УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОП

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, используемой для обнаружения дефектов, преимущественно в рельсах, узлах и деталях подвижного состава железнодорожного транспорта и метрополитена.
Ультразвуковые дефектоскопы, реализующие традиционные способы ультразвукового контроля, используют преимущественно эхо-импульсный метод и основаны на измерении амплитуды принятого эхо-сигнала от дефекта или искусственного отражателя. Признаком обнаружения дефекта является получение сигнала с амплитудой, превышающий заданный уровень. Соответственно этому строится схема ультразвукового дефектоскопа, основными электронными узлами которого являются ультразвуковой преобразователь (УЗП), генератор зондирующих импульсов, усилитель, формирователь порогового уровня, блок сравнения, блок индикации (регистрации). Известны различные модификации этой схемы.
Известен, например, ультразвуковой дефектоскоп, содержащий УЗП, генератор зондирующих импульсов, усилитель информативных сигналов, аналогово-цифровой преобразователь, блоки стробов, формирователь амплитудно-частотной характеристики, блоки сравнения и персональный компьютер, объединенными между собой соответствующими связями (RU 2270998 С2, 2005). В этом ультразвуковом дефектоскопе динамический диапазон находящихся ниже стандартного уровня сигналов ограничен, а добавление усиления для обнаружения малых дефектов не дает нужного результата, так как возрастает вероятность ложной браковки. Например, при сплошном мобильном контроле рельсов регистрация сигналов, превысивших порог, приводит к наличию непроконтролированных участков рельсового пути или только к вероятности дефекта, что вызывает необходимость повторного контроля. Поэтому такой ультразвуковой дефектоскоп не обеспечивает необходимой высокой надежности и достоверности ультразвукового контроля.
Известны и другие ультразвуковые дефектоскопы (например, SU 1422132 А1, 1988; SU 1652902 А1, 1991; RU 2184960 С1, 2002; RU 2227911 С1, 2004; RU 2308027 С1, 2007; RU 2309402 С2, 2007; US 4457178 А, 1984; GB 1471152 А, 1977). Всем им присущ один и тот же недостаток - недостаточная достоверность ультразвукового контроля.
Из известных устройств наиболее близким к предложенному является ультразвуковой дефектоскоп, содержащий УЗП, к выходу которого подключены последовательно соединенные усилитель, частотный фильтр, аналого-цифровой преобразователь и следящий формирователь порогового уровня, связанный с управляющим процессором, содержащим блок синхронизации, который связан с генератором зондирующих импульсов, подключенным ко входу УЗП, источник питания и дисплей (RU 62708 U1, 2007). Управляющий процессор включает пороговое устройство, связанное со следящим формирователем порогового уровня. Однако при этом осуществляется только начальная фильтрация в виде «отсечки снизу». Отсутствие дальнейшей фильтрации приводит к существенной перебраковке ввиду большого количества сигналов, прошедших начальный этап. Это не позволяет обеспечить достаточную достоверность ультразвукового контроля таким ультразвуковым дефектоскопом.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, состоит в создании ультразвукового дефектоскопа, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении достоверности ультразвукового контроля за счет дополнительной оптимизированной фильтрации сигналов.
Это достигается тем, что в ультразвуковом дефектоскопе, содержащем УЗП, к выходу которого подключены последовательно соединенные усилитель, частотный фильтр, аналого-цифровой преобразователь и следящий формирователь порогового уровня, связанный с управляющим процессором, содержащим блок синхронизации, который связан с генератором зондирующих импульсов, подключенным ко входу УЗП, источник питания и дисплей, в управляющий процессор введен блок формирования градиентного порога, связанный со следящим формирователем порогового уровня. Усилитель, частотный фильтр, аналого-цифровой преобразователь, следящий формирователь порогового уровня и генератор зондирующих импульсов могут быть объединены в связанный с управляющим процессором исполнительный блок. Управляющий процессор может включать блоки управления сервисными функциями, управления параметрами ультразвукового преобразователя и управления параметрами контроля, связанные с блоком формирования градиентного порога, блок формирования пакетов настроек, блоки формирования развертки по амплитуде и развертки по пройденному пути, блок вывода данных на дисплей и блок управления аппаратными параметрами, связанный с генератором зондирующих импульсов и усилителем.
Указанный технический результат обеспечивается в рамках реализации назначения всей совокупностью существенных признаков, представленной в формуле полезной модели, каждый признак которой необходим, а вместе они достаточны для решения указанной технической проблемы и для достижения указанного технического результата. Предложенный ультразвуковой дефектоскоп представляет собой одно устройство, узлы которого, характеризуемые соответствующими существенными признаками, находятся в конструктивном единстве и функционально взаимосвязаны (находятся в конструктивно-функциональном единстве). Их совместное использование привело к созданию нового устройства с указанным техническим результатом.
На чертеже показана структурная блок-схема ультразвукового дефектоскопа.
