым повысить соотношение сигнал/шум при усилении низковольтных сигналов с ультразвукового преобразователя, соответствующих принятым ультразвуковым импульсам.

В развитие второго варианта заявленного изобретения точки подключения указанных генераторов к входу приемоусилительного тракта объединены между собой. Приемоусилительный тракт включает в себя множество усилителей с регулируемым выходом и общий усилитель, сигнальные входы усилителей с регулируемым выходом представляют собой входы приемоусилительного тракта, к сигнальному входу каждого усилителя с регулируемым выходом подключены несколько указанных ранее генераторов возбуждающих импульсов, выходы усилителей с регулируемым выходом объединены между собой и подключены к сигнальному входу общего усилителя, управляющие входы усилителей с регулируемым выходом подключены к выходам указанной ранее схемы управления, общий усилитель выполнен с электронно- регулируемым коэффициентом усиления и имеет управляющий вход, который подключен к одному из выходов указанной схемы управления.

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 объема для размещения оборудования, что особенно критично при внутритрубном обследовании магистральных трубопроводов.

В дальнейшее развитие второго варианта заявленного изобретения дефектоскоп включает в себя также дополнительные электронно-управляемые ключи, вход питания каждого генератора подключен к выходу источника напряжения (высокого - сотни вольт) через соответствующий дополнительный ключ (один из токопроводящих выводов ключа подключен к выходу источника напряжения, второй токопроводящий вывод ключа подключен к первому выводу конденсатора), управляющий вход дополнительного ключа подключен к одному из выходов указанной схемы управления. Цепь разряда конденсатора состоит из резистивного и/или индуктивного и/или полупроводникового токопроводящего модуля.

В предпочтительном исполнении как первого, так и второго вариантов заявленного устройства активное сопротивление между выходом источника напряжения и первым выводом конденсатора (активное сопротивление токопроводящего модуля/токопроводящих модулей, подключенных между выходом источника напряжения и первым выводом конденсатора), составляет от 10 до 300 кОм. Активное сопротивление токопроводящего модуля, подключенного параллельно ультразвуковому преобразователю, составляет от 10 до 300 Ом. Активное сопротивление между первым выводом конденсатора и вторым выводом ультразвукового преобразователя (активное сопротивление токопроводящего модуля/токопроводящих модулей, подключенных между первым выводом конденсатора и вторым выводом ультразвукового преобразователя) составляет не более удвоенного активного сопротивления токопроводящего модуля, подключенного параллельно ультразвуковому преобразователю.

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.

Заявленный ультразвуковой дефектоскоп по третьему варианту, как и дефектоскоп по прототипу, содержит последовательно соединенные источник напряжения (высокого - сотни вольт), генератор возбуждающих импульсов, приемоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединенные приемоусилительный 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, дефектоскоп включает в себя также токопроводящий модуль (способный проводить переменный электрический ток), подключенный параллельно ультразвуковому преобразователю.

Заявленный дефектоскоп по третьему варианту отличается от дефектоскопа по прототипу тем, что второй токопроводящий вывод ключа подключен к выходу источника напряжения, генератор возбуждающих импульсов включает в себя также цепь разряда конденсатора, состоящую, по меньшей мере, из двух последовательно соединенных токопроводящих модулей (способных проводить переменный электрический ток), указанный первый токопроводящий вывод ключа подключен к второму выводу ультразвукового преобразователя через указанную цепь разряда конденсатора, вход приемоусилительного тракта подключен к точке соединения между собой указанных токопроводящих модулей цепи разряда конденсатора.

Основной технический результат, получаемый в результате реализации заявленного изобретения, общий для всех вариантов заявленного изобретения - повышение эффективности обнаружения дефектов материала и/или дефектов геометрии сканируемых объектов благодаря повышению эффективности идентификации электрических сигналов, соответствующих принятым отраженным 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 входа приемоусилительного тракта позволяет многократно снизить влияние возбуждающего импульса высокого напряжения от генератора возбуждающих импульсов на уровень напряжения на входе приемоусилительного тракта, что позволяет снизить требования по диапазону входного напряжения, предъявляемые к входному усилителю, и тем самым повысить соотношение сигнал/шум при усилении низковольтных сигналов с ультразвукового преобразователя, соответствующих принятым ультразвуковым импульсам.

