Экзамен узк. Учебное пособие УЗТ. Арц нк ультразвуковая толщинометрия учебные материалы
 Скачать 2.09 Mb.
|
|
ГЛАВА 2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОЛЩИНОМЕТРИИ 2.1. Физические эффекты для получения акустических колебаний Как мы уже говорили, ввод акустичеких колебаний в изделие и регистрация выходящих из изделия акустических колебаний осуществляется с помощью преобразователей электрической энергии в акустический сигнал (излучатели) и преобразователей акустической энергии в электрический сигнал (приемники). В качестве излучателей и приемников для целей ультразвуковой толщинометрии используют чаще всего преобразователи, действие которых основано на пьезоэлектрическом и электромагнитно-акустическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при сжатии или растяжении пластинки из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, на ее гранях появятся электрические заряды, пропорциональные действующей силе и скорости механической деформации пластинки. Этот эффект обратим. Т.е. если мы к пьезопластинке приложим переменное электрическое поле, то ее геометрические форма и размеры будут меняться. Этим изменения пропорциональны амплитуде и скорости изменения электрического поля. Точка Кюри пьезоматериала - это температура, выше которой материал теряет пьезосвойства 2.2. Основные уравнения прямого и обратного пьезоэффекта Описание пьезоэлектрического эффекта в общем случае достаточно сложно. Это связано с тем, что пьезоэффект многосторонне связан с другими свойствами пьезомате- риала: упругими, электрическими, тепловыми. Каждое из этих свойств описывает соответствующее поле: упругое, электрическое, тепловое. В свою очередь, каждое из этих полей описывается своим напряжением и сво- ей деформацией. 2.3. Акустическое поле преобразователя Акустическое поле излучения преобразователя определяется давлением (или действующей компонентой тензора напряжения), которое действует на элементарный приемник, расположенный в произвольной точке пространства. Акустическое поле приема определяется сигналом приемного преобразователя при действии элементарного излучателя, расположенного в произвольной точке про- странства. Акустическое поле излучения – приема определяется сигналом приемного преобразователя, возникающим при отражении сигнала возбуждающего преобразователя от элементарного рассеивателя, расположенного произвольной точке пространства. Обычно поле приема преобразователя повторяет его же поле излучения. Поэтому поле из0лучения – приема одного и того же преобразователя пропорционально квадрату поля излучения. Для наглядности мы рассмотрим формирование полей излучения с точки зрения геометрической акустики, путем построения моделей прохождения лучей продольных, сдвиговых и поверхностных волн в некоторых телах, ограниченных плоскими и кривыми поверхностями. 19 Будем считать твердые тела однородными, изотропными, а ограничивающие их поверхности – гладкими. Рассмотрим геометрию волнового опля дискового излучателя, расположенного на плоской поверхности твердого упругого полупространства с неограниченными размера- ми по осям Х, У, Z. Считаем, что излучатель создает напряжение xk , нормальное к по- верхности. Если пренебречь влиянием промежуточных слоев между излучателем и сре- дой, то волновое поле будет иметь вид, представленный на рис. 2.2. Рис 2.2 Такое поле имеет две зоны: 1. ближняя зона (зона Френеля) толщиной 2 0 a r , в пределах которой отсутст- вует расхождение лучей и пучок лучей в сечении повторяет сечение пласти- ны. При этом 2 2 0 ( ) 2sin P x P a x x (2.29) Для ближней зоны максимум наблюдается при 2 a x n (рис. 2.3) Рис 2.3 20 2. дальняя зона (зона Фраунгофера)– это зона при 0 z r , в пределах которой на- блюдается расхождение лучей. Она характеризуется тем, что интенсивность акустической волны при удалении от преобразователя уменьшается обратно пропорционально расстоянию r. Угол расхождения , за пределами которого интенсивность волны меньше 0,1 равен arcsin 0,54 a (2.30) где - длина волны. Для дальней зоны диаграмма направленности имеет вид, показанный на рис. 2.4. 0 ( ) a m S P x P x (2.31) ( , ) ( ) ( ) m P x P x Ф (2.32) sin sin ( , ) 2 ( ) 2 ( ) sin sin a J J k P x P x P x a k (2.33) где sin J k - функция Бесселя первого рода Рис 2.4 На рис. 2.5 показано изменение формы пучка при увеличении диаметра преобразо- вателя. 