Материалы сайта
Это интересно
Блок возбуждения для ВТП
Техническое задание к курсовому проекту. Разработать: Блок возбуждения для дефектоскопии плоской поверхности ферромагнитных объектов. Устройство включает в себя : 1. Генератор дискретной (синусоидальной) частоты с параметрами: макс. диапазон частот:1КГц-2,5МГц (рабочий диапазон частот задает оператор в пределах максимального); ток: 10 мА; число дискретов в диапазоне: от 10 до 20; коэффициент гармоник не более 1 % : 2. Нагрузкой для генератора служит катушка размещенная на объекте контроля: число витков возбуждающей катушки: 20; число витков измерительной катушки: задается оператором от 10 до 20; диаметр возбуждающей катушки: от 4 до 20 мм; диаметр измерительной катушки: задается оператором от 4 до 20 мм; длина катушек: от 2 до 15 мм: Свойства объектов контроля: m=1-10; s=5-10 MCм/м; Площадь контролируемого участка S=5 см2; Основные технические характеристики и условия эксплуатации: . габариты: 100х50х100 (мм); . масса: не более 0,3 кг; . диапазон рабочих температур: от 5 до 45 оС; . влажность: от 30 до 90%; . давление: от 700 до 800 мм.рт.ст.; 1.Введение. Вихретоковые методы контроля основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. В качестве преобразователя используют обычно индуктивные катушки. Синусоидальный ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на измерительную катушку преобразователя, наводя в ней ЭДС или изменяя ее полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него. Особенность вихретокового преобразователя в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Получение первичной информации в виде электрических сигналов, бесконтактность и высокая производительность определяют широкие возможности автоматизации вихретокового контроля. Одна из особенностей ВТМ состоит в том, что на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами. Однако им свойственна малая глубина зоны контроля, определяемая глубиной проникновения электромагнитного поля в контролируемую среду. Сильное влияние на полученные результаты оказывают нелинейные искажения сигнала, подаваемого на задающую катушку. Для обеспечения универсальности, установка начальных условий, а также обработка полученной информации современных преобразователей должна осуществляться при помощи компьютеров, тогда каждый режим работы преобразователя будет обрабатываться отдельной программой. В данной работе разрабатывался генератор синусоидального сигнала для накладного вихретокового преобразователя, амплитуда тока в котором порядка 10 мА, а нелинейные искажения порядка 1%. Частота сигнала должна задаваться программным путем, с использованием микропроцессорной техники. Ниже приводятся типы уже существующих преобразователей: |Тип |Частота тока |Скорость |Объект контроля |Вид дефекта | | |возбуждения, кГц|контроля | | | |ВД-30П |4; 16; 64; 300 |0,5-3 |Ферро- и |Трещины, раковины, | |ВД-31П | |0,5-4 |неферро-магнитные|плены и т.д. | | | | |прутки | | | | | |и трубы 1-47 мм | | |ВД-23П |130; 1000; 20000|0,5-5 |Проволока |Расслоения, трещины| | | | |0,02-5мм | | | | | | |заусенцы | |Дефектомат |0,2; 2,5; 10; |1,2; 5; |Трубы и прутки |Трещины, раковины, | |2.189 |30; 90 |15 |3-135 мм |плены | 2. Структурная схема разрабатываемого устройства. . БВ - блок возбуждения; (нужно разработать в этом семестре) . ВТП - вихретоковый преобразователь; . БО - блок обработки; . АЦП - аналого-цифровой преобразователь; . ОК- объект контроля; 3. Блок возбуждения (БВ). Блоком возбуждения в данном устройстве является широкополосный генератор напряжения синусоидальной формы. БВ состоит из синтезатора частот (СЧ) и формирователя сигнала (ФС) заданной формы. Рассмотрим их структурные и электрические схемы более подробно. Блок возбуждения 3.1. Структурная схема СЧ. [pic] [pic] fc - частота сигнала подающегося на вход формирователя сигнала 3.1.1. Опорный генератор (ОГ). В качестве ОГ выбираем генератор с кварцевым резонатором на 16 МГц микросхема РК374. 