УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА И ТРУБ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЕННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к области ультразвукового контроля материалов и может быть использована для автоматического или автоматизированного ультразвукового контроля листового проката и труб.
Широко известны устройства, акустическая система (АС) которых состоит из линеек (групп) раздельно-совмещенных ультразвуковых преобразователей (УП) [1-6].
Фотографии таких преобразователей и их устройство приведены на фиг. 1, 2 и. 3.
Каждый УП (см. фиг. 2 и 3) содержит корпус 1 и две размещенные в нем призмы 2, разделенные между собой акустическим экраном (АЭ) 3.
На одну из призм наклеены генераторные элементы 4 (чаще всего один достаточно длинный элемент), а на другую - один или несколько приемных элементов 5, размещенных вдоль АЭ.
Эти преобразователи соединены электрически с соответствующими им ГЗИ и ПУ. Схема электрических соединений в группе из восьми таких УП приведена на фиг. 4.
Достоинствами таких установок являются их простота, сравнительно высокая эффективность, особенно уверенно проявляющаяся при контроле материалов небольшой толщины, и сравнительно невысокая стоимость. Группы или линейки простых раздельно-совмещенных УП - это одна из основных схем АС, применяющихся на сегодняшний день при контроле листового проката. Даже при сравнительно большой ширине проката и соответственно при большом числе УП количество электронных каналов является весьма разумным. Например, если акустическая система (АС) построена на УП с одним ГП и тремя ПП и содержит 100 таких УП, то устройство в целом будет содержать 100 ГЗИ и 300 ПУ.
Недостатком такой системы является сравнительно небольшой диапазон расстояний от УП, на которых ультразвуковой контроль является эффективным. Отсюда следуют сравнительно небольшие (до 40 - 50 мм) максимальные толщины листового проката, которые могут быть успешно проконтролированы. На фиг. 5 - 7 изображены схемы распределения диаграмм направленности ГП (1) и ПП (2). Очевидно, что дефект может быть обнаружен только в зоне, где диаграммы направленности ГП и ПП пересекаются (6). Если элементы ГП и ПП образуют общую зону вблизи поверхности ввода, то обнаружение дефектов у противоположной поверхности будет весьма затруднительным (см. фиг. 6). Если «сфокусировать» ГП и ПП в средней зоне листа (см. фиг. 7), то затруднительным становится выявление дефектов у поверхностей листа. Таким образом, диапазон толщины листового проката, который может быть эффективно проконтролирован известной системой ультразвукового контроля весьма ограничен.
Широко известны ультразвуковые преобразователи - фазированные решетки [1-4]. Они содержат большое количество приемоизлучающих элементов и позволяют электронным образом изменять направление излучения и приема. Недостатком таких преобразователей является большой объем связанной с ними электроники и соответственно ее высокая стоимость, особенно применительно к массовому, высокопроизводительному ультразвуковому контролю проката и труб.
Целью настоящей полезной модели является повышение диапазона толщин листового проката и стенок труб, который может быть эффективно проконтролирован, при сохранении разумной стоимости дефектоскопического оборудования.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве для автоматизированного ультразвукового контроля листового проката и труб, включающем комплект генераторов зондирующих импульсов (ГЗИ), управляемых независимо с помощью синхронизирующего устройства, комплект приемных устройств (ПУ) и как минимум одну группу раздельно-совмещенных ультразвуковых преобразователей (УП), размещенных в одном корпусе, либо в разных корпусах, причем генераторные пьезоэлементы (ГП) всех УП соединены с соответствующими им генераторами зондирующих импульсов (ГЗИ), управляемых независимо с помощью синхронизирующего устройства, а приемные пьезоэлементы (ПП) соединены с соответствующими им приемными устройствами (ПУ), причем в пределах одного ультразвукового преобразователя все ГП и оппозитные им ПП наклеены на разные акустические призмы, разделенные между собой акустическим экраном (АЭ), вся совокупность УП, входящая в состав устройства, разбита на группы из двух и более УП, причем ГП, находящиеся внутри каждого УП, физически разделены на как минимум две электрически и акустически независимые зоны, параллельные друг другу и АЭ, и расположенные на разном удалении от АЭ, причем зоны с одинаковыми номерами, находящиеся в разных УП, но на равном расстоянии от АЭ, образуют группы, соединенные электрически между собой, причем каждая группа соединена с общим соответствующим ей ГЗИ.
Пример схемы электрических соединений в группе из восьми таких УП приведен на фиг. 8.
Принятые обозначения:
АС - акустическая система,
УП - разделительно-совмещенные ультразвуковые преобразователи (УП1…УП8),
АЭ - акустический экран (АЭ1…АЭ8),
ГЗИ - генератор зондирующих импульсов (ГЗИ1…ГЗИ8),
ПУ - приемное устройство,
З - зона действия одного УП (З1…З8),
ГП - генераторный пьезоэлемент,
ПП - приемный пьезоэлемент,
поз. 6 - диаграмма направленности ГП,
поз. 7 - диаграмма направленности ПП,
поз. 8 - зона пересечения диаграмм направленности ГП и ПП,
поз. 9 - широкая диаграмма направленности,
поз. 10-12 - различные зоны пересечения диаграмм направленности синхронизирующего устройства (СУ) - условно не показаны.
