Акустический контроль емкости

Установки обеспечивают высокую достоверность, поскольку в процессе сканирования производится автоматическая коррекция результатов с целью исключения погрешностей. В частности, визуализация дефектов осуществляется с поправками на текущие координаты преобразователя и угол его разворота; на мониторе отображаются участки с нарушением акустического контакта, что позволяет повторно их просканировать и др.

Измерение проекционных размеров и координат с варьированием  уровней и способов отсечки может  проводиться ретроактивно (“контроль после контроля”) в камеральных условиях.

Принципиально новый  уровень возможностей ультразвукового  контроля – это голографические  и томографические системы, позволяющие  отобразить трёхмерное изображение  дефекта.

Такие системы с когерентной  обработкой сигнала могут работать при очень малых уровнях сигнала и значительном уровне помех (например, структурная реверберация), что делает их незаменимыми для экспертной оценки качества швов, когда стоимость ремонта очень высока (например, сварные швы трубопроводов 1-ого контура на АЭС). Примером может служить установка серии “Авгур 4.2” фирмы “Эхо+” (г. Москва), представленная на рисунке 2.20, которая обеспечивает контроль сварных швов трубопроводов в широком диапазоне диаметров и толщин стенок на частотах 0,5…6 Мгц.

 

 

Рисунок 2.20 - Автоматизированная установка Авгур 4.2

 

Реконструированное (голографическое) изображение может быть документировано  и детально проанализировано в любое  время с использованием сервисных  программ, в том числе и для  слежения за ростом трещины при мониторинге.

Из анализа существующих установок для УЗК сварных  швов можно сделать вывод, что  развитие идёт в направлении автоматизации  процесса контроля. Стремятся отказаться от классического метода контроля вручную  с применением обычного одноканального дефектоскопа. Более перспективным является использование многоканальных устройств, позволяющих более точно определить расположение и тип дефекта, а также определить его форму. Дефектоскопы всё теснее связывают с персональным компьютером, что позволяет более оперативно оценивать результаты контроля, сохраняя их в течение требуемого интервала времени.

Автоматическая сигнализация превышения сигналом допустимого уровня и аппаратное обнаружение дефекта  позволяют уменьшить влияние  человеческого фактора на результаты контроля, снизить ответственность  дефектоскописта. Применение дополнительных печатающих устройств позволяет отображать результаты контроля на бумажном носителе, при необходимости, в реальном масштабе времени.

Автоматизация контроля значительно повышает его производительность и достоверность. Достоверность достигается за счет автоматического перемещения преобразователя, а также запись результатов контроля на носители для последующего их анализирования.

Автоматизированное устройство для УЗК. Должно включать следующие основные узлы:

- блок преобразователей и механизм их перемещения по поверхности контролируемого изделия;

- система слежения за швом(для контроля сворных соединений) и качеством акустического контакта;

- блок для генерации зондирующих импульсов и приёма эхо-сигнала, систему подачи й сбора контактной жидкости;

- система для записи и анализа информации о дефекте;

- пульт управления устройством.

 

Примеры некоторых систем автоматического контроля приведены на рисунке 2.21, 2.22.

 

Рисунок 2.21 – Системы полуавтоматического и механизированного ультразвукового контроля

 

 

Рисунок 2.22 – Системы автоматического и механизированного ультразвукового

 

3 Выбор метода контроля (теоретический  анализ акустического тракта)

 

Изучив различные  методы УЗ контроля угловых сварных  соединений, становится понятно, что  для обнаружения дефектов наиболее приемлемым будет эхо – метод. Данный метод обладает наибольшей чувствительностью, высокой помехоустойчивостью, простотой реализации и соответствует конструктивным особенностям изделия (односторонний доступ). Прозвучивание углового сварного шва производится наклонным преобразователем по патрубку.

