Ххх. Учебное пособие Капранов Б. И., Коротков М. М., Короткова И. А. Издательство Томского политехничекого университета 2004
 Скачать 4.67 Mb.
|
5.2. Основные параметры контроляК основным относят параметры, которые обусловливают достоверность результатов УЗ-контроля. Ряд параметров определяется применяемой аппаратурой. В связи с этим из совокупности параметров контроля выделяют параметры аппаратуры. Параметры контроля и аппаратуры, установленные при рассмотрении взаимосвязи отдельных элементов процесса УЗ-дефектоскопии приведены в табл. 1. Таблица 1 - Основные параметры
Рассмотрим некоторые из основных параметров контроля Длина λ волны и частота f УЗ-колебаний. Рабочая частота fp ультразвуковых колебаний - частота составляющей спектра зондирующего импульса, имеющей максимальную амплитуду, изменяется при замене преобразователя и переключении регулирующих элементов генератора. Иногда при этом также производится переключение частотной полосы приемника дефектоскопа. Искажения спектра зондирующего импульса могут смещать значение частоты, так что частота максимума амплитуды в спектре импульса на выходе усилителя высокой частоты f может отличаться от fр. В формулах для расчета ослабления амплитуды сигнала используется значение длины волны  , соответствующее частоте f.Для измерения длины волны λ и частоты колебаний f используют две группы способов. Способы первой группы основанына измерении частоты f и последующем вычислении длины волны λ по известному значению скорости с2 распространения упругой волны в контролируемом металле. Способы второй группы предусматривают измерение длины упругой волны λ и последующий расчет частоты f, если известно значение скорости с2 в материале, для которого было измерено значение λ. Чувствительность В УЗ-контроле различают чувствительность пяти видов: абсолютную, реальную, предельную, условную и эквивалентную. В зависимости от настройки чувствительность дефектоскопа с преобразователем может принимать разные значения. Чувствительность (предельная, условная, эквивалентная), при которой измеряют характеристики выявленных дефектов и по ним оценивают качество объекта, называют чувствительностью оценки. На время поиска дефектов в процессе сканирования чувствительность оценки повышают в 2... 4 раза. Такую чувствительность называют чувствительностью поиска. Порог электрической чувствительности определяется отношением амплитуд минимального регистрируемого сигнала на входе усилителя Umin (при максимальной чувствительности приемника) к максимальному сигналу U0, возбуждающему преобразователь, т.е. отношением Umin/U0. Обобщающей характеристикой порога чувствительности дефектоскопа с преобразователем является абсолютная (максимальная акустическая) чувствительность, равная отношению амплитуды минимального акустического сигнала Pmin, который регистрируется дефектоскопом с преобразователем, к максимальной амплитуде акустического зондирующего импульса Р0, и связанная с электрической чувствительностью зависимостью  где К - двойной коэффициент преобразования;  - коэффициент прохождения по энергии границы призма (протектор) - изделие; r1 — средний путь ультразвука в призме (протекторе) из материала с коэффициентом затухания δ1.Абсолютную чувствительность дефектоскопа с конкретным преобразователем можно определить по образцу из материала с известными акустическими характеристиками, в котором выполнен искусственный отражатель. На образце находят положение преобразователя, соответствующее максимальной амплитуде эхо-сигнала от отражателя, и по аттенюатору определяют резерв ΔN (дБ) чувствительности, т. е. число делений аттенюатора, на которое еще можно повысить чувствительность до ее максимального значения или до появления электрических шумов. Абсолютную чувствительность определяют как сумму значений ΔN (дБ) и отношения Р'/Р0 (дБ), рассчитанного для данного отражателя. Реальная чувствительность характеризуется минимальными размерами реальных дефектов конкретного типа, выявляемых в конкретном объекте на заданной глубине при определенной настройке аппаратуры. Она может быть определена в результате статистической обработки данных контроля и металлографического исследования большой серии объектов этого вида. Предельная чувствительность характеризуется минимальными размерами искусственного, оптимального по выявляемости отражателя, который еще уверенно (с вероятностью не менее 0,99) обнаруживается на заданной глубине в конкретном объекте при определенной настройке аппаратуры. В качестве меры предельной чувствительности используют площадь Sa дискового отражателя с зеркально отражающей поверхностью, ориентированной нормально к акустической оси преобразователя. Эквивалентной площадью (диаметром) называют площадь (диаметр) плоскодонного отверстия, залегающего на той же глубине, что