Способ подбора пути ультразвуковой волны в призме, угла и стрелы призмы преобразователя ультразвукового дефектоскопа ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму Российский патент 2024 года по МПК G01N29/30 

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля.

Известны система и способ проверки угла преломления для преобразователей с фазированной решеткой с использованием стандартных калибровочных блоков, патент США US8521446B2, позволяющие определить параметры призмы ультразвуковой антенной решетки на стандартном калибровочном блоке.

Недостатком этого способа является необходимость использования специального калибровочного блока и ручного сканирования призмой преобразователя с фазированной решеткой по нескольким его поверхностям для последовательного определения параметров призмы.

Известны способ и система автоматической идентификации призмы для системы ультразвукового контроля, патент США US8150652B2, позволяющий определить параметры по эхо-сигналам от донной поверхности призмы, без калибровочного блока.

Недостатком этого способа является то, что этот способ не позволяет определить стрелу призмы и отсутствие возможности компенсации погрешностей при применении рабочего алгоритма обработки сигналов при измерениях при введенных параметрах призмы.

Известен способ калибровки ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму пат. 2530181 Рос. Федерация; заявка 2013122308/28 от 15.05.2013; опубл. 10.10.2014, Бюл. № 28. 6 с. Недостатком указанного способа калибровки является необходимость специальной обработки сигналов в дефектоскопе.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ калибровки ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму пат. 2530181 Рос. Федерация; заявка 2013122308/28 от 15.05.2013; опубл. 10.10.2014, Бюл. № 28. 6 с.

Известный способ не может быть использован для компенсации погрешностей, возникающих под воздействием внешних факторов (температура, свойства контактной жидкости, разница диаметров притирания призмы и настроечного образца) для более точного соответствия измеряемым координатам отражателей их теоретическому положению при измерениях с ранее откалиброванной призмой.

Предложен способ подбора пути ультразвуковой волны в призме, угла и стрелы призмы преобразователя ультразвукового дефектоскопа ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму, заключающийся в использовании измерений дефектоскопом, излучающим ультразвуковые сигналы с помощью множества элементов антенной решетки в настроечный образец с известной скоростью ультразвука и известной толщиной и принимающем ультразвуковые сигналы, отраженные от отражателей настроечного образца, имеющих известные геометрические размеры и положение относительно указанной призмы, позволяющие вычислить теоретическое положение максимума амплитуды сигнала от указанных отражателей,

отличающийся тем, что путь в призме, угол наклона и стрела призмы подбираются путем расчетной минимизации суммы по сочетаниям расположения призмы и выбранного отражателя настроечного образца квадратов разностей между расчётными координатами максимумов амплитуды изображения, рассчитанными на основе измеренного дефектоскопом положения максимумов амплитуды изображения при ранее введенных в дефектоскоп пути в призме, углу наклона и стреле призмы и теоретическими координатами максимумов амплитуды изображения.

Предлагаемый способ позволяет определить параметры призмы, при введении которых в ультразвуковой эхо-импульсный дефектоскоп снижаются среднеквадратические отклонения измерений координат максимумов амплитуды сигнала отражателей относительно полученных ранее аналогичных среднеквадратических отклонений измерений координат максимумов амплитуды сигнала отражателей при введенных ранее в дефектоскоп параметрах призмы.

Для пояснения описанного способа на Фиг. 1 показана схема призмы на образце с отражателем и геометрические параметры на примере отражателя в виде бокового цилиндрического отверстия.

Предложенный способ подбора пути ультразвуковой волны в призме, угла и стрелы призмы преобразователя ультразвукового дефектоскопа ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму осуществляется следующем способом.

Проведение подбора указанных параметров призмы проводится с применением эхо-импульсного дефектоскопа, позволяющего получать координаты максимумов амплитуды сигнала от отражателей на изображении или другом скане. Применяемый в дефектоскопе способ получения изображения или скана должен использовать вводимые в дефектоскоп параметры антенной решетки: путь в призме h угол наклона β и стрела призмы L, а также C_p - скорость продольной волны в призме и C_s - скорость используемой ультразвуковой волны (продольная или поперечная) в настроечном образце.

Настроечный образец должен иметь известную геометрию и расположение компактных отражателей и позволять разместить на поверхности указанную призму так, чтобы получить изображение на дефектоскопе хотя бы при двух сочетаниях положения призмы и выбранного отражателя. Для каждого сочетания положения призмы и выбранного отражателя должно быть известно или рассчитано теоретическое положение максимума изображения отражателя относительно призмы. В качестве отражателей для настройки не могут быть использованы плоскость торца настроечного образца, полукруглая или полусферическая поверхности с диаметром, сопоставимым или большим размера призмы. Для практических целей теоретические координаты отражателей относительно призмы, по возможности, должны обеспечивать равномерное покрытие предполагаемой зоны контроля.

Предлагаемый способ может быть реализован как в программном обеспечении дефектоскопа, так и путем расчетов вне программного обеспечения дефектоскопа.