В развитие третьего варианта заявленного устройства цепь разряда конденсатора включает в себя электронно-управляемый ключ, первый токопроводящий вывод указанного ключа подключен к первому выводу конденсатора, управляющий вход указанного ключа подключен к одному из выходов схемы управления, второй токопроводящий вывод указанного ключа подключен к входу приемоусилительного тракта и, по меньшей мере, через один из указанных ранее токопроводящих модулей, составляющих цепь разряда конденсатора, подключен ко второму выводу ультразвукового преобразователя. Цепь разряда конденсатора состоит из резистивных и/или индуктивных и/или полупроводниковых токопроводящих модулей.

Заявленный ультразвуковой дефектоскоп по четвертому варианту содержит последовательно соединенные источник напряжения (высокого - сотни вольт), множество генераторов возбуждающих импульсов с подключенными к ним приемоизлучающими ультразвуковыми преобразователями, а также схему управления и последовательно соединенные приемоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом каждый из указанного множества генераторов 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, дефектоскоп включает в себя также токопроводящий модуль (способный проводить переменный электрический ток), подключенный параллельно ультразвуковому преобразователю.

Заявленный дефектоскоп по четвертому варианту отличается от дефектоскопа по прототипу тем, что второй токопроводящий вывод ключа подключен к выходу источника напряжения, генератор возбуждающих импульсов включает в себя также цепь разряда конденсатора, состоящую, по меньшей мере из двух последовательно соединенных токопроводящих модулей (способных проводить переменный электрический ток), указанный первый токопроводящий вывод ключа подключен к второму выводу ультразвукового преобразователя через указанную цепь разряда конденсатора, каждый из указанного множества генераторов подключен к одному приемоусилительному тракту (к одному входу приемоусилительного тракта), при этом вход приемоусилительного тракта подключен к точке соединения между собой указанных токопроводящих модулей цепи разряда конденсатора.

Основной технический результат, получаемый в результате реализации заявленного изобретения, общий для всех вариантов заявленного изобретения - повышение эффективности обнаружения дефектов материала и/или дефектов геометрии сканируемых объектов благодаря повышению эффективности идентификации электрических сигналов, соответствующих принятым отраженным 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 входа приемоусилительного тракта позволяет многократно снизить влияние возбуждающего импульса высокого напряжения от генератора возбуждающих импульсов на уровень напряжения на входе приемоусилительного тракта, что позволяет снизить требования по диапазону входного напряжения, предъявляемые к входному усилителю, и тем самым повысить соотношение сигнал/шум при усилении низковольтных сигналов с ультразвукового преобразователя, соответствующих принятым ультразвуковым импульсам.

В развитие четвертого варианта заявленного устройства цепь разряда конденсатора включает в себя электронно-управляемый ключ, первый токопроводящий вывод указанного ключа подключен к первому выводу конденсатора, управляющий вход указанного ключа подключен к одному из выходов схемы управления, второй токопроводящий вывод указанного ключа подключен к входу приемоусилительного тракта и, по меньшей мере, через один из указанных ранее токопроводящих модулей, составляющих цепь разряда конденсатора, подключен ко второму выводу ультразвукового преобразователя. Цепь разряда конденсатора состоит из резистивных и/или индуктивных и/или полупроводниковых токопроводящих модулей.

В дальнейшее развитие четвертого варианта точки подключения генераторов к входу приемоусилительного тракта объединены между собой. Приемоусилительный тракт включает в себя множество усилителей с регулируемым выходом и общий усилитель, сигнальные входы усилителей с регулируемым выходом представляют собой входы приемоусилительного тракта, к сигнальному входу каждого усилителя с регулируемым выходом подключены несколько указанных ранее генераторов возбуждающих импульсов, выходы усилителей с регулируемым выходом объединены между собой и подключены к сигнальному входу общего усилителя, управляющие входы усилителей с регулируемым выходом подключены к выходам указанной ранее схемы управления, общий усилитель выполнен с электронно- регулируемым коэффициентом усиления и имеет управляющий вход, который подключен к одному из выходов указанной схемы управления.

