УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ДЕФЕКТОСКОП Российский патент 2003 года по МПК G01N29/06 G01N29/10 G01N29/08 

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий ультразвуковым методом. Главным образом оно может быть использовано для автоматизированного контроля толстолистового проката в металлургии, машиностроении и других отраслях.

Известен ультразвуковой многоканальный иммерсионный дефектоскоп [1] для контроля толстолистного проката эхосквозным методом. В таком дефектоскопе используется неподвижная акустическая система из излучающих и приемных преобразователей. В процессе контроля лист перемещается в ванне с жидкостью через акустическую систему. Достоинством такого дефектоскопа является высокая скорость контроля, принципиальным недостатком - невозможность определения глубины залегания дефектов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является многоканальный ультразвуковой дефектоскоп [2] для автоматизированного контроля толстолистового проката и плит эхометодом.

В состав известного устройства входит сканирующая акустическая система, блок синхронизации и задания стробов, блоки генераторов радиоимпульсов и предварительных усилителей, число которых равно количеству используемых в акустической системе пьезопреобразователей, коммутатор, компаратор передней грани, логарифмический усилитель, блок формирования кривой временной регулировки чувствительности (ВРЧ), блок управления акустической системы и электромеханический привод ее перемещения, причем выход каждого генератора радиоимпульсов соединен со своим преобразователем и входом своего предварительного усилителя, ко входу коммутатора подключены выходы всех предварительных усилителей, а к его выходу - логарифмический усилитель и компаратор передней грани, выход которого соединен со входом блока синхронизации и задания стробов, а блок управления акустической системы соединен с электромеханическим приводом ее перемещения.

Достоинством такого дефектоскопа является высокая чувствительность, возможность регистрации координат, формы и размеров дефектов в плане листа (развертка типа "С").

Недостатком известного многоканального дефектоскопа является отсутствие регистрации глубины залегания дефектов, невозможность запоминания результатов контроля и последующей амплитудной селекции по уровням сигналов, низкая надежность контроля из-за влияния кривизны поверхности изделия.

Технической задачей, решаемой изобретением, является разработка многоканального цифрового дефектоскопа для автоматизированного контроля изделий, позволяющего, как и известное устройство осуществлять сканирование изделия по определенной траектории, обнаруживать дефекты в изделии на одной установленной чувствительности и регистрировать их на дефектограмме в плане изделия (развертка типа "С"), но дополнительно регистрировать расположение дефектов по глубине в виде разверток типа "В" в двух взаимно перпендикулярных сечениях изделия, осуществлять контроль на максимальной чувствительности и запоминать его результаты с последующей амплитудной селекцией по уровням сигналов, увеличить надежность контроля с помощью автоматической юстировки акустической системы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Поставленная задача решается за счет того, что предложенное устройство содержит, как и известный многоканальный дефектоскоп сканирующую акустическую систему, блок синхронизации и задания стробов, блоки генераторов радиоимпульсов и предварительных усилителей, количество которых равно числу используемых в акустической системе пьезопреобразователей, коммутатор, компаратор передней грани, логарифмический усилитель, блок формирования кривой временной регулировки чувствительности (ВРЧ), блок управления акустической системой и электромеханический привод ее перемещения, причем выход каждого генератора радиоимпульсов соединен со своим преобразователем и входом своего предварительного усилителя, ко входу коммутатора подключены выходы всех предварительных усилителей, а к его выходу - логарифмический усилитель и компаратор передней грани, выход которого соединен со входом синхронизации и задания стробов, а блок управления акустической системы соединен с электромеханическим приводом ее перемещения. Но в отличие от известного устройства предлагаемый многоканальный дефектоскоп дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок измерения времени, блоки поиска максимумов импульсов в каждом рабочем временном интервале, блок управления и связи с персональной электронно-вычислительной машиной (ЭВМ), причем блок АЦП подключен к выходу логарифмического усилителя и входу блока формирования кривой ВРЧ, со вторым входом которого соединен блок измерения времени, подключенный также к компаратору передней грани и блоку управления и связи с ЭВМ, блок синхронизации и задания стробов и блок формирования кривой ВРЧ соединены с блоками поиска максимумов сигналов, а последние соединены с блоком управления и связи с ЭВМ.

