вап. Лекции по УК новые. Курс лекций по ультразвуковому контролю материалов и изделий разработал Специалист iii уровня по ук, к т. н
 Скачать 2.27 Mb.
|
|
(неверно) h ж >h ж min (верно) Рис. II.23. В «наклонном» варианте, когда угол , подчиняясь закону Снеллиуса, превыша- ет первый критический для границы «жидкость-ОК», этим обеспечивается лишь полное погружение рабочей поверхности ПЭП, поскольку отражение от верхней грани уходит с акустического тракта, не возвращаясь в ПЭП и не создавая помех. Иммерсионный способ часто используют в металлургической промышленности для контроля отливок и поковок с грубой или сложной по форме поверхностью, а так- 67 же для контроля листового проката эхо-сквозным методом. Однако он находит приме- нение и на объектах Госгортехнадзора. Например, его используют для контроля рото- ров паровых турбин ТЭЦ и ГРЭС со стороны осевого канала. Эти объекты имеют очень большие габариты и очень сложную форму наружной поверхности. Один из вариантов контроля состоит в следующем. В осевой канал уложенного на специальные валки ро- тора вставляют штангу с закрепленным на конце ПЭП и заполняют канал жидкостью. Затем ротор начинают медленно вращать, а штангу перемещают продольно, следя за показаниями прибора. III. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ К техническим средствам ультразвукового контроля относятся: - аппаратура (дефектоскопы, толщиномеры); - преобразователи; - вспомогательная оснастка (соединительные кабели, акустические линзы и т.п.); - стандартные образцы. III.1. Функциональная схема, амплитудно-временные диаграммы и принцип действия импульсного ультразвукового дефектоскопа (на примере УД2-12) Функциональная схема импульсного ультразвукового дефектоскопа изображена на рисунке III.1. Ей соответствуют амплитудно-временные диаграммы, изображенные на рисунке III.2. Диаграммы показаны не в масштабе, но подразумевается, что амплиту- да U (общая ордината) отсчитывается в вольтах напряжения в данной контрольной точке, а время t (абсциссы 1-9) – в микросекундах. Принцип действия дефектоскопа заключается в следующем. Управляющий про- чими блоками независимый генератор синхроимпульсов (ГСИ) вырабатывает на своем выходе (контрольная точка 1 на рис. III.1) импульсы синхронизации типа «метка» мак- симальной амплитудой 5 вольт с тактовым интервалом Т и , задаваемым частотой син- хронизации (см. абсциссу 1 на рис. III.2). Частота синхронизации (частота посылок им- пульсов) на дефектоскопе УД2-12 задается комбинацией кнопок «125 Hz / 500 Hz» и « 2» на блоке «СИНХРОНИЗАТОР» задней панели. Таким образом, может быть вы- брано одно из четырех значений частоты посылок импульсов: 125, 250, 500, 1000 Гц. Конкретное значение выбирается в зависимости от глубины зондирования материала объекта контроля (ОК): чем дальше может залегать ожидаемый дефект, тем ниже должна быть частота посылок, поскольку эхосигнал от дефекта должен быть принят раньше следующей посылки. При этом следует иметь в виду, что чем ниже частота, тем слабее свечение экрана, поскольку частота воспроизведения изображения равна частоте посылок. По команде ГСИ генератор зондирующих импульсов (ГЗИ) вырабатывает на своем выходе (точка 2) ударно-затухающий электроимпульс заданной рабочей частоты (радиоимпульс) амплитудой до 160 вольт (см. абсциссу 2). Органами управления ГЗИ являются ручка «АМПЛ» и частотный аттенюатор на блоке А7 верхней панели. Отличительной особенностью ручки «АМПЛ» является то, что с ее помощью можно усиливать полезные сигналы без усиления структурных шу- мов материала ОК, так как она регулирует мощность излучения на выходе ГЗИ, а не на приеме. На частотном аттенюаторе должна быть нажата