СПОСОБ НАСТРОЙКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДЕФЕКТОСКОПОВ Российский патент 2010 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к области ультразвуковой аппаратуры, предназначенной для неразрушающего контроля качества материалов, в частности, к способам настройки и проверки ультразвуковых дефектоскопов.

Ультразвуковой дефектоскоп состоит из электронного блока и электроакустического преобразователя прямого или наклонного типа.

Настройка ультразвуковой аппаратуры является основным элементом, обеспечивающим эффективность ее применения для неразрушающего контроля. Она осуществляется при помощи стандартных образцов-устройств, содержащих набор искусственных моделей дефектов-отражателей разной формы, например, в виде: цилиндрического отверстия, плоскодонного сверления, плоских угловых отражателей, пропилов и т.д., отображающих геометрию по возможности реальных дефектов. Они позволяют определить условную и предельную чувствительность аппаратуры, ее разрешающую способность, мертвую зону преобразователя, точку выхода ультразвуковых колебаний, угла ввода ультразвуковых колебаний и т.д.

Особенностью при стандартизации образцов является нормирование геометрических размеров и местоположения, искусственно созданных нарушений сплошности материала. Однако данные характеристики затруднительно использовать для установления наиболее существенной в дефектоскопии зависимости между параметрами имитаторов дефектов и информационным сигналом, формируемым и регистрируемым при дефектоскопии. Это обстоятельство существенно затрудняет проведение сравнительной оценки единства условной чувствительности в широком диапазоне изменения параметров дефектов, а следовательно, приводит к снижению функциональных возможностей аппаратуры, а также достоверности и точности результатов диагностики.

В то же время, способы настройки и проверки параметров ультразвуковой аппаратуры группируют в два класса задач. К первому классу относят задачи повседневной настройки и проверки на рабочем месте наиболее важных и сравнительно легко поддающихся определению параметров и характеристик применительно к конкретным объектам контроля. Эту проверку осуществляют с помощью стандартных образцов-имитаторов свойств объектов контроля. Второй класс задач предусматривает наиболее полную проверку параметров ультразвуковой аппаратуры и характеристик метода в лабораторных условиях, путем проведения количественных измерений с применением специальной дополнительной аппаратуры, стандартных образцов общего назначения и приспособлений (Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение, 1981, 240 с.).

Известен способ для комплексной настройки и проверки параметров ультразвуковой аппаратуры с прямым преобразователем, который реализуют с помощью устройства в виде стандартного образца [ГОСТ 14782-86. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые. - М.: Изд-во стандартов, 1986, 11 с.].

Способ определения условной чувствительности ультразвуковой аппаратуры осуществляют следующим образом. На рабочую горизонтальную поверхность устройства устанавливают преобразователь. Затем сканируют его поверхность, на которой находятся 13 цилиндрических отверстий-отражателей диаметром 2 мм, расположенных на разном расстоянии (глубине) от рабочей поверхности с шагом по глубине 5 мм, и фиксируют по индикатору дефектоскопа амплитуды эхо-сигналов, отраженных от поверхности отверстий. За условную чувствительность ультразвуковой аппаратуры принимается расстояние в миллиметрах до наиболее удаленного и выявляемого при сканировании отверстия при данной настройке этой аппаратуры.

Недостатком данного способа является невозможность его использования для проверки и оценки в широком интервале закономерности изменения условной чувствительности ультразвуковой аппаратуры, а также его ограничение решением задач первого класса. Кроме того, способ реализуют с использованием устройства из органического стекла, существенно отличающегося по физико-механическим свойствам от широко распространенного материала контроля - сталей, что приводит к необходимости пересчета условной чувствительности применительно к сталям при помощи специально строящихся аттестатов-графиков, и, как следствие, к снижению достоверности оценки условной чувствительности аппаратуры [Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. Методы акустического контроля металлов. - М.: Машиностроение, 1989, 456 с.].

Наиболее близким по техническому и функциональному осуществлению к предлагаемому способу является способ для определения изменения условной чувствительности ультразвуковой аппаратуры с наклонным преобразователем при отклонении от номинального ее значения [ГОСТ 23667-85. Контроль неразрушающий. Дефектоскопы ультразвуковые. Методы измерения основных параметров. - М.: Изд-во стандартов, 1986, 8 с.].

