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:

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.

f_c - 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 f_ог/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

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 f_ог/M и f_вых/N то из условия равенства этих частот получаем . 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).

3.1.5. Интегратор.

Для управления работой ГУН служит интегратор на операционном усилителе

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.
t_и=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 t_и=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:

(1)

, где (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

Íàéäåì ÷àñòîòó wâ : wâ=1/(Ku+1)RC=2.10-4 Ãö.

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 [RU1] 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 f_вых = 50/16 » 3МГц , что соответствует техническому заданию.

Таблица назначения выводов

КР1533ИР8 формирует дискретный периодический сигнал аппроксимированный функцией , где

- период ;

16-16 дискретов на периоде ;

n - номер текущего дискрета ;

При однополярном питании данный сигнал сдвинут относительно нулевой точки на постоянную составляющую E_п/2.

3.2.1. Расчет номиналов резисторов.

Данная схема может обеспечить R_вых=5КОм ;

Запишем систему уравнений для нахождения номиналов резисторов: (3)

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 с частотой f=1000 Гц и числом дискретов N=16 ;

Рассмотрим погрешность на половине периода

Для аппроксимации данного сигнала рассмотрим функцию:

, где floor(x) - функция , возвращающая ближайшее целое число меньшее или равное аргументу (х вещественный).

Относительную погрешность пронормируем по истинному значению сигнала

(4)

Изобразим в процентном отношении

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:

b_k=0 (5)

Так как значение напряжения на выходе ФС между отсчетами времени

постоянно , то заменим интеграл на сумму :

(6)

(7)

(8)

Где k - номер гармоники в сигнале

Определим коэффициент гармоник в процентах :

(9)

Спектр сигнала на выходе ФС выглядит следующим образом:

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:

Коэффициент передачи К(f) такой схемы равен:

(11)

R1=1КОм ; R2=R1 ; C=5 нФ.

ЛАЧХ фильтра

Рассчитаем подавление гармоник спектра сигнала в децибелах Kпод :

где к -номер гармоники ;

Найдем коэффициент гармоник после ФНЧ , амплитуды гармоник станут соответственно:

(12)

% (13)

что соответствует техническому задания (К_гарм < 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

Схема фильтра управляемого цифровым кодом:

R=10 КОм ; n=10 (разрядность ЦАП).

Rmin=10 КОм (14)

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:

; 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 f_c , сопротивление резистивной матрицы ЦАП , постоянная времени интегратор t_и и соответственно частота среза фильтра f_ср.

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.

[RU1]