УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОП ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПО ТЕНЕВОЙ СХЕМЕ С РАЗНОСТНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ВЛИЯНИЯ МЕШАЮЩИХ ФАКТОРОВ ПРИ СКАНИРОВАНИИ

Ультразвуковой дефектоскоп с разностной компенсацией мешающих факторов
Полезная модель относится к средствам для ультразвукового (УЗ) контроля протяженных объектов, включая изделия листового, сортового и фасонного проката. Устройство может быть использовано для скоростного эксплуатационного контроля железнодорожного рельсового пути.
В настоящее время актуален зеркально-теневой метод УЗ контроля, основанный на регистрации уменьшения амплитуды прошедшей УЗ волны под влиянием дефекта.
Из патентного документа SU 1497561 А1 известен дефектоскоп, представляющий собой устройство для реализации способа зеркально-теневого УЗ контроля изделий равного сечения, включая железнодорожные рельсы. Известный дефектоскоп содержит одну пару генератор-приемник для излучения и приема УЗ по зеркально-теневой схеме контроля. При этом наличие дефекта определяют по величине измеренной крутизны изменения амплитудной огибающей принятых колебаний, что позволяет повысить достоверность и точность контроля при значительных скоростях сканирования благодаря тому, что при нарушении акустического контакта из-за подпрыгиваний преобразователей на неровностях пути указанная крутизна изменения меньше аналогичной величины при появлении дефекта.
Наиболее близким аналогом полезной модели является УЗ дефектоскоп по RU 2137120 С1, содержащий пары генератор-приемник для излучения и приема УЗ по зеркально-теневой схеме контроля, а также устройство для обработки данных, связанное своими входами с выходами приемников УЗ. В известном дефектоскопе осуществляется корректировка чувствительности на каждом шаге обработки сигналов в соответствии с уровнем акустического контакта: если сигналы акустического контакта меньше нормы, например, на 4 дБ, то все остальные амплитуды сигналов увеличивают на 4 дБ. На каждом миллиметре пути происходит N циклов измерений, каждый из которых состоит из К тактов, при этом два последних такта связаны с сигналом акустического контакта. Все это ограничивает максимально возможную скорость перемещения известного дефектоскопа величиной не более 1 м/мин, что сужает область его использования из-за низкой производительности контроля.
Однако практическая реализация зеркально-теневого метода затруднена также из-за возможных ложных срабатываний, вызываемых падением уровня полезного сигнала по иным, чем указано в SU 1497561 А1 и RU 2137120 С1 причинам, что делает известные технические решения недостаточно эффективными. Так как форма рабочей грани в сечении рельса отличается от номинальной по причине износа, то измерительный сигнал от электроакустического преобразователя ослабляется вследствие рассеяния части энергии УЗ волн в разные стороны или из-за изменения траектории распространения УЗ волн относительно приемников. Наличие коррозии на отражающей поверхности головки рельса также вызывает частичное рассеивание УЗ волн и как следствие ослабление регистрируемого сигнала для преобразователей любого типа. Загрязнения на отражающей поверхности головки рельса приводят к поглощению УЗ волн и ослаблению полезного сигнала. Кроме того, затухание УЗ волн отличается в рельсах разных производителей, что означает отличие амплитуд принимаемых сигналов от одних и тех же дефектов, если такие рельсы уложены в один путь. В каждом из перечисленных случаев в какой-то момент уровень полезного сигнала в приемнике упадет настолько, что станет ниже браковочного уровня и произойдет ложное срабатывание дефектоскопа, вызванное не наличием дефекта, а слишком большим рассеиванием или поглощением УЗ пучка. По данной причине зеркально-теневой метод УЗ контроля нашел недостаточное распространение в скоростной дефектоскопии такого важного объекта как рельсовый путь.
Задачей является уменьшение числа ложных срабатываний в процессе УЗ контроля на скорости при условии сохранения высокой чувствительности дефектоскопа.
Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в повышении избирательности зеркально-теневого УЗ дефектоскопа к контролируемым дефектам объекта контроля в процессе скоростного сканирования.
