Ультразвуковой дефектоскоп Советский патент 1991 года по МПК G01N29/10 

1

(21)4677230/28

(22)11.04.89

(46) 07.04.91. Бюл. № 13

(71)Всесоюзный научно-исследовательский институт по разработке неразрушающих методов и средств контроля качества материалов

(72)А.Н. Ралдугин, Г.В. Цвей и B.C. Гаврев

(53)620.179.16(088.8)

(56)Патент США № 4482889, кл. G 01 N 29/04, 1984.

Авторское свидетельство СССР 1411658, кл. G 01 N 29/04, 1988.

(54)УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОП

(57)Изобретение относится к неразрушающим испытаниям ультразвуковым методом и может быть использовано в автоматизированных установках для контроля материалов и изделий в машиностроении, энергетике и других отраслях промышленности., Цель изобретения - повышение достоверности и производительности контроля за счет автоматизации процесса точной непрерывной диагностики работоспособности генератора импульсов возбуждения с подключенным передающим преобразователем при любых значениях амплитуд. Определение работоспособности последнего осуществляется в каждом такте зондирования путем сравнения приведенной к входу компараторов амплитуды импульсов возбуждения, которая задается кодом с программатора и может меняться в процессе контроля с верхним О ;| и нижним Г. порогами. Разность последних принимается достаточной для отстройки от возможных Алуктуаций амплитуды импульсов возбуждения, не связанных с нарушением работоспособности передающего электрического тракта. 2 ил. i

(Л

Изобретение относится к неразрушакг- щим испытаниям ультразвуковым методом и может быть использовано в автоматизированных установках для контроля материалов и изделий в машиностроении, энергетике и других отраслях промышленности.

Цель изобретения - повышение достоверности и производительности контроля за счет автоматизации процесса точной непрерывной диагностики работоспособности генератора импульсов возбуждения с подключенным передающим преобразователем при любых значениях амплитуд.

На Аиг. 1 изображена структурная схема ультразвукового (У) дефектоскопа; на Анг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу,

УЗ деАеКтоскоп содержит последовательно электроакустически соединенные синхронизатор 1, первый формирователь 2 задержки, генератор импульсов возбуждения (ГИВ) 3, передающий преобразователь (ПЭП) 4 и приемный преобразователь (ПЭП) 5, усилитель 6, регистратор 7, индикатор 8, второй ,Формирователь 9 задержки, вход кото- , рого подключен к выходу синхроннаа - тора 1, блок 10 памяти, вход которооэ

4

О

о оо

го соединен общей магистралью с информационным входом ГИБ 3, первый компаратор 11, последовательно соединенные блок умножения кодов (БУК) 12, первый вход которого подключен к выходу блока 10 памяти, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 13 и первый аттенюатор 14, последовательно соединенные второй аттенюатор 15, вход- которого подключен к выходу ГИВ 3, второй компаратор 16,первый триггер 17, блок 18 антисовпаде- ний и второй триггер 19, второй вход которого подключен к выходу второго Формирователя 9 задержки, и третий триггер 20, первый вход которого подключен к выходу первого компаратора 11, второй - к второму входу первого триггера 17, к третьему входу второго триггера 19 и к выходу синхронизатора 1 , выход - к первому входу индикатора 8 и второму входу блока 18 антисовпадений, первый вход первого компаратора 11 подключен к выходу второго аттенюатора 15, второй - к первому выходу первого аттенюатора 14, второй вход БУК 12 подключен к общей магистрали, второй выход первого аттенюатора 14 подключен к второму входу второго компаратора 16, вход усилителя 6 подключен к приемному НЭП 59 выход - к первому входу регистратора 1, а выход второго триггера 19 подключен к вторым входам регистрато- ра 7 и индикатора 8

Позициями 21-30 обозначены выходы сигналов с блоков УЗ дефектоскопа.

Дефектоскоп работает следующим об- разом.