21 Рис 2.5 Такая картина является идеальной. Практически мы всегда имеем дело с ограни- ченными телами. Кроме того, нормально приложенная к поверхности среды сила, вызо- вет в ней не только нормальную компоненту напряжения. На границах преобразователя возникнут напряжения, перпендикулярные направлению действующей силы, т.е. парал- лельно поверхности. В результате на границе излучателя возникнут сдвиговые и поверх- ностные волны, затухающие с глубиной. Взаимодействие всех этих волн приводит к ис- кажению идеальной картины. Кроме того, реальные тела имеют ограниченные размеры, т.е. существуют грани- цы. Отраженные от границ волны взаимодействуют с первичными, создавая сложные акустические поля. 2.4. Преобразователи для ультразвуковой толщинометрии По назначению преобразователи делят на нормальные (прямые), служащие для генерации продольных волн и наклонные (призматические), используемые для возбу- ждения нормальных, поперечных и поверхностных волн. По функциональным признакам преобразователи подразделяют на раздельные, со- вмещенные и раздельно-совмещенные. Раздельные преобразователи в процессе контроля выполняют функции либо излу- чателя, либо приемника и их включают по раздельной схеме (пьезоэлемент подключен либо к генератору, либо к усилителю). Совмещенные преобразователи включают по со- вмещенной схеме (пьезоэлемент соединен одновременно с генератором и усилителем) и они выполняют поочередно функции то излучателя, то приемника. Раздельно- совмещенные преобразователи содержат два пьезоэлемента, включенных раздельно, но конструктивно объединенных в одном корпусе. Схемы типовых преобразователей, получивших применение для целей ультразву- ковой толщинометрии приведены на рис. 2.6. Все преобразователи имеют следующие основные элементы: пьезоэлемент, корпус, демпфер, служащий для гашения свободных колебаний пьезопластины и получения коротких импульсов, протектор, защищающий от пьезоэлемент от износа и механических повреждений. [20] 22 Прямой преобразователь предназначен для работы по совмещенной схеме. Пье- зопластину в таких преобразователях обычно изготавливают из ЦТС, также используют керамику ПКР и метаниобат свинца. Толщину пьезопластны делают равной половине длины волны. Для ЦТС на частотах 1…10 МГц она равна 0,16…1,6 мм. Пьезопластину ПЭП делают обычно круглой. Размеры выбирают с учетом поля излучения-приема. Уве- личение диаметра сужает диаграмму направленности в дальней зоне, но в то же время увеличивает протяженность ближней зоны, где оценка размеров и местоположения де- фектов затрудняется наличием максимумов и минимумов сигнала. Целесообразно при- менять пластины малого размера для контроля тонких изделий и большого – для контро- ля изделий значительно толщины. В раздельно-совмещенном преобразователе для предупреждения прямой пере- дачи сигналов от излучателя к приемнику имеется акустический экран. При работе с та- ким преобразователем, изменяя углы призм (от 0 до 10 0 ), высоту и расстояние между ни- ми, изменяют минимальную и максимальную глубину прозвучивания изделия. Также конструкция раздельно-совмещенного преобразователя подразумевает использование призмы, служащей для ввода упругих волн под углом к поверхности изделия. Раздельно-совмещенныепреобразователи отличаются минимальным уровнем соб- ственных шумов, очень малой мертвой зоной, высокой чувствительностью. С их помо- щью можно добиться выравнивания чувствительности к дефектам, расположенным на разной глубине. Обычно призмы изготавливают из оргстекла. Пластины располагаются под не- большим углом 4 – 5 0 . Между пластинами помещается звукопоглощающий экран. Углы наклона призм, расстояние между пластинами подбирается так, чтобы обеспечить выяв- ление дефектов в заданном диапазоне толщин. Максимум излучения находится несколь- ко выше точки пересечения акустических осей из-за затухания и расхождения. [22] а б Рис. 2.6. Конструкции ультразвуковых преобразователей: 1 – пьезоэлемент; 2 – корпус; 3 – демпфер; 4 - протектор; 5 – призма; 6 – акустический экран Вопросы для самопроверки: 1. От каких параметров зависит направленность излучения? 2. Какие параметры определяют рабочую частоту преобразователя? 3. Как следует раздельно-совмещенный преобразователь подключать к толщино- меру? 4. Какой из ниженазванных параметров определяет рабочую частоту преобразова- теля? 23 5. Каково назначение пьезоэлемента в преобразователе? 