СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано в системах ультразвукового контроля, преимущественно установок для автоматизированного ультразвукового контроля листового и сортового проката и труб.

Преобразователь ультразвукового дефектоскопа излучает в изделие импульсы высокочастотных упругих колебаний. Излучение зондирующих импульсов происходит главным образом по нормали к поверхности контролируемых изделий, сотни или даже тысячи раз в секунду. Соответственно, приемный преобразователь (часто прием и излучение осуществляют с помощью одного и того же преобразователя) сотни или тысячи раз в секунду принимает из изделия отклики или, как их еще называют, «реализации».

Каждая реализация содержит сигналы, отраженные от поверхностей проката и от дефектов, а также импульсы, обусловленные помехами, имеющими в большинстве случаев акустическую или электромагнитную природу [1].

При отсутствии помех каждая реализация содержит в себе информацию, которая позволяет судить о толщине контролируемого изделия в месте расположения ультразвукового преобразователя, наличии или отсутствии несплошностей и т.д. Помехи способны исказить получаемую информацию, обусловить принятие неправильного решения о физических и потребительских свойствах контролируемого изделия.

Для снижения уровня помех применяют различные методы, в частности когерентное (или некогерентное) накопление реализации. Полезные сигналы, «привязанные» к зондирующему импульсу и поэтому имеющие относительно медленно изменяющиеся от реализации к реализации амплитуды и фазы, эффективно суммируются. Помеха, время прихода, амплитуда и фаза которой имеют в большинстве своем случайный характер, суммируется в накопителе не столь эффективно. Поэтому когерентное (как впрочем и некогерентное) накопление в большинстве случаев позволяет эффективно повысить соотношение «полезный сигнал/помеха».

Однако существуют специфические помехи, которые могут оказаться частично или полностью синхронизированными с зондирующими импульсами и, следовательно, с полезными сигналами. Такие помехи весьма опасны, поскольку способны накапливаться в когерентном (или некогерентном) накопителе. Примером источника синхронных помех является ЭВМ управляющего вычислительного комплекса, входящая в состав любой современной многоканальной системы автоматизированного ультразвукового контроля. Синхронной помехой во многих случаях являются также не затухшие в изделии колебания, обусловленные предыдущими зондирующими импульсами, или паразитные колебания частичек окалины, или пузырьков воздуха, попавших в рабочую область ультразвукового преобразователя (ЭМАП или ПЭП) [2], [3].

Для случайной, но достаточно мощной и длительной по времени действия помехи также существует вероятность «прорваться» через накопитель. Этому способствует следующее обстоятельство.

Известные способы регистрации сигналов импульсных ультразвуковых дефектоскопов предполагают применение широкополосных фильтров, что обусловлено необходимостью селекции дефектов, расположенных достаточно близко к естественным отражателям, которые, как правило, формируют мощные "донные" сигналы.

Широкополосный фильтр обеспечивает прием сигналов без "заваливания" их фронтов, что благоприятно сказывается на разрешающей способности. Однако помехозащищенность такого фильтра в ряде практических случаев может оказаться неудовлетворительной.

При попытках согласовать характеристику фильтра со спектром принимаемых сигналов форма последних существенно искажается, Фронты сигналов "заваливаются", и это неблагоприятно сказывается на возможности обнаружения дефектов, особенно при контроле листового проката относительно небольшой толщины.

В условиях отсутствия помех широкополосный прием обеспечивает существенные преимущества.

Способ поясняется иллюстрациями.

Фиг.1. Широкополосный фильтр-приемник. Вид типичных для листового и сортового проката реализации.

Фиг.2. Приемник с согласованной фильтрацией. Влияние полосы пропускания приемника импульсного ультразвукового дефектоскопа на выявляемость дефектов, расположенных вблизи естественных отражателей, где

1 - зондирующий импульс;

2, 3 - первый и второй "донные" импульсы;

4 - сигналы от дефектов.

Фиг.3. Слияние импульсов 2 и 3 для случая уменьшения толщины проката в четыре раза.

Фиг.4. Прием сигналов широкополосным приемником.

Фиг.5. Пример разбиения принимаемого сигнала на зоны, где

А - зона действия зондирующего импульса;

В, D - зоны ожидания сигналов, отраженных от дефектов;

С, Е - зоны ожидания "донных" сигналов;

1, 2, 3, 4 - как на фиг.1.

Преимущества применения широкополосных приемников заключаются в следующем.

1. Сигналы на выходе широкополосного приемника имеют значительно (иногда в несколько раз) более короткую "мертвую зону". На фиг.1 зондирующий импульс намного короче, чем аналогичный на фиг.2. Из-за этого один из импульсов, обусловленных несплошностью, видимый на фиг.1 «пропал» в «мертвой зоне» на фиг.2 (первый после зондирующего импульса).

