2 УЗК теория. Звук, сгенерированный выше области слышимости человека (примерно 20 кГц), называется
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
Ближняя зона располагается непосредственно перед преобразователем и в ней амплитуда сигнала изменяется немонотонно. Более 80% энергии находится в пределах цилиндра, ограниченного краями пьезопластины, однако по сечению цилиндра энергия распределена неравномерно. Длина ближней зоны является функцией частоты преобразователя ( f ), диаметра пьезопластины ( D ) и скорости звука ( С ) в исследуемом материале для данного типа волн: Дальняя зона - область акустического излучения, в которой акустическое давление постепенно падает до нуля. В дальней зоне снимается диаграмма направленности преобразователя, по которой возможно рассчитать параметры проведения ультразвуковой дефектоскопии, особенно в случае использования наклонных преобразователей. Ближняя зона является физическим фокусом преобра- зователя. В ней производятся измерения толщины изделий и иногда дефектоскопия. В таблице приведены значения ближней зоны в стали для стандартных преобразователей. Частота, Диаметр, Ближняя зона, мм, для волн МГц мм продольных поперечных 2,25 18,8 33,75 61,36 12,5 14,92 27,13 5,00 18,8 75,01 136,36 12,5 33,16 60,28 7,50 18,8 112,51 204,54 12,5 49,74 90,42 АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ (продолжение) Акустическое поле преобразователя в общем случае можно представить в виде расходящихся конусом лучей. Амплитуда вдоль оси луча уменьшается. Для луча под некоторым углом к оси амплитуда также уменьшается. Зависимость амплитуды излучения от угла между лучом и осью называется диаграммой направленности Угол, при котором амплитуда сигнала становится равной нулю, называется углом раскрытия . Чем меньше угол раскрытия диаграммы направленности, тем выше направленность поля преобразователя. Высокая направленность поля позволяет снизить погрешность измерений, обусловленную геометрическими характеристиками объекта контроля (переотражения от стенок и углов), вызывающими случайные сигналы, сопоставимые с сигналами от дефектов. Ниже показана схема распространения луча для нефокусированного преобразователя, согласно которой угол раскрытия рассчитывается по следующей зависимости (для случая круглой пьезопластины): Здесь: С - скорость звука в материале (для прямого преобразователя - продольных волн, для наклонного - поперечных волн); f - частота; D - диаметр пьезопластины. Как видно из зависимости, для увеличения направленности излучения следует увеличить частоту и/или размеры пьезопластины . Для наклонного преобразователя направленность поля выше, чем для прямого (скорость поперечных волн меньше, чем продольных). a СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА 1 – усилитель [1.1- предусилитель; 1.2 – аттенюатор (калиброванный ослабитель сигнала); 1.3 - усилитель высокой частоты (основной); 1.4 – детектор (выпрямитель сигнала и фильтр высокой частоты); 1.5 – видеоусилитель (усилитель выпрямленного сигнала) 2 – приемник сигнала 3 – излучатель 4 – объект контроля 5 – экран дефектоскопа 6 – дефект 7 – генератор электрических импульсов 8 – синхронизатор 9 – генератор развертки 10 – автоматический сигнализатор дефектов (АСД) 11 – внешний световой или звуковой сигнализатор 12 – блок временной регулировки чувствительности 13 – глубиномер 14 – блок цифровой обработки (БЦО) Обозначения на экране: З – зондирующий импульс; Э - эхо-сигнал от дефекта; Д -донный сигнал. Совмещенный или раздельно- совмещенный преобразователь КЛАССИФИКАЦИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Все пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) можно классифицировать на типы по следующим принципам. Принцип По углу ввода По конструкции По типу ввода Тип ПЭП ПРЯМОЙ НАКЛОННЫЙ СОВМЕЩЕННЫЙ РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЕННЫЙ КОНТАКТНЫЙ БЕЗКОНТАКТНЫЙ Раздельно-совмещенные преобразователи Раздельно-совмещенный преобразователь (РС-преобразователь) состоит из элементов в едином корпусе. Один пьезоэлемент является излучателем ультразвука, другой – приемником. Эти два элемента разделены между собой перегородкой и имеют временную задержку. Для создания сфокусированного ультразвукового луча элементы располагаются под углом друг к другу. Такая конфигурация обеспечивает лучшее разрешение вблизи наружной поверх- ности, а также дает возможность проведения контроля на по- верхностях с высокой шероховатостью и при контроле внут- ренних поверхностей, подвергнутых воздействию коррозии. Кроме того, наличие пересекающегося луча обеспечивает воз- никновение псевдо-фокуса, который усиливает чувствитель- ность измерений при наличии отражений на нерегулярных поверхностях, например при наличии сплошной