6. Что такое точка Кюри пьезоматериала? 7. Прямой преобразователь последовательно устанавливается на образцы из орга- нического стекла и стали. В каком случае протяженность ближней зоны поля излучения больше? 8. Чем отличаются ближняя и мертвая зоны с точки зрения контроля? 9. От каких параметров зависит величина мертвой зоны? 10. Назовите отличительные особенности совмещенных и раздельно-совмещенных преобразователей. 11. За счет чего величина мертвой зоны у раздельно-совмещенных преобразовате- лей меньше, чем у совмещенных? 24 ГЛАВА 3. МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОЛЩИНОМЕТРИИ 3.1. Общие сведения Акустическими методами называют методы контроля, основанные на изменении упругих колебаний и волн в контролируемом объекте. Согласно ГОСТ 23829-79 акустические методы делят на две большие группы: Активные - использующие излучение и прием акустических колебаний Пассивные – основанные только на приеме колебаний. К активным методам относят методы, основанные на прохождении и отражении УЗК. Активные методы Эхо-метод. Высококачественный генератор вырабатывает кратковременные импульсы (либо с высокочастотным заполнением – радиоимпульсы, либо просто короткие импульсы). Посланный излучателем импульс, отразившись, возвращается обратно к преобразователю, который работает в это время на прием (рис. 3.2) Рис. 3.1. Схема эхо-метода С преобразователя сигнал поступает на усилитель, а затем, на отклоняющие пластины ЭЛТ (рис. 3.2). Рис. 3.2 Эхо-метод позволяет контролировать изделия при одностороннем доступе к ним. Это особенно ценно при проверке изделий, в которых отсутствует двусторонний доступ. Кроме того, чувствительность эхо-метода значительно выше теневого. В эхо-методе от- ражение даже 1% энергии очень хорошо не только обнаруживается, но и измеряется. Кроме того, эхо-метод позволяет определить, на какой глубине находится дефект. Если временное расстояние между зондирующим и отраженным от противоположной поверх- ности детали (донный импульс) принять за размер детали, то время между посылаемым импульсом и моментом прихода отраженного от дефекта импульса дает глубину залега- ния дефекта. Кроме того, по амплитуде отраженного сигнала можно судить о размерах дефекта, а изучая спектральный состав отраженного импульса, можно получить информацию о типе и форме дефекта. 25 Главный недостаток эхо-метода – наличие мертвой зоны под датчиком, что не дает возможности применять его для тонких изделий. Наличие мертвой зоны связано с тем, что при близко расположенном дефекте в момент прихода эхо-сигнала от него еще про- должается излучение зондирующего импульса. Для уменьшения мертвой зоны повыша- ют частоту УЗК, что позволяет уменьшить длительность зондирующего импульса. Длительность импульса определяет и разрешающую способность метода, т.е. ми- нимальное расстояние между дефектами по глубине, при котором их эхо-сигналы вос- принимаются раздельно. Очевидно разрешающая способность эхо-метода по глубине равна длительности зондирующего импульса. Повышение частоты с целью увеличения разрешения ограниченно сверху тем, что короткие волны начинают отражаться от границ кристаллических зерен металла, что вы- зывает появление помех. Кроме того, с увеличением частоты возрастает затухание УЗК. Эхо-метод - основной способ измерения толщины. Рассмотрим подробнее его воз- можности и ограничения. Точность измерения рассмотрим для наиболее простого случая, когда измерение выполняют по первому донному сигналу. Если скорость с распространения ультразвука в объекте известна, то, измеряя время t прохождения ультразвука в объекте в прямом и об- ратном направлениях, определяют толщину по формуле 0,5 h ct (3.1) Оценку погрешности измерениярасстояния выполним как применительно к изме- рению толщины, так и применительно к определению координат дефектов. Относитель- ная погрешность h h c c t t Настройку на скорость звука выполняют по образцу или по участку ОК известной толщины таким же способом, как измеряют толщину, поэтому погрешности измерения скорости и времени приблизительно совпадают, в результате 2 h h t t Существуют приборы с автоматической подстройкой скорости звука, в которых факторы, влияющие на точность измерения скорости и