2. Возможность выявлять дефекты, расположенные в непосредственной близости к естественным отражателям. По фиг.2 мы не можем с уверенностью отметить факт наличия или отсутствия некоторых сигналов, отраженных от дефектов, которые, тем не менее, отчетливо видны на фиг.1.

3. Широкополосный прием обеспечивает более широкий диапазон толщин проката, которые могут быть проконтролированы. Например, при уменьшении толщины в четыре раза контроль с применением согласованного приемника невозможен: импульсы 2 и 3 на фиг.3 практически сольются. В то же время, для широкополосного приемника (Фиг.4) контроль будет возможен, поскольку зазор между импульсами 2 и 3 будет все еще достаточным, чтобы регистрировать в нем импульсы, отраженные от дефектов.

Еще одним достоинством широкополосного приемника является его возможность обеспечивать существенно более высокую точность при определении расстояния между "донными" импульсами. Это чрезвычайно важно, например, при проведении ультразвуковой толщинометрии.

Однако все эти достоинства широкополосного приема проявляются только в условиях, когда отсутствует помеха.

При наличии помех, например индустриальных импульсных электромагнитных возмущений, широкополосный прием приводит к ложным срабатываниям дефектоскопической аппаратуры. Эти ложные срабатывания приводят к необоснованной перебраковке и в большинстве случаев являются совершенно неприемлемыми для производителя металлопродукции.

Особенно это касается случаев применения высокопроизводительных многоканальных систем автоматизированного ультразвукового контроля, стоящих непосредственно в технологическом потоке производства проката. Важным свойством таких систем, в отличие от ручных дефектоскопов, является необходимость осуществлять контроль по принципу «за один проход». Вернуться к проконтролированному участку весьма затруднительно, а зачастую и физически невозможно.

С другой стороны, оптимизация полосы пропускания приемного тракта всегда носит компромиссный характер и в ряде случаев не приносит желаемого результата. Как правило, такие системы не обладают ни требуемой помехозащищенностью, ни удовлетворительной разрешающей способностью.

Предлагаемый способ позволяет эффективно устранить указанное противоречие. В основу настоящего изобретения положена задача создания способа ультразвукового контроля с повышенной помехозащищенностью, исключающий искажение принимаемых сигналов и обеспечивающий высокую достоверность результатов контроля.

Указанная задача достигается тем, что в способе повышения помехозащищенности ультразвукового контроля, включающем широкополосный прием при помощи ультразвуковых преобразователей, регистрацию и обработку ультразвуковых сигналов, согласно изобретению, принимаемый ультразвуковым преобразователем сигнал условно разбивают на несколько временных зон, с помощью, например, коммутирующих устройств осуществляют физическое разделение сигналов, расположенных в различных временных зонах, как минимум, от основного сигнала отделяют его составляющие, расположенные в зонах ожидания сигналов, отраженных от дефектов, сигналы из разных зон подвергают независимой обработке, например, сигналы из зон действия зондирующего импульса и ожидания «донных» сигналов подают на достаточно широкополосные усилители, обеспечивающие сохранение формы импульсов и крутизну их фронтов, сигналы из зон ожидания сигналов, отраженных от дефектов, подвергают фильтрации, обеспечивающей максимальное соотношение сигнал/помеха на выходе соответствующего устройства, определяют максимальную амплитуду сигнала в зонах ожидания сигналов, отраженных от дефекта, значение этой амплитуды сравнивают с предельно допустимым значением и по результатам этого сравнения принимают решение о наличии или отсутствии дефекта, по результатам этой оценки принимают дополнительное решение о необходимости проведения повторного контроля всего изделия или только его «подозрительного» участка, в спектре сигналов, находящихся в зонах ожидания сигналов, отраженных от дефекта, определяют амплитуды частотных составляющих, характерных и нехарактерных для спектра зондирующих импульсов или спектра принимаемых полезных сигналов, сравнивают значения амплитуды «полезных» составляющих с амплитудой частотных составляющих, не характерных для спектра полезного сигнала, по результатам этого сопоставления судят о достоверности решения об обнаружении несплошности, для очистки сигналов от регулярной составляющей осуществляют не только основные циклы когерентного или некогерентного накопления принимаемых сигналов, но и вспомогательные циклы, а реализацию, очищенную от регулярной составляющей, получают путем вычитания суммарных реализаций, полученных в результате относительно короткого и относительно длинного циклов накоплений.

Например, если в спектре сигналов, принятых в зоне В и D, преобладают частотные составляющие, не характерные для полезного сигнала, делают заключение о ненадежности вывода об обнаружении несплошности. Весьма вероятно, что превышение допустимого порога произошло в результате действия помехи.

