Ультразвуковая мишень для неразрушающего контроля Российский патент 2024 года по МПК G01H17/00 

Область техники

[001] Изобретение относится к области неразрушающего контроля с использованием ультразвука, в частности к контролю элемента оборудования, находящегося в агрессивной среде.

Предпосылки создания изобретения

[002] Некоторые промышленные установки подвергаются регулярным обследованиям для проверки целостности оборудования или конструкций. Эти обследования выполняют, чтобы удовлетворить нормативные требования и/или требования по безопасности. Вопрос состоит в проверке целостности конструкции или компонента, или в выполнения контроля их местоположения или размеров.

[003] Однако некоторые среды не подходят для визуальных методов контроля, основанных на обычных датчиках изображения. Это, например, касается установок, в которых очень высока температура или уровень излучения. Кроме того, контролируемый объект может быть погружен в непрозрачную жидкость или заслонен непрозрачными экранами, например, металлическими экранами. С такими условиями можно столкнуться в ядерной индустрии, например, в реакторах на быстрых нейтронах, охлаждаемых жидким натрием или жидким свинцом, или даже в установках, обеспечивающих цикл переработки ядерного топлива и содержащих резервуары, где могут содержаться внутренние элементы оборудования, которых не видно снаружи.

[004] В установках такого типа проблему может решить использование ультразвуковых методов контроля. Они позволяют контролировать установки во время работы, или во время периодических обследований, или перед обслуживанием или демонтажем. При этом используется способность ультразвука проходить через такие различные среды как жидкость и твердое тело.

[005] Принцип таких измерений хорошо известен: падающая акустическая волна посылается передатчиком в направлении контролируемого элемента оборудования или конструкции. Последний отражает падающую волну. Часть отраженной волны обнаруживается детектором. Для выполнения измерений такого типа удобно использовать ультразвуковые приемопередатчики, которые играют роль как передатчика, так и приемника. Падающая волна в общем случае представляет собой импульс или цуговую последовательность импульсов. Отраженную волну, то есть волну, которая распространяется назад к детектору, обычно называют «эхом». Преимущество акустических измерений заключается в наличии надежного оборудования и соответствующего эффективного программного обеспечения для создания изображений. В общем случае измеряют амплитуду отраженной акустической волны и время ее распространения. Время распространения волны соответствует временному интервалу между передачей падающей акустической волны и обнаружением отраженной акустической волны (эха).

[006] Однако переданные или отраженные акустические волны в общем случае испытывают ослабление между приемопередатчиком и оборудованием, которое является предметом контроля. Это, в частности, имеет место, когда между приемопередатчиком и контролируемым оборудованием имеется экран, например, металл некоторой толщины. Для увеличения интенсивности отраженной волны, распространяющейся к приемнику, на контролируемом оборудовании можно разместить мишени, называемыми треугольными уголковыми отражателями.

[007] Принцип работы треугольного уголкового отражателя хорошо известен, особенно в оптике, так как относится к основному принципу катадиоптрики. Такая мишень 1_AA содержит 3 ортогональные плоские грани, как показано на фиг. 1. Когда на нее падает акустическая волна, распространяющаяся параллельно оси Δ_i падения, такой треугольный уголковый отражатель, обычно образующий «угол куба», обладает свойством отражать ультразвуковую волну вдоль оси Δ_r распространения, параллельной оси падающей волны. Это происходит благодаря трем последовательным отражениям акустической волны от различных ортогональных граней мишени. Такое свойство имеет место, когда падение ограничено углом приблизительно от 25° до 30° относительно нормали к главной базовой плоскости мишени. Интенсивность отраженной волны тем больше, чем больше площадь мишени и чем выше центрированность оси Δ_i падения относительно мишени. Таким образом, мишень называется эхогенной, потому что генерирует эхо, которое имеет большую интенсивность, чем эхо, возникающее при зеркальном отражении от плоской стенки.

[008] Использование мишени для отражения акустических волн уже описано, например, в документе ЕР 2192593. В этом документе мишень размещена на части оборудования, в представленном случае - на насосе ядерного реактора. Мишень является или плоской, или состоящей из двух ортогональных плоскостей. Она используется в качестве ультразвукового отражателя с целью контроля вибраций оборудования, независимо того, идет ли речь о контроле амплитуды или частоты вибраций. В документе JP 56004006 описано использование треугольного уголкового отражателя для отражения акустических волн.

[009] Использование различных отражающих мишеней треугольной формы, размещенных на одном и том же элементе оборудования, но в различных местах, описано в документе ЕР 2937711. Речь идет об отражения электромагнитных волн с целью контроля вибраций.

[010] Следует отметить, что ни в одном из вышеуказанных документов не описано использование треугольного уголкового отражателя, который закреплен на элементе оборудования и предназначен для использования, будучи единственным, в качестве акустического отражателя, обеспечивающего количественную оценку перемещения этого элемента оборудования. Изобретение, описанное ниже, решает эту проблему. Оно позволяет количественно оценить перемещение, в частности двумерное или трехмерное перемещение, элемента оборудования, к которому прикреплена мишень, действующая как ультразвуковой отражатель. Перемещение можно оценить и использованием единственной мишени.

Сущность изобретения

[011] В своем первом аспекте изобретение относится к ультразвуковой мишени, содержащей главный отражатель, при этом главный отражатель:

- содержит три главные грани, идущие от главной вершины и формирующие главный триортогональный трехгранник; и

- задает главную базовую плоскость, лежащую напротив главной вершины и формирующую основание главного триортогонального трехгранника;

при этом указанная мишень отличается тем, что содержит по меньшей мере один вспомогательный отражатель, прикрепленный к главному отражателю, и вспомогательный отражатель или каждый вспомогательный отражатель:

- содержит три вспомогательные грани, идущие от вспомогательной вершины, при этом вспомогательные грани формируют вспомогательный триортогональный трехгранник; и

- задает вспомогательную базовую плоскость, лежащую напротив вспомогательной вершины и формирующую основание вспомогательного триортогонального трехгранника.