Поставленная задача также решается за счет того, что блок управления акустической системы соединен с выходом компаратора передней грани и блоком синхронизации и задания стробов, а его выход - с электромеханическим приводом наклона акустической системы в двух плоскостях.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого многоканального дефектоскопа, на фиг.2 временные диаграммы регистрируемых сигналов, а на фиг.3 фрагмент записи результатов контроля.

Предлагаемый многоканальный дефектоскоп состоит из акустической системы 1, блока генератора радиоимпульсов 2, блока предварительных усилителей 3, коммутатора 4, компаратора передней грани 5, логарифмического усилителя 6, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7, блока временной регулировки чувствительности (ВРЧ) 8, блока поиска максимума 9, блока измерения времени 10, блока управления и связи с ЭВМ 11, блока синхронизации и задания стробов 12, блока управления акустической системы 13 и электромеханического привода 14 ее наклона в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и вертикального перемещения.

Выход каждого генератора радиоимпульсов 2 соединен со своим преобразователем акустической системы 1 и входом своего предварительного усилителя 3, к входу коммутатора 4 подключены выходы всех предварительных усилителей 3, а к его выходу - логарифмический усилитель 6 и компаратор передней грани 5, выход которого соединен со входом блока синхронизации и задания стробов 12 и блоком измерения времени 10, блок аналого-цифрового преобразования (АЦП) 7 подключен к выходу логарифмического усилителя 6 и входу блока формирования кривой ВРЧ (8), со вторым входом которого соединен блок измерения времени 10, подключенный также к блоку управления и связи с ЭВМ 11, блок синхронизации и задания стробов 12 соединен с генераторами разноимпульсов 2, коммутатором 4, блоком управления акустической системы 13, блоком поиска максимума 9 и блоком управления и связи с ЭВМ 11, который также подключен к блокам поиска максимума 9, а блок управления акустической системы 13 соединен с компаратором передней грани 5 и электромеханическим проводом 14 наклона акустической системы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и его вертикального перемещения.

Ультразвуковой многоканальный дефектоскоп работает следующим образом. Пьезоэлектрические преобразователи, расположенные с определенным шагом друг от друга на сканирующей акустической системе 1, возбуждаются последовательно импульсами, вырабатываемыми блоком генераторов 2 разноимпульсов. Каждый генератор (Г₁÷Г_n, где n, например, 12) возбуждает подключенный к нему преобразователь. Принятые каждым преобразователем сигналы (фиг. 2а) усиливаются подключенным к нему предварительным усилителем 3 (ПУ₁÷ПУ_n).

Дефектоскоп реализует одновременно три метода ультразвуковой дефектоскопии при иммерсионном способе ввода: эхометод с регистрацией сигналов во временном промежутке между эхосигналами от передней грани ПГ и первым донным импульсом 1Д - I временной интервал (фиг.2б,); зеркально-теневой метод с регистрацией первого донного импульса - II временной интервал (фиг.2в); эхометод с регистрацией сигналов во временном промежутке между первым 1Д и вторым 2Д донными импульсами - III временной интервал (фиг.2г). Такая серия сигналов (фиг. 2а) последовательно поступает с каждого акустического канала на коммутатор 4, который последовательно пропускает их на компаратор передней грани 5 и логарифмический усилитель 6. Компаратор передней грани 5 при превышении эхосигнала ПГ определенной величины срабатывает и запускает блок измерения временных интервалов 10 и блок синхронизации и задания стробов 12. Стробы первого I (фиг.2б), второго II (фиг.2в) и третьего III (фиг.2г) промежутков, обеспечивающие временную селекцию принимаемых сигналов устанавливаются оператором вручную по экрану дисплея ЭВМ (фиг.2а) каждого акустического канала при настройке аппаратуры на контроль изделия заданной толщины, либо автоматически по заложенной в ЭВМ программе при вводе номинальной толщины изделия.

