УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 1994 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик изделий и материалов и может быть использовано для измерения внутренних напряжений в сварных соединениях, гайках резьбовых соединений и др. изделиях при строительстве, монтаже и эксплуатации объектов ответственного назначения в различных отраслях промышленности.

Известен ультразвуковой способ измерения внутренних напряжений в изделиях и материалах, основанный на измерении разности скоростей в напряженном и свободном состояниях исследуемого объекта путем измерения разности времен прохождения одного и того же пути в объекте в напряженном и свободном состоянии [1].

Недостатком этого способа является необходимость использования сложной высокостабильной и точной аппаратуры, способной измерять изменение времени до 10^-3 - 10^-9 с. Помимо высокой стоимости такой аппаратуре присущи жесткие требования по условиям ее эксплуатации, что существенно ограничивает область применения этих способов.

Известен ультразвуковой способ измерения внутренних напряжений, в котором изменение скорости измеряется не менее точно, но более простыми средствами. Способ заключается в том, что одновременно двумя идентичными преобразователями вводят в нагруженный исследуемый объект и его ненагруженный аналог импульсы ультразвуковых колебаний, принимают двумя идентичными приемными преобразователями прошедшие сигналы, алгебраически суммируют их и по параметрам суммарного сигнала определяют относительную разность скоростей, по которой судят о величине напряжения [2]. В этом способе суммируются две последовательности многократно отраженных импульсов. Суммарный сигнал при отсутствии напряжений в исследуемом объекте представляет собой последовательность импульсов, амплитуды которых вдвое больше соответствующих импульсов каждого из слагаемых и убывают в соответствии с характером затухания в материале исследуемого образца. При наличии напряжений в исследуемом образце изменяется скорость распространения УЗ колебаний в нем и появляется нарастающая от импульса к импульсу разность фаз между суммируемыми сигналами, что приводит к периодическому немонотонному изменению сгибающей амплитуд импульсов суммарного сигнала от величины, равной величине суммарной амплитуды при отсутствии напряжений, до нуля. По положению нулей результирующей огибающей в напряженном состоянии определяют величину изменения скорости.

Недостатком такого способа является необходимость получения большого количества многократно отраженных импульсов, что невозможно при наклонном вводе УЗ колебаний, а также в случае материалов с большим затуханием. Кроме того, если исследуемый объект имеет форму ограниченных пластин (l/d < 10 + 15, где l - минимальный размер площади пластины; d - толщина), даже в отсутствие напряжений суммируемые и суммарные сигналы имеют немонотонное изменение огибающей амплитуд импульсов с провалами до нуля, что приведет к появлению неоднозначности и ошибок измерения. Все это существенно ограничивает область применения способа.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности измерений.

Для этого в способе ультразвукового измерения внутренних напряжений, заключающемся в том, что одновременно двумя идентичными излучающими преобразователями вводят в нагруженный исследуемый объект и его ненагруженный аналог импульсы ультразвуковых колебаний, принимают двумя идентичными приемными преобразователями прошедшие сигналы, алгебраически суммируют их и по параметрам суммарного сигнала определяют относительную разность скоростей, по которой судят о величине напряжения, в качестве параметра суммарного сигнала используют амплитуду суммарного импульса. Кроме того, дополнительно получают алгебраическую разность прошедших сигналов, а относительное изменение скоростей ультразвуковых колебаний определяют по отношению амплитуд суммарного и разностного сигналов по формуле
= ·ϕ ;;
ϕ = где ϕ - разность фаз принятых сигналов в напряженном и свободном объектах;
С, ΔС - скорость УЗ колебаний и ее изменение;
f - частота УЗ колебаний;
L - длина пути УЗ колебаний в изделии;
А₊, А_- - амплитуды суммарного и разностного сигналов соответственно.

В качестве ненагруженного аналога исследуемого объекта используют ненагруженную область самого исследуемого объекта.

Сигнал, принятый в ненагруженном состоянии, может быть записан в виде
U₁ = A₁ sin ωt, где А₁ - амплитуда УЗК в ненагруженном объекте;
ω= 2 π f - круговая частота УЗК;
t - время.

Сигнал, полученный при прохождении УЗК в нагруженном состоянии, имеет вид
U₂ = A₂ Sin ( ωt + ϕ), где ϕ - набег фазы за счет изменения скорости УЗК;
А₂ - амплитуда УЗК в нагруженном объекте;
t - время.

Тогда суммарный и разностный сигналы имеют вид соответственно
U₁ + U₂ = A₊ Sin (ω t + ϕ₊),
U₁ - U₂ = A_- Sin ( ωt + ϕ _-) где ϕ₊ , ϕ_- - сдвиги по фазе в суммарном и разностном сигналах.