[012] Указанная мишень предпочтительно выполнена так, что вспомогательная базовая плоскость или каждая вспомогательная базовая плоскость параллельна главной базовой плоскости.

[013] Главный отражатель и каждый вспомогательный отражатель сконфигурированы так, что отражают падающую ультразвуковую волну, распространяющуюся вдоль оси падения, с формированием отраженной волны, распространяющейся вдоль оси отражения, параллельной оси падения. Ось падения предпочтительно расположена в диапазоне углов падения до угла 25° или 30° относительно оси, перпендикулярной главной базовой плоскости.

[014] Главный отражатель и каждый вспомогательный отражатель образуют монолитную мишень. Эта мишень имеет жесткую конструкцию. Таким образом, место каждого вспомогательного отражателя фиксировано относительно главного отражателя.

[015] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере одна вспомогательная вершина или каждая вспомогательная вершина размещена относительно главной базовой плоскости на расстоянии, отличающемся от расстояния между главной вершиной и главной базовой плоскостью, при этом указанное расстояние измеряется в направлении, перпендикулярном главной базовой плоскости.

[016] Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, указанная мишень содержит по меньшей мере два вспомогательных отражателя или по меньшей мере три вспомогательных отражателя, прикрепленных к главному отражателю. Каждая вспомогательная вершина может быть помещена на том же расстоянии, что и другие, относительно главной вершины в направлении, перпендикулярном главной базовой плоскости. По меньшей мере две вспомогательные вершины могут быть помещены, соответственно, на двух различных расстояниях от главной вершины, при этом указанные расстояния измеряют в направлении, перпендикулярном главной базовой плоскости.

[017] Каждый отражатель определяет объем, ограниченный гранями, формирующими указанный отражатель, и базовой плоскостью указанного отражателя. Мишень может быть такой, что объемы, соответственно определенные по меньшей мере двумя отражателями, выбранными из главного отражателя и вспомогательного отражателя, различны.

[018] Согласно еще одному варианту осуществления изобретения,

- две соседние главные грани разделены ребром, идущим от главной вершины;

- по меньшей мере одна вспомогательная вершина одного вспомогательного отражателя, называемого внутренним вспомогательным отражателем, расположена на указанном ребре; и

- внутренний вспомогательный отражатель ограничен:

• указанными соседними главными гранями, которые формируют вспомогательные грани вспомогательного отражателя;

• поперечной вспомогательной гранью, идущей между соседними главными гранями параллельно главной грани, противолежащей указанным соседним главным граням.

[019] Указанная мишень может содержать множество вспомогательных отражателей, при этом каждый вспомогательный отражатель представляет собой внутренний отражатель.

[020] Согласно еще одному варианту осуществления изобретения,

- главный отражатель определяет внутреннее пространство, находящееся между главными гранями и главной базовой плоскостью; и

- по меньшей мере один вспомогательный отражатель размещен вне этого внутреннего пространства.

[021] Второй аспект изобретения относится к способу оценки перемещения мишени, выполненной согласно первому аспекту изобретения, включающему, на этапе контроля:

- а) направление на мишень падающей акустической волны, испускаемой акустическим источником излучения, при этом падающая акустическая волна распространяется вдоль оси падения, которая наклонена под углом менее 30° к оси, перпендикулярной главной базовой плоскости мишени;

- b) последовательно за шагом (а), обнаружение акустической волны, отраженной от указанной мишени, при этом отраженная акустическая волна распространяется вдоль оси отражения, параллельной оси падения;

- с) на основе акустической волны, обнаруженной на шаге (b), определение положения мишени, при этом указанное положение включает местоположение и/или ориентацию мишени;

кроме того, указанный способ включает:

- d) учет опорного положения мишени, включая опорное местоположение и/или опорную ориентацию мишени; и

- е) сравнение положения мишени, полученного на шаге (с), с опорным положением.

[022] Способ может включать:

- f) на основе сравнения на шаге (е), оценку перемещения мишени относительно опорного положения.

[023] Указанное опорное положение можно оценить путем выполнения шагов (а), (b) и (с) до этапа контроля. Опорное положение также можно определить на основе чертежа или трехмерной модели.

[024] Указанная мишень может быть прикреплена к элементу оборудования или элементу конструкции, при этом указанный способ включает оценку перемещения элемента оборудования или элемента конструкции относительно опорной конфигурации. Опорная конфигурация может, в частности, соответствовать номинальной конфигурации элемента оборудования или элемента конструкции. Способ может быть предназначен для использования при контроле того, находится ли этот элемент оборудования или элемент конструкции в опорной конфигурации.

[025] Изобретение станет понятнее после описания примеров его осуществления, которые представлены ниже со ссылками на сопровождающие чертежи.

Краткое описание чертежей

[026] На фиг. 1 показана мишень согласно известному уровню техники.

[027] На фиг. 2А-2С показан первый вариант осуществления изобретения.

[028] На фиг. 2D и 2Е показана работа мишени согласно изобретению.

[029] На фиг. 3А и 3В показаны второй и третий варианты осуществления изобретения, соответственно.

[030] На фиг. 4А и 4В показаны развертки типа С, созданные при размещении приемопередатчика, обращенного к мишени, согласно первому варианту осуществления изобретения. В этой конфигурации акустическая волна, переданная приемопередатчиком, распространяется перпендикулярно главной базовой плоскости мишени.