кнопка, соответствующая па- раметрической частоте выбранного ПЭП. 68 Рис.III.1 Рис.III.2 69 Выработанным ГЗИ радиоимпульсом возбуждается излучающая пьезопластина ПЭП (И). (В совмещенном режиме, когда показанный на схеме условный выключатель замкнут, излучающая пластина является и принимающей; здесь в целях наглядности показан раздельный режим). Электроимпульс преобразуется в акустический, следует по призме и материалу ОК до отражения от дефекта (Д) и обратно в ПЭП через призму на принимающую пластину (П). Этот процесс занимает время, называемое временем за- держки эха от дефекта t з (см. абсциссу 3) и по ранее изученным причинам сильно гасит амплитуду сигнала (возможно гашение в 1000 и более раз) и искажает его форму в ко- локолообразную. Принятый импульс поступает на вход усилителя (У). Усилитель управляется синхроимпульсом через блок временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Блок ВРЧ служит для аппаратурного выравнивания чувствительности по дальности залега- ния дефекта. Это выравнивание достигается за счет того, что при корректной настройке ВРЧ более ранние эхосигналы усиливаются в меньшей степени, чем поздние, для чего и необходима команда синхроимпульса как начало отсчета времени. Если же блок ВРЧ не используется, то все его органы должны быть выведены в нулевые позиции. Усили- тель усиливает, инвертирует и модулирует эхосигналы (то есть преобразует их в видео- импульсы) и со своего выхода (точка 4) посылает их на вертикально отклоняющие пла- стины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), в глубиномерное устройство (ГУ) и в блок автоматической сигнализации дефектов (АСД). На абсциссе 4 зондирующий импульс показан пунктиром, поскольку в отличие от совмещенного в раздельном режиме нет связи через условный выключатель между точками 2 и 3, и в этом случае зондирующий импульс не визуализируется на экране. В совмещенном же режиме он поступает непо- средственно от ГЗИ через усилитель на экран ЭЛТ, занимая на нем некоторое началь- ное пространство и этим обуславливая понятие «мертвая зона». Органами настройки усилителя являются ручка усиления приема ( ) на блоке А8, органы компенсационной отсечки шумов ( ) и частотный аттенюатор на блоке А9 верхней панели, а также кнопочный аттенюатор «ОСЛАБЛЕНИЕ» на лицевой пане- ли. На частотном аттенюаторе должна быть нажата кнопка, соответствующая парамет- рической частоте выбранного ПЭП. Компенсационная отсечка шумов позволяет не вы- водить на экран сигналы, не превышающие некоторый регулируемый уровень (уровень отсечки), не искажая при этом амплитуду полезных сигналов. Органы настройки ВРЧ: ручки крутизны ( ), кривизны ( ) и зоны действия ( , ) на блоке А8. Глубиномерное устройство (ГУ) включает в себя 5 блоков: компенсатор задерж- ки (КЗ), измерительный триггер (ИТ), независимый генератор импульсов заполнения (ГИЗ), электронный ключ (К) и счетчик импульсов (СИ). Компенсатор задержки служит для исключения из расчета координат того вре- мени, в течение которого импульс движется по призме ПЭП на стадии излучения и приема. Это совокупное время t к (см. абсциссу 5) исключается путем задержки на него синхроимпульса перед его поступлением на отпирающий вход ИТ. Таким образом, за- дача КЗ состоит лишь в том, чтобы придержать для глубиномера начало отсчета на время, регулируемое при настройке дефектоскопа ручкой «задержка нуля» ( ) на бло- ке А6. Измерительный триггер ИТ имеет два входа (отпирающий и запирающий) и один выход (точка 6). Триггер как электронное устройство действует таким образом. Как только на отпирающий вход поступает короткий сигнал типа «метка», на его выхо- де дискретно возникает некоторое постоянное напряжение – начало П-образного сиг- нала, который будет продолжаться до тех пор, пока не поступит сигнал на запирающий вход. В данном случае отпирающим сигналом является задержанный синхроимпульс, а 70 запирающим – видеоимпульс с выхода усилителя. Таким образом, длительность П- образного импульса в точке 6 равна времени хода ультразвукового сигнала только по материалу ОК (см. абсциссу 6). Остается измерить эту длительность, для чего и служат остальные три блока ГУ. Генератор импульсов заполнения ГИЗ непрерывно вырабатывает на своем выхо- де (точка 7) очень короткие П-образные импульсы с частотой следования: а) в режиме «микросекунды» (« S») – 1, 10 или 100 МГц, благодаря чему в этом режиме можно измерить время хода сигнала с точностью до 1, 0,1 или 0,01 S (подби- рается сенсором « S» на лицевой панели); б) в режимах измерения координат (X, Y, H) – настраиваемой при калибровке глубиномера соответствующими дисками на блоке А5. Электронный ключ К представляет собой транзисторный каскад, действующий по простому принципу: связь между точками 7 и 8 открыта лишь тогда, когда на базо- вом входе (Б) есть некоторое напряжение. Поэтому в точку 8 поступает лишь то коли- чество импульсов заполнения, которое успевает пройти через ключ за время действия П-образного импульса в точке 6. Счетчик СИ преобразует этот набор сигналов в циф- ровую форму и подает результат на табло блока цифрового отсчета (БЦО). В режиме « S» с выбранной точностью на табло визуализируется длительность вышеуказанного П-образного сигнала непосредственно как число импульсов заполне- ния в точке 8. В режимах X, Y, H соответствующая координата как бы рассчитывается по одной из формул: X=0,5t з C t sin t (III.1.1) Y=0,5t з C t cos t (III.1.2) H=0,5t з C l или H=0,5t з C t (при оценке дистанции до дефекта по наклонному лучу) (III.1.3) Коэффициент 0,5 связан с двукратным прохождением сигнала по акустическому тракту – до дефекта и обратно. Однако на самом деле прибор таких расчетов не произ- водит, поскольку математическая зависимость между X, Y, H и t з – линейна, что позво- ляет просто соответствующим образом откалибровать частоту импульсов заполнения при настройке ГУ по образцам. В результате точной настройки поступление десяти импульсов заполнения будет соответствовать одному миллиметру выбранной коорди- наты, поскольку дискретность отсчета координат на УД2-12 составляет 0,1 мм. Задача генератора развертки ГР состоит в том, чтобы организовать электронный пучок в лучевой трубке ЭЛТ и управлять его горизонтальным перемещением. Горизон- тальное перемещение пучка обеспечивается пилообразным напряжением в точке 9. Нарастание напряжения в промежуток между двумя синхроимпульсами (абсцисса 9) от 0 до нескольких киловольт влечет электромагнитное оттягивание луча от левого края экрана к правому. Внутреннее флуоресцентное покрытие экрана способствует сохране- нию следа луча в течение некоторого времени, благодаря чему линия развертки кажется постоянной, а ее яркость зависит от частоты синхронизации. Вертикальное смещение пучка в соответствующие моменты времени задают усилитель и генератор строба ГСТ. Главными элементами блока автоматической сигнализации дефектов АСД являются блок цифрового отсчета БЦО (цифровая индикация амплитуды сигнала, координат и времени хода) и генератор строба ГСТ, который управляется ручками и на блоке А10 и отвечает за визуализацию зоны автоматической обработки сигналов на экране. Все функции АСД выполняются только в отношении сигналов, попадающих в пределы 71 строба. Кроме того, в состав блока АСД входят цветные индикаторы уровней амплиту- ды сигнала, звуковой индикатор и орган индивидуальной селекции (центральная ручка на