3.1.2. Счетчики -делители частоты M и N. Счетчик М служит для задания шага изменения частоты. Счетчик N необходим для обеспечения сетки частот изменяющихся с заданным шагом fог/M. Предполагается что счетчики управляются цифровым кодом с ЭВМ. Выбираем счетчики серии КР1554ИЕ10 (аналог -74ALS161AN фирмы National ,USA). Микросхема КР1554ИЕ10 - это четырехразрядный двоичный синхронный счетчик. Счетчик запускается положительным перепадом (фронтом) тактового импульса на входе С. Сброс всех триггеров счетчика в нулевое состояние осуществляется по общему входу R(инв.). Режим параллельной загрузки информации устанавливается подачей напряжения низкого уровня на вход разрешения параллельной загрузки PE(инв.) , при этом предварительно установленная на входах D0...D3 информация по фронту импульса на входе С записывается в триггеры счетчика. Для синхронного каскадирования микросхема КР1554ИЕ10 имеет вход разрешения счет ЕСТ , вход разрешения переноса ЕСR и выход переноса CR. Счетчик считает тактовые импульсы , если на входах ECT и ECR подано напряжение высокого уровня. Вход ECR последующего счетчика соединяется со входом CR предыдущего счетчика. Условно-графическое обозначение КР1554ИЕ10 Таблица назначения выводов |1 |R(инв.)|вход установки в состояние | |2 | |«лог. 0» | |3 |С |вход тактовый | |4 |D0 |вход данных | |5 |D1 |вход данных | |6 |D2 |вход данных | |7 |D3 |вход данных | |8 |ECT |вход разрешения счета | |9 |OV |общий вывод | |10 |PE(инв.|вход разрешения парал. | |11 |) |загрузки | |12 |ECR |вход разрешения переноса | |13 |D03 |выход данных | |14 |D02 |выход данных | |15 |D01 |выход данных | |16 |D00 |выход данных | | |CR |выход переноса | | |Ucc |напряжения питания | Предполагается что цифровые входы данных D0...D3 , а также входы R(инв.) , ECT , ECR и PE(инв.) будут управляться с ЭВМ , соответствующим программным и аппаратным обеспечением . 3.1.3. Фазово-частотный детектор (ФЧД). Если на схему ФЧД приходят равные частоты fог/M и fвых/N то из условия равенства этих частот получаем [pic]. В качестве ФЧД выбираем ИМС исключающее « или » серии К155ЛП5 (Аналог 74ALS86). 3.1.4. Генератор управляемый напряжением (ГУН). ГУН - генератор , частота которого пропорциональна управляющему напряжению. Выбираем ИМС К531ГГ1 (Аналог 74S124N). Микросхема 531ГГ1-представляет собой два генератора. Частота каждого генератора управляется напряжением. Каждый генератор представляет собой автомультивибратор , имеющий вход управления частотой (УЧ) выводы 1 и 2 и диапазоном частоты (Д) выводы 14 и 3. К выводам 12 и 13 подсоединим кварцевый резонатор КР374 на 16МГц. 16,15 - Uп; 9,8-общий вывод. Для обеспечения заданного диапазона частоты ко входам 4-5 присоединяем конденсатор емкостью с=2 пФ (КД-1-2пФх100В). [pic] 3.1.5. Интегратор. Для управления работой ГУН служит интегратор на операционном усилителе [pic] Параметры R и С выбираем из условия , что постоянная времени интегрирования должна быть больше максимальной длительности сигнала в 10 раз. т.