и реальный дефект, и дающей такую же амплитуду эхо-сигнала. Предельную чувствительность, распространенную на весь объем контролируемого изделия называют уровнем фиксации (контрольным уровнем) или уровнем браковки. Уровень фиксации определяется эквивалентной площадью дефекта, который должен выявляться во всем объеме контролируемого изделия; уровень браковки - эквивалентной площадью дефекта, недопустимою в данном изделии. Уровни фиксации и браковки установлены в нормах контроля данного изделия Предельную чувствительность дефектоскопа с преобразователем можно непосредственно измерить (или настроить) по испытательному образцу с одним или несколькими эталонными отражателями различного размера в виде отверстий с плоским дном. Для эталонирования предельной чувствительности по фокусирующей поверхности применяют АРД-диаграммы, связывающие эквивалентную площадь выявленного дефекта (предельную чувствительность), условный коэффициент выявляемости дефекта относительно фокусирующей поверхности и глубину расположения искомого дефекта. Рабочую АРД-диаграмму строят для конкретных материала, частоты упругих колебаний, размеров преобразователя и угла ввода луча. Для эталонирования предельной чувствительности по цилиндрическому отражателю удобно использовать расчетные SKH-диаграммы, связывающие эквивалентную площадь выявляемого дефекта S (предельную чувствительность), условней коэффициент выявляемости дефекта Кд относительно цилиндрического отражателя и глубину Н расположения искомого дефекта. Условная чувствительность характеризуется размерами и максимальной глубиной залегания выявляемых искусственных отражателей, принятых в качестве эталонных и выполненных в образце из материала с определенными акустическими свойствами. Реальная и предельная чувствительности определяют чувствительность метода в целом, а условная - только чувствительность дефектоскопа с преобразователем. Реальная и предельная чувствительности при контроле конкретных объектов могут быть воспроизведены по условной, если частота упругих колебаний, диаграмма направленности, средний путь ультразвука в призме и материал призмы преобразователя соответствуют частоте, диаграмме, пути и материалу при которых определена заданная условная чувствительность. Для эталонирования условной чувствительности Ку дефектоскопа с аттенюатором, проградуированным в децибелах, применяют образцы СО-2, СО-1 по ГОСТ 14782-86. При отсутствии в дефектоскопе аттенюатора условную чувствительность эталонируют по стандартному образцу СО-1. Значения условной чувствительности, измеренные по различным образцам, могут быть сопоставлены экспериментально. Чувствительность приемного тракта определяется значением амплитуды входного электрического сигнала, при котором амплитуда сигнала на индикаторе дефектоскопа достигает стандартного уровня Ас. За Ас обычно принимается половина экрана дефектоскопа. Чувствительность приемника регулируется, и ее наибольшее значение, соответствующее минимальному регистрируемому значению входного сигнала Umin, достигается при положениях регуляторов, соответствующих максимальному усилению. Если при этом возникают электрические шумы, то положение регуляторов должно быть таким, чтобы уровень шумов был не выше половины стандартного уровня. Амплитудная характеристика приемника дефектоскопа определяет изменение амплитуды сигнала на экране дефектоскопа в зависимости от изменения амплитуды входного сигнала на приемнике. Ее важнейший показатель - динамический диапазон, определяемый областью изменений амплитуды входного сигнала, при которой зависимость выходного сигнала от входного прямо пропорциональна. В высокочастотных дефектоскопах с линейным усилителем динамический диапазон составляет не менее 20 дБ. Порог электрической чувствительности (максимальная электрическая чувствительность) определяют отношением амплитуд минимального регистрируемого электрического сигнала на входе усилителя Umin (при максимальной чувствительности приемника) к максимальному сигналу возбудителя преобразователя U0, т.е. отношением Umin/U0. Эта величина характеризует чувствительность дефектоскопа как электронного прибора без преобразователя, который при измерениях этого параметра заменяется эквивалентной электрической схемой. Порог акустической чувствительности (максимальная акустическая чувствительность или абсолютная чувствительность) дефектоскопа с преобразователем равен отношению минимального регистрируемого акустического сигнала Рmin к максимальному излучаемому в изделие акустическому сигналу Р0. Он связан с максимальной электрической чувствительностью зависимостями: для контактного нормального преобразователя с двойным коэффициентом преобразования К  для преобразователя с линией задержки длиной r1, с затуханием δ1  где D — коэффициент прохождения по энергии границы задержка-изделие. В лучших дефектоскопах Рmin/Р0 достигает 115 дБ, а в дефектоскопах с излучением сложных сигналов и их корреляционной обработкой - 145 дБ. Проверка абсолютной чувствительности выполняется следующим образом. Все некалиброванные ручки, регулирующие чувствительность, устанавливают в положение, соответствующее максимуму чувствительности Рассчитывают значение Р'/Р0 для одного из искусственных отражателей по справочным таблицам. На образце с выбранным искусственным отражателем находят положение преобразователя, соответствующее максимуму амплитуды эхо-сигнала, и по аттенюатору определяют запас (резерв) Rm чувствительности дефектоскопа, т.