лицевой панели). III.2. Функциональная схема, амплитудно-временные диаграммы и принцип действия импульсного ультразвукового толщиномера (на примере УТ-93П) Функциональная схема импульсного ультразвукового толщиномера изображена на рисунке III.3. Ей соответствуют амплитудно-временные диаграммы, изображенные на рисунке III.4. Принцип действия толщиномера заключается в следующем. Независимый гене- ратор синхроимпульсов (ГСИ) вырабатывает на своем выходе (точка 1) импульсы син- хронизации типа «метка» максимальной амплитудой 5 вольт с фиксированным такто- вым интервалом Т и (см. абсциссу 1). По команде ГСИ генератор зондирующих импульсов (ГЗИ) вырабатывает на своем выходе (точка 2) ударно-затухающий радиоимпульс амплитудой до 60 вольт (абсцисса 2). Выработанным ГЗИ радиоимпульсом возбуждается излучающая пьезопластина прямого раздельно-совмещенного ПЭП (И). Электроимпульс преобразуется в акустиче- ский, следует по призме и материалу ОК до отражения от противоположной поверхно- сти и обратно в ПЭП через призму на принимающую пластину (П). Этот процесс зани- мает время t з (абсцисса 3). Принятый импульс (точка 3) поступает на вход приемного устройства (ПУ). Приемное устройство усиливает эхосигнал и преобразует его в импульс типа «метка» (точка 4, абсцисса 4). Органом настройки приемного устройства является шлицевой регулятор уровня дискриминации (селекции) , которым устанавливается минималь- ная амплитуда эха, подлежащего обработке. Если уровень селекции окажется ниже уровня шумов, то индикатор акустического контакта на табло будет работать непре- рывно независимо от измерений, а показания будут носить хаотический характер. Компенсатор задержки КЗ задерживает синхроимпульс на время хода сигнала по призмам t к (абсцисса 5) перед подачей на отпирающий вход измерительного триггера ИТ. Органом настройки КЗ является ручка задержки нуля . Измерительный триггер ИТ, запираемый сигналом с выхода ПУ, вырабатывает в точке 6 П-образный сигнал, длительность которого равна времени хода ультразвуково- го сигнала только по материалу ОК (абсцисса 6). Генератор импульсов заполнения ГИЗ непрерывно вырабатывает на своем выхо- де (точка 7) очень короткие П-образные импульсы с частотой следования, настраивае- мой при калибровке толщиномера ручкой « ». Электронный ключ К обеспечивает связь между точками 7 и 8 лишь тогда, когда в точке 6 есть напряжение. Количество поступивших за это время в точку 8 импульсов заполнения преобразуется счетчиком СИ в цифровую форму и подается на табло БЦО. Толщина ОК представляется как рассчитанная по формуле: H=0,5t з C l (III.2.1) На самом деле число импульсов счета калибруется при настройке толщиномера по образцам и приводится к 10 на 1 мм толщины. 72 Рис.III.3 Рис.III.4 73 III.3. Конструкции преобразователей III.3.1. Устройство типовых пьезоэлектрических преобразователей Типовые ПЭП конструктивно подразделяются: по режиму действия – на совмещенные и раздельно-совмещенные; по направлению посыла сигнала – на прямые и наклонные. Совмещенные преобразователи могут выполнять одновременно роль излучателя и приемника, если они подключены к прибору по совмещенной схеме (то есть одно- временно к выходу генератора и входу усилителя). При раздельной схеме два совме- щенных преобразователя подключаются индивидуально: излучающий – к выходу гене- ратора, принимающий – к входу усилителя. При раздельно-совмещенной схеме один преобразователь подключается в совмещенном режиме, а другой – только к входу уси- лителя как дополнительный приемник. Раздельно-совмещенный преобразователь все- гда подключается только по раздельной схеме. Действие прямых преобразователей направлено вдоль их главной