Основным элементом схемы являются ультразвуковые преобразователи УП 1 - УП8, ГП которых образуют восемь зон З1-З8, параллельных соответствующему акустическому экрану (АЭ1-АЭ8). Все одноименные зоны З1-З8 электрически соединены между собой и с соответствующим генератором (ГЗИ1-ГЗИ8). Генераторы ГЗИ1-ГЗИ8 управляются общим устройством синхронизации УС и имеют точно такую же или примерно такую же нагрузочную способность, как у генераторов известной системы (см. фиг. 3). Объем дефектоскопической электроники (количество генераторов и приемников), а стало быть его стоимость по сравнению с известной системой не возросли. Некоторое усложнение конструкции УП и кабеля, соединяющего УП с дефектоскопической электроникой, является не принципиальным с точки зрения их влияния на стоимость устройства в целом.
Однако данная система имеет огромное преимущество по сравнению с известной [5, 6]. Устройство позволяет путем применения известных алгоритмов управлять генераторами, добиваясь нужного распределения возбуждаемого в изделии поля упругих колебаний.
Наиболее естественным способом расширения диапазона допустимой дальности до дефекта является электронное управление направлением излучения и/или фокусным расстоянием - одновременно во всех УП, принадлежащих группе, осуществляемого по известной технологии управления фазированными решетками. Изменение угла излучения α возможно в пределах широко известного из теории фазированных решеток условия:
где b - ширина наиболее широкого из элементов З1-З8. Если принять, что эти элементы З1-З8 имеют одинаковую ширину, то b - ширина зон З.
Другим способом изменения возбуждаемого в объекте контроля поля является перемещение активной зоны вдоль апертуры. Например, если возбуждать зоны З1-З8 по закону: З1+З2; З2+З3; З3+З4…З7+З8, как показано на фиг. 9, то ультразвуковой пучок будет смещаться.
На фиг. 9 изображены схемы распределения диаграмм направленности ГП (6, 7, 8) при различном направлении излучения, широкая диаграмма направленности ПП (9), а также различные зоны пересечения диаграмм направленности (10, 11, 12). Для более эффективного изменения положения зон целесообразно придать поверхности призмы, где размещены излучающие пьезоэлементы, цилиндрическую форму.
В данном примере в качестве приемных элементов для расширения их диаграммы направленности использованы пьезоэлементы, имеющие цилиндрическую форму. Они наклеены на цилиндрическую поверхность призмы.
Однако форма приемных элементов может быть плоской. При этом следует учесть, что их диаграмма направленности должна быть достаточно широкой, чтобы обеспечить прием сигналов с любого расстояния, задаваемого максимальной толщиной листа. Для этого при выборе ширины плоского приемного элемента следует также руководствоваться формулой (1). Впрочем, расширить диаграмму направленности приемного элемента можно, как указано в приведенном выше примере, путем придания ему и призме цилиндрической формы. Можно использовать два или более приемных элементов и управлять ими по аналогии с описанными выше принципами управления излучающими элементами З1-З8.
Здесь следует учесть следующее обстоятельство. По ряду причин стоимость приемного канала, как правило, существенно превышает стоимость канала генераторного. В то же время суммарная диаграмма направленности ультразвукового преобразователя определяется произведением диаграмм направленности излучающего и приемного элементов. В силу принципа дуальности не важно - приемник ли является более сфокусированным устройством или генератор. Поэтому, если нет других противопоказаний (например, быстродействие системы, которое при фокусировании на прием может обеспечить более высокую скорость получения информации), целесообразно использовать манипуляции с полевыми характеристиками УП за счет генераторов.
Исследование прототипа такой системы - ультразвукового раздельно-совмещенного преобразователя, имеющего восемь ГП, управляемых восьмью независимыми ГЗИ, и один ПП - остальные семь УП были заменены эквивалентной электрической нагрузкой, показали его способность эффективно обнаруживать в стальном образце искусственные отражатели диаметром 2 мм, находящиеся в диапазоне от 2 мм до как минимум 300 мм от УП. Это. означает, что объект предполагаемой полезной модели позволяет в пять - десять раз повысить толщину изделий, которые могут быть надежно и эффективно проконтролированы.
Источники информации.
1. Клюев В.В. Неразрушающий контроль. Том 3.: Справочник. В 7-и книгах/Под ред. Клюева В.В. - М.: Машиностроение, 2004.
2. Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении. - Изд. 3-е, перераб. и доп. - Санкт-Петербург: СВЕН, 2011, 312 с, ISBN 978-5-91161-014-2.
3. Выборнов Б.И. Ультразвуковая дефектоскопия. - М.: Металлургия, 1985.
4. Клюев В.В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. - М.: Машиностроение, 1986.
5. Патент РФ № 2354076.
6. Патент РФ № 2532587.