Перед началом контроля при работе дефектоскопа в составе автоматизированной программно-управляемой ус- та,новки УЗ контроля оператор с помо-. щью известного программатора или устройств ввода-вывода ЭВМ (не показаны) задает числовой код, определяющий амплитуду импульса возбуждения. Указанный код по общей магистрали поступает на информационные входы ГИВ 3 и адресные входы блока 10 па- .мяти.

Известно, что любой реальный ГИВ 3 обладает ненулевым выходным сопротивлением и конечным значением выходной мощности. В результате чего амплитуда импульса возбуждения на его выходе зависит от подключае.мой на

Q 5 0 5 Q ,-

0

грузки: линии связи, имеющей определенные электрические параметры: емкость, индуктивность и др., и преобразователя 4 (в том случае, если длина линии святи невелика). Отношение амплитуды UH импульса возбуждения на выходе ГИВ 3 при подключенной нагрузке к амплитуде U того же импульса при холостом ходе определяется, в частности, параметрами конкретной нагрузки и не зависит от абсолютного значения амплитуды Ux холостого хода, так как при изменении значения последней и отсутствии каких-либо отказов электрические параметры нагрузки и выходные параметры ГИВ 3 не изменяются, т.е. справедлива зависимость

()

где К - коэффициент, учитывающий работу ГИВ 3 с подключенной нагрузкой. Очевидно, что изменение параметров нагрузки /например, смена типа преобразователя, разброс параметров преобразователей в пределах одного типа, изменение длины линии связи и т.п. вызывает соответствующее изменение коэффициента К, и наоборот, при неизменной нагрузке значение К постоянно для любых величин устанавливаемых амплитуд и импульсов возбуждения,

В свою очередь И % связано функциональной зависимостью со значением п числового кода амплитуды, устанавливаемым на информационном входе ГИВ 3

(n) для пС1, (2) где F(n) - математическое выражение зависимости амплитуды импульса возбуждения от величины n; p - коэффициент -пропорциональности, учитывающий переход от безразмерных математических величин к единицам напряжения, p cosnt для данного ГИВ 3; N - максимально возможное значение числового кода амплитуды. Путем подстановки (2) в (1) получаем

(n) для . (3) Так, например, линейная или экспоненциальная зависимости амплитуды импульса возбуждения от устанавливаемого кода выражаются следующим образом:

U - Kpri; соответственно. Функциональная зависимость (3 выполняется только в случае работоспособности каждого из блоков передающего электрического трак-

п

та, включающего ГИВ 3 и передающий ПЭП 4, соединенные короткой линией связи. В случае отказа какого-либо блока или линии связи указанная Функциональная зависимость нарушается. Значение коэффициента К определяется расчетным путем или экспериментать- но для каждой конкретной нагрузки и предварительно вводится оператором JQ в числовом коде по общей магистрали в БУК 12, Числовые коды амплитуды импульса возбуждения п и коэффициента К могут быть введены в указанные блоки, либо последовательно двумя 15 словами, осуществляя при этом известными способами адресацию информации, либо одним словом, одна часть разрядов которого определяет амплитуду, а другая-коэффициент К, При этом ин- 20 формационные входы ГИВ 3, адресные входы блока 10 памяти и второй вход БУК 12 подключаются к соответствующим разрядам общей магистрали,

Во время проведения контроля синхронизатор 1 вырабатывает синхронизи-

25

рующие импульсы 21, частота следования которых равна требуемой частоте посылок зондирующих импульсов в изделие. С приходом очередного синхроимпульса на вторые входы (сброс i первого и третьего триггеров 17 и 0 и на третий вход (сброса) второго триггера 19 последние устанавливаются в состояние О. Кроме того, через время Ј, , обеспечиваемое первым Форми- рователем 2 задержки синхроимпульс 2 поступает на вход запуска ГИВ 3, в результате чего последний возбуждает передающий ПЭП 4. Импульс УЗ колебаний, излучаемый передающим ПЭП 4, проходя через изделие, отражается от различных неоднородностей, улавливается приемным ПЭП 5 и далее, преобразованный, поступает на вход усилителя 6. В ультразвуковом дефектоскопе может быть применен один совмещенный приемопередающий преобразователь (не показан), Усиленные в усилителе 6 сигналы подаются на первый вход регистратора 7.