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 объема для размещения оборудования, что особенно критично при внутритрубном обследовании магистральных трубопроводов.

В предпочтительном исполнении как третьего, так и четвертого вариантов заявленного устройства активное сопротивление токопроводящего модуля, подключенного параллельно ультразвуковому преобразователю, составляет от 10 до 300 Ом. Активное сопротивление между выходом источника напряжения и первым выводом конденсатора (активное сопротивление токопроводящего модуля/токопроводящих модулей, подключенных между выходом источника напряжения и первым выводом конденсатора), составляет не более удвоенного активного сопротивления токопроводящего модуля, подключенного параллельно ультразвуковому преобразователю. Активное сопротивление между первым выводом конденсатора и вторым выводом ультразвукового преобразователя (активное сопротивление токопроводящего модуля/токопроводящих модулей, подключенных между первым выводом конденсатора и вторым выводом ультразвукового преобразователя) составляет не более удвоенного активного сопротивления токопроводящего модуля, подключенного параллельно ультразвуковому преобразователю.

Значения активных сопротивлений на указанных участках могут быть и больше указанных, однако в этом случае эффективность генератора снижается из-за уменьшения крутизны фронтов генерируемых импульсов по мере увеличения сопротивлений, а кроме того, использование схемы с большими значениями сопротивлений сопряжено большими временами заряда-разряда конденсаторов, что ограничивает частоту генерирования (следования) ультразвуковых импульсов. Поэтому указанные значения для активных сопротивлений являются наиболее оптимальными и предпочтительными.

Заявленный эхо-импульсный дефектоскоп (по всем четырем вариантам) 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 приемно-усилительного тракта, электронно-управляемый ключ выполнен на одном или нескольких p-n-p, n-p-n или полевых транзисторах или иных полупроводниковых элементах с p-n- переходами, подключенный к ультразвуковому преобразователю вывод указанного ранее конденсатора подключен к преобразователю через токопроводящие модули. Подключенные к усилителю выходы генераторов (первые выводы конденсаторов) подключены к вторым выводам ультразвуковых преобразователей через токопроводящие модули в виде нескольких резисторов, индуктивных элементов, транзисторов, диодов и/или других полупроводниковых элементов, в том числе с p-n-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.

На фиг. 1 изображен ультразвуковой дефектоскоп в исполнении, предназначенном для внутритрубного контроля трубопроводов;
на фиг.2, 3 изображена схема генератора возбуждающих электрических импульсов;
на фиг.4 изображена схема подключения нескольких генераторов возбуждающих электрических импульсов к приемоусилительному 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 приема 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 изображен заявленный дефектоскоп во внутритрубном исполнении для обследования трубопровода диаметром 38''-56'' с толщиной стенки 4-30 мм. 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 емкостью до 1000 А•ч. В хвостовой части дефектоскопа установлены ультразвуковые преобразователи 91, попеременно излучающие и принимающие ультразвуковые импульсы. На корпусе дефектоскопа установлены полиуретановые манжеты 3 и одометры. Один из одометров показан на фиг.1 позицией 83.

На фиг.2 изображена схема подключения ультразвукового преобразователя к генератору возбуждающих импульсов. Один приемоизлучающий канал дефектоскопа содержит последовательно подключенные 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, приемоусилительный 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 соединенные 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 приемоизлучающего ультразвукового преобразователя 2 (второй вывод конденсатора 23 подключен к первому выводу преобразователя 2). Токопроводящий элемент 25 обеспечивает полный разряд конденсатора 23. Точка подключения входа приемоусилительного 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, 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 p-n-переходы, (в зависимости от параметров преобразователя и схемы подключения ультразвукового преобразователя к генератору возбуждающих импульсов, которая рекомендована производителем ультразвуковых преобразователей выбранного типа).