[031] На фиг. 4С, 4D и 4Е показаны временные диаграммы, демонстрирующие обнаружение эха, отраженного вспомогательными отражателями мишени, главным отражателем мишени и элементом оборудования, в данном случае пластиной, к которой прикреплена мишень, соответственно.

[032] На фиг. 5А и 5В показаны развертки типа С, созданные при размещении приемопередатчика, обращенного к мишени, согласно первому варианту осуществления изобретения. В этой конфигурации акустическая волна, переданная приемопередатчиком, распространяется под углом к нормали к главной базовой плоскости мишени.

[033] На фиг. 5С показан поворот мишени относительно оси, перпендикулярной к базовой плоскости главного отражателя и проходящей через главную вершину.

[034] На фиг. 6 показаны основные шаги способа контроля элемента оборудования с использованием изобретения.

Описание конкретных вариантов осуществления изобретения

[035] На фиг. 2А 2Е показан первый пример отражающей ультразвуковой мишени 1 согласно изобретению. Мишень 1 содержит главный отражатель 10, сформированный из трех плоских ортогональных граней 11, 12 и 13. Эти три плоские ортогональные грани пересекаются и определяют точку пересечения, формирующую главную вершину S₁₀. Показана также ортогональная система координат X, Y, Z. Грани 11, 12 и 13 лежат в ортогональных плоскостях P_xz, P_yz и P_xy, соответственно.

[036] В показанном примере главный отражатель 10 представляет собой равнобедренный триортогональный трехгранник. Каждая из его граней представляет собой равнобедренный прямоугольный треугольник, прямой угол которого расположен у главной вершины S₁₀. Каждая грань идет до кромки, лежащей напротив главной вершины S₁₀. В показанном примере противолежащие кромки обозначены позициями 11_b, 12_b и 13_b. Кромки являются компланарными и лежат в главной базовой плоскости Р₁₀, образуя основание триортогонального трехгранника. Под основанием трехгранника подразумевается плоскость, перпендикулярная высоте Ню трехгранника, которая проведена из главной вершины S₁₀. Главная базовая плоскость Р₁₀ и высота Н₁₀ показаны на фиг. 2С.

[037] Главный отражатель 10 обладает такими же свойствами, что и мишень 1_AA описанная в известных технических решениях. Когда падающая акустическая волна достигает грани главного отражателя, распространяясь вдоль оси Δ_i падения, главный отражатель 10 отражает падающую волну с формированием отраженной волны, которая распространяется от отражателя вдоль оси Δ_r отражения, параллельной оси падения. Этот эффект отражения параллельно оси Δ_i падения имеет место в диапазоне Ω углов падения +/-25° или +/-30° относительно оси, перпендикулярной главной базовой плоскости Р₁₀.

[038] Грани главного отражателя жесткие, а их неровность невелика по сравнению с длинами волн, используемыми в ультразвуковой технике. Предпочтительно они выполнены из материала, хорошо отражающего ультразвуковые акустические волны в данной окружающей среде. Например, это могут быть грани, выполненные из нержавеющей стали, которые предполагается погружать в воду или в жидкий металл. Часть, ограниченная кромками 11_b, 12_b и 13_b вдоль главной базовой плоскости Р₁₀, предпочтительно открыта, способствуя прохождению акустической волны через главную базовую плоскость. Однако она может содержать жесткий материал малой толщины.

[039] Отражательная мишень 1 содержит по меньшей мере один вспомогательный отражатель. В описанном примере отражательная мишень 1 содержит три вспомогательных отражателя 20, 30 и 40, такая конфигурация является предпочтительной.

[040] Каждый вспомогательный отражатель 20, 30, 40 надежно прикреплен к главному отражателю 10. Мишень предназначена для размещения на элементе оборудования, который предполагается контролировать с использованием акустических методов контроля. До ее размещения на элементе оборудования, мишень является монолитной частью интегральной конструкции. Как описано ниже, вспомогательный отражатель 20, 30, 40 может быть размещен внутри пространства, ограниченного главным отражателем 10, или может быть соединен с главным отражателем путем монтажа. Таким образом, когда мишень 1 перемещается, это перемещение воздействует как на главный отражатель 10, так и на каждый вспомогательный отражатель.

[041] Как и главный отражатель 10, каждый вспомогательный отражатель представляет собой равнобедренный триортогональный трехгранник. Каждый вспомогательный отражатель 20, 30, 40 сформирован тремя плоскими вспомогательными гранями, которые ортогональны друг другу и пересечение которых формирует вершину, называемую вспомогательной вершиной. Каждая вспомогательная грань имеет форму равнобедренного прямоугольного треугольника, при этом прямой угол находится при вспомогательной вершине. Каждая вспомогательная грань идет от вспомогательной вершины к кромке. Кромки вспомогательных граней каждого вспомогательного отражателя определяют вспомогательную базовую плоскость. Они могут быть компланарными. Вспомогательная базовая плоскость формирует основание вспомогательного трехгранника. Основание представляет собой плоскость, перпендикулярную высоте вспомогательного трехгранника, которая проведена из вспомогательной вершины. На фиг. 2С показаны соответствующие высоты Н₁₀, Н₂₀, идущие от вершины S₁₀ главного отражателя 10 и от вершины S₂₀ вспомогательного отражателя 20. На фиг. 2С также показана главная базовая плоскость Р₁₀ и вспомогательная базовая плоскость Р₂₀ вспомогательного отражателя.