Способ реализуют следующим образом. Предварительно отключают временную регулировку чувствительности дефектоскопа и отсечку, затем устанавливают преобразователь дефектоскопа на рабочую поверхность стандартного образца, который изготовлен из стали марки 20, соответствующего номинальному значению условной чувствительности (по номинальной площади отражателя S_н, по глубине расположения площади отражателя H_s), и настраивают дефектоскоп на эту чувствительность, используя только его измерительный аттенюатор. Затем рассчитывают отклонение условной чувствительности от номинальной в дБ по формуле

ΔS_н или ΔH_s=(N_уст-N_н),

где N_н - номинальное ослабление измерительного аттенюатора, соответствующее номинальной условной чувствительности;

N_уст - установленное в процессе измерения показание измерительного аттенюатора дефектоскопа.

Недостатки этого способа связаны: с невозможностью настройки ультразвуковой аппаратуры по чувствительности в широком диапазоне ее изменения, т.е. от +6 до -20 дБ; с применением расчетных, а не экспериментальных оценок; нет возможности использовать для проверки и настройки линейности электроакустического тракта преобразователя-дефектоскопа, а также выявлять предельную чувствительность аппаратуры с учетом изменения глубины залегания дефектов и т.д.

Таким образом, известные способы определения условной чувствительности ограничиваются оценкой ее значений при данной настройке ультразвуковой аппаратуры или ее потенциального запаса и не позволяют отследить изменения чувствительности в широком интервале изменения амплитуды эхо-сигнала, обеспечить единообразия методики проверки аппаратуры и существенного расширения областей для ее практического использования, и диапазона номенклатуры контролируемых материалов и изделий.

В основу изобретения положено решение задачи повышения эффективности работы ультразвуковой аппаратуры путем разработки способа ее настройки и проверки, обеспечивающего в различных условиях эксплуатации аппаратуры повышение уровня и универсальности ее настройки параметров линейности электроакустического тракта, предельной чувствительности и определения допустимого диапазона ее применимости при реальной диагностике, без снижения достоверности и точности результатов диагностики широкого круга номенклатурных материалов и изделий.

Поставленная задача решается тем, что в способе настройки и проверки параметров ультразвукового дефектоскопа посредством матричного устройства, с нанесенными на его поверхность плоскими угловыми отражателями, имитирующими форму и размеры реальных дефектов, включающим установление на рабочую поверхность устройства наклонного преобразователя и последовательное сканирование ряда рабочих поверхностей плоских угловых отражателей, выполненных с изменяющимися линейно площадями, до получения эхо-сигналов, согласно изобретению получают от всех рабочих поверхностей угловых отражателей разные по величине эхо-сигналы, амплитуды которых фиксируют индикатором дефектоскопа в положительных и в отрицательных единицах децибел в диапазоне изменения величин от любого опорного отражателя, для которого изменение в децибелах равно нулю, до максимальной величины от отражателя максимального размера. Затем полученные значения амплитуд эхо-сигналов заносят в таблицу и строят график-аттестат экспериментальной зависимости набора отношений амплитуд эхо-сигналов в диапазоне от +6 дБ до -20 дБ от соответствующего им набора отношений размеров площадей плоских угловых отражателей, и путем анализа и сравнения значений амплитуд эхо-сигналов, полученных при определенном шаге сканирования размером менее 2 дБ, определяют линейность электроакустического тракта дефектоскопа и судят о ее соответствии полю допуска («коридору»), устанавливаемого нормативными документами, в случае ее выхода за пределы поля допуска, осуществляют посредством аттенюатора дефектоскопа перенастройку аппаратуры до достижения линейности электроакустического тракта. При этом устанавливают предельную чувствительность аппаратуры и допустимый диапазон ее применимости при контроле дефектов.

Возможность повышения эффективности настройки и проверки ультразвуковых дефектоскопов, за счет корректировки параметров линейности электроакустического тракта аппаратуры, точного установления ее предельной чувствительности и допустимого диапазона применимости при диагностике реальных дефектов, формирует качественно новый уровень применимости ультразвуковой аппаратуры в области дефектоскопии ферромагнитных материалов и изделий.