На фиг. 3 представлен пример реализации схемы, изображенной на фиг.2. Так, в схеме на фиг.3 электронно-управляемые ключи выполнены в виде p-n-p-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 соединенных параллельно между собой резистора 38, конденсатора 37 и индуктивности 36. Токопроводящий модуль 27 представляет собой сборку соединенных параллельно между собой резистора 34 и индуктивности 35. Эмиттер транзистора 22 подключен через резистор 31 к выходу источника напряжения 21, коллектор транзистора 22 подключен 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 подключен через соединенные параллельно резистор 34 и индуктивный элемент 35 к общей точке- второму выводу ультразвукового преобразователя 2. Напряжение на выходе источника 21 может быть 300-500 В. Активное сопротивление индуктивности 35 составляет не менее сопротивления резистора 34, активное сопротивление индуктивности 36 составляет не менее сопротивления резистора 38, емкость конденсатора 23 составляет 300-10000 пФ, емкость конденсатора 37 составляет 10-100 пФ и может отличаться в зависимости от конструктивного исполнения ультразвукового преобразователя 2 и рекомендаций производителя ультразвукового преобразователя.

На сриг. 4 представлен пример реализации подключения нескольких генераторов возбуждающих импульсов с подключенными к ним ультразвуковыми преобразователями к одному приемоусилительному 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 напряжения 21, коллектор транзистора 22 подключен 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 91. Коллектор транзистора 26 подключен через соединенные параллельно резистор 34 и индуктивный элемент 35 к общей точке - второму выводу ультразвукового преобразователя 91. Сборка соединенных параллельно между собой резистора 38, конденсатора 37 и индуктивности 36 подключена параллельно 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 соединенные параллельно резистор 34 и индуктивный элемент 35 к общей точке - второму выводу ультразвукового преобразователя 92. Сборка соединенных 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 соединенные параллельно резистор 54 и индуктивный элемент 55 к общей точке - второму выводу ультразвукового преобразователя 93. Сборка соединенных 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 300-500 В. Активное сопротивление индуктивности 35 не менее сопротивления резистора 34, активное сопротивление индуктивностей 36, 45, 55 составляет не менее сопротивления резисторов 38, 49, 59 соответственно. Емкость конденсаторов 23, 43, 53 составляет 300-1000 пФ, емкость конденсаторов 37, 44, 54 составляет 10-100 пФ 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 (трех) генераторов, первый вывод которых подключен к коллекторам транзисторов 26, 42, 52 и к сигнальному входу приемоусилительного тракта 29, а вторые выводы подключены к общей точке (земле), к которой подключены вторые выводы всех ультразвуковых преобразователей 91-93, источника напряжения 21, приемоусилительного тракта 29, схемы обработки измеренных данных 30.

Аналогичным образом к одному приемоусилительному 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, 3, 4) по три генератора возбуждающих импульсов с подключенными к каждому из них ультразвуковыми преобразователями: генераторы 61-63 с преобразователями 91-93 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 приемоусилительный тракт 29 (фиг.2, 3, 4). Схема 30 обработки измеренных данных (фиг. 2, фиг. 3, 4) содержит последовательно соединенные 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.3, 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.

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 приемоусилительных трактов, подключенных к одной или нескольким схемам обработки измеренных данных. Так, во внутритрубном ультразвуковом дефектоскопе, приведенном на фиг.1, используется двенадцать приемоусилительных трактов, к каждому из которых подключено более тридцати приемоизлучающих ультразвуковых преобразователей.

Заявленное устройство работает следующим образом. Дефектоскоп помещают в трубопровод и включают 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 колеса 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 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, отраженные от внутренней стенки, импульсы 127, 128, отраженные от внешней стенки, либо импульсы 126, отраженные 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^o (предпочтительно 17 - 19^o) 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 отраженный импульс 135.

После испускания ультразвуковых импульсов ультразвуковые преобразователи принимают импульсы 135, отраженные от трещиноподобного дефекта 131.