толщины, отличаются. Погрешность t измерения времени складывается из погрешностей tn , обуслов- ленных влиянием ряда факторов, поэтому n n t t Диапазон измеряемых толщин. Минимальную толщину изделий, контролируемых эхо-методом, определяет мертвая зона толщиномера. Она аналогична мертвой зоне де- фектоскопа. Для ее сокращения в приборах групп 1 и 3 добиваются минимальной дли- тельности зондирующего импульса, а в приборах группы 2 - применяют РС- преобразователи. В результате мертвая зона для толщиномеров групп 1 и 3 составляет 0,2...0,3 мм, а для толщиномеров группы 2 - 0,5...1,5 мм. 3.2. Аппаратурная реализация УЗ толщинометрии Эхо-импульсный толщиномер общего назначения Обычно в литературе рассматривают два метода толщинометрии при ручном ис- полнении контроля: эхо - импульсный и резонансный. Однако с развитием эхо - им- пульсного метода резонансный оказался неконкурентоспособен с ним по диапазону про- звучивания, требованиям к шероховатости и геометрии поверхностей и другим парамет- рам. Вследствие этого в настоящее время применяют только эхо - импульсный метод. 26 Вопросы для самопроверки: 1. Назовите основные причины, определяющие погрешности эхо-импульсных тол- щиномеров. 2. Сформулируйте условия для толщины слоя контактной жидкости при контакт- ном и иммерсионном способах ввода акустических колебаний 3. Какие типы генераторов применяются в эхо-импульсных толщиномерах? 4. Назовите основные преимущества использования резонансных толщиномеров перед эхо-импульсными. 5. Чем ограничена минимальная измеряемая толщина в эхо-импульсном методе измерения толщины. 27 ГЛАВА 4. МЕТОДОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОЛЩИНОМЕТРИИ 4.1. Условия применимости УЗ толщинометрии Как правило, УЗ метод измерения толщины применяют в местах, недоступных или труднодоступных для измерения толщины механическим измерительным инструментом. Особенно широко этот метод используют для определения толщины стенок труб, котлов, сосудов, то есть объектов замкнутого типа или с односторонним доступом. Обычно из- мерения производят на эквидистантных (равноудаленных друг от друга) поверхностях или участках поверхности, хотя принципиально возможны измерения и в других случа- ях. Необходимость и возможность проведения измерений должна быть согласована между заказчиком и специалистами по УЗ контролю с целью: оценки технической возможности измерения толщины с заданной погрешно- стью; проведения своевременной подготовки производства (разработка методики измерения толщины, изготовление образцов, приспособлений и т.п.) Погрешность измерений обычно определяют при доверительной вероятности Р=0,95. При необходимости она может быть оценена при более высоком значении дове- рительной вероятности. В соответствии с принятыми в метрологии правилами оценка годности объекта по фактическим показаниям прибора (без учета погрешности) производится, если выполня- ется одно из следующих условий: 1. Погрешность измерений не превышает 35% от половины поля допуска на контролируемый размер. При одностороннем допусковом контроле (отдельно по верх- нему или по нижнему отклонению) погрешность измерения не превышает 35% соответ- ствующего предельного отклонения; В конструкторской документации указаны предельные значения измеряемой вели- чины и погрешность измерения; 2. Погрешность измерения превышает значения, указанные в п.1, и нет воз- можности применить более точное средство измерения, назначены сокращенные прие- мочные границы, смещение которых определено по правилу: 0,35 / 2 н в (4.1) где - погрешность измерения; н , в - нижнее и верхнее отклонения от номинального размера. Если условия 1 – 3 не выполняются, а также в тех случаях, когда конструкторская документация предусматривает факультативное измерение толщины УЗ методом, оценка годности объекта не производится. Как правило, ручные измерения толщины производятся дискретно в отдельных точках. В настоящее время могут быть разработаны методики непрерывного контроля толщины с целью выявления участков, выходящих за пределы приемочных границ. Документация, содержащая требование измерения толщины должна включать в себя схему разметки объекта на точки, в которых необходимо производить измерения. Схема разметки должна иметь привязку начала отсчета. 