Реализация предлагаемого способа осуществляется при помощи матричного устройства, выполненного в виде пластины из малоуглеродистой мелкозернистой стали марки 20, содержащего ряд отражателей, с разными площадями отражения, имитирующих форму и размеры реальных дефектов. Отражатели являются угловыми и выполнены в виде зарубок, которые имеют разную глубину и прямоугольную форму, рабочие площади отражателей имеют форму либо квадратов и изменяются линейно с шагом, равным величине √l,06, соответствующим отраженному от поверхности рабочей площади эхо-сигналу в 0,5 дБ или √l,12 - в 1,0 дБ, или √l,19 - в 1,5 дБ, или √l,26 - в 2,0 дБ; в диапазоне от +6 до -20 дБ; либо рабочие площади отражателей имеют форму прямоугольников и изменяются линейно по длине или ширине с шагом, равным величине 1,06, соответствующим отраженному от поверхности рабочей площади эхо-сигналу в 0,5 дБ или 1,12 - в 1,0 дБ, или 1,19 - в 1,5 дБ, или 1,26 - в 2,0 дБ; в диапазоне от +6 до -20 дБ; причем все отражатели устройства, включая предпоследний от минимальной рабочей площади отражателя, выполнены опорным отражателем (Пудов В.И., Соболев А.С., Бланин В.А. Устройство для настройки ультразвуковых преобразователей-дефектоскопов. Патент РФ №2310838. Бюл. изобр. 2007, №32).

Способ реализуют следующим образом.

На рабочую фронтальную поверхность матричного устройства устанавливают наклонный преобразователь и последовательно сканируют ряд рабочих поверхностей плоских угловых отражателей, выполненных с изменяющимися линейно площадями. Получают от всех рабочих поверхностей угловых отражателей разные по величине эхо-сигналы, амплитуды которых фиксируют индикатором дефектоскопа в единицах децибел в диапазоне изменения величин от опорного отражателя, для которого изменение в децибелах равно нулю, до максимальной от отражателя максимального размера. В результате от плоских угловых отражателей больших размеров по сравнению с опорным отражателем получают изменение сигнала в положительных децибелах, а от отражателей меньших размеров по отношению к опорному - в отрицательных.

Затем полученные значения амплитуд эхо-сигналов заносят в таблицу и строят график-аттестат, где по оси абсцисс (ось х) откладывают отношение размеров площадей плоских угловых отражателей с определенным шагом в децибелах и с нулем для размера опорного отражателя, а по оси ординат (ось у) - отношение амплитуд эхо-сигналов в диапазоне от +6 дБ до -20 дБ и также с шагом в децибелах, и с нулем для эхо-сигнала от опорного отражателя. После этого путем анализа и сравнения значений амплитуд эхо-сигналов, полученных при определенном шаге сканирования размером 0,1, или 0,5, или 1, или 1,5, или 2 дБ, определяют линейность электроакустического тракта дефектоскопа и судят о ее соответствии полю допуска ("коридору"), расположенного под углом 45 градусов в 1 и 3 квадрантах в рассматриваемых координатах, ширина которого по оси у задается нормативными документами контролируемых дефектов изделий. В случае выхода линейности за пределы поля допуска осуществляют посредством аттенюатора дефектоскопа перенастройку аппаратуры до достижения линейности электроакустического тракта в пределах поля допуска.

Затем из анализа и сравнения зависимости, представленной в графике-аттестате, устанавливают предельную чувствительность аппаратуры и допустимый диапазон ее применимости при диагностике дефектов.

Пример обработки результатов

Дискретный набор моделей дефектов, выполненных в устройстве, представляет упорядоченный по отношению площадей, выраженному числом n_xi децибелов, ряд плоских угловых отражателей. Например, площадь опорного отражателя дефекта составляет 7 мм², при шаге в 1 дБ берем в зависимости от точности настройки диапазон изменения n_xi от +4 дБ до -14 дБ.

Нормированная зависимость N_yi=f(n_xi) в виде N_i=f(n_xi) приведена в графической форме. Погрешность определения значений N_i±0,5 дБ. Норма отклонения от условной линейности в виде зависимости N_i=f(n_xi) электроакустического тракта при заданных n_xi для данной дефектоскопической аппаратуры должна находиться в пределах ±1 дБ.

Экспериментальные результаты по определению условной линейности электроакустического тракта дефектоскопа с приданными ему двумя однотипными преобразователями П1 и П2 приведены на фиг.1. Линии регрессии для П1 и П2 соответственно описываются выражениями вида:

N_i=-0,95+0,88n_xi

N_i=-0,66+1,29n_xi

Из фиг.1 видно, что дефектоскоп с П1 имеет во всем диапазоне n_xi (ось х) условной линейности в пределах не более ±1 дБ все значения N_i по оси у линии регрессии Р1 системы в пределах поля допуска ("коридора") ±1 дБ, и поэтому дефектоскоп с преобразователем П1 может применяться для контроля. При подсоединении к дефектоскопу преобразователя П2 наблюдается выход значений N_i по оси у линии регрессии Р2 (начиная с n_xi более -4 дБ по модулю) за пределы поля допуска ("коридора") ±1 дБ. Экспериментальные точки N_i по оси у в этом случае отклоняются от нормы более чем на 3 дБ. Отсюда следует, что данный дефектоскоп с преобразователем П2 не может быть допущен к эксплуатации.

