МНОГОКАНАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области ультразвукового контроля и может быть использована для автоматизированного ультразвукового контроля труб, листового и сортового проката.
Известен ультразвуковой преобразователь, так называемый, «раздельно-совмещенный преобразователь» (PC), содержащий в одном корпусе две призмы, разделенные экраном, и с наклеенными на призмы активными элементами. На одну из призм обычно наклеивают только излучающие элементы (один или более), на другую - только приемные (один или более) [1].
Такая конструкция, а именно, наличие двух призм, разделенных электромагнитным и/или акустическим экраном, позволяет максимальным образом избавиться от так называемых реверберационных шумов, характерных для совмещенного преобразователя, и минимизировать «мертвую зону» вдоль направления излучения/приема. Как правило, такие преобразователи возбуждают и принимают ультразвук по направлению нормали к поверхности объекта контроля, и используются в основном для обнаружения дефектов, а так же при толщинометрии стенок труб, листов, а так же изделий, имеющих приблизительно параллельные друг другу поверхности. Эти поверхности отражают упругие волны в направлении излучения, которые регистрируются приемными элементами преобразователя, формируя информационные сигналы, по которым определяют наличие или отсутствие дефектов, толщину стенки, а так же состояние акустического контакта преобразователя с поверхностью объекта контроля.
Недостатком такого преобразователя является невозможность его использования для обнаружения дефектов, расположенных по нормали или под произвольным углом к поверхности ввода ультразвука.
Известен ультразвуковой преобразователь, так называемый, «наклонный призматический преобразователь» (НП), содержащий корпус и находящуюся в нем призму с наклеенными на нее одним или несколькими активными приемо-излучающими элементами, возбуждающий и принимающий упругие колебания, как правило, под некоторым углом к поверхности объекта контроля. Такие преобразователи широко применяются в промышленности, например, при контроле труб, стенок сосудов, котлов, сварных соединений. Недостатком такого преобразователя является то, что в большинстве практических случаев конструкция такого преобразователя не обеспечивает наличие «опорных» сигналов, а значит, возникает сложность в определении исправности преобразователя и состоянии его акустического контакта с изделием [2].
Особенно неприятной является ситуация, когда диагностика качества и целостности изделий осуществляется с помощью многоканальных систем автоматического ультразвукового контроля. Достоверность и техническая корректность контроля при отсутствии надежной информации о качестве акустического контакта, часто вызывает возражения со стороны инспектирующих организаций.
Известен ультразвуковой преобразователь, призма которого содержит дополнительную пьезо-пластину для излучения в металл продольной волны в том же месте, где вводится основная поперечная волна. Эта дополнительная пластина предназначена для оценки акустического контакта призмы с объектом контроля. Возможность использования ее с дефектоскопическими целями весьма ограничена, из-за неизбежных реверберационных помех [3].
Недостатком этого преобразователя является так же невозможность излучать и принимать ультразвук под углом к нормали в разных направлениях. В то же время большинство норм и стандартов на автоматизированный ультразвуковой контроль предписывает озвучивание дефектов с двух сторон. Это требование связано с тем, что зачастую дефекты (трещины, непровары) отражают ультразвук с противоположных направлений не одинаковым образом.
Поэтому значительное количество современных норм и стандартов на УЗК предписывают, чтобы схемы контроля предусматривали излучение и прием ультразвука в противоположных направлениях как по нормали к поверхности, так и под углом к ней.
Для этих целей базовая, минимально-необходимая конфигурация оборудования автоматического ультразвукового контроля должна предусматривать, как правило, применение нескольких преобразователей - например: один PC для толщинометрии и обнаружения расслоений в металле трубы, и два НП, «стреляющие» в противоположные стороны. Одна из возможных конфигураций для автоматического ультразвукового контроля листового материала, труб, показана на фиг.1.
Указанная выше конфигурация позволяет осуществлять одновременное обнаружение дефектов с двух противоположных направлений, а так же проведение толщинометрии. Для целей автоматического УЗК наклонные преобразователи должны размещаться на таком расстоянии друг от друга, которое обеспечивает обмен сигналами, которые могут быть использованы для оценки качества акустического контакта и интерпретированы как «опорные». Как видно из рисунка, для эффективного обмена сигналами оптимальное расстояние между ними зависит при прочих условиях от толщины объекта контроля. При пропадании опорного сигнала оба преобразователя считаются «с нарушением акустического контакта». Состояние акустического контакта PC-преобразователя оценивается по амплитуде принимаемых «донных» сигналов.
Таким образом, данная конфигурация, широко применяемая на практике, весьма громоздка и неудобна для практического использования, особенно при контроле труб и прочих изделий с криволинейными поверхностями. В этом случае неизбежно усложняется механика: все три модуля приходится устанавливать в разных плоскостях, независимо друг от друга, на дистанции, выбор которых зависит от геометрических параметров объекта контроля, в частности, от толщины стенки.
В таких условиях оператор может легко ошибиться: «человеческий фактор», квалификация персонала, принципиально оказывают существенное влияние на достоверность ультразвукового контроля.
Кроме того, настройка взаимного расположения преобразователей, их юстировка, занимают значительное время.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является известная конструкция преобразователя, принятая нами за прототип, в которой пьезоэлементы на второй призме установлены параллельно друг другу с расстоянием между их плоскостями, превышающим пространственную протяженность принимаемого пьезоэлементом ультразвукового импульса [4].
Признаки прототипа (фиг.1, [4]), совпадающие с признаками предлагаемой полезной модели:
- неизменяемое взаимное расположение активных элементов в призмах.