[042] На фиг. 2А показаны:

- первый вспомогательный отражатель 20, расположенный между первой вспомогательной гранью 21, второй вспомогательной гранью 22 и третьей вспомогательной гранью 23 около первой вспомогательной вершины S₂₀;

- второй вспомогательный отражатель 30, расположенный между первой вспомогательной гранью 31, второй вспомогательной гранью 32 и третьей вспомогательной гранью 33 около второй вспомогательной вершины S₃₀;

- третий вспомогательный отражатель 40, расположенный между первой вспомогательной гранью 41, второй вспомогательной гранью 42 и третьей вспомогательной гранью 43 около третьей вспомогательной вершины S₄₀.

[043] В этом первом примере каждый вспомогательный отражатель находится в пространстве, ограниченном главным отражателем 10, между главной вершиной S₁₀ и главной базовой плоскостью Р₁₀. Такие вспомогательные отражатели называются «внутренними отражателями». В этом случае отражающая мишень 1 особенно компактна. Более строго, каждый вспомогательный отражатель 20, 30, 40 определен так, что:

- первая вспомогательная грань и вторая вспомогательная грань соответствуют соответствующим частям двух соседних главных граней главного отражателя, при этом указанные части идут от соответствующих кромок указанных соседних главных граней; и

- третья вспомогательная грань идет параллельно главной грани главного отражателя, которая лежит напротив указанных соседних главных граней.

[044] Таким образом:

- Вспомогательные грани 21 и 22 первого вспомогательного отражателя 20 являются, соответственно, двумя частями главных граней 11 и 12 главного отражателя, при этом указанные части примыкают к двум кромкам 11_b и 12_b главного отражателя. Другая вспомогательная грань 23 первого вспомогательного отражателя 20 проходит параллельно другой главной грани 13.

- Вспомогательные грани 31 и 33 второго вспомогательного отражателя 30 являются, соответственно, двумя частями главных граней 11 и 13 главного отражателя, при этом указанные части примыкают к двум кромкам 11_b и 13_b главного отражателя. Другая вспомогательная грань 32 второго вспомогательного отражателя 30 проходит параллельно другой главной грани 12.

- Вспомогательные грани 42 и 43 третьего вспомогательного отражателя 40 являются, соответственно, двумя частями главных граней 12 и 13 главного отражателя, при этом указанные части примыкают к двум кромкам 12_b и 13_b главного отражателя. Другая вспомогательная грань 41 третьего вспомогательного отражателя 40 проходит параллельно другой главной грани 11.

[045] Согласно этому первому варианту осуществления изобретения, пересечение двух соседних граней главного отражателя 10 формирует ребро 10_а указанного главного отражателя. В каждом вспомогательном отражателе 20, 30, 40:

- вспомогательная вершина S₂₀, S₃₀, S₄₀ расположена на ребре главного отражателя; и

- вспомогательный отражатель ограничен:

• двумя соседними главными гранями (например, главными гранями 11, 12 для вспомогательного отражателя 20), при этом одна часть последних формирует вспомогательные грани (например, вспомогательные грани 21, 22 для вспомогательного отражателя 20);

• другой вспомогательной гранью 23, называемой поперечной вспомогательной гранью, которая проходит между указанными соседними главными гранями параллельно главной грани (например, грань 13 в отражателе 20), противоположной указанным соседним главным граням.

[046] На фиг. 2В показано другое трехмерное изображение мишени согласно первому варианту осуществления изобретения. В первом варианте осуществления изобретения базовые плоскости главного отражателя и каждого вспомогательного отражателя совпадают. В более общем случае, соответствующие базовые плоскости главного отражателя 10 и каждого вспомогательного отражателя 20, 30, 40 параллельны.

[047] Когда плоская акустическая волна 100 распространяется к мишени 1 вдоль оси Δ_i падения, каждый отражатель мишень отражает часть падающей акустической волны с сформированием отраженной волны, которая распространяется вдоль оси Δ_r отражения. На фиг. 2D показаны:

- главная отраженная волна 101, отраженная главным отражателем;

- вспомогательные отраженные волны 102, 103, 104, отраженные каждым из трех вспомогательных отражателей, соответственно.

[048] Из-за пространственного сдвига между различными отражателями вспомогательные отраженные волны 102, 103, 104 сдвинуты по времени относительно главной отраженной волны 101, и это приводит к фазовому сдвигу. В примере, показанном на фиг. 2D, главная отраженная волна 101 отстает относительно вспомогательных отраженных волн.

[049] На фиг. 2Е мишень 1, описанная выше, показана обращенной к приемопередатчику 50. Приемопередатчик 50 является, например, пьезоэлектрическим датчиком, который действует и как передатчик, и как приемник акустической волны и который расположен достаточно далеко от мишени, так что угол падения падающей акустической волны можно считать одинаковым для всех частей мишени. Приемопередатчик 50 сконфигурирован для передачи падающей акустической волны 100, которая распространяется к мишени параллельно оси Δ_i падения. В результате отражения от различных отражателей, из которых состоит мишень, формируются четыре отраженные волны 101, 102, 103 и 104, которые идут к приемопередатчику параллельно оси падения. Из-за пространственного сдвига между различными отражателями, вспомогательные отраженные волны 102, 103 и 104 сдвинуты по времени относительно главной отраженной волны 101.

[050] В зависимости от угла падения, вспомогательные отраженные волны могут быть сдвинуты друг относительно друга. Угол падения зависит от положения приемопередатчика 50 относительно мишени 1. Согласно этому первому варианту осуществления изобретения, когда угол падения Δ_i перпендикулярен главной базовой плоскости Р₁₀, вспомогательные отраженные волны синхронны, то есть не сдвинуты по времени друг относительно друга, если считать падающую акустическую волну плоской. Это происходит вследствие того факта, что в этом первом варианте осуществления изобретения каждая вспомогательная вершина S₂₀, S₃₀ и S₄₀ равноотстоит от главной вершины S₁₀, если измерять расстояние перпендикулярно базовой плоскости Р₁₀.