е. число делений аттенюатора, на которое еще можно повысить чувствительность до ее максимального значения или до появления электрических шумов высотою А0/2 Суммой значений Р'/Р0 и Rm (дБ) определяют искомый параметр - отношение амплитуды минимального акустического сигнала Рmin, который регистрируется дефектоскопом, к максимальной амплитуде зондирующего импульса Р0. Направленность поля преобразователя Направленность поля преобразователя, характеризуемая его диаграммой направленности, определяет погрешность измерения координат и условных размеров дефектов. Числовыми характеристиками диаграммы направленности является угол наклона акустической оси α0 и угол раскрытия основного лепестка 2θ на уровне 3 дБ от максимума при работе в режиме излучения - приема. Мертвая зона Мертвая зона rmin (минимальная глубина прозвучивания) определяется минимальной глубиной залегания дефекта, надежно выявляемого дефектоскопом. Мертвая зона определяется по отражению ультразвука от искусственного дефекта типа цилиндра диаметром 2 мм, выполненного в образце из контролируемого материала. При контроле стальных изделий мертвая зона оценивается по СО-2. Значение rmin приближенно определяется по формуле  где  ,  - длительность соответственно импульса и реверберационных шумов преобразователя на уровне 0,1.Угол ввода колебаний Угол ввода луча α определяют как угол между нормалью к поверхности и направлением от точки выхода (или акустического центра) преобразователя на центр отверстия диаметром 6 мм в образце СО-2 при положении преобразователя, соответствующему максимуму эхо-сигнала от этого отверстия. Если преобразователь имеет большие размеры, большую ближнюю зону или контролируется материал, отличный от стали по скорости распространения звука, используют образец, подобный СО-2. Угол ввода отклоняется от угла αc, рассчитанного по закону синусов, в сторону угла, где достигается максимум коэффициента прозрачности для границы акустическая задержка (призма) - изделие. На больших глубинах залегания дефекта угол α уменьшается в связи с тем, что меньшим углам соответствует меньший путь точка выхода - отражатель, а это способствует увеличению амплитуды эхо-сигнала. При глубине залегания дефекта, большей 150 мм, необходимо измерять угол α на образце с повышенной глубиной залегания отверстия диаметром 6 мм. Эта глубина может быть уменьшена, если контролируется материал с большим затуханием или ширина диаграммы направленности преобразователя больше, чем для стандартных преобразователей. Разрешающая способность Разрешающая способность эхо-метода определяется минимальным расстоянием между двумя одинаковыми дефектами, при котором эти дефекты фиксируются как раздельные. Различают лучевую Δr и фронтальную Δl разрешающие способности. Лучевая определяется минимальным расстоянием Δr между двумя раздельно выявляемыми дефектами, расположенными в направлении хода луча вдоль акустической оси преобразователя. Такие отражатели в виде пазов или концентрических отверстий разного диаметра предусмотрены в СО-1. Значение  .Фронтальная разрешающая способность определяется минимальным расстоянием Δl между двумя раздельно выявляемыми дефектами, расположенными вдоль фронта волны (для прямого преобразователя на одной глубине). Значение Δl должно превышать большее из двух значений - D или 1,2(rλ/D), где D - размер преобразователя. Параметры сканирования Параметры сканирования - это скорость перемещения преобразователя относительно поверхности контролируемого изделия и шаг между соседними траекториями перемещения. Эти параметры определяют производительность контроля. Они должны обеспечить проверку всего объема изделия (при стопроцентном контроле). В практике контроля в основном применяют способы поперечно-продольного и продольно-поперечного перемещения преобразователя. Способ сканирования, при котором преобразователь (систему преобразователей) перемещают в поперечном направлении относительно контролируемого сечения, систематически сдвигая на определенный шаг в продольном направлении, является способом поперечно-продольного перемещения преобразователей (см. рис. 5, а). При продольно-поперечном способе перемещения (рис 5, б) преобразователь (систему преобразователей) перемещают в продольном направлении относительно контролируемого сечения, систематически сдвигая на определенный шаг в поперечном направлении. Расстояние между соседними траекториями точки ввода упругих колебаний при любом способе сканирования называют шагом сканирования.   