- пьезоэлектрические элементы расположены на разных, не параллельных друг другу поверхностях призм (призма, поз.2 и призма, поз.3).
Пояснение (уточнение):
то есть, ПЭ, находящиеся на поверхностях первой призмы (поз.2), расположены не параллельно ПЭ, находящиеся на поверхностях второй призмы (поз.3). В тоже время ни на одной из призм нет ПЭ, расположенных не параллельно друг другу.
Признаки, предлагаемой полезной модели, не совпадающие с признаками известного устройства (фиг.2 и фиг.3):
каждой из призм (поз.2)
на каждой из призм
- на имеются как минимум, две функциональные группы, расположенные на разных не параллельных друг другу поверхностях призм. Здесь имеется в виду, что это условие выполнено  (поз.2) На известных призмах (призма, поз.2 и призма, поз.3) нет групп ПЭ, которые располагались бы не параллельно друг другу.
- в каждой призме (поз.2) сформирована как минимум еще одна группа приемно-излучающих элементов.
- каждой призме имеется, по меньшей мере, одно отверстие для подвода контактной жидкости.
- симметричность преобразователя.
Обе группы ПЭ (поз.3) на поверхности каждой из призм (поз.2) расположены по высоте на определенном расстоянии друг от друга и симметрично относительно вертикальной оси акустического экрана (поз.4).
вероятности
Согласно [4] технический результат достигается путем повышения степени выявления дефектов в контролируемом изделии, то есть,  обнаружения дефектов в количественном смысле, но не более. Например, раньше пропускалось, не замеченными, 25 дефектов на каждые 100 импульсов, теперь 10.
Новый технический результат:
Указанные отличия в конструкции предлагаемой полезной модели от известной позволяют значительно повысить достоверность и техническую
корректность ультразвукового контроля изделий. Кроме того, повышается качество приемки отраженного от дефекта сигнала, упрощается конструкция преобразователя и себестоимость его изготовления.
Все указанные отличия по отношению к прототипу [4] вытекают из рассмотрения и сравнения соответствующих рисунков.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение качества и достоверности автоматизированного ультразвукового контроля, снижение влияния «человеческого фактора», упрощение конфигурации, сокращение времени на настройку системы.
Указанная цель достигается тем, что в многоканальном ультразвуковом преобразователе, содержащем корпус, находящиеся в нем как минимум две акустические призмы, разделенные электрическим и/или акустическим экраном, и наклеенные на призмы излучающие, приемные, приемоизлучающие пьезоэлектрические элементы на каждой из призм организованы как минимум в две функциональные группы, расположенные на разных, не параллельных друг другу поверхностях призм, причем одна из призм содержит как минимум одну группу из одного или более только излучающих элементов, а другая призма - как минимум одну группу только приемных элементов, при этом в каждой призме сформирована как минимум еще одна группа приемо-излучающих элементов, причем, по крайней мере, одна из призм содержит, как минимум одно отверстие-канал для подвода контактной жидкости в рабочую зону преобразователя.
Рисунки
Фиг.1. Возможная конфигурация из трех ультразвуковых преобразователей двух типов. Показаны призмы, активные элементы, экран и дефект.
Фиг.2. Принцип действия комбинированного ультразвукового преобразователя, являющегося объектом предлагаемой полезной модели. Показаны призмы, активные элементы, экран, выделены общие зоны акустического взаимодействия групп с объектом контроля.
Фиг.3. Конструкция преобразователя - объекта предлагаемой полезной модели, имеющей дополнительный подвод контактной жидкости в зону контакта.
Предлагаемая полезная модель (фиг.2 и фиг.3) содержит корпус 1, акустические призмы 2, излучающие, приемные, приемоизлучающие пьезоэлектрические элементы (ПЭ) 3, наклеенные на призмы 2, электрический и/или акустический экран 4, каналы 5 для подвода контактной жидкости в рабочую зону преобразователя, заливку 6 и общие зоны акустического взаимодействия групп с объектом контроля ОК. Отраженные от дефектов сигналы и «опорные сигналы» показаны на рисунках соответствующими стрелками.
Поскольку зоны акустического взаимодействия групп активных элементов в рамках каждой призмы совпадают друг с другом (области на фиг.2, выделенные овалами), то состояние акустического контакта наклонных групп (нижние на фиг.2) корректно оценивать по «опорным сигналам», получаемым при взаимодействии групп, излучающих и принимающих упругие колебания по нормали к поверхности (верхние группы на фиг.2).
При отсутствии акустического контакта в «вертикальных» каналах, определяемом по отсутствию в них «донных» сигналов, немедленно делается вывод и о нарушении контакта с изделием и в каналах «наклонных» групп.
Указанная цель достигается так же за счет каналов для подачи контактной жидкости, сформированных в призмах (фиг.3).
Предлагаемый многоканальный ультразвуковой преобразователь, являющийся объектом предлагаемой полезной модели, позволяет существенно упростить приведенную выше конфигурацию, и, одновременно, решить проблему с «опорными» сигналами для наклонных преобразователей. Кроме того, кардинальным образом снижается вероятность ошибки при настройке системы. Неизменяемое взаимное расположение групп активных элементов в призмах, их функциональное разделение позволяют осуществлять эффективный ультразвуковой контроль изделий в широком диапазоне допустимых геометрических параметров.
Источники информации
1. А.С. СССР №1534388
2. А.С. СССР №603896
3. Патент США №2,667,780
4. А.С. СССР №415572