Данный технический результат достигается благодаря тому, что в УЗ дефектоскопе, содержащем пары генератор-приемник для излучения и приема УЗ по зеркально-теневой схеме контроля, а также устройство для обработки данных, связанное своими входами с выходами приемников УЗ, генераторы и приемники УЗ расположены по одной линии в ряд, а устройство для обработки данных выполнено с возможностью получения разностного сигнала с выходов измерительных каналов и сравнения уровня указанного разностного сигнала с браковочным уровнем.
В частном случае дефектоскоп содержит пары генератор-приемник с одинаковыми характеристиками электронно-акустического тракта.
Также в частном случае смещение между приемниками равно смещению между генераторами.
В другом частном случае дефектоскоп содержит пары генератор-приемник, расположенные со взаимным перекрытием.
В другом частном случае смещение между генераторами составляет от 3 до 900 мм.
Также в частном случае все генераторы и приемники собраны в группы из однородных элементов.
В другом частном случае N>2, где N - число пар генератор-приемник, являющееся четным, а устройство для обработки данных выполнено с возможностью получения разностных сигналов с выходов чередующихся измерительных каналов.
В частном случае дефектоскоп содержит пары генератор-приемник, смещенные равномерно. При этом устройство для обработки данных выполнено с возможностью усреднения результата измерений.
В еще одном частном случае дефектоскоп содержит пары генератор-приемник, смещенные неравномерно, причем устройство для обработки данных выполнено с возможностью придания разностным сигналам весовых коэффициентов при усреднении.
Полезная модель поясняется следующими иллюстрациями.
Фиг. 1-2: зеркально-теневая схема УЗ контроля железнодорожного рельса при отсутствии дефектов, вид сверху, и форма сигнала на выходе измерительного канала.
Фиг. 3-4: зеркально-теневая схема контроля рельса при появлении дефекта вблизи рабочей грани головки рельса и форма соответствующего сигнала на выходе.
Фиг. 5-6: зеркально-теневая схема контроля рельса при наличии дефекта в центральной части головки и форма сигнала на выходе.
Фиг. 7-8: зеркально-теневая схема контроля рельса с дефектом вблизи внешней части головки и форма измерительного сигнала.
Фиг. 9-10: показано увеличение ширины провала измерительного сигнала при обнаружении более протяженного дефекта.
Фиг. 11: схема УЗ контроля рельсов двумя парами преобразователей, вид сверху.
Фиг. 12: расположение моноблока УЗ преобразователей на головке рельса с внутренним дефектом, вид с торца рельса.
Фиг. 13: расположение двухканального моноблока УЗ преобразователей на головке рельса, вид сбоку.
Фиг. 14: упрощенная принципиальная схема УЗ дефектоскопа с разностной компенсацией мешающих факторов.
Фиг. 15-16: форма сигнала на выходе первого измерительного канала при кратковременном отрыве моноблока от головки рельса и при отсутствии отрыва соответственно.
Фиг. 17-18: форма сигнала на выходе второго измерительного канала при кратковременном отрыве моноблока от головки рельса и при отсутствии отрыва.
Фиг. 19-20: форма разностного сигнала при отрыве моноблока от поверхности рельса и при отсутствии отрыва.
Фиг. 21: четырехканальный моноблок с равномерным смещением каналов.
Фиг. 22: четырехканальный моноблок с неравномерным смещением каналов.
Осуществление настоящей полезной модели показано на примере конструкции УЗ дефектоскопа, предпочтительной для эксплуатационного контроля рельсового пути.
Использующий зеркально-теневую схему УЗ контроля дефектоскоп содержит пару акустически связанных между собой электроакустических преобразователей 1 и 2 (фиг. 1). Преобразователь 1 выполняет функцию генератора УЗ колебаний, а преобразователь 2 служит приемником отраженных УЗ волн и генерирует на своем выходе измерительный электрический сигнал (фиг. 2). Оба преобразователя размещены со стороны рабочей боковой поверхности рельса 3. Зеркально-теневая схема УЗ контроля рельса позволяет по форме сигнала определить глубину нахождения внутреннего дефекта 4 и его размер (фиг. 3-10).