Причем амплитуды после соответствующих математических преобразований могут быть записаны следующим образом
A₊= A,
A_-= A, при этом А₁ = А₂ = А. Тогда отношение суммарной и разностной амплитуд выражаются так
= = ctg ,
= = tg . Отсюда ϕ = 2 arcctg = 2 arctg .

Разность фаз ϕ сигналов, прошедших в нагруженном и свободном состояниях, равна
ϕ = · . Отсюда получают
= ·ϕ ;. В этой формуле определять ϕ можно по-разному: если напряжения малые, то А₊ > А_-,ϕ = 2 arcctg (при этом точность определения отношения будет выше), а при больших напряжениях, когда А₊ < А_-, - используют зависимость ϕ = 2 arctg .

Полезный эффект становится очевидным, если проанализировать допустимую погрешность измерений по разработанному способу.

При малых напряжениях
= · 2 arcctg .

Проведя соответствующие математические операции, можно получить погрешность измерения в зависимости от погрешности измерения амплитуд
= · · , где А - амплитуда принятого сигнала.

П р и м е р.

Пусть А₊ = 1,9 А; А_- = 0,1 А; L = 50 мм;
С = 3,2 ˙10⁶ мм/с; f = 2,5˙ 10⁶ Гц. Если взять допустимую погрешность измерения разности скоростей = 10^-4 (при этом Δ σ= 1,6 кг/мм²), то требуемая точность измерения амплитуд суммарных и разностных сигналов составляет
= 2·10^-2.

Таким образом, относительная допустимая погрешность измерений увеличилась в 200 раз. Это является техническим результатом от использования предлагаемого способа, что делает возможным применение серийного дефектоскопа УД2-12. При этом обеспечиваемая прибором точность измерения амплитуд позволяет снизить погрешность измерения относительной разности скоростей до 0,5˙ 10^-4, а погрешность измерения напряжений до Δ σ = 0,8 кг/мм².

Способ измерения напряжений осуществляют следующим образом.

В зависимости от формы изделия и ориентации вектора напряжения в нем подбирают две пары серийных преобразователей, причем излучающие преобразователи должны обеспечить параллельность вектора смещения вводимых УЗ колебаний в исследуемом изделии вектору напряжения. В одном из приемных преобразователей путем несложной переделки необходимо обеспечить возможность переполюсовки электродов пьезопластины. Излучающие преобразователи подключают параллельно к генератору дефектоскопа и устанавливают на исследуемый объект в нагруженной и свободной его частях (например, один рядом с усилением сварного шва, а другой на расстоянии около 10b, где b - ширина усиления шва). Затем, поочередно подключая приемные преобразователи и устанавливая их на исследуемый объект, добиваются равного максимального значения амплитуд принимаемых сигналов и фиксируют положения всех преобразователей. Далее, соединяя параллельно приемные преобразователи, подключают их одновременно к приемному гнезду дефектоскопа и измеряют амплитуду суммарного сигнала А. Проведя переполюсовку пьезопластины одного приемного преобразователя, измеряют амплитуду разностного сигнала А_-. Затем по приведенным формулам определяют и по известному акустоупругому коэффициенту рассчитывают напряжение.

Преимущество предлагаемого способа заключается в снижении затрат на проведение контроля, поскольку вместо специализированной дорогостоящей аппаратуры может использоваться серийная общедоступная аппаратура, благодаря тому, что разработанный способ позволяет увеличить допустимую погрешность измерений в 200 раз, не снижая при этом точность определения напряжения. Возможность же использования портативной аппаратуры позволяет проводить измерения в полевых и монтажных условиях, что раньше в ряде случаев было невозможно.

Изобретение позволяет существенно снизить требования к точностным характеристикам измерительных средств, что значительно расширяет область его применения. В способе, заключающемся в одновременном введении и приеме ультразвуковых импульсов в нагруженный объект и его аналог, образовании алгебраической суммы принятых сигналов, определении по параметрам суммарного сигнала относительной разности скоростей, по которой судят о величине напряжений, в качестве параметра используют амплитуду суммарного сигнала. Кроме того, образуют алгебраическую разность принятых сигналов, а относительное изменение скорости определяют по отношению суммарного и разностного сигналов, в качестве ненагруженного аналога объекта используют ненагруженную область самого объекта. 1 з.п. ф-лы.

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, заключающийся в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых колебаний (УЗК), принимают прошедшие сигналы, алгебраически суммируют их и рассчитывают относительную разность скоростей УЗК, по которой судят о величине внутренних механических напряжений, отличающийся тем, что дополнительно определяют алгебраическую разность тех же прошедших сигналов, а относительную разность скоростей УЗК определяют из соотношения
= ·ϕ ;,
где ϕ = ,
C , Δ C - скорость УЗК и ее изменение;
f - частота УЗК;
L - длина пути УЗК в изделии;
A₊, A_- - амплитуды суммарного и разностного сигналов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ненагруженного аналога исследуемого объекта используют ненагруженную область самого исследуемого объекта.