Для подбора используется i = 1.. n, (n≥2) различных сочетаний положения призмы на настроечном образце и выбранного отражателя, при которых проводят измерения при введенных в дефектоскоп пути в призме h₀, угле наклона β₀ и стреле призмы L₀ и получают результат измерений: величины X_ui  - измеренное дефектоскопом смещение относительно передней грани призмы максимума амплитуды изображения; Z_ui - измеренная дефектоскопом глубина максимума амплитуды изображения. Предлагаемый способ подбора состоит в численном нахождении минимума следующей суммы квадратов разностей ожидаемых и теоретических координат при варьировании пути в призме h_k, угла наклона β_k и стрелы призмы L_k

где

X_ti - теоретическое смещение относительно передней грани призмы максимума амплитуды изображения при i-м сочетании положения призмы и выбранного отражателя;

Z_ti - теоретическая глубина максимума амплитуды изображения при i-м сочетании положения призмы и выбранного отражателя,

 - ожидаемая глубина максимума амплитуды изображения при i-м сочетании положения призмы и выбранного отражателя при введении в дефектоскоп параметров вычисляемая по формуле

 - ожидаемое смещение относительно передней грани призмы максимума амплитуды изображения при i-м сочетании положения призмы и выбранного отражателя при введении в дефектоскоп параметров вычисляемое по формуле

- имеющая размерность времени постоянная при i-м сочетании положения призмы и выбранного отражателя, вычисляемая по формуле

- имеющая размерность угла постоянная при i-м сочетании положения призмы и выбранного отражателя, вычисляемая по формуле

- имеющая размерность угла постоянная при i-м сочетании положения призмы и выбранного отражателя, вычисляемая решением уравнения

- скорость используемой ультразвуковой волны (продольная или поперечная) в настроечном образце;

- скорость продольной волны в призме.

В качестве примера работы предложенного способа приводим результаты тестирования подбора пути в призме, угла и стрелы призмы антенной решетки рабочей частотой 5 МГц c известными номинальными параметрами: путь в призме угол призмы стрела призмы на боковых цилиндрических отверстиях Ø3, на глубинах 15, 30, 45, 60 мм в образце ISO 19675 PAUT BLOCK со скоростью поперечных волн

Тестирование состояло в намеренном искажении вводимых параметров призмы, получении изображения и координат максимумов амплитуды отражателей, подборе новых параметров призмы, получении нового изображения и сравнения координат максимумов амплитуды отражателей этого изображения с теоретическими координатами максимумов. Также было проведено тестирование при задании номинальных параметров призмы.

Для этого одни и те же сигналы от указанных боковых цилиндрических отверстий (четыре отражателя), снятые при номинальных пути в призме, угле и стреле призмы при выбранном смещении относительно передней грани призмы осей этих отверстий равном 10 мм и 50 мм (два положения призмы) для получения акустического изображения подвергались обработке ЦФА в программе «АВГУР Анализ», (программное обеспечение дефектоскопов АВГУР-АРТ) с введением задаваемых параметров призмы один раз - при номинальных параметрах, второй раз - при искаженных: введенный угол призмы увеличен на 1°, третий раз - при искаженных: изменены стрела и путь в призме, соответствующие увеличению толщины призмы на 3 мм. Координаты максимумов амплитуды отражателей (сочетаний положения призмы на настроечном образце и выбранного отражателя в результате такой обработки показаны на Фиг. 2. По всем полученным координатам максимумов вычислялись сумма квадратов разностей среднеквадратическое отклонение по смещению относительно передней грани призмы и среднеквадратического отклонения по глубине

Результаты подбора и значения сумм квадратов разностей и среднеквадратических отклонений показаны на Фиг. 3.

Применение предлагаемого метода подбора при начальных номинальных параметрах позволило уменьшить сумму квадратов разностей в четыре раза, для двух случаев искаженных параметров призмы позволило получить близкие к номинальным значениям параметры призмы и изображения со среднеквадратическими отклонениями сопоставимыми для изображения с применением призмы с номинальными параметрами

Использование: для подбора пути ультразвуковой волны в призме, угла и стрелы призмы преобразователя ультразвукового дефектоскопа ультразвуковой антенной решетки. Сущность изобретения заключается в том, что используют измерения дефектоскопа, излучающего ультразвуковые сигналы с помощью множества элементов антенной решетки в настроечный образец с известной скоростью ультразвука и известной толщиной и принимающим ультразвуковые сигналы, отраженные от отражателей настроечного образца, имеющих известные геометрические размеры и положение относительно призмы, позволяющие вычислить теоретическое положение максимума амплитуды сигнала от указанных отражателей, при этом путь в призме, угол наклона и стрела призмы подбираются путем расчетной минимизации суммы по сочетаниям расположения призмы и выбранного отражателя настроечного образца квадратов разностей между расчётными координатами максимумов амплитуды изображения, рассчитанными на основе измеренного дефектоскопом положения максимумов амплитуды изображения при ранее введенных в дефектоскоп пути в призме, углу наклона и стреле призмы и теоретическими координатами максимумов амплитуды изображения. Технический результат: обеспечение возможности снижения погрешности определения координат максимумов амплитуды сигнала отражателей при применении ультразвукового эхо-импульсного дефектоскопа с применением технологии фазированных решеток. 3 ил.

Способ подбора пути ультразвуковой волны в призме, угла и стрелы призмы преобразователя ультразвукового дефектоскопа ультразвуковой антенной решетки, установленной на призму, заключающийся в использовании измерений дефектоскопом, излучающим ультразвуковые сигналы с помощью множества элементов антенной решетки в настроечный образец с известной скоростью ультразвука и известной толщиной и принимающим ультразвуковые сигналы, отраженные от отражателей настроечного образца, имеющих известные геометрические размеры и положение относительно указанной призмы, позволяющие вычислить теоретическое положение максимума амплитуды сигнала от указанных отражателей, отличающийся тем, что путь в призме, угол наклона и стрела призмы подбираются путем расчетной минимизации суммы по сочетаниям расположения призмы и выбранного отражателя настроечного образца квадратов разностей между расчётными координатами максимумов амплитуды изображения, рассчитанными на основе измеренного дефектоскопом положения максимумов амплитуды изображения при ранее введенных в дефектоскоп пути в призме, углу наклона и стреле призмы и теоретическими координатами максимумов амплитуды изображения.