В качестве электроакустических преобразователей использованы электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМАП) 1, 2, 5 и 6. ЭМАП 1 и 2 образуют первую пару акустически связанных преобразователей. Вторая пара образована ЭМАП 5 и 6. ЭМАП 1 и 5 выполняют функцию генераторов УЗ колебаний, а ЭМАП 2 и 6 служат приемниками отраженных от противоположной грани головки рельса 3 УЗ волн. При этом центры акустических осей всех ЭМАП расположены в один ряд и находятся на одной линии l-l (фиг. 11-13), конструктивно образуя линейный моноблок 7 преобразователей на общей несущей платформе. Рабочие поверхности ЭМАП 1, 2, 5 и 6 лежат в одной плоскости и обращены к объекту контроля. Пары ЭМАП расположены со взаимным перекрытием, т.к. элементы первой пары преобразователей чередуются с элементами второй пары. За счет чередования элементов пар генераторы 1, 5 образуют по своему расположению первую однородную группу, а приемники 2, 6 образуют вторую однородную группу, отдаленную от первой группы.
Первая пара ЭМАП является частью первого измерительного канала, а вторая пара ЭМАП представляет собой часть второго измерительного канала. Оба канала расположены в одной плоскости зондирования и характеризуются акустической связью, соответственно, генератора 1 с приемником 2 и генератора 5 с приемником 6 по зеркально-теневой схеме контроля, для чего генераторы 1, 5 обеспечивают наклонный ввод УЗ луча в объект контроля, а приемники 2, 6 сдвинуты от них на расстояние, соответствующее толщине головки 3 рельса и углу ввода УЗ луча. Смещение d между центрами приемников равно смещению между центрами генераторов (фиг. 13) и составляет для данного примера 100 мм. Так как ЭМАП 1, 2, 5 и 6 являются однотипными, а закономерность их расположения одинакова, то характеристики электронно-акустических трактов полностью идентичны.
ЭМАП 1, 2, 5 и 6 электрически связаны своими входами/выходами с устройством управления и устройством для обработки данных, конструктивно выполненных в виде единого цифрового вычислительного устройства 8 с интерфейсной частью и аналоговыми функциональными узлами. Разностный усилитель (вычитатель) 9 измерительных сигналов является одним из указанных аналоговых функциональных узлов (фиг. 14) или реализуется компьютерными средствами в виде цифрового функционального узла.
УЗ дефектоскоп устанавливают на железнодорожную тележку и подводят моноблок 7 к рабочей боковой поверхности рельса 3. Устройство переводят в рабочий режим и начинают перемещать вдоль рельсового пути сканируя таким образом головку 3 рельса УЗ пучком в поисках внутренних дефектов типа поперечных трещин 4. На фигурах направление движения условно показано стрелкой V, однако благодаря однотипности ЭМАП 1, 2, 5 и 6 и симметричности схемы прозвучивания устройство способно работать и при перемещении в противоположном направлении.
Устройство управления подает электрические импульсы на генераторы 1, 5 для излучения УЗ колебаний под одинаковым углом к поверхности рельса. При отсутствии дефекта 4 приемники 2 и 6 постоянно принимают отраженный от противоположной стенки головки 3 рельса акустический сквозной сигнал. Появление дефекта 4 ведет к падению уровня полезного сигнала. Во время сканирования сформированы два идентичных измерительных канала с максимально приближенными характеристиками, причем второй канал смещен в пространстве на расстояние d относительно первого канала по оси движения, совпадающей с продольной осью рельса (фиг. 11).
Электрические сигналы с выходов приемников 2 и 6 имеют вид, показанный на фиг. 15-18, где: А - небольшой дефект; В - дефект средней величины, сопровождающийся отрывом моноблока 7 преобразователей от поверхности головки 3 рельса; С - стык рельсов; D - значительный дефект. При необходимости измерительные сигналы сначала проходят предварительную обработку, в частности, фильтрацию или предусиление, а затем поступают на вход разностного усилителя 9. Полученный разностный сигнал (фиг. 19 или 20) с выхода усилителя 9 передают на вход вычислительного устройства 8, сравнивающего уровень полученного разностного сигнала в первоначальном виде, или подвергнутого постобработке, с установленным браковочным уровнем и реализующего другие заложенные в него алгоритмы обработки результатов измерений. Если падение уровня разностного сигнала превышает заданный браковочный уровень, то УЗ дефектоскоп сообщает оператору о присутствии в головке 3 рельса дефекта 4.