Возможными дефектами  сварного шва контролируемого изделия  являются вертикальные и горизонтальные трещины, несплавления по кромкам шва, поры, цепочки пор, шлаковые включения  и непровары в корне шва. При  эхо-методе формулы акустического тракта выводят для моделей дефектов. В данном сварном шве вертикальные и горизонтальные трещины, несплавления моделируются диском, поры и шлаковые включения-сферой, а непровар-бесконечной полосой. Амплитуды эхосигналов от моделей дефектов и искусственных отражателей мало отличаются, когда их размеры больше длины волны ультразвука.

Амплитуда А сигнала  от дефекта произвольной формы и  ориентации при произвольном расположении излучателя и приемника может  быть рассчитана по общему выражению  акустического тракта эхо-метода

 

     (3.1)

 

где - амплитуда излученного сигнала (зондирующего импульса);

- коэффициенты прозрачности (по  амплитуде) контактного слоя под  излучателем и приемником;

- коэффициенты отражения на  дефекте и донной поверхности;

- функции, описывающие ослабление  сигнала на оси поля излучения  преобразователя и поля отражения  дефекта;

- функции направленности полей  излучателя, дефекта и приемника;

- функция затухания.

 

Очевидно, что для рассматриваемой  в задаче совмещенной схемы контроля

 

D₁D₂=D;      (3.2)

Ф₁Ф₂=Ф²,      (3.3)

 

где D – коэффициент  прозрачности по энергии;

Ф² – функция направленности поля излучения – приема преобразователя.

 

С учетом D и Ф²

   (3.4)

 

Схемы контроля для определения  отдельных функциональных множителей представлены на рисунке 3.1

 

 

Рисунок 3.1-Схемы обнаружения  дефектов типа диск.

 

 

Отдельные функциональные множители определяются следующим образом.

1 Коэффициент прозрачности  для прошедшей поперечной  волны можно найти по формуле

 

  (3.5)

 

где Z_l и Z_t – удельные волновые сопротивления нижней среды для прошедших продольной и сдвиговой волн соответственно;

Z₁ – удельное волновое сопротивление верхней среды;

α – угол преломления волны.

 

 

Рисунок 3.2-Схемы обнаружения  дефектов типа двугранный угол.

 

 

Рисунок 3.3-Схемы обнаружения  дефектов типа сфера.

 

 

2 Ослабление сигнала  на оси дискового излучателя

 

 

 

 

   (3.6)

 

S׳_a – площадь мнимого источника (мнимой пьезопластины);

λ – длина волны в материале объекта контроля;

r – длина пути ультразвука от мнимого источника до дефекта.

 

Построение мнимого источника показано на рисунке 3.3. Видно, что

  (3.7)

 

 

Рисунок 3.4 – Схема построения мнимого источника УЗ колебаний

 

Из рисунка 3.4 видно, что

  (3.8)

 

где β – угол ввода  УЗ колебаний;

h – глубина залегания дефекта с учетом схемы прозвучивания.

 

Путь в призме до мнимого  источника находят так:

   (3.9)

 

где r_п0 – действительный путь в призме;

С_n, С – скорости УЗ-волн в призме и изделии;

β и α – номинальные углы ввода и призмы преобразователя.

   (3.10)

 

 

Для схем обнаружения  трещин и пор

   (3.11)  

где

 

Для схемы обнаружения  непроваров

      (3.12)

 

3 Функция направленности  круглого преобразователя определяется  выражением

 

,      (3.13)

где ,        ;

- функция Бесселя первого рода первого порядка;

θ – угол между направлением луча и акустической осью;

К – волновое число, К=2π/λ.

 

Для приближенного описания поля в пределах основного лепестка круглого преобразователя применяют  приближенную формулу

   (3.14)

 

4 Ослабление сигнала на оси отраженного поля определяется следующим образом

Для дискообразного дефекта (площадь S_b =π∙b²)

     (3.15)

где S^׳_b-площадь апертуры отражателя, т.е. его проекции на плоскость, перпендикулярную направлению зеркального отражателя;

r – расстояние от отражателя до мнимого приемника.