или язвенной коррозии. Еще одно преимущество РС-преобразователей - наличие четко выраженного пика на кривой "амплитуда - расстояние". Здесь следует учесть, что уменьшение угла псевдо-фокуса (А R ) или увеличение размера пьезоэлемента приведет к увеличению фокусного расстояния и, как следствие, к увеличению глубины надежных измерений. Наклонные преобразователи Принцип работы наклонных преобразователей основан на использова- нии преломления и преобразования продольной волны при ее падении на границу раздела двух сред с различными акустическими свойствами. При этом в исследуемом материале в зависимости от угла ввода акусти- ческого луча возникают продольные, поперечные или поверхностные волны. Совмещенный преобразователь (С-преобразователь) имеет один пьезоэлемент, который может в режиме временной задержки работать как излучатель ультразвука, так и приемник. С-преобразователи позволяют проводить контроль продольными, поперечными волнами и их комбинацией. Совмещенный преобразователь поперечных волн (СП-преобразователь) является уникальным, поскольку позволяет вводить в контролируемый объект сдвиговые (поперечные) волны без использования наклонных призм. СП-преобразователи служат не только для проведения контроля, но и в исследованиях, связанных с измере- нием скорости поперечных волн, определения коэффициента Пуассона, моду- лей упругости и сдвига, изучения структуры зернистых материалов. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (продолжение) Совмещенные преобразователи Эти механические свойства могут быть вычислены по следующим формулам. Здесь: m - коэффициент Пуассона; r - плотность материала; С S – скорость по- перечных волн; С L – скорость продольных волн; Е – модуль упругости; G - модуль сдвига. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (продолжение) Наклонные преобразователи Принцип работы наклонных преобразователей основан на использовании преломления и преобразования продольной волны при ее падении на границу раздела двух сред с различными акустическими свойствами. При этом в исследуемом материале в зависимости от угла ввода акустического луча возникают продольные, поперечные или поверхностные волны. Наклонные преобразователи используются для поиска и измерения дефектов, ориентированных не параллельно контролируемой по- верхности. Большинство методов ультразвукового контроля основа- но на использовании преломленных поперечных волн. Однако крупнозернистые материалы, такие как чугун и нержавеющие аусте- нитные стали лучше всего контролировать продольными волнами или использовать специальные наклонные преобразователи. На рисунке справа приведены основные зависимости и схемы контроля при применении наклонных преобразователей. Здесь использо- вана схема контроля однократно отраженным (сверху) и прямым (снизу) лучом. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (продолжение) Преобразователи с линией задержки Преобразователи с линией задержки - это соединение простого совмещенного преобразователя с демонтируемой линией задержки. Линия задержки представляет из себя съемный элемент, изготавливаемый из акустически прозрачного материала со скоростью продольных волн в пределах 2600м/с ± 130м/с (например, прочный полиамид). Основное назначение линии задержки - повышение разрешающей способности вблизи поверхности (за счет минимальной протяженности мертвой зоны). Это достигается тем, что в линии задержки происходит полное гашение вибрации элементов преобразователя еще до момента регистрации отраженного сигнала за счет многочисленных переотражений эхо-сигналов от конца линии задержки. Такими преобразователями можно контролировать тонкие изделия при высокой точности измерений. Другое назначение преобразователей с линией задержки – проведение измерений при высоких температурах объекта контроля (до 480 о С), когда требуется предотвратить нагрев пьезопластины для сохранения ее свойств. Иммерсионные преобразователи Иммерсионные (бесконтактные) преобразователи (преобразователи погружения) обладают тремя специфически-ми преимуществами по сравнению с контактными преобразователями: • обеспечение однородности связи между преобразователем и контролируемым изделием снижает изменение чувствительности; • возможность проведения контроля с высокой скоростью за счет автоматизации процесса; • повышение разрешающей способности контроля, благодаря фокусировке. Иммерсионные преобразователи имеют три типа фокусировки : нефокусированные (тип " ПЛОСКОСТЬ "), цилиндрически фокусированные (тип " ЛИНИЯ "), сферически фокусированные (тип " ПЯТНО "). Нефокусированные преобразователи используются для контроля "толстых" конструкций. Цилиндрически фокусированные - для контроля труб и круглых деталей. Сферически фокусированные обладают высокой чувствительностью на наличие малых дефектов и применяются для контроля "тонких" деталей. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭХО-МЕТОДА Параметры аппаратуры Параметры метода Частота, Мгц Чувствительность условная, мм или дБ Размеры преобразователя, мм Угол призмы, град Погрешность глубиномера, % Длительность: - зондирующего импульса, мкс - помех преобразователя, мкс Параметры сканирования: - шаг, мм - скорость, мм/с Дисперсия опорного сигнала Длина волны, мм Чувствительность: - реальная - предельная, мм 2 - уровень фиксации - эквивалентная, мм 2 Направленность поля преобразователя, град Фронтальная разрешающая способность, мм Угол ввода, град Точность измерения координат дефекта Мертвая зона, мм Лучевая разрешающая способность, мм Плотность сканирования (неравномерность чувствительности по поверхности изделия) Стабильность акустического контакта Основные параметры определяют достоверность контроля. Их нужно выбрать так, чтобы с мини- мальной ошибкой оценить качество изделия. Различают основные параметры аппаратуры и метода контроля. Первые зависят только от преобразователя и дефектоскопа, вторые – от аппаратуры и контролируемого материала. Для теневого и зеркально теневого методов из данного перечня сохраняются следующие параметры метода и соответствующие им параметры аппаратуры : длина волны, чувствительность, направлен- ность поля преобразователя, угол ввода, мертвая зона (только для ЗТ-метода), плотность сканирова- ния, стабильность акустического контакта, фронтальная разрешающая способность. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ Предельная чувствительность – площадь минимального диска плоскодонного отражателя, обнаруживаемого дефектоскопом при заданной его настройке в изделии на определенной глубине. Условная чувствительность – глубина залегания наиболее удаленного выявляемого отверстия в миллиметрах при заданной настройке дефектоскопа. Обычно в качестве отражателя используют боковые сверления диаметром 2 мм в стандартном образце СО-1. Иногда настройку условной чувствительности проводят по отверстию диаметром 6 мм в образце СО-2 или вогнутую поверхность образца СО-3. В этом случае условная чувствительность – число децибел, показывающее на сколько нужно изменить чувствительность от настройки по СО, чтобы получить заданную предельную чувствительность. В практике контроля используется понятие уровня фиксации (контрольного уровня или уровня оценки).Это предельная чувствительность для всего объема контролируемого изделия. Если сиг- нал от реального дефекта превосходит уровень фиксации, то такой дефект должен быть зафикси- рован и должна быть выполнена оценка его допустимости. Допустимость дефекта определяется на уровне браковки – уровне чувствительности для выявления допустимого дефекта, расположенного на заданной глубине. Обычно уровень браковки на 6 дБ ниже уровня фиксации. Для ускорения про- цесса поиска дефектов используется поисковый уровень чувствительности, который обычно на 6 дБ выше уровня фиксации Способы увеличения чувствительности • увеличение амплитуды зондирующего импульса; • локализация зоны озвучивания за счет уменьшения длите- льности импульса, уменьшения диаметра (размеров) преоб- разователя или применение фокусированных преобразова- телей; • приеменение РС-преобразователей • выбор оптимальной частоты с учетом затухания ( чем выше акустический импеданс, тем ниже частота). ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ (продолжение) Настройку чувствительности можно провести по АРД-диаграмме (Амплитуда-Расстояние-Диаметр). На рисунке показана размерная диаграмма для конкретного преобразователя. Например, нужно обеспечить настройку по величине донного сигнала на уровень фиксации 7 мм 2 , что соответствует диаметру плоскодонного отверстия 3 мм, на глубине 200 мм. Для донного сигнала на линии учета затухания (пунктирная линии) находим величину ослабления, равного 27 дБ. Уровню фиксации 7 мм 2 в этом случае соответствует ослабление 54 дБ. Донный сигнал выводится на экране дефектоскопа на уровень 50% шкалы. Для установки уровня фиксации необходимо увеличить усиление на 54-27=27 дБ. Увеличив усиление на 6 дБ, получаем уровень поисковой чувствитель- ности, а снизив на 6 дБ – браковочный уровень.Установленный уровень фиксации соответствует максимальной глубине залегания дефекта. Если не ввести режим ВРЧ (временная регулировка чувствительности), то для меньших толщин уровень фиксации будет несколько завышен, т.