Последовательный запуск и опрос ультразвуковых преобразователей 91-99, возбуждаемых генераторами 61-69, реализуется с помощью вычислительного модуля 80, который последовательно подает 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 100-300 В и подает его на ультразвуковой приемоизлучающий 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, отраженные ультразвуковые импульсы принимаются тем же ультразвуковым преобразователем и формируют в точке подключения сигнального входа усилителя к генератору электрический импульс напряжением менее 1-100 мВ. 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) подает 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, подается на первый вход сумматора 77, где суммируется со значением, задаваемым с вычислительного модуля 80 с помощью ЦАП 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, отраженный 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 отраженному ультразвуковому импульсу, усиливается в усилителях 291, 290, 76. Аналогично возбуждается ультразвуковой преобразователь 93 и усиливается электрический импульс, соответствующий отраженному 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.3 в одном из способов управляющий импульс из схемы управления 28 подается на базу транзистора 22 и открывает его. Транзистор 26 при этом закрыт, и конденсатор 23 заряжается. Сопротивление резисторов 31, 32 при этом оставляет 10-100 кОм, сопротивление резистора 33 составляет 3-10 Ом, сопротивление резисторов 34, 38 составляет 10-100 Ом. Управляющий импульс из схемы управления 28 подается на базу транзистора 26 и открывает его. Конденсатор 23 при этом разряжается, на выводах преобразователя 2 формируется импульс с пиковым напряжением 150 В, 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 нем электрический импульс. На сигнальном входе приемоусилительного тракта формируется электрический импульс напряжением от 1 до 100 мВ, который усиливается в приемоусилительном тракте 29. Через 20-100 мкс после открытия транзистора 26 он закрывается (по окончании управляющего импульса со схемы управления 28), конденсатор 23 заряжается, и через промежуток времени, соответствующий продвижению дефектоскопа в трубопроводе на 3 мм (около 3 мс), из схемы управления 28 подается очередной управляющий импульс, открывающий транзистор 26 для излучения очередного зондирующего ультразвукового импульса. При описанном использовании заявленного устройства ключ 22 может быть заменен прямым соединением выхода источника напряжения 21 с выводом конденсатора 23 через резисторы 31 и 32, а также прямым соединением выхода источника напряжения 21с выводом конденсатора 23.

При ином использовании указанного устройства фиг.3 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 подается 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, отраженный от внутренней и/или внешней поверхности стенки, возбуждает электрический импульс на сигнальном входе приемоусилительного тракта 29. Через 20-100 мкс после открывания транзистора 22 транзисторы 22 и 26 закрываются, а через промежуток времени около 1 мс очередной управляющий импульс со схемы управления 28 открывает транзистор 22 и запускает очередной цикл излучения-приема ультразвукового импульса.

Фиг. 4 более подробно иллюстрирует работу нескольких генераторов, подключенных к одному приемоусилительному тракту. Так, в первом варианте использования представленного устройства перед возбуждением ультразвуковых преобразователей 91-93 фиг.4 из схемы управления 28 подается 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 подается на базу транзистора 26 и открывает его. Конденсатор 23 при этом разряжается, на выводах преобразователя 91 формируется импульс с пиковым напряжением 150 В, 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 нем электрический импульс. На сигнальном входе приемоусилительного тракта 29 формируется электрический импульс напряжением от 1 до 100 мВ, который усиливается в приемоусилительном тракте 29. Через 20-100 мкс после открытия транзистора 26 он закрывается, конденсатор 23 заряжается.

После этого управляющий импульс из схемы управления 28 подается на базу транзистора 42 и открывает его. Конденсатор 43 при этом разряжается, на выводах преобразователя 92 формируется импульс с пиковым напряжением 150 В, 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 нем электрический импульс. На сигнальном входе приемоусилительного тракта 29 формируется электрический импульс напряжением от 1 до 100 мВ, который усиливается в приемоусилительном тракте 29. Через 20-100 мкс после открытия транзистора 42 он закрывается, конденсатор 43 заряжается.

Далее последовательно управляющий импульс из схемы управления 28 подается на базу транзистора 52 и открывает его. Конденсатор 53 при этом разряжается, на выводах преобразователя 93 формируется импульс с пиковым напряжением 150 В, 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 нем электрический импульс. На сигнальном входе приемоусилительного тракта 29 формируется электрический импульс напряжением от 1 до 100 мВ, который усиливается в приемоусилительном тракте 29. Через 20-100 мкс 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 открываются транзисторы: 22, 26 и через 20-100 мкс закрываются, далее последовательно открываются транзисторы 41, 42 и через 20-100 мкс закрываются, последовательно открываются транзисторы 51, 52 и через 20-100 мкс закрываются.