Для схемы обнаружения  трещин (диск)

   (3.16)      

Для схемы обнаружения  непроваров (двугранный угол)

  (3.17)

 

Для схемы обнаружения  пор (сфера)

  (3.18)

 

5 Коэффициенты отражения  на плоском дефекте R_b и донной поверхности R можно определить по формулам

   (3.19)

 

где Z_l – удельные волновые сопротивления поперечной волны для дефекта;

Z₁ – удельное волновое сопротивление материала объекта контроля;

α – угол преломления волны.

В нашем случае, когда  отражение происходит от свободной  границы , коэффициенты отражения R_b и R могут быть приняты равными 1.

6 Направленность отраженного  поля Ф_b для дискообразного дефекта рассчитывается по формуле

   (3.20)

,       (3.21)

где α – угол ввода  УЗ волны в объект контроля;

θ_b – угол наблюдения источника в отраженном поле.

7 Функцию затухания ψ определяют по действительному пути, пройденному ультразвуком от пьезопластины до дефекта и обратно, она описывается экспоненциальным законом:

для схем обнаружения  трещин и пор

     (3.22)

для схем обнаружения  непровара

,     (3.23)

где и – коэффициенты затухания в материале изделия и призмы преобразователя;

r_п0 – расстояние в призме до пьезопластины;

r - путь ультразвука в объекте контроля.

Очевидно, что при вычислении А_max расчеты существенно упрощаются,

Поскольку θ=0 и θ_b=0 и, следовательно, Ф=1 и Ф_b=1.

8 Теоретический расчет  акустического тракта сводится  к подстановке полученных функциональных  множителей в выражение (3.1).

Для схемы диск

            (3.24)

 

Для схемы двугранный угол

(3.25)

 

Для схемы сфера

 

(3.26)

 

 

4 Расчет и проектирование преобразователя 

 

Для безопасности использования  корпус датчика должен быть изготовлен из пластмассы.

Так же материал корпуса  должен быть достаточно прочным для  защиты внутренних элементов при  ударах. Для электромагнитной совместимости датчик необходимо экранировать, для этого внутреннюю сторону корпуса необходимо металлизировать и исключить возможность соединения корпуса с электродом пьезопластины. Толщина корпуса составит 1 мм.

Для расчёта пъезопластины  необходимо определить рабочую частоту. Согласно рекомендациям, предложенным в [9], для сварных деталей толщиной 8 мм эффективно применение преобразователя с углом наклона призмы β₀ = 53^˚ и рабочей частотой f_p=5 МГц.

Выбор рабочей частоты  ультразвуковых колебаний определяется в основном коэффициентом затухания  и уровнем структурной реверберации материала объекта, а также его габаритами.

При выборе частоты с точки зрения выявляемости минимальных дефектов следует учитывать, что когда длина волны превосходит размер дефекта, амплитуда отражённого или экранированного сигнала уменьшается с уменьшением размера дефекта гораздо быстрее, чем для более коротких волн. Отсюда формируется условие:

 

,                                                (4.1)

где 2b – характеристический размер дефекта (в случае искусственного дефекта – это диаметр сферы, диска, цилиндра или ширина паза).

 

Тогда для частоты 5 МГц:

 

.

 

При выборе размеров пьезоэлемента  следует учитывать, что увеличение поперечных размеров  сужает характеристику направленности и повышает чувствительность в дальней зоне, одновременно увеличивая протяженность ближней зоны, характеризующейся неравномерностью чувствительности по глубине и сечению пучка и, следовательно пониженной вероятностью обнаружения дефектов. Кроме того, увеличение размеров пьезоэлемента влечет за собой увеличение площади контактной поверхности, что снижает достоверность и воспроизводимость результатов контроля. В тоже время пьезоэлемент малых размеров, не обеспечивая требуемой мощности излучения, обладает недостаточной разрешающей способностью и пониженной точностью определения координат дефектов вследствие широкой диаграммы направленности.

Согласно [9] при пересчете  на поперечные волны оптимальные  размеры пьезопластин составляют а·f = 12…15 мм·МГц. Для f_р = 5 МГц а = 2,4…3 мм. Выберем а = 3 мм (радиус пьезопластины). Для её изготовления используем пьезокерамику ЦТС – 19. Основные характеристики ЦТС – 19 приведены в таблице 4.1