С выхода ГИВ 3 импульс возбуждения, амплитуда которого несет в себе информацию об исправности передающего электрического тракта, поступает на вход резис.торно-емкостного второго аттенюатора 15, ас его выхода - на первые входы идентичных первого 11 и второго 16 компараторов (фиг.2,

поз. 23), Постоянный коэффициент деления второго аттенюатора 15 выбирается таким, чтобы при максимально возможной амплитуде сигнала, посту на его вход, амплитуда сигнала с- его выхода не превышала максимально допустимого значения для вхо дов используемых компараторов 11 и 16. Таким образом осуществляется пг/ ведение амплитуды импуп- са возбуждения к входам компараторов,

С другой стороныs чистовой код п амплитуды импульса возбуждения, преоЬ разованный, как будет показано ниже, в блоке 10 памяти и FYK 12, поступает на вход линейного ЦАП 13, где преобразуется в постоянное напряжете соответствующей величины. После деления в ПРПВОМ аттенюаторе 14, постооз ным, например, на основе трег резп

R,-R

«, напряжения U,, v U с

торов

его первого и второго выходов подаются на вторые входы компараторов 11 и 16 соответственно, причем U(U2, Коэффициент деления ()/(R, первого аттенюатора 14 для первого выхода (11$) установлен такчм, что при пос туплении и а. его вход максчмалы-ого уровня напряжения с ЦАП 13S напряжение U,| не превышает максимально допуск - мои величины для входа первого компаратора 11. Резистор R.J может быть подключен, например, к земле либо к ncTO4HHRv постоянного напряжения (не показан).

Определение работоспособности передающего электрического тракта ультразвукового дефектоскопа производит.г путем сравнения приведенной к входу компараторов амплитуды импульса возбуждения с верхним U| и нижним U порогами (Фиг.2, поз. 23). В случае превышения амплитуды импульсов воз- буждения над U или иг на выходе пер° вого 11 или второго 16 компараторов соответственно устанавливается уровень логической , В противном случае на выходах компараторов 11 и 16 поддерж зается уровень О Относительно разность напряжений U$ и Ujj (например, в процентах) или об ласть допустимых значений амплитуд определяется отношением величины сопротивления RZ. к суммарному сопро - тивлекию (RI+R-+RJ} первого аттеиюар тора 14 Для повышения точности диаг ностики разность U и 1ТЈ принимает- , ся малойi но достаточной для отстрой

ки от возможных флуктуации амплитуды импульса возбуждения, не связанных с нарушением работоспособности передающего электрического тракта. Оче- видно, что с изменением уровня напряжения на входе первого аттенюатора 14 величина области допустимых значений не изменяется.

Возможны три случая.

Случай I (Лиг.2, поз.23) приведенная амплитуда импульса возбуждения находится в области допустимых значе-: ний, передающий электрический тракт в работоспособном состоянии. Как было показано выше, по очередному синхроимпульсу происходит сброс в состояние О триггеров 17,19 и 20, а через время fy - запуск ГИБ 3. С выхода последнего импульс возбуждения поступа- ет на передающий ПЭП 4, а через второ аттенюатор 15 - на первые входы компараторов 11 и 16. Так как приведенная амплитуда импульса возбуждения превышает нижний порог (уровень U), но меньше верхнего (уровень U ), то на время указанного превышения на выходе второго компаратора 16 устанавливается уровень логической 1 (гЬиг.2, поз. 24), который переводит первый триггер 17 также в состояние 1 (Лиг. 2, .поз. 26) по его первому входу (установки}о На выходе первого компаратора 11 поддерживается уровень О (Лиг,. 2, поз. 25), свидетельствую щий о непревышении амплитуды импульса возбуждения верхнего порога U; , в результате чего третий триггер 20 сохраняет в дальнейшем состояние О (Лиг,2, поз 27). Временной интервал Т/ первого формирователя 2 задержки устанавливается таким, чтобы к моменту прихода сигналов установки с выходов соответствующих компараторов на триггеры 17 и 20 переходные про- цессы, связанные со сбросом последних по синхроимпульсу в состояние 0 были полностью завершены. Таким образом, на первом входе блока 18 антисовпадений устанавливается уровень ло гической 1, а на втором сохраняется уровень О, в результате чего на его выходе устанавливается уровень логической 1, поступающий далее на первый (информационный) вход вто- рого триггера 19, выполненного в виде D-триггера, Запись информации в последний производится с приходом на его второй вход синхроимпульса 29,