28 Значительно реже акустические методы используют для измерений длин и диамет- ров ОК. К измерению размеров относится вопрос применения акустических методов для контроля шероховатости поверхности объектов. Как уже упоминалось в Главе 3, для измерения толщины используют эхо-метод и методы локальных колебаний (резонансные). В редких случаях используют метод про- хождения. При контроле методами отражения и прохождения измеряют время пробега импульса в ОК. Иногда измеряют амплитуду прошедшего сигнала или его фазу. При контроле методом колебаний измеряют резонансные частоты. Различают три вида задач при измерении толщины, которым соответствуют три группы приборов: 1. Ручной контроль изделий с гладкими параллельными поверхностями, например, изделий после их изготовления. 2. Ручной контроль изделий с грубыми непараллельными поверхностями, напри- мер изделий, внутренняя поверхность которых поражена коррозией. 3. Автоматический контроль в потоке (обычно труб). При решении задач 1 и 3 основное требование - высокая точность измерений. При решении задачи 2 важное требование - высокая чувствительность, чтобы фиксировать рассеянное отражение от неровной противоположной поверхности, определять места наибольшего локального утончения стенок. Требования к точности измерения снижены. При ручном контроле нужно обеспечить широкий диапазон измерений, причем главная трудность - в снижении минимально измеряемой толщины. Результаты измерений необ- ходимо представить в наглядной форме, например на цифровом табло. При автоматиче- ском контроле нужно обеспечить высокую производительность измерений (т.е. выпол- нить возможно большее количество измерений в единицу времени) и следить за тем, чтобы толщина была не меньше и не больше заданного допуска. В связи с существенным различием сформулированных задач их обычно решают с применением разных способов измерений и разных толщиномеров. Рассмотрим пригод- ность различных акустических методов для решения сформулированных выше задач из- мерения толщины. Необходимо обратить внимание на специфическую ошибку измерения изделий ма- лой толщины. Когда толщина ОК меньше минимального значения, измеряемого прибо- ром, то прибор может зафиксировать не первый донный сигнал (который слился с зонди- рующим импульсом), а второй. В результате будет допущена ошибка: измеренное значе- ние толщины будет вдвое больше истинного. Максимальная толщина ОК физическими причинами обычно не ограничена, кроме большого затухания ультразвука в некоторых материалах. В конкретных приборах ее оп- ределяет минимальная скорость развертки, используемой для преобразователя времени прихода эхосигналов в электрическое напряжение. Обычно максимальную толщину (для материалов с небольшим затуханием ультразвука) ограничивают размером 200...1000 мм. Большие толщины измеряют импульсными дефектоскопами и механическими средства- ми. Ограничивающие параметры объекта контроля. Наружная поверхность OK должна обеспечить возможность надежного акустического контакта с преобразователем, так же ка при дефектоскопии. Влияние неровности наружной поверхности на погреш- ность измерения рассмотрено выше. Состояние внутренне; поверхности ОК определяет выбор типа ультразвукового толщиномера. Для контроля изделий с неровной внутренней поверхностьк применяют только приборы группы 2, обладающие высокой чувствитель- ностью и использующие для измерения первый донный сигнал. 29 Радиус кривизны ОК - важная эксплуатационная характеристика толщиномера, по- скольку эти приборы чаще всего используют для контроля толщины стенок труб. Уменьшение радиуса кривизны приводит к уменьшению площади контакта преобразова- теля с поверхностью ОК и, следовательно, к уменьшению амплитуды измеряемого эхо- сигнала. Поэтому для эхо-импульсных толщиномеров минимальный радиус кривизны допускают приборы группы 2. Они позволяют контролировать трубу диаметром 5...10 мм, причем точность измерений и мертвая зона слабо зависят от радиуса кривизны. При- борами группы 1 контролируют трубы диаметром 10...20 мм и больше, причем погреш- ность и мертвая зона увеличиваются с уменьшением радиуса трубы. Этот же недостаток присущ также импульсным приборам группы В. Значительно лучшие показатели по ми- нимальному радиусу кривизны поверхности имеют иммерсионные резонансные автома- тические толщиномеры. Ими можно вести контроль толщины стенок труб диаметром 3 мм и более. |