[051] Как сказано выше, каждая отраженная волна 101, 102, 103, 104 распространяется вдоль оси Δ_r отражения, параллельной оси падения. Этот эффект отражения параллельно оси Δ_i падения имеет место в диапазоне углов Ω +/-25° или +/-30° относительно направления, перпендикулярного основанию каждого отражателя. Геометрическая форма триортогонального трехгранника обеспечивает максимальный угловой диапазон, в котором имеет место эффект «параллельного отражения». Кроме того, тот факт, что базовые плоскости каждого отражателя параллельны друг другу, позволяет сделать диапазон углов одинаковым для всех отражателей, из которых сформирована мишень, идет ли речь о главном отражателе или вспомогательных отражателях.

[052] Интенсивность каждой отраженной акустической волны максимальна при нормальном падении, то есть когда ось Δ_i падения перпендикулярна основанию каждого отражателя: это соответствует предпочтительной конфигурации. Когда базовые плоскости каждого отражателя параллельны, угловая характеристика каждого отражателя одинакова. Под угловой характеристикой понимается относительная интенсивность отраженной волны по сравнению с интенсивностью падающей волны как функция угла падения.

[053] На фиг. 3А показан второй вариант осуществления изобретения, в котором вершина каждого вспомогательного отражателя 20, 30, 40 соединена с кромками главного отражателя 10. Согласно этому варианту осуществления изобретения, каждый вспомогательный отражатель находится вне внутреннего пространства, ограниченного главным отражателем. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 3А, также как в первом варианте осуществления изобретения, базовая плоскость каждого вспомогательного отражателя параллельна базовой плоскости главного отражателя. На фиг. 3А элемент Е оборудования в данном случае представляет собой пластину, к которой прикреплена мишень 1.

[054] Следует отметить, что, как и в первом варианте осуществления изобретения, вершины каждого вспомогательного отражателя равноотстоят от вершины главного отражателя, если измерять расстояние вдоль оси, перпендикулярной главной базовой плоскости. Такая эквидистантность не обязательна. В третьем варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 3В, вершины вспомогательных отражателей 30 и 40 соединены с кромками главного отражателя 10 держателем 35, 45, например, стержнем. Каждый держатель образует одну опору мишени. Длины всех держателей различны. В этом варианте осуществления изобретения соответствующие расстояния между каждой вспомогательной вершиной S₂₀, S₃₀, S₄₀ и главной вершиной S₁₀ отличаются друг от друга.

[055] Согласно этому варианту осуществления изобретения, как и во втором варианте осуществления изобретения:

- каждый вспомогательный отражатель находится вне внутреннего пространства, ограниченного главным отражателем; и

- базовые плоскости каждого вспомогательного отражателя параллельны базовой плоскости главного отражателя.

[056] Вне зависимости от варианта осуществления изобретения, мишень 1 предназначена для прикрепления к элементу оборудования, который необходимо периодически контролировать с использованием акустических методов, в которых на элемент оборудования падает акустическая волна 100. Как описано при рассмотрении известных технических решений, речь может идти, например, об элементе оборудования, погруженном в непрозрачную среду, что делает невозможным визуальный контроль. Одним из специальных приложений может быть, например, контроль элементов оборудования, погруженных в жидкий свинец или натрий в ядерном реакторе на быстрых нейтронах.

[057] Вследствие своей геометрической конфигурации, каждый отражатель, из которых сформирована мишень, является чрезвычайно эхогенным и создает отраженную волну, интенсивность которой в общем выше интенсивности акустической волны, отраженной плоской поверхностью. Использование мишени, содержащей различные отражатели, позволяет после облучения мишени ультразвуком получать отраженные волны, которые обладают высокой интенсивностью и временным сдвигом, в том смысле, что акустическая волна, отраженная главным отражателем, сдвинута по времени относительно акустической волны, отраженной вспомогательным отражателем, или даже относительно каждой акустической волны, отраженной вспомогательными отражателями. Каждая отраженная волна традиционно называется термином «эхо». Мишень 1 позволяет сформировать главное эхо и по меньшей мере одно, а предпочтительно - больше чем одно, вспомогательное эхо. Из-за временного сдвига между каждым вспомогательным эхом и главным эхом, главное эхо может быть легко отделено от каждого вспомогательного эха.

[058] Кроме того, амплитуда каждого эха зависит от размеров отражателя. В вариантах осуществления изобретения, описанных выше, размеры главного отражателя 10 больше, чем размеры каждого вспомогательного отражателя. Таким образом, главный отражатель генерирует более интенсивное эхо, чем вспомогательные отражатели, и это также облегчает идентификацию главного эха относительно вспомогательного эха. Таким образом, если считать, что каждый отражатель ограничивает объем между каждой гранью и основанием указанного отражателя, предпочтительно, чтобы объемы, соответственно ограниченные двумя различными отражателями, различались. Например, объем главного отражателя может быть больше или меньше, чем объем каждого вспомогательного отражателя.

[059] Независимо от варианта осуществления изобретения, длина ребра главного отражателя может составлять от 2 см до нескольких десятков сантиметров, например, 30 или 40 см. Длина ребра каждого вспомогательного отражателя предпочтительно составляет от 0,25 длины до 4 длин ребра 10_а главного отражателя.

[060] Обнаружение и идентификация эха, генерируемого каждым отражателем, позволяет получить информацию о положении в пространстве каждого отражателя с использованием способов, обычных в области ультразвукового неразрушающего контроля. Таким образом можно оценить положение мишени в пространстве. Под положением мишени понимается местоположение, например, расстояние относительно ультразвукового приемопередатчика, и/или ориентация мишени относительно оси Δ_i падения.