сдвинутого на время Јг во втором Ьор- мирователе 9 задержки. Длительность временного интервала выбирается, например, из условия отстройки от переходных процессов, связанных с установкой триггеров 17 и 20, а также блока 18 антисовпадений по выходным сигналам соответствующих компараторов Кроме того, длительность временного интервала Ј2 должна быть достаточна в том случае, когда амплитуда импульса возбуждения достигает своего- наибольшего значения во втором или третьем периоде, что возможно1 при возбуждении передающего ПЭП 4, например, импульсом с колоколообразной огибающей. Длительность временного интер вала с/2 может также выбираться из условия заведомого превышения последней длительности импульса возбуждения. Очевидно, что Ј Ј,(фиг.2, поз.29). После установки второго триггера 19 в состояние I на первом и втором входах индикатора 8 присутствует логическая комбинация 0-1 соответственно, свидетельствующая об исправности передающего электрического тракта ультразвукового де- сЬектоскопа. В инидикаторе 8 происходит ее дешифрация известными методами и индикация работоспособного состояния для оператора, Кроме того, уровень логической 1 поступает на второй вход регистратора 7, разрешая, например, запись и обработку информации о дефектах и других неоднородное- тях контролируемого изделия, принятой приемным ПЭП 5 в данном такте и усиленной в усилителе 6, В регистраторе производится выделение контролируемой зоны, определение размеров дефектов, глубин их залегания и т.д.

Случай Ц, Приведенная амплитуда импульса возбуждения не превышает ни один из заданных порогов фиг.2, поз, 23), передающий электрический тракт неработоспособен, В этом случае ни один из компараторов 11 и 16 в данном такте не изменяет своего состояния на противоположное (.фиг,2, поз. 24 и 25/. На выходах первого 17 и третьего 20 триггеров, где предварительно сброшены синхроимпульсы в состояние 0, а также выходе блока 18 антисовпадений сохраняется уровень О (фиг.2, поз. 26-28), и с приходом импульса 29 записи на второй триггер 19 последний остает-

I6

ся в состоянии О /Фиг. 2, поз. 301. В индикаторе 8 происходит дешифрация логической комбинации 0-0, присутствующей в рассматриваемом случае на его входах, и индикация оператору яе- работоспособного состояния, например амплитуда импульса возбуждения меньше необходимой, Уровень О с выхода второго триггера 19 подается также на второй вход регистратора 7, запрещая запись и обработку последующей информации как недостоверной, а в автоматизированных установках ультразвукового контроля указанный сигнал может поступать и на исполнительное устройство (не показано), приостанавливающее сканирование контролируемого изделия до устранения неисправности передающего электрического тракта.

Случай III, Приведенная амплитуда импульса возбуждения превышает верхний порог (гаиг.2, поз,23, III), по- редающий электрический тракт находится в неработоспособном состоянии. В этом случае с приходом импульса возбуждения повышенной амплитуды в данно

такте каждый из компараторов 11 и 16 устанавливается в состояние Г1 на все время превышения соответствующего порога (фиг.2 , поз. 24 и 25). Это приводит к установке триггеров 17 и 20 в состояние 1 (фиг.2, поз. 26 и 27). В результате присутствия на обоих входах блока 18 антисовпадений логической комбинации 1 - на выходе последнего сохраняется состояние О (фиг.2, поз. 28) и с приходом импульса 29 записи второй триггер 19 не изменяет своего состояния О, в которое он был сброшен синхроимпульсом в начале данного такта. На входах индикатора 8 присутствует логичес кая комбинация 1 - 0 (первый вход - 1, второй вход - О), также свидетельствующая о неисправности передающего электрического тракта. В индикаторе 8 происходит ее .дешифрация и индикация для оператора, например амплитуда импульса возбуждения больше необходимой. Кроме того, уровень О на втором входе регистратора 7 запрещает запись и обработку принимае- ,мой ПЭП 5 информации как недостоверной, а в автоматизированных установках приостанавливает также и сканирование изделия.