Многоканальный дефектоскоп предназначен для контроля изделий толщиной от 20 до 400 мм, при этом диапазон входных сигналов оказывается чрезвычайно большим. Для сужения динамического диапазона используется усилитель с логарифмическим коэффициентом усиления [3].

Для преобразования сигналов из аналоговой в цифровую форму на выходе усилителя 6 установлен одноразрядный двуполярный параллельный аналого-цифровой преобразователь 7 (АЦП) [4].

Амплитуда эхосигнала от дефекта зависит от его размера и глубины залегания. Для выравнивания чувствительности дефектоскопа по глубине в дефектоскопе предусмотрен блок временной регулировки чувствительности (ВРЧ) 8, в котором хранятся расчетные кривые ВРЧ, соответствующие заданным уровням чувствительности для данной толщины листа.

Для измерения максимальной амплитуды регистрируемых сигналов используется блок 9 поиска максимума в каждом временном интервале (I-III), выполненный в соответствии с рекомендациями [5].

Блок измерения времени 10, изготовленный в соответствии с [6] измеряет время прихода максимума эхосигнала от дефекта в I временном интервале, что позволяет ЭВМ определять глубину залегания дефектов и отображать ее на дисплее и дефектограмме в соответствии с алгоритмом

где С_l - скорость продольных волн в материале контролируемого изделия (вводится оператором в ЭВМ перед началом контроля), t - измеренное время между сигналом от передней грани изделия и приходом максимума эхосигнала от дефекта.

Блок управления и связи с ЭВМ 11 обеспечивает управление работой основных устройств дефектоскопа в соответствии с разработанной программой.

Блок синхронизации и задания стробов 12 запускается сигналами компаратора передней грани и вырабатывает синхронизирующие импульсы для последовательного запуска генераторов радиоимпульсов, а также стробирующие импульсы (фиг. 2б, фиг. 2в, фиг.2г) для временной селекции регистрируемых сигналов. Этот блок выполнен аналогично [7].

При контроле листов, обладающих коробоватостью и волнистостью, звуковой пучок, создаваемый каждым преобразователем, падает на поверхность изделия под углом, отличным от нуля, преломляется на границе и уходит в сторону. В результате амплитуда донного сигнала (фиг.2а) уменьшается, в ряде случаев ниже порогового уровня, что приводит к перебраковке проката. Чтобы повысить достоверность контроля, в предлагаемом ультразвуковом многоканальном дефектоскопе введена динамическая юстировка акустической системы для контроля криволинейного листа в процессе сканирования. Для этого входы блока управления акустической системы 13 соединены с компаратором передней грани 5 и блоком синхронизации и задания стробов 12, а его выход - с электромеханическим приводом 14. Блок управления 13 для крайних преобразователей акустической системы, расположенных на ней вдоль и поперек листа, определяет разность времен Δt_ij прихода эхосигналов, отраженных от передней грани изделия, согласно алгоритма:
Δt_ij = 2ΔL_ij/C₀,
где ΔL_ij=Li-Lj - разность расстояний между i-м и j-м преобразователями и поверхностью листа.

В зависимости от величины и знака временного интервала Δt_ij блок управления акустической системы 13 вырабатывает постоянное управляющее напряжение, подаваемое в блок электромеханического привода 14 наклона акустической системы, и управляет его работой так, чтобы она наклонилась в определенную сторону и на такой угол, чтобы Δt_ij, а значит, и ΔL_ij стали равными нулю.

Как видно из описания работы, предлагаемый многоканальный дефектоскоп позволяет, как и известное устройство, осуществлять сканирование листа группой электроакустических преобразователей по заданной траектории, обнаруживать дефекты на требуемой чувствительности и регистрировать их на дефектограмме в плане изделия (развертка типа "С").