Он содержит УЗП 1, преимущественно пьезоэлектрический, имеющий раздельные или совмещенные вход и выход. К его выходу подключены последовательно соединенные усилитель 2, частотный фильтр 3, аналого-цифровой преобразователь 4 и следящий формирователь 5 порогового уровня, который связан с управляющим процессором 6. Управляющий процессор 6 содержит блок 7 синхронизации, связанный с генератором 8 зондирующих импульсов, который подключен ко входу УЗП 1. В управляющий процессор введен блок 9 формирования градиентного порога, который связан со следящим формирователем 5 порогового уровня. Усилитель 2, частотный фильтр 3, аналого-цифровой преобразователь 4, следящий формирователь 5 порогового уровня и генератор 8 зондирующих импульсов преимущественно объединены (выполнены конструктивно совместно) в виде связанного с управляющим процессором 6 исполнительного блока 10. Связь между управляющим процессором 6 и исполнительным блоком 10 может быть выполнена как проводной, так и беспроводной посредством соответствующих интерфейсов. Ультразвуковой дефектоскоп содержит также дисплей 11 и источник 12 питания. Дисплей 11 преимущественно входит в состав управляющего процессора 6 и может быть выполнен, например, с обеспечением возможности реализации как индикаторной, так и управляющей функций. Источник 12 питания может быть выполнен как в виде единого для управляющего процессора 6 и исполнительного блока 10 узла, так и в виде двух самостоятельных узлов, один из которых входит в состав управляющего процессора 6, а другой - в состав исполнительного блока 10. В управляющем процессоре 6 блок 9 формирования градиентного порога преимущественно связан с блоками 13, 14 и 15 соответственно управления сервисными функциями, управления параметрами ультразвукового преобразователя и управления параметрами контроля. Блоки 13-15 связаны с блоком 16 формирования пакетов настроек, который через блоки 17 и 18 соответственно формирования развертки по амплитуде и формирования развертки по пройденному пути связан с блоком 19 вывода данных на дисплей 11. Управляющий процессор 6 преимущественно включает также блок 20 управления аппаратными параметрами, связанный с генератором 8 зондирующих импульсов и усилителем 2 исполнительного блока 10. Управляющий процессор может включать блок 21 ввода и корректировки данных, который может быть совмещен с дисплеем 11, обладающим управляющей функцией, при этом они связаны с блоками 13-20 управляющего процессора 6 (на чертеже не показано). Блоки 7, 9, 13-21 управляющего процессора 6 с их взаимными связями могут быть выполнены аппаратными средствами, а также с использованием программных средств. Управляющий процессор 6 может быть выполнен в виде смартфона/планшета.
Для локального контроля дефектов ультразвуковой дефектоскоп используется в режиме одноканального устройства, при этом УЗП 1 устанавливается на контролируемый объект и после включения ультразвукового дефектоскопа проводится ручное сканирование со скоростью, преимущественно до 100 мм/с. Ультразвуковой дефектоскоп может использоваться в качестве модуля в многоканальных установках, преимущественно мобильных средств ультразвукового контроля рельсов. При включении ультразвукового дефектоскопа блок 7 синхронизации запускает генератор 8 зондирующих импульсов, который возбуждает УЗП 1. При этом в контролируемом изделии, например, в рельсовой нити, возбуждаются ультразвуковые волны высокой частоты. Ультразвуковые волны, отражаясь от границы раздела двух сред с различными акустическими характеристиками, обусловленной конструктивными особенностями контролируемого изделия или наличием в нем несплошностей, возвращаются на УЗП 1. Отраженные эхо-импульсы поступают на вход усилителя 2, значение коэффициента усиления которого устанавливается оператором посредством входящего в состав управляющего процессора 6 блока 20 управления аппаратными параметрами в соответствии с требованиями проведения контроля. Усиленные эхо-сигналы поступают на вход частотного фильтра 3, осуществляющего их низкочастотную фильтрацию, и далее - на аналого-цифровой преобразователь 4, осуществляющий преобразование аналоговых сигналов в цифровые. Оцифрованные сигналы подаются на вход следящего формирователя 5 порогового уровня, обеспечивающего формирование уровня амплитуд шумовых сигналов, значения которых в пределах цикла зондирования изменяются относительно медленно в соответствии с функцией затухания ультразвука в контролируемом изделии. С выхода следящего формирователя 5 порогового уровня сигналы поступают в управляющий процессор 6 на блок 9 формирования градиентного порога. Сформированный уровень реализуется в виде напряжения «отсечки снизу». При этом сигналы освобождаются от основной массы шумовых сигналов, обусловленных отражающими поверхностями с множественными отражателями диффузного типа. К ним относятся, например, подголовочные грани головки рельса с низкой степенью механической обработки, галтельные переходы поверхности катания рельса в рабочую грань головки с сеткой трещин, вызванных термическим воздействием колесами подвижного состава в результате резкого торможения. Поскольку на выходе следящего формирователя 5 порогового уровня имеется достаточно большое количество сигналов, ведущих к существенной перебраковке, требуется уменьшение их количества и выделение только полезных сигналов для отображения в виде, удобном