е. RC>10 мс. tи=R*C >10*T ; T=1/f=1/1КГц=1мс ; Выбираем R=100 КОм (МЛТ-0.25-100 кОм (5%) ; С=1 мкФ (К50-6-1мкФх6.3 В); Таким образом постоянная времени интегратора будет tи=R*C=100 мс; Интегратор выполним на основе быстродействующего ОУ 544УД2: Ku=20000; Uсм=30 мВ; Iвх=0.1 нА; f1=15 МГц Выходное напряжение интегратора будем рассчитывать по формуле: [pic] (1) , где [pic] (2) Посчитаем погрешность интегрирования, связанную с дополнительным напряжением на входе ОУ из-за неидеальности его свойств. DUвх=IвхR=1.10-3 В dUвх=DUвх/Uвх=2.10-4% Относительная ошибка интегрирования: g=tи/2tC=10-5 Найдем частоту wв : wв=1/(Ku+1)RC=2.10-4 Гц. 3.2. Формирователь сигнала (ФС). Формирователем сигнала заданной формы является восьмиразрядный сдвиговый регистр с последовательной загрузкой и параллельной выгрузкой КР1533ИР8 (Аналог 74ALS164). Микросхема КР1533ИР8 представляет собой восьмиразрядный сдвиговый регистр с последовательной загрузкой и параллельной выгрузкой. Наличие двух входов последовательной загрузки A и B позволяет использовать один из них в качестве управляющего загрузкой данных: низкий уровень напряжения хотя бы одном из них по положительному фронту тактового импульса устанавливает первый триггер регистра в состояние низкого уровня напряжения , в то же время высокий уровень напряжения на управляющем входе позволяет по другому входу осуществлять ввод данных в последовательном коде. Частота следования импульсов по входу С - не более 50 МГц , т.е. вполне пригодно т.к. максимальная частота дискретного синусоидального сигнала будет на выходе fвых = 50/16 ( 3МГц , что соответствует техническому заданию. Таблица назначения выводов |A |вход информационный | |B |вход информационный | |CLК |вход тактовый | |CLR |вход сброса | |QA |выход | |QB |выход | |QC |выход | |QD |выход | |QE |выход | |QF |выход | |QG |выход | |QH |выход | |Vcc |напряжение питания | |GND |общий вывод | КР1533ИР8 формирует дискретный периодический сигнал аппроксимированный функцией [pic] , где [pic] [pic] - период ; 16-16 дискретов на периоде ; n - номер текущего дискрета ; [pic] При однополярном питании данный сигнал сдвинут относительно нулевой точки на постоянную составляющую Eп/2. 3.2.1. Расчет номиналов резисторов. Данная схема может обеспечить Rвых=5КОм ; Запишем систему уравнений для нахождения номиналов резисторов: (3) [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] После расчета и округления до ближайших номинальных значений получаем: R1=R8=150КОм (МЛТ-0.25-150 кОм (5%); R2=R7=47КОм (МЛТ-0.25-47 кОм (5%) ; R3=R6=33КОм (МЛТ-0.25-33 кОм (5%) ; R4=R5=27КОм (МЛТ-0.25-27 кОм (5%); 3.2.2 Анализ сигнала на выходе ФС. Полезный сигнал на выходе регистра аппроксимируется ступенчато, что соответственно вносит свои погрешности и искажения. Возьмем сигнал для примера [pic] с частотой f=1000 Гц и числом дискретов N=16 ; [pic] [pic] Рассмотрим погрешность на половине периода [pic] Для аппроксимации данного сигнала рассмотрим функцию: [pic] , где floor(x) - функция , возвращающая ближайшее целое число меньшее или равное аргументу (х вещественный). [pic] Относительную погрешность пронормируем по истинному значению сигнала [pic] [pic] (4) Изобразим в процентном отношении [pic] Рассмотрим спектр сигнала на выходе ФС. Для этого применим разложение в ряд Фурье для периодического сигнала dcos(t). Найдем коэффициенты для разложения в ряд по косинусам: [pic] bk=0 (5) Так как значение напряжения на выходе ФС между отсчетами времени постоянно , то заменим интеграл на сумму : [pic] [pic] [pic] [pic] (6) [pic] (7) [pic] (8) Где k - номер гармоники в сигнале Определим коэффициент гармоник в процентах : [pic] [pic] (9) Спектр сигнала на выходе ФС выглядит следующим образом:[pic] Таким образом видно , что коэффициент гармоник достаточно велик и нужно применить ФНЧ, отсекающий высшие гармоники спектра сигнала. 