Кроме этого, дефектоскоп запоминает максимальную амплитуду эхосигналов и измеряет их время прихода, что позволяет регистрировать также два вида разверток типа "В" (вдоль и поперек листа) (фиг.3), осуществлять амплитудную селекцию принятой информации по уровням сигналов, что соответствует многократному контролю на различных уровнях чувствительности. Введение блока управления наклоном акустической системы в двух плоскостях позволило осуществить динамическую юстировку акустической системы в процессе сканирования криволинейного листа, что позволило увеличить надежность и достоверность контроля проката.

Источники информации
1. Веревкин В.М. Ультразвуковые установки "ДУЭТ" для контроля толстолистового проката. - Дефектоскопия, 1982, 1, с. 6-12.

2. Паврос С.К. Ультразвуковые методы и аппаратура для автоматизированного контроля толстолистового проката. - Техническая акустика, 1992, т. 1, вып. 2, с. 46-58.

3. Шило В.Л. Линейные интегральные микросхемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Советское радио, 1979.

4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Под ред. Якубовского С.В. - М.: Радио и связь, 1989.

5. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. - М.: Радио и связь, 1990.

6. Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ. - М.: Машиностроение, 1993.

7. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC. Под ред. У. Томпкинса и Дж. Уэбстера. - М.: Мир, 1992.

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и изделий ультразвуковым методом и может быть использовано для контроля толстолистового проката. Серия сигналов последовательно поступает с каждого акустического канала на коммутатор, который последовательно пропускает их на компаратор передней грани и логарифмический усилитель. Компаратор передней грани при превышении сигнала от передней грани определенной величины срабатывает и запускает блок измерения временных интервалов и блок задания стробов. Стробы временных промежутков, обеспечивающие временную селекцию принимаемых сигналов, устанавливаются оператором вручную при настройке аппаратуры на контроль изделия заданной толщины, либо автоматически по заложенной в ЭВМ программе. Для выравнивания чувствительности дефектоскопа по глубине в нем предусмотрен блок временной регулировки чувствительности. Дефектоскоп позволяет регистрировать дефекты на дефектограмме в плане изделия и дополнительно регистрировать расположение дефектов по глубине в двух взаимно перпендикулярных сечениях изделия и автоматически юстировать акустическую систему в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ультразвуковой автоматизированный иммерсионный дефектоскоп, содержащий сканирующую акустическую систему, блок синхронизации и задания стробов, блок генераторов радиоимпульсов, блок предварительных усилителей, коммутатор, компаратор передней грани, логарифмический усилитель, блок формирования кривой временной регулировки чувствительности, блок управления акустической системой и электромеханический привод вертикального перемещения, причем выход каждого генератора радиоимпульсов соединен со своим пьезоэлектрическим преобразователем и входом своего предварительного усилителя, к входу коммутатора подключены выходы всех предварительных усилителей, а к его выходу - логарифмический усилитель и компаратор передней грани, выход которого соединен со входом блока синхронизации и задания стробов, причем последний подключен ко входу каждого генератора радиоимпульсов и коммутатору, а блок управления акустической системой соединен с электромеханическим приводом ее вертикального перемещения, отличающийся тем, что в дефектоскоп дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь, блок измерения времени, блоки поиска максимумов в каждом рабочем временном интервале, блок управления и связи с ЭВМ, причем аналого-цифровой преобразователь подключен к выходу логарифмического усилителя и входу блока формирования кривой временной регулировки чувствительности, со вторым входом которого соединен блок измерения времени, подключенный также к компаратору передней грани и блоку управления и связи с ЭВМ, блок синхронизации и задания стробов и блок формирования кривой временной регулировки чувствительности соединены с блоками поиска максимума, а последние соединены с блоком управления связи с ЭВМ.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления акустической системы которого подключен к блоку синхронизации и задания стробов и компаратору передней грани, а выход - к электромеханическому приводу наклона акустической системы в двух плоскостях.