для наблюдения и анализа. Блок 9 формирования градиентного порога реализует расчет скорости нарастания передних фронтов полученных со следящего формирователя 5 порогового уровня импульсных сигналов (градиента). При этом учитывается, что сигналы от конструктивных отражателей и от дефектов имеют значительную скорость нарастания по сравнению с шумовыми сигналами. Кроме того, этот блок 9 обеспечивает дополнительную фильтрацию по превышению амплитудой отраженных сигналов со скоростью нарастания переднего фронта более некоторой величины уровня шумовых сигналов на заданное значение в зависимости от типа применяемых УЗП 1, используемых для разных зон контроля. Таким образом, формируется адаптивный градиентный порог на основе скорости нарастания переднего фронта принятого сигнала за заданный промежуток времени и прибавляемого к амплитуде шумового сигнала смещения. Такая дополнительная оптимизированная фильтрация сигналов позволяет существенно снизить перебраковку, что особенно важно при проведении ультразвукового контроля рельсов мобильными средствами в условиях нестабильного акустического контакта на больших скоростях. Блок 9 формирования градиентного порога обеспечивает учет динамики поведения принимаемого сигнала и оптимальную информативность о шумовом сигнале. Это обуславливает повышение достоверности ультразвукового контроля. С блока 9 формирования градиентного порога сигналы поступают на блоки 13, 14, 15 соответственно управления сервисными функциями, управления параметрами УЗП и управления параметрами контроля. Блок 13 управления сервисными функциями позволяет устанавливать, настраивать и отключать пользовательские функции, например, использование звуковой сигнализации, компенсацию затухания ультразвуковых колебаний в объекте контроля, включение режима глубиномера и др. Блок 14 управления параметрами УЗП обеспечивает приведение в соответствие рассчитанных значений угла ввода УЗП и времени задержки в призме с фактическими (с использованием опорных сигналов от контрольных отражателей). Блок 15 управления параметрами контроля предназначен для выбора режима контроля, а также для ввода или корректировки параметров развертки -скорости ультразвуковых колебаний, длительности и задержки развертки. Блок 16 формирования пакетов настроек формирует пакеты, характерные для конкретной задачи контроля и конкретного УЗП 1. Пакеты настроек в зависимости от выбора оператора попадают в блок 17 формирования развертки по амплитуде, обеспечивающий отображение данных в координатах амплитуда-время для каждого цикла излучения-приема или в блок 18 формирования развертки по пройденному пути, обеспечивающий отображение данных в координатах время-пройденный путь для всего проконтролированного участка. Посредством блока 19 вывода данных на дисплей сигналы выводятся для индикации на дисплей 11, с помощью которого при сканировании осуществляется наблюдение и анализ полученных эхо-сигналов в виде графических изображений. Блок 21 ввода и корректировки данных используется для ввода, активации, сохранения и выбора из имеющихся цифровых и буквенных значений параметров, формируемых блоками 13-20 управляющего процессора 6. Посредством блока 20 управления аппаратными параметрами могут устанавливаться и регулироваться основные аппаратные параметры ультразвукового дефектоскопа - коэффициент усиления, количество и длительность зондирующих импульсов ультразвукового сигнала.
Ультразвуковой дефектоскоп реализован в виде дефектоскопа «ЭХО-ПУЛЬС» УД2-105Т по техническим условиям ВДМА.663500.129ТУ, разработанный для ультразвукового контроля длинномерных изделий со сложным профилем, преимущественно рельсов для железных дорог и метрополитена. УЗП 1 в нем выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя. В зависимости от требований контроля предусмотрено использование пьезоэлектрических преобразователей, например, П121-2,5-40. Дефектоскоп обеспечивает амплитуду импульсов возбуждения не менее 130 В, диапазон регулировки длительности импульсов возбуждения - 62-200 нс, количество импульсов возбуждения - 1-3, диапазон частот - 1,25-5,0 МГц, динамический диапазон - не менее 80 дБ, регулируемую длительность развертки - 59-2959 мм. Исполнительный блок 10 выполнен в виде электронного блока. Управляющий процессор 6 выполнен в виде смартфона, в который введен блок 9 формирования градиентного порога со специализированным программным обеспечением. Величина нарастания амплитуды сигнала составляет не менее 6 дБ за промежуток времени 0,1-1,6 мкс. Величина смещения составляет 6-30 дБ. Ультразвуковой дефектоскоп в составе мобильного средства ультразвукового контроля прошел апробацию на Октябрьской, Свердловской, Западно-Сибирской и Красноярской железных дорогах Российской Федерации. При этом выявлена высокая эффективность ультразвукового дефектоскопа, обеспечивающего повышенную достоверность контроля. Во всех случаях ультразвуковой дефектоскоп выделял в качестве полезных исключительно сигналы от дефектов рельсов и конструктивных отражателей.
Ультразвуковой дефектоскоп, выполненный в соответствии с полезной моделью, обеспечивает более высокую достоверность ультразвукового контроля по сравнению с аналогичными известными. Он может с высокой эффективностью использоваться как для локального ультразвукового контроля, так и в составе высокоскоростных мобильных средств ультразвукового контроля рельсов.