Заявляемый способ дополнительно предполагает также возможность очистки сигнала в зонах ожидания импульсов, отраженных от дефектов, от регулярной составляющей, которая в прокате может быть обусловлена, например, незатухшими колебаниями или наличием паразитных волн, возбуждаемых пьезоэлектрическим или электромагнитно-акустическим преобразователями.

Превышение допустимого порога может происходить в результате действия помехи.

Регулярная составляющая в прокате может быть обусловлена, например, незатухшими колебаниями или наличием паразитных волн, возбуждаемых пьезоэлектрическим или электромагнитно-акустическим преобразователями.

Источники информации

1. Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Ультразвуковой контроль материалов. Справочное пособие. Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1991, 752 с.

2. Патент РФ 2123401.

3. А.В.Кириков, А.Н.Забродин. Особенности применения ЭМАП при УЗК проката. Журнал «В мире неразрушающего контроля», N1, март 2002, С.5-8.

Использование: для повышения помехозащищенности ультразвукового контроля. Сущность: заключается в том, что принимаемый ультразвуковым преобразователем сигнал условно разбивают на несколько временных зон, с помощью, например, коммутирующих устройств осуществляют физическое разделение сигналов, расположенных в различных временных зонах, как минимум, от основного сигнала отделяют его составляющие, расположенные в зонах ожидания сигналов, отраженных от дефектов, определяют максимальную амплитуду сигнала в зонах ожидания сигналов, отраженных от дефекта, значение этой амплитуды сравнивают с предельно допустимым значением и по результатам этого сравнения принимают решение о наличии или отсутствии дефекта, по результатам этой оценки принимают дополнительное решение о необходимости проведения повторного контроля всего изделия или только его «подозрительного» участка, в спектре сигналов, находящихся в зонах ожидания сигналов, отраженных от дефекта, определяют амплитуды частотных составляющих, характерных и нехарактерных для спектра зондирующих импульсов или спектра принимаемых полезных сигналов, сравнивают значения амплитуды «полезных» составляющих с амплитудой частотных составляющих, не характерных для спектра полезного сигнала, по результатам этого сопоставления судят о достоверности решения об обнаружении несплошности, для очистки сигналов от регулярной составляющей осуществляют не только основные циклы когерентного или некогерентного накопления принимаемых сигналов, но и вспомогательные циклы, а реализацию, очищенную от регулярной составляющей, получают путем вычитания суммарных реализации, полученных в результате относительно короткого и относительно длинного циклов накоплений. Технический результат: повышение помехозащищенности при ультразвуковом контроле. 5 ил.

Способ повышения помехозащищенности ультразвукового контроля, включающий широкополосный прием при помощи ультразвуковых преобразователей, регистрацию и обработку ультразвуковых сигналов, отличающийся тем, что принимаемый ультразвуковым преобразователем сигнал условно разбивают на несколько временных зон, с помощью, например, коммутирующих устройств осуществляют физическое разделение сигналов, расположенных в различных временных зонах, как минимум от основного сигнала, отделяют его составляющие, расположенные в зонах ожидания сигналов, отраженных от дефектов, сигналы из разных зон подвергают независимой обработке, например сигналы из зон действия зондирующего импульса и ожидания «донных» сигналов подают на достаточно широкополосные усилители, обеспечивающие сохранение формы импульсов и крутизну их фронтов, сигналы из зон ожидания сигналов, отраженных от дефектов, подвергают фильтрации, обеспечивающей максимальное соотношение сигнал/помеха на выходе соответствующего устройства, определяют максимальную амплитуду сигнала в зонах ожидания сигналов, отраженных от дефекта, значение этой амплитуды сравнивают с предельно допустимым значением и по результатам этого сравнения принимают решение о наличии или отсутствии дефекта, по результатам этой оценки принимают дополнительное решение о необходимости проведения повторного контроля всего изделия или только его «подозрительного» участка, в спектре сигналов, находящихся в зонах ожидания сигналов, отраженных от дефекта, определяют амплитуды частотных составляющих, характерных и нехарактерных для спектра зондирующих импульсов или спектра принимаемых полезных сигналов, сравнивают значения амплитуды «полезных» составляющих с амплитудой частотных составляющих, не характерных для спектра полезного сигнала, по результатам этого сопоставления судят о достоверности решения об обнаружении несплошности, для очистки сигналов от регулярной составляющей осуществляют не только основные циклы когерентного или некогерентного накопления принимаемых сигналов, но и вспомогательные циклы, а реализацию, очищенную от регулярной составляющей, получают путем вычитания суммарных реализации, полученных в результате относительно короткого и относительно длинного циклов накоплений.