Аналогичным образом последовательно инициируются другие генераторы возбуждающих импульсов (при их наличии, например, в дефектоскопе, изображенном на фиг.1, в схеме дефектоскопа фиг.4), при этом каждый ультразвуковой преобразователь возбуждается через промежуток времени, соответствующий продвижению дефектоскопа вдоль сканируемой поверхности на 3 мм (около 3 мс), когда из схемы управления 28 подается 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 приемоусилительных каналов управляющий сигнал схемы управления 28 может запускать сразу несколько генераторов, подключенных обязательно к разным приемоусилительным трактам. Каждый приемоусилительный тракт с подключенным к его выходу аналого-цифровым 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 приемоусилительными 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 1,5 м/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 путем записи в файл 20 указанных кадров данных, а также времени открытия файла и времени закрытия 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 измерения толщинометрии, так и измерения, направленные на поиск трещиноподобных дефектов.

По завершении контроля заданного участка трубопровода дефектоскоп извлекают из приемной камеры трубопровода и переносят накопленные в процессе диагностического пропуска данные на компьютер вне дефектоскопа. Операция переноса данных может выполняться, например, путем 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 путем 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 9 представлены фрагменты графического представления данных, полученных в результате диагностического пропуска ультразвукового дефектоскопа, позволяющие идентифицировать особенности трубопровода (тройники, вантузы, врезки, механические повреждения, ремонтные заплаты, элементы арматуры, подкладные сварные кольца, продольные, поперечные, ремонтные швы) и дефекты его стенок. По оси L фиг.8, 9 отложена длина трубопровода по его оси, по оси LR отложена длина по периметру в плоскости сечения трубопровода. Черные 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.

Claims (8)

1. Ультразвуковой дефектоскоп, содержащий последовательно соединенные источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приемоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединенные приемоусилительный 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 модуль, управляющий вход ключа подключен к одному из выходов схемы управления, первый токопроводящий вывод ключа подключен к первому выводу конденсатора и через указанный токопроводящий модуль подключен к выходу источника напряжения, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя, устройство включает в себя также второй токопроводящий модуль, подключенный параллельно ультразвуковому преобразователю, отличающийся тем, что генератор возбуждающих импульсов включает в себя также цепь разряда конденсатора, состоящую из токопроводящего модуля, указанная цепь разряда конденсатора подключена между указанным вторым токопроводящим выводом ключа и вторым выводом ультразвукового преобразователя, вход приемоусилительного тракта подключен к указанному второму выводу ключа.

2. Дефектоскоп по п.1, отличающийся тем, что включает в себя также второй электронно управляемый ключ, вход питания генератора подключен к выходу источника напряжения через указанный второй ключ, управляющий вход второго ключа подключен к одному из выходов указанной схемы управления.

3. Ультразвуковой дефектоскоп, содержащий последовательно соединенные источник напряжения, множество генераторов возбуждающих импульсов с подключенными к ним приемоизлучающими ультразвуковыми преобразователями, а также схему управления и последовательно соединенные приемоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом каждый из указанного множества генераторов 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 модуль, управляющий вход ключа подключен к одному из выходов схемы управления, первый токопроводящий вывод ключа подключен к первому выводу конденсатора и через указанный токопроводящий модуль подключен к выходу источника напряжения, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу ультразвукового преобразователя, устройство включает в себя также второй токопроводящий модуль, подключенный параллельно ультразвуковому преобразователю, отличающийся тем, что каждый генератор возбуждающих импульсов включает в себя также цепь разряда конденсатора, состоящую из токопроводящего модуля, указанная цепь разряда конденсатора подключена между указанным вторым токопроводящим выводом ключа и вторым выводом ультразвукового преобразователя, каждый из указанного множества генераторов подключен к одному приемоусилительному тракту, при этом вход приемоусилительного тракта подключен к указанному второму выводу ключа.