640f,.)0

10

- а. - ,. 20

25 ом

30

40

о 5 е с,с иJQ-х

55

Блок 10 памяти выполнен, например, в виде программируемой логической матрицы на основе микросхем постоянных или перепрограммируемых запоминающих устройств и реализует следующую зависимость выходного кода L от величины входного кода п

(n) для .(4)

Иными словами, в ячейке блока 10 памяти с адресом, равным п, содержится значение L в соответствии с (4), а сам блок 10 памяти является цифровым эквивалентом ГИБ 3, так как зависимости значений числового кода L на выходе первого и амплитуд импульса возбуждения на выходе второго от подаваемого кода п совпадают. Преобразование (4 ) необходимо для обеспечения одного закона изменения (линейного, экспоненциального или др.) приведенной амплитуды импульса возбуждения и уровня напряжения с выхода ЦДЛ I3 с соответствующими ему порогами U/j и DЈ, БУК 12 производит умножение числового кода L на предварительно введенный числовой код коэффициента К для учета отличия приведенной амплитуды импульса возбуждения при работе ГИВ 3 на нагрузку передающий ПЭП 4, подключенный короткой линией связи) от соответствующей амплитуды того же импульса на холостом ходу (т.е. для учета зависимости (О). Таким образом, совокупность блока 10 памяти и БУК 12 позволяет получить зависимость уровня напряжения с выхода ДАЛ 13, подобную зависимости (3) амплитуды импульсы возбуждения от параметров передающего электрич-еского тракта (коэффициента К) и величины числового кода п.

Блок 10 памяти и БУК 12 могут быть объединены в один блок преобразователя кода /не показан). В этом случае в его ячейках хранятся не только коды L, преобразованные в соответствии с (4), но также и их произведения для всех n4N на коэффициенты К, предварительно определенные для всех используемых вариантов и сочетаний передающих ПЭП и линий связи. Преобразователь кода может быть построен в виде двумерной матрицы NxM (где М - - исло вариантов, для которых вычисле - ны коэффициенты К). Во время работы дефектоскопа при поступлении на ад- ресные входы указанного блока кодов п и К, соответствующих выбранному

11

варианту, из ячейки, находящейся - на пересечении, например, fi-й строки и К-го столбца, считывается новое преобразованное значение числового кода, которое поступает далее на ЦАП 13.

При необходимости в процессе контроля на информационные входы ГИБ 3 и адресные входы блока 10 памяти подается новое значение числового кода амплитуды В результате, при неизменных параметрах нагрузки (т.е. при K consty на выхода ГИВ 3 произойдет изменение амплитуды импульса возбуждения в соответствии с (3). Аналогично изменяется и приведенная амплитуда импульса на выходе второго аттенюатора 15t Одновременно блок 10 памяти устанавливает новое значение L числового кода в соответствии с (4) s которое перемножается в БУК 12 с ранее введенным и не изменяемым в данном случае кодом К и преобразуется далее с помощью ЦАП 13 в уровень напряжения такой величины, что при полной исправности передающего электрического тракта ультразвукового дефектоскопа изменившаяся приведенная амплитуда импульса возбуждения вновь окажется в области допустимых значений., т.е. в пределах от U до U, о чем будет произведена индикация оператору индикатором 8. В противном случае произойдет индикация неработоспособного состояния и регистратор 7 прекратит обработку информа- |ции.