[061] В вариантах осуществления изобретения, описанных выше, каждая грань каждого вспомогательного отражателя параллельна одной из граней главного отражателя. Однако это не обязательно. В вариантах осуществления изобретения грани вспомогательных отражателей могут быть не параллельны граням главного отражателя.

[062] На фиг. 4А показана развертка типа С, которая была получена экспериментально с использованием мишени согласно первому варианту осуществления изобретения. В этом примере использовался акустический приемопередатчик, как описано выше, который был сконфигурирован для передачи падающей акустической волны и обнаружения отраженных акустических волн. Приемопередатчик был установлен на расстоянии 25 см от главной базовой плоскости мишени. Падающая акустическая волна передавалась с центральной частотой 2,25 МГц, при этом ось падения была перпендикулярна базовой плоскости мишени. Акустический приемопередатчик имел ширину ½ дюйма (1,25 см), мишень находилась в воде, и скорость распространения акустической волны составляла 1490 м/с.

[063] Термин "развертка типа С" (C-scan) известен специалистам в данной области техники. Он соответствует карте максимальной амплитуды акустического эха, обнаруженного вдоль поверхности обнаружения, сканированной акустическим приемопередатчиком. Поверхность обнаружения предпочтительно перпендикулярна оси падения. Поэтому уровень серого соответствует амплитуде эхосигналов. На фиг. 4А развертка типа С получена на поверхности обнаружения, параллельной главной базовой плоскости мишени. Ось Δ_i падения перпендикулярна поверхности обнаружения. Наблюдается интенсивное эхо 101 (также обозначенное позицией а), идущее от главного отражателя 10, и три эха 102, 103 и 104 (обозначенные также позицией b), меньшей амплитуды, соответствующие вспомогательным отражателям 20, 30 и 40. Вне главного отражателя наблюдается эхо, идущее от пластины Е, которое обозначено позицией с.

[064] На фиг. 4В показано изображение развертки типа С, на котором показано время пролета обнаруженного эха, то есть время между передачей падающей акустической волны и обнаружением эха, а не пространственное распределение амплитуд. Поэтому уровень серого соответствует расстоянию между каждым отражателем и ультразвуковым датчиком. Очевидно, что время пролета вспомогательного эха 102, 103 и 104 меньше, чем время пролета главного эха 101. Это происходит потому, что вспомогательные отражатели находятся ближе к поверхности обнаружения, чем главный отражатель. В этой конфигурации, поскольку поверхность обнаружения параллельна базовым плоскостям каждого отражателя мишени, и все вспомогательные отражатели находятся в базовой плоскости, значения времени пролета каждого вспомогательного эха равны, в пределах погрешности измерений.

[065] Тогда как фиг. 4А показывает двумерную пространственную информацию, полученную параллельно поверхности обнаружения, фиг. 4В позволяет оценить информацию о глубине (измерение дальности), перпендикулярной поверхности обнаружения.

[066] Комбинация фиг. 4А и 4В позволяет оценить положение мишени в пространстве. Под положением понимается местоположение и/или ориентация мишени. Предпочтительно его можно сравнить с опорным положением мишени. Сравнение положения мишени на этапе контроля с ее опорным положением позволяет обнаружить любое перемещение мишени. Опорное положение можно установить с использованием опорных результатов ультразвуковых измерений, полученных во время этапа опорных измерений до этапа контроля (или на предшествующем этапе). Его можно также получить теоретически, например, на основе трехмерных моделей или чертежей и/или посредством другого измерительного метода.

[067] На фиг. 4С, 4D и 4Е показаны временные диаграммы обнаруженного эха, отраженного, соответственно, вспомогательными отражателями, главным отражателем и пластиной Е, на которой закреплена мишень. На фиг. 4С 4Е ось X соответствует времени (в микросекундах, мкс), тогда как ось Y соответствует амплитуде (относительные единицы). Фиг. 4С и 4Е позволяют увидеть следующее:

- порядок обнаружения отраженных акустических волн: эхо от вспомогательных отражателей (фиг. 4С) обнаружено до эха от главного отражателя (фиг. 4В), при этом последнее обнаружено до эха от пластины (фиг. 4Е);

- различие в интенсивности между различными эхами: можно заметить, что интенсивность эха от вспомогательных отражателей ниже, чем эха от главного отражателя или пластины.

[068] На фиг. 5А и 5В показаны развертки типа С для амплитуды и времени пролета, соответственно, которые были получены при размещении поверхности передачи/обнаружения приемопередатчика с наклоном относительно базовой плоскости каждого отражателя. Это соответствует небольшому повороту мишени относительно поверхности передачи/обнаружения приемопередатчика. На этих чертежах показано только эхо от вспомогательных отражателей.

На этих чертежах видно, что:

- максимальные амплитуды A_max эха 102, 103 и 104 равны 0,273, 0,269 и 0,308, соответственно;

- значения времени пролета для эха 102, 103 и 104 равны 313,1 мкс, 312,9 мкс и 312,3 мкс, соответственно.

[069] Исходя из скорости распространения волн в воде, сдвиг времени пролета на 1 мкс соответствует расстоянию 0,7 мм.

[070] Можно прийти к заключению, что вспомогательный отражатель 20, который создал эхо 102, находится дальше от поверхности передачи/обнаружения (большее время пролета), тогда как вспомогательный отражатель 40, который создал эхо 104, находится ближе.