е. будут выявляться более мелкие дефекты. Настройку чувствительности можно провести и по АРД-шкалам, которые также составляются для конкретного преобразователя. В качестве опорного усиления используется эхо-сигнал от от- верстия диаметром 6 мм на образце СО-2. Для настройки на конкретные условия контроля на известный уровень фиксации, зная максимально возможную глубину залегания дефекта (рав- ную толщине изделия при контроле прямым лучом и равную двум толщинам при контроле однократно отраженным лучом) находят величину увеличения или снижения опорного усиления ( в примере при S=15мм 2 и глубине 70 мм для настройки брако- вочного уровня увеличивают опорный уровень на 7 дБ). По АРД- шкалам можно также определить фактическую площадь дефекта по величине разности между уровнем фиксации и амплитудой эхо-сигнала. МАКСИМАЛЬНАЯ И МИНИМАЛЬНАЯ ГЛУБИНА ПРОЗВУЧИВАНИЯ Максимальная глубина прозвучивания R max – наибольшая глубина, на которой выявляется дефект заданного размера. Она определяется размерами дефекта (уровень сигнала от дефекта), а также уровнем структурных помех (R max II ) и возможностями регистрирующей аппаратуры (R max I ). Способы увеличения R max аналогичны способам увеличения чувствительности. Для материалов с высоким уровнем структурных помех добиться этого можно за счет применения системы временной регули- ровки чувствительности (ВРЧ). При отсутствии в дефектоскопе системы ВРЧ для изделий большой толщины проводиться послойный контроль. Минимальная глубина прозвучивания R min или "мертвая" зона – минимальное расстояние от поверх- ности изделия до дефекта, надежно выявляемого при контроле. Способы сокращения "мертвой" зоны: • повышение частоты ультразвука; • применение преобразователей с мини- мальным уровнем собственных шумов (РС-преобразователей и широкополосных преобразователей; • увеличение угла призмы для наклонных преобразователей. РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ Способы увеличения лучевой разрешающей способности • повышение частоты ультразвука (сокращение длительности зондирующего импульса); • применение преобразователей с минимальным уровнем собственных шумов (РС-преобразова- телей и широкополосных преобразователей. Способы увеличения фронтальной разрешающей способности 1. Дефекты в ближней зоне: • применение преобразователей с минимальными размерами; • применение фокусированных преобразователей. 2. Дефекты в дальней зоне: • увеличение направленности излучения (увеличение частоты и/или размеров пьезопластины). Лучевая Dr и фронтальная DL разрешающие способно- сти могут быть оценены по следующим зависимостям (здесь l - длина волны; а – радиус или полуширина пьезопластины)): В дальней зоне В ближней зоне Разрешающая способность – это возможность преобразователя различать два одинаковых дефекта, расположенных в направлении прозвучивания так, что эти дефекты фиксируются, как отдельные. В зависимости от расположения дефектов относительно направления прозвучивания различают разрешающую способность лучевую (дефекты расположены по лучу) и фронтальную (дефекты расположены перпендикулярно лучу. Лучевая разрешающая способность существует только для эхо-метода, а фронтальная разрешающая способность – для эхо-, теневого и зеркально- теневого методов. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Для настройки дефектоскопа или толщиномера также можно использовать образец V-1, рекомендованный Международным институтом сварки (МИС). Положения: А, В, С – настройка глубиномера; L – настройка глубиномера и проверка точки ввода (только для наклонных преобразователей); F и М 80 – проверка мертвой зоны; Н – проверка лучевой разрешающей способности (для прямого преобразователя); М 45 ,М 70 , М 80 – проверка угла ввода. Метрологическое обеспечение аппаратуры подразумевает два класса задач. К первому классу отно- сят необходимость проверки параметров аппаратуры при ее изготовлении, после ремонта и в про- цессе промежуточных аттестаций (поверок). К задачам второго класса относят повседневную про- верку работоспособности аппаратуры и использованием стандартных образцов (СО). Существует два вида СО – государственные (ГСО по ГОСТ 14782) и СО предприятия (СОП). На ГСО проводится проверка основных параметров аппаратуры, а на СОП – настройка аппаратуры для проведения контроля конкретного изделия (настройка чувствительности). Существует три типа ГСО, обознача- емые СО-1, СО-2 и СО-3. Стандартный образец СО-1 изготавливается из органического стекла. На нем определяют условную чувствительность по боковым отверстиям, расположенным на разной глубине (1), лучевую разрешающую способность (по ступенчатому отверстию (2) или ступенчатому пазу (3)), а также настраивают глубиномер по проточке (4). Стандартный образец СО-2 изготавлива- ется из углеродистой стали марок Ст3 или 20. На нем проверяется угол ввода (положения (1) и (2)) и мертвая зона (положение (3) и (4)). На стандартном образце СО-3 проверяют точку ввода, определя- ют стрелу преобразователя, а также настраивают глубиномер по скорости звука. |