оси, перпен- дикулярно поверхности ввода сигнала. Сигнал всегда распространяется в виде про- дольных волн. Направление действия наклонных преобразователей определяется углом призмы и законом Снеллиуса. Тип волн также определяется этим законом. III.3.1.1. Совмещенные преобразователи Конструкции совмещенных преобразователей приведены на рисунках III.5 и III.6, а спецификация и назначение элементов – в прилагаемых к ним таблицах. с акустической без акустической задержкой задержки Рис. III.5. Прямые совмещенные преобразователи. Поз. Наименование Материал Назначение 1 2 3 4 1 Пьезопластина ЦТС-19 Прямой и обратный пьезоэффект 2а Линия акусти- ческой задерж- ки Оргстекло Поглощение ближней зоны Френеля, механиче- ская защита рабочей поверхности пьезопластины 74 1 2 3 4 2б Протектор Фторопласт Механическая защита рабочей поверхности пьез- опластины 3 Демпфер Эпоксидный ком- паунд с добавлени- ем цемента, эбони- товой крошки, дре- весных опилок Сокращение длительности зондирующего им- пульса, расширение частотной полосы пропуска- ния 4 Коаксиальный кабель Типовой Помехозащищенная связь пьезопластины с разъ- емом 5 Коаксиальный разъем Типовой Помехозащищенное подключение соединитель- ного кабеля 6 Корпус Алюминий Общая механическая защита и экранирование Рис. III.6. Наклонный совмещенный преобразователь. Поз. Наименование Материал Назначение 1 2 3 4 1 Пьезопластина ЦТС-19 Прямой и обратный пьезоэффект 2а Рабочая зона призмы Оргстекло Обеспечение наклонного ввода сигнала с транс- формацией типов волн, поглощение ближней зоны Френеля, механическая защита рабочей по- верхности пьезопластины 2б Вспомогатель- ная зона приз- мы – акустиче- ская ловушка Отвод отраженных волн из рабочей зоны 3 Демпфер Эпоксидный ком- паунд с добавлени- ем цемента, эбони- товой крошки, дре- весных опилок Сокращение длительности зондирующего им- пульса, расширение частотной полосы пропуска- ния 4 Коаксиальный кабель Типовой Помехозащищенная связь пьезопластины с разъ- емом 75 1 2 3 4 5 Коаксиальный разъем Типовой Помехозащищенное подключение соединитель- ного кабеля 6 Волногасители Оребренные перед- няя и верхняя гра- ни призмы или пластины из проб- кового дерева Гашение отраженных волн 7 Корпус Алюминий Общая механическая защита и экранирование ТВ Точка выхода - Опорный элемент оценки геометрических пара- метров ПЭП и координат дефекта r Размерный по- казатель линии акустической задержки - Элемент расчета уравнений акустического тракта n Стрела преоб- разователя - Полное размещение проекции звукового пучка в пределах рабочей грани призмы Некоторые замечания: 1. Поглощение ближней зоны линией акустической задержки необходимо при контроле относительно тонких изделий, так как это – зона неоднородного распределе- ния энергии в пучке, и попадание в нее даже относительно крупного дефекта может повлечь его пропуск или недооценку. 2. Демпфированием тыльной грани пьезопластины достигается не только со- кращение длительности импульса (снижение добротности колебательного контура), но расширение частотной полосы пропускания: при повышении коэффициента демпфиро- вания амплитудно-частотная характеристика ПЭП стремится к сглаживанию, благодаря чему амплитуда передаваемого сигнала снижается для колебаний основной частоты, но несколько повышается для прилегающих к ней значений f. 3. Стрела наклонного ПЭП должна быть не менее такого значения, при котором весь активный звуковой пучок падает только на рабочую поверхность призмы. В про- тивном случае (если в пучок попадает передняя кромка призмы) уже при подключении ПЭП к прибору на его экране будет возникать крупный мешающий сигнал отражения от передней кромки. Такой ПЭП к применению не пригоден. |