4. Дефектоскоп по п.3, отличающийся тем, что точки подключения генераторов к входу приемоусилительного тракта объединены между собой, приемоусилительный тракт включает в себя множество усилителей с регулируемым выходом и общий усилитель, сигнальные входы усилителей с регулируемыми выходами представляют собой входы приемоусилительного тракта, к сигнальному входу каждого усилителя с регулируемым выходом подключены несколько указанных в п.3 генераторов возбуждающих импульсов, выходы усилителей с регулируемым выходом объединены между собой и подключены к сигнальному входу общего усилителя, управляющие входы усилителей с регулируемым выходом подключены к выходам схемы управления, общий усилитель выполнен с электронно регулируемым коэффициентом усиления и имеет управляющий вход, который подключен к одному из выходов схемы управления.

5. Ультразвуковой дефектоскоп, содержащий последовательно соединенные источник напряжения, генератор возбуждающих импульсов, приемоизлучающий ультразвуковой преобразователь, а также схему управления и последовательно соединенные приемоусилительный 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, дефектоскоп включает в себя также токопроводящий модуль, подключенный параллельно ультразвуковому преобразователю, отличающийся тем, что второй токопроводящий вывод ключа подключен к выходу источника напряжения, генератор возбуждающих импульсов включает в себя также цепь разряда конденсатора, состоящую, по меньшей мере, из двух последовательно соединенных токопроводящих модулей, указанная цепь разряда конденсатора подключена между указанным первым токопроводящим выводом ключа и вторым выводом ультразвукового преобразователя, вход приемоусилительного тракта подключен к точке соединения между собой указанных токопроводящих модулей цепи разряда конденсатора.

6. Дефектоскоп по п.5, отличающийся тем, что цепь разряда конденсатора включает в себя электронно управляемый ключ, первый токопроводящий вывод указанного ключа подключен к первому выводу конденсатора, управляющий вход указанного ключа подключен к одному из выходов схемы управления, второй токопроводящий вывод указанного ключа подключен к входу приемоусилительного тракта и, по меньшей мере, через один из указанных в п.5 токопроводящих модулей, составляющих цепь разряда конденсатора, подключен ко второму выводу ультразвукового преобразователя.

7. Ультразвуковой дефектоскоп, содержащий последовательно соединенные источник напряжения, множество генераторов возбуждающих импульсов с подключенными к ним приемоизлучающими ультразвуковыми преобразователями, а также схему управления и последовательно соединенные приемоусилительный тракт и блок обработки измеренных данных, при этом каждый из указанного множества генераторов 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, дефектоскоп включает в себя также токопроводящий модуль, подключенный параллельно ультразвуковому преобразователю, отличающийся тем, что второй токопроводящий вывод ключа подключен к выходу источника напряжения, каждый генератор возбуждающих импульсов включает в себя также цепь разряда конденсатора, состоящую, по меньшей мере из двух последовательно соединенных токопроводящих модулей, указанная цепь разряда конденсатора подключена между указанным первым токопроводящим выводом ключа и вторым выводом ультразвукового преобразователя, каждый из указанного множества генераторов подключен к одному приемоусилительному тракту, при этом вход приемоусилительного тракта подключен к точке соединения между собой указанных токопроводящих модулей цепи разряда конденсатора.

8. Дефектоскоп по п.7, отличающийся тем, что точки подключения генераторов к входу приемоусилительного тракта объединены между собой, приемоусилительный тракт включает в себя множество усилителей с регулируемым выходом и общий усилитель, сигнальные входы усилителей с регулируемыми выходами представляют собой входы приемоусилительного тракта, к сигнальному входу каждого усилителя с регулируемым выходом подключены несколько указанных в п.7 генераторов возбуждающих импульсов, выходы усилителей с регулируемым выходом объединены между собой и подключены к сигнальному входу общего усилителя, управляющие входы усилителей с регулируемым выходом подключены к выходам схемы управления, общий усилитель выполнен с электронно регулируемым коэффициентом усиления и имеет управляющий вход, который подключен к одному из выходов схемы управления.

Images