Если же при неизменном числовом коде п амплитуды импульса возбуждения ГИВ 3 производится замена, например, типа передающего ПЭП или используется линия связи с другими параметрами, то на второй вход БУК 12 подается в виде числового кода новое значение коэффициента К, которое перемножается далее с неизменяемым в данном случае значением числового кода L таким образом,, что лриведенная амплитуда импульса возбуждения вновь окажется в области допустимых значений.

Автоматическая перенастройка устанавливаемых порогов сравнения (области допустимых значений) в случае программного изменения амплитуды импуль- i са возбуждения или изменения параметров передающего электрического тракта дефектоскопа (например, замена передающего ПЭП, линии связи) позволяет

-

ас64063012

исключить трудоемкие ручные операции по перенастройке и связанные с этим затраты времени, что сказывается весьма ощутимо в многоканальных установках и повышает производительность ультразвукового контроля. Указанное свойство приобретает особое значение при использовании дефектоскопа в составе автоматизированных программно управляемых установок ультразвукового контроля, В этом случае при контроле, например, изделий сложной Формы, композитных, при послойном контроле тре- -г буется изменение амплитуды импульса

10

20

возбуждения по специальной программе вплоть до каждого такта. Точная перестройка порогов сравнения, производимая автоматически без участия оператора синхронно с любым программным изменением амплитуды импульса возбуждения, значительно повышает как производительность, так и достоверность ультразвукового контроля.

5

0

Таким образом, ультразвуковой дефектоскоп позволяет повысить достоверность ультразвукового контроля за счет непрерывной точной диагнос- Q тики амплитуды импульса возбуждения, а также прекращения обработки и регистрации недостоверной информации и немедленной автоматической индикации в случае отказа какого-либо из блоков передающего электрического тракта. Повышение достоверности диагностики и производительности ультразвукового контроля достигается также за счет отстройки от возможных малых флуктуации амплитуды импульса возбуждения, не связанных с нарушением исправности указанного тракта,и предотвращения ложных срабатываний индикатора. В этом случае отпадает необходимость приостановки процесса ультразвукового контроля для поиска фактически не существующей неисправности. Повышение производительности контроля достигается также тем, что диагностика передающего электрического тракта производится в каждом такте работы дефектоскопа, за счет чего отпадает необходимость в периодической приостановке процесса ультразвукового контроля для проверок работоспособности, а наглядная индикация позволяет определить возможный характер повреждения и сократить диапазон его поиска, чем уменьшается время ремон-

5

0

5

та, а также повышается в целом проиэ - водительность контроля. Формула изобретения

Ультразвуковой дефектоскоп, содер- жащий последовательно электроакустически соединенные синхронизатор, первый Аормирователь задержки, генератор импульсов возбуждения, передающий и приемный преобразователи, уси- литель, регистратор, индикатор, второй Аормирователь задержки, вход которого подключен к выходу синхронизатора, блок памяти, вход которого соединен общей магистралью с информационным входом генератора импульсов возбуждения, и первый компаратор, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и производительности контроля, он снаб- жен последовательно соединенными блоком умножения кодов, первый вход которого подключен к выходу блока памяти, цисЬроаналоговым преобразователем и первым аттенюатором, последова- тельно соединенными вторым аттенюатором, вход которого подключен к выходу генератора импульсов возбуждения, вторым компаратором, первым триггером, блоком антисовпадений и вторым триггером, второй вход которого подключен к выходу второго формирователя задержки, и третьим триггером, первый вход которого подключен к выходу первого компаратора, второй - к второму входу первого триггера, к третьему входу второго триггера и к выходу синхронизатора, выход - к первому индикатора и второму входу блока антисовпадений, первый вход первого компаратора подключен к выходу второго аттенюатора, второй - к первому выходу первого аттенюатора, второй вход блока умножения кодов подключен к общей магистрали, второй выход первого аттенюатора подключен к второму входу второго компаратора, вход усилителя подключен к приемному преобразователю, выход - к первому входу регистратора, а выход .второго триггера подключен к вторым входам регистратора и индикатора.

я

С

Фиг. 1

21

I

22

и

uz

т

гз-+ц

25Фиг. 2

Ш

п