а б Рис. 5. Схемы сканирования шва посредством поперечно-продольного (а) и продольно-поперечного (б) перемещения преобразователя Шаг сканирования Δс обычно устанавливают не меньше половины размера пьезоэлемента преобразователя в направлении шага. Более точное значение шага (это особенно существенно при автоматическом контроле) определяется минимальной шириной акустического поля преобразователя на определенном уровне от максимального значения чувствительности. Обычно чувствительность при поиске дефектов устанавливается выше уровня фиксации (чаще всего, на 6 дБ). Это превышение определяет уровень ширины акустического поля при установлении шага сканирования. Сканирование объекта можно вести посредством продольного, поперечного, поперечно-продольного, продольно-поперечного перемещения преобразователей, а также бегающим и качающимися лучами. Скорость v перемещения преобразователя при ручном контроле не должна превышать 150 мм/с. При автоматическом контроле она ограничивается частотой посылок зондирующих импульсов Nи и инерционностью регистратора дефектов, определяемой числом импульсов Nр, от которого срабатывает регистратор. Для круглого или квадратного преобразователя  Нестабильность акустического контакта Характеризует изменение чувствительности, возникающее в связи с тем, что прохождение ультразвука из преобразователя в различных изделиях не одинаково. При контактном способе контроля нестабильность возникает вследствие либо частичного, либо полного отсутствия контактной жидкости, а также вследствие изменения толщины слоя жидкости. Чувствительность для специально сконструированных прямых и наклонных преобразователей изменяется на 4 - 6 дБ, для обычных прямых преобразователей изменение составляет до 20 дБ при сканировании по гладкой поверхности. При контактном способе контроля прямым преобразователем механически обработанной поверхности высота неровностей должна быть не более Rz=10 мкм, наклонным преобразователем – Rz=40 мкм; волнистость - не более 1 мм на площади 50x50 мм. При контроле щелевым, и особенно, иммерсионными способами изменение чувствительности от нестабильности контакта значительно меньше, чем при контактном. Влияние изменения акустического контакта наиболее заметно в том случае, когда настройку выполняют на образце с гладкой поверхностью, а поверхность контролируемого изделия более шероховата. Корректирование чувствительности можно выполнить по измерению донного сигнала (при контроле прямым преобразователем) или сигнала от какого-либо отражателя, одинакового для образца и изделия. Минимальный условный размер фиксируемого дефекта Выходным устройством любого дефектоскопа служит индикатор. Ему присуща инерционность, характеризующаяся числом N; импульсов при заданной частоте F посылок, после поступления которых на вход индикатора он срабатывает. Чтобы значение N не зависело от амплитуды и формы эхо-сигналов, отраженных дефектом, на вход индикатора следует подавать эхо-сигналы с предварительно нормализованными амплитудой и длительностью. Величина  - это время, в течение которого сигналы должны поступать на индикатор, для того чтобы он сработал. Время Ти также является характеристикой инерционности индикатора.Максимальная скорость сканирования vс max, обеспечивающая прием N сигналов от дефекта с условным размером ΔХ0  где ΔХ0 - длина зоны перемещения преобразователя, в которой на вход индикатора поступают нормализованные эхо-сигналы; Ти - инерционность индикатора. При установленных значениях vc, F и N дефекты, условная ширина которых меньше  индикатором не регистрируются. Условный размер ΔХ дефекта при прочих равных условиях тем больше, чем выше условная чувствительность дефектоскопа и чем меньше эквивалентная площадь Sэ дефекта, поэтому с возрастанием скорости сканирования предельная чувствительность как бы снижается. Действительное значение ΔХ0 экспериментально можно определить как усредненный результат многократных и тщательных лабораторных измерений, выполненных при заданной чувствительности Sп.0, малой скорости сканирования и высоком качестве акустического контакта. В практике дефектоскопии измеряемые значения ΔХ вследствие нарушения стабильности акустического контакта могут быть существенно меньше ΔХ0. Таким образом, повышение скорости vс сопровождается уменьшением предельной чувствительности и снижением надежности выявления дефектов, условная ширина ΔХ0 которых равна или незначительно превышает ΔXmin. |
, дБ