Благодаря тому, что генераторы и приемники расположены по одной линии в ряд, второй измерительный канал оказывается смещенным в пространстве относительно первого канала по оси движения при реализации показанной на фиг. 11 схемы. При этом дефект 4 сначала пересекает первый УЗ пучок, а через некоторое время второй пучок. Задержка между падениями сигналов с выходов приемников 2 и 6 при этом составит δt=d/υ, где: δt - временная задержка между сигналами; d - смещение между каналами; υ - скорость движения преобразователей относительно объекта контроля. Благодаря задержке между измерительными сигналами полная амплитуда сигнала от дефекта 4 на разностном сигнале практически удваивается. Однако какой-либо мешающий фактор, снижающий уровень принимаемого сигнала (подпрыгивание, рассеивание, коррозия, изменение формы профиля, отличие свойств реального рельса от настроечного и т.п.), действует на измерительные каналы одновременно и в равной степени. Соответственно, вызванные мешающим фактором изменения измерительных сигналов временной задержки не имеют, а следовательно их разность будет близка к нулю, что позволяет отфильтровать таким образом данный сигнал помехи, а не бороться с мешающим фактором путем увеличения усиления дефектоскопа, что способно привести к пропуску небольшого или даже среднего дефекта.
Как видно из фиг. 15 и 16, вид сигнала на выходе первого измерительного канала при кратковременном отрыве моноблока 7 от головки 3 рельса существенно отличается от сигнала при отсутствии отрыва. Аналогичная картина наблюдается для второго канала (фиг. 17, 18). Однако при этом кривая разностного сигнала при отрыве (фиг. 19) практически идентична кривой разностного сигнала при отсутствии отрыва (фиг. 20). Таким образом отрыв моноблока 7 от головки 3 рельса не сказался на результирующей разнице сигналов, хотя для каждого из каналов по отдельности это было существенно.
В результате, расположение генераторов и приемников УЗ по одной линии в ряд и выполнение устройства для обработки данных с возможностью получения разностного сигнала с выходов измерительных каналов и сравнения уровня указанного разностного сигнала с браковочным уровнем повысило избирательность зеркально-теневого УЗ дефектоскопа к контролируемым дефектам объекта контроля в процессе сканирования благодаря компенсации влияния всех мешающих факторов, а не только одного из них. Причем исключение необходимости тактирования работы дефектоскопа и выделения отдельных тактов для корректировки его чувствительности уменьшило число ложных срабатываний в процессе скоростного УЗ контроля на скоростях до 200 км/ч при сохранении высокой чувствительности дефектоскопа.
В процессе сканирования избирательность УЗ дефектоскопа к контролируемым дефектам объекта контроля будет тем выше, чем ближе друг к другу характеристики электронно-акустического тракта измерительных каналов, что определяется в значительной мере точностью задания равенства смещения между приемниками смещению между генераторами.
Расстояние d выбирают опытным путем в зависимости от требований, в частности, к скорости контроля и размерам выявляемых дефектов. На практике повышение избирательности УЗ дефектоскопа к контролируемым дефектам объекта контроля в процессе сканирования достигается, если величина d находится в диапазоне 3÷900 мм.
Расположение пар генератор-приемник со взаимным перекрытием, когда все генераторы и приемники собраны в группы из однородных элементов, необходимо, если величина d не должна превышать базовое расстояние между преобразователями в паре.
Дополнительно повысить избирательность УЗ дефектоскопа к контролируемым дефектам объекта контроля в процессе сканирования можно при получении измерительной информации с большего числа каналов. Число пар генератор-приемник для этого выбирают из условия N>2, где N - число каналов, являющееся четным. При этом возможны два варианта расположения пар генератор-приемник: равномерное и неравномерное. При равномерном взаимном смещении пар преобразователей (фиг. 21) сигнал измерительной информации получают как усредненную разность между сигналами из каналов с четными и нечетными номерами, что позволяет избавиться от случайных помех. Если каналы смещены неравномерно (фиг. 22, где S - константа), то разностным сигналам сначала придают весовые коэффициенты, корректируя таким образом результат для более точной избирательности, а потом усредняют.
Возможные реализация настоящей полезной модели не ограничены представленным примером. Техническое решение подходит и для проведения контроля рельсового пути с поверхности катания для прозвучивания всего рельса и даже с боковой части шейки рельса. Также возможно улучшение избирательности УЗ дефектоскопов работающих, например, на основе теневого метода или метода многократной тени.