3.2.3. Перестраиваемый фильтр управляемый цифровым кодом. Электрическая схема ФНЧ: [pic] Коэффициент передачи К(f) такой схемы равен: [pic] (11) R1=1КОм ; R2=R1 ; C=5 нФ. ЛАЧХ фильтра [pic] Рассчитаем подавление гармоник спектра сигнала в децибелах Kпод : [pic] где к -номер гармоники ; [pic] Найдем коэффициент гармоник после ФНЧ , амплитуды гармоник станут соответственно: [pic] (12) [pic] [pic]% (13) что соответствует техническому задания (Кгарм < 1 %) Но нам нужен перестраиваемый фильтр следовательно вместо резисторов будем использовать токовый ЦАП 572ПА1. 1 - аналоговый выход 1 2 - аналоговый выход 2 3 - общий 4 - цифровой вход 1 5 - цифровой вход 2 6 - цифровой вход 3 7 - цифровой вход 4 8 - цифровой вход 5 9 - цифровой вход 6 10- цифровой вход 7 11- цифровой вход 8 12- цифровой вход 9 13- цифровой вход 10 14- питание Uип (+) 15- опорное напряжение Uоп 16- вывод резистора обратной связи Для реализации динамических свойств ЦАП на выходе нужно использовать быстродействующий ОУ с коэффициентом усиления по напряжению не менее 104. В качестве ОУ выбираем быстродействующий К544УД2 |Ku |fmax, МГц |Uвых, В |Uпит, В |Iпот, мА | |20000 |15 |10 |±15 |7 | Схема фильтра управляемого цифровым кодом: [pic] R=10 КОм ; n=10 (разрядность ЦАП). [pic] Rmin=10 КОм (14) [pic] Rmax=10 МОм (15) Так как время установления выходного напряжения после подачи кода на вход ЦАП tуст равно 5 мкс, соответственно частота дискретизации fдискр должна быть не более 200 кГц, а с учетом того что по теореме Котельникова синусоиду можно восстановить лишь при наличии двух дискретов на период, то максимальная частота не может быть выше 100 кГц. То есть С равно: [pic] ; С= 1нФ (К50-6-1нФх6.3 В); Данный фильтр управляется цифровым двоичным кодом N (этот код соответствует коду из синтезатора частот) следовательно изменяя код N будет изменяться частота сигнала fc , сопротивление резистивной матрицы ЦАП , постоянная времени интегратор tи и соответственно частота среза фильтра fср. 4. Вывод. Т.о. блок возбуждения для вихретокового преобразователя обеспечивает подачу на накладной вихретоковый датчик синусоидального сигнала амплитудой 10 мА во всем диапазоне частот 1КГц-2.5 МГц , коэффициент гармоник сигнала при этом около 0.6%, что соответствует техническому задания. 5. Список используемой литературы. 1) Справочник "Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы", Москва, "Радио и связь" 1989 г. 2) Справочник "Изделия электронной техники. Цифровые микросхемы. Микросхемы памяти. Микросхемы ЦАП и АЦП", Москва, "Радио и связь" 1994 г. 3) Справочник "Резисторы", Москва, "Радио и связь" 1991 г. 4) Справочник "Расчет индуктивностей", Ленинград, "Энергия" 1970 г. 5) Справочник "Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий" том 2, Москва, "Машиностроение" 1986 г. 3) В.Н. Гусев, Ю.М. Гусев "Электроника", Москва, "Высшая школа" 1991г. ----------------------- БВ ВТП БО АЦП Порты ввода/вывода ЭВМ ОК ВТП ФС ФНЧ СЧ M :М ОГ ГУН ( ФЧД :N N Ucc Rинв PEинв C D0 D1 D2 D3 ECT ECR CT2 D00 D01 D02 D03 CR 01 09 02 03 04 05 06 07 10 14 13 12 11 15 Общий 572ПА1 4 . . . . . 13 15 14 16 1 2 3