Таким образом, предложенный способ для настройки ультразвуковых дефектоскопов позволяет без разработки новой ультразвуковой аппаратуры повысить эффективность ее работы и, как следствие, достоверность и точность результатов диагностики за счет нового подхода в настройке и проверки работы параметров линейности электроакустического тракта аппаратуры. Одновременно за счет упорядочения в настройке широкого класса ультразвуковой аппаратуры обеспечивается единообразие методики ее проверки и существенное расширение областей для ее практического использования, а также диапазон номенклатуры контролируемых материалов и изделий.

Использование: для настройки ультразвуковых дефектоскопов. Сущность: заключается в том, что осуществляют настройку и проверку параметров ультразвукового дефектоскопа посредством матричного устройства, с нанесенными на его поверхность плоскими угловыми отражателями, имитирующими форму и размеры реальных дефектов, путем установки на рабочую поверхность матричного устройства наклонного преобразователя и последовательного сканирования ряда рабочих поверхностей плоских угловых отражателей, выполненных с изменяющимися линейно площадями, до получения эхо-сигналов, получают от всех рабочих поверхностей угловых отражателей разные по величине эхо-сигналы, амплитуды которых фиксируют индикатором дефектоскопа в положительных и в отрицательных единицах децибел в диапазоне изменения величин от любого опорного отражателя, для которого изменение в децибелах равно нулю, до максимальной величины от отражателя максимального размера; затем полученные значения амплитуд эхо-сигналов заносят в таблицу и строят график-аттестат экспериментальной зависимости набора отношений амплитуд эхо-сигналов в диапазоне от +6 дБ до -20 дБ от соответствующего им набора отношений размеров площадей плоских угловых отражателей, и путем анализа и сравнения значений амплитуд эхо-сигналов, полученных при определенном шаге сканирования размером менее 2 дБ, определяют линейность электроакустического тракта дефектоскопа и судят о ее соответствии полю допуска, устанавливаемого нормативными документами, в случае ее выхода за пределы поля допуска, осуществляют посредством аттенюатора дефектоскопа перенастройку аппаратуры до достижения линейности электроакустического тракта. Технический результат: повышение уровня и универсальности ее настройки параметров линейности электроакустического тракта, предельной чувствительности и определения допустимого диапазона ее применимости при реальной диагностике. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ настройки и проверки параметров ультразвукового дефектоскопа посредством матричного устройства, с нанесенными на его поверхность плоскими угловыми отражателями, имитирующими форму и размеры реальных дефектов, включающий установление на рабочую поверхность устройства наклонного преобразователя и последовательного сканирования ряда рабочих поверхностей плоских угловых отражателей, выполненных с изменяющимися линейно площадями, до получения эхо-сигналов, отличающийся тем, что получают от всех рабочих поверхностей угловых отражателей разные по величине эхо-сигналы, амплитуды которых фиксируют индикатором дефектоскопа в положительных и в отрицательных единицах децибел в диапазоне изменения величин от любого опорного отражателя, для которого изменение в децибелах равно нулю, до максимальной величины от отражателя максимального размера; затем полученные значения амплитуд эхо-сигналов заносят в таблицу и строят график-аттестат экспериментальной зависимости набора отношений амплитуд эхо-сигналов в диапазоне от +6 дБ до -20 дБ от соответствующего им набора отношений размеров площадей плоских угловых отражателей, и путем анализа и сравнения значений амплитуд эхо-сигналов, полученных при определенном шаге сканирования размером менее 2 дБ, определяют линейность электроакустического тракта дефектоскопа и судят о ее соответствии полю допуска, устанавливаемого нормативными документами, в случае ее выхода за пределы поля допуска, осуществляют посредством аттенюатора дефектоскопа перенастройку аппаратуры до достижения линейности электроакустического тракта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что из анализа и сравнения полученной зависимости набора отношений амплитуд эхо-сигналов от соответствующего им набора отношений размеров площадей плоских угловых отражателей устанавливают предельную чувствительность аппаратуры и допустимый диапазон ее применимости при контроле дефектов.