[071] На фиг. 5С иллюстрируется поворот мишени между опорным положением, в котором каждый вспомогательный отражатель представлен сплошным черным диском, и измеренным положением, полученным на этапе контроля, в котором каждый вспомогательный отражатель представлен кольцом. На этом чертеже поверхность передачи/обнаружения приемопередатчика считается параллельной базовой плоскости главного отражателя. Сравнение указанных положений демонстрирует поворот мишени между опорным положением и измеренным положением относительно оси вращения, перпендикулярной базовым плоскостям каждого отражателя и проходящей через вершину главного отражателя.

[072] На фиг. 6 показаны основные шаги использования мишени, описанной выше. Мишень прикреплена к элементу Е оборудования, положение которого требуется контролировать. Это может быть, например, элемент оборудования ядерного реактора, охлаждаемого жидким натрием или свинцом.

[073] На шаге А направляют приемопередатчик 50 на мишень 1 и передают в направлении мишени падающую акустическую волну. «В направлении» означает, что мишень находится в угловом диапазоне от 0° (ось падения перпендикулярна базовой плоскости Р₁₀) до ±25° или ±30° относительно нормали к базовой плоскости Р₁₀ главного отражателя 10. Чем меньше угол падения, тем выше интенсивность эха. Предпочтительно, чтобы к тому времени, когда акустическая волна достигает мишени, она была плоской волной. Акустическая волна представляет собой в общем случае ультразвуковую волну с частотой между 20 кГц и 10 МГц.

[074] На шаге В обнаруживают эхо, созданное, соответственно, главным отражателем и каждым вспомогательным отражателем мишени. В этом примере обнаружение выполняют тем же самым приемопередатчиком 50, который действует как передатчик на шаге А, а затем приемник на шаге В.

[075] На шаге С на основе эха, обнаруженного на шаге В, оценивают положение (местоположение и/или ориентацию) мишени 1. Шаг С в общем случае выполняет обрабатывающее устройство с использованием результатов измерений, полученных в результате работы приемопередатчика 50. Согласно принципам измерения расстояния по времени пролета с учетом скорости распространения акустической волны, измерение времени пролета (временного интервала между передачей падающей волны и обнаружением отраженной волны) позволяет оценить расстояние между приемопередатчиком 50 и каждым отражателем. Обрабатывающее устройство запрограммировано для выполнения алгоритмов обработки акустических сигналов.

[076] На шаге D сравнивают положение мишени с опорным положением для оценки любого перемещения мишени между опорным положением и положением, оцененным по измерениям эха на шаге В. Опорное положение можно определить, выполняя шаги А, В и С на предшествующем этапе, называемом опорным этапом. Альтернативно, опорное положение может быть установлено на основе чертежа или трехмерной модели.

[077] Согласно одной возможности, на шаге D расстояния между приемопередатчиком 50 и каждым отражателем (главным отражателем и вспомогательными отражателями) сравнивают с опорными расстояниями, полученными, соответственно, для каждого отражателя. Когда измеренное расстояние не соответствует опорному расстоянию, обрабатывающее устройство генерирует сигнал об аномалии. После этого можно обновить положение мишени.

[078] В изобретении используется эхогенный характер мишени, что облегчает экспериментальное определение ее положения в пространстве. На основе сравнения, сделанного на шаге D, можно сделать вывод, что оборудование, к которому прикреплена мишень, перемещалось или не перемещалось относительно опорной конфигурации. Более конкретно, поскольку мишень имеет монолитную конструкцию и прикреплена к элементу оборудования, перемещение мишени отражает перемещение элемента оборудования, на котором она установлена.

[079] Независимо от варианта осуществления изобретения, мишень содержит по меньшей мере главный отражатель и по меньшей мере один вспомогательный отражатель. Предпочтительно, чтобы мишень содержала по меньшей мере три вспомогательных отражателя.

[080] Количество вспомогательных отражателей может изменяться в зависимости от количества степеней свободы, с которыми мишень, как предполагается, может перемещаться, и/или в зависимости от ограничений по габаритам.

[081] Изобретение можно использовать для контроля элементов оборудования или конструкции, погруженных в непрозрачные среды, или в элементах оборудования или конструкции, которые невозможно осветить, и в особых элементах оборудования или конструкции, которые погружены в жидкости, в частности, в непрозрачные жидкости. Речь может также идти об элементах оборудования, заслоненных непрозрачным экраном. Непрозрачный экран может быть выполнен, например, из металла или пластмассы.

[082] В общем, изобретение может быть применено в окружающей среде, которая несовместима с применением обычных средств формирования изображений. Это, например, может быть окружающая среда, в которой уровень температуры или излучения очень высок, что приводит к необходимости использования дистанционных измерений. Изобретение может использоваться в ядерной промышленности для контроля целостности конструкций. Оно может также применяться в других промышленных секторах, в которых используются непрозрачные жидкости или сложные элементы оборудования, например, в пищевой, химической или нефтегазовой промышленности, а также в авиатехнической промышленности.

Использование: для неразрушающего контроля с использованием ультразвука. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковая мишень содержит главный отражатель, который содержит три главные грани, идущие от главной вершины и формирующие главный триортогональный трехгранник; и задает главную базовую плоскость, лежащую напротив главной вершины и формирующую основание главного триортогонального трехгранника; при этом указанная мишень содержит по меньшей мере один вспомогательный отражатель, прикрепленный к главному отражателю, и этот вспомогательный отражатель или каждый вспомогательный отражатель содержит три вспомогательные грани, идущие от вспомогательной вершины и формирующие вспомогательный триортогональный трехгранник; и задает вспомогательную базовую плоскость, лежащую напротив вспомогательной вершины и формирующую основание вспомогательного триортогонального трехгранника. Технический результат: обеспечение возможности использования треугольного уголкового отражателя, который закреплен на элементе оборудования и предназначен для использования в качестве акустического отражателя, обеспечивающего количественную оценку перемещения этого элемента оборудования. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Ультразвуковая мишень (1), содержащая главный отражатель (10), который:

- содержит три главные грани (11, 12, 13), идущие от главной вершины (S₁₀) и формирующие главный триортогональный трехгранник; и

- задает главную базовую плоскость (Р₁₀), лежащую напротив главной вершины и формирующую основание главного триортогонального трехгранника;

при этом мишень содержит по меньшей мере один вспомогательный отражатель (20, 30, 40), прикрепленный к главному отражателю (10), причем вспомогательный отражатель или каждый вспомогательный отражатель:

- содержит три вспомогательные грани (21, 22, 23, 31, 32, 33, 41, 42, 43), идущие от вспомогательной вершины (S₂₀, S₃₀, S₄₀) и формирующие вспомогательный триортогональный трехгранник; и

- задает вспомогательную базовую плоскость (Р₂₀, Р₃₀, Р₄₀), лежащую напротив вспомогательной вершины и формирующую основание вспомогательного триортогонального трехгранника;

при этом мишень выполнена так, что вспомогательная базовая плоскость (Р₂₀, Р₃₀, Р₄₀) или каждая вспомогательная базовая плоскость параллельна главной базовой плоскости (Р₁₀);

при этом:

- две соседние главные грани (11, 12) разделены ребром (10_а), идущим от главной вершины (S₁₀);

- по меньшей мере один вспомогательный отражатель является внутренним вспомогательным отражателем;

- вспомогательная вершина (S₂₀) внутреннего вспомогательного отражателя расположена на указанном ребре; и

- внутренний вспомогательный отражатель ограничен:

• указанными соседними главными гранями (11, 12), которые формируют вспомогательные грани (21, 22) внутреннего вспомогательного отражателя; и

• поперечной вспомогательной гранью (23), проходящей между указанными соседними главными гранями параллельно главной грани (13), противолежащей указанным соседним главным граням.

2. Мишень по п. 1, в которой по меньшей мере одна вспомогательная вершина или каждая вспомогательная вершина (S₂₀, S₃₀, S₄₀) размещена относительно главной базовой плоскости (P₁₀) на расстоянии, отличающемся от расстояния между главной вершиной (S₁₀) и главной базовой плоскостью, где указанное расстояние измерено перпендикулярно главной базовой плоскости.

3. Мишень по любому из предыдущих пунктов, содержащая по меньшей мере два вспомогательных отражателя, прикрепленных к главному отражателю.

4. Мишень по любому из предыдущих пунктов, в которой каждая вспомогательная вершина (S₂₀, S₃₀, S₄₀) расположена на том же расстоянии относительно главной вершины (S₁₀), что и другие, в направлении, перпендикулярном главной базовой плоскости.

5. Мишень по п. 2, в которой по меньшей мере две вспомогательные вершины (S₂₀, S₃₀, S₄₀) размещены, соответственно, на двух различных расстояниях от главной вершины (S₁₀), где указанные расстояния измерены перпендикулярно главной базовой плоскости.

6. Мишень по любому из предыдущих пунктов, в которой каждый отражатель определяет объем, ограниченный гранями, формирующими указанный отражатель, и базовой плоскостью указанного отражателя, при этом объемы, определенные, соответственно, по меньшей мере двумя отражателями, выбранными из главного отражателя (10) и одного вспомогательного отражателя (20, 30, 40), различны.

7. Мишень по любому из предыдущих пунктов, содержащая множество вспомогательных отражателей (20, 30, 40), при этом каждый вспомогательный отражатель представляет собой внутренний отражатель.

8. Мишень по любому из пп. 1-6, в которой:

- главный отражатель (10) ограничивает внутреннее пространство, находящееся между главными гранями (11, 12, 13) и главной базовой плоскостью (Р₁₀); и

- по меньшей мере один вспомогательный отражатель (20, 30, 40) размещен вне этого внутреннего пространства.

9. Мишень по п. 8, содержащая по меньшей мере два вспомогательных отражателя, прикрепленных к главному отражателю, при этом каждый вспомогательный отражатель размещен за пределами указанного внутреннего пространства.

10. Способ обнаружения перемещения мишени (1), выполненной согласно любому из предыдущих пунктов, включающий, на этапе контроля:

- а) направление на мишень падающей акустической волны (100), испускаемой акустическим источником (50) излучения, при этом падающая акустическая волна распространяется вдоль оси () падения, которая наклонена под углом менее 30° к оси, перпендикулярной базовой плоскости мишени;

- b) последовательно за шагом (а), обнаружение акустической волны (101, 102, 103, 104), отраженной от указанной мишени, при этом отраженная акустическая волна распространяется вдоль оси () отражения, параллельной оси падения;

- с) на основе акустической волны, обнаруженной на шаге (b), определение положения мишени, при этом указанное положение включает местоположение и/или ориентацию мишени;

при этом способ также включает:

- d) учет опорного положения мишени, включая опорное местоположение и/или опорную ориентацию мишени; и

- е) сравнение положения мишени, полученного на шаге (с), с опорным положением.

11. Способ по п. 10, включающий:

- f) на основе сравнения на шаге (е), оценку перемещения мишени относительно опорного положения.

12. Способ по п. 10 или 11, в котором опорное положение оценивают путем выполнения шагов (а), (b) и (с) до этапа контроля.

13. Способ по п. 10 или 11, в котором опорное положение определяют на основе чертежа или трехмерной модели.

14. Способ по любому из пп. 10-13, в котором мишень прикреплена к элементу (Е) оборудования или конструкции, и способ включает оценку перемещения элемента оборудования или конструкции относительно опорной конфигурации.