Способ зеркально-теневого ультразвукового контроля с адаптивным пороговым уровнем
METHOD FOR MIRROR-SHADOW ULTRASONIC TESTING WITH AN ADAPTIVE THRESHOLD LEVEL

Изобретение относится к области неразрушающего контроля протяженных изделий с эквидистантными (плоскопараллельными) поверхностями ультразвуковым (УЗ) зеркально-теневым методом. Способ может быть использован при контроле протяженных изделий, в частности, железнодорожных рельсов и других изделий с плоскопараллельными поверхностями (металлопрокат, тавровые элементы и т.п.).
Достоверность контроля длинномерных изделий (например, ж.д. рельсов средствами дефектоскопии) во многом зависит от соблюдения заданных параметров в процессе контроля. Естественно, в широком диапазоне (5 - 120 км/ч) скоростей контроля эксплуатирующихся в пути рельсов, обеспечить необходимую стабильность и эффективность дефектоскопирования с первоначально установленными параметрами контроля маловероятно.
Например, при контактном способе ввода УЗ колебаний в металл рельсов на высоких скоростях сканирования проявляются разнообразные факторы, негативно влияющие на качество контроля:
- неоптимальное поступление контактирующей жидкости, подаваемой под акустические блоки из-за гидродинамических и динамических воздействий;
- воздействия неровностей пути (просадок, выплесков в болтовых стыках, седловин над сварными стыками и т.п.);
- нарушения центровки ультразвуковых электроакустических преобразователей (ЭАП) от продольной оси рельсов (в кривых участках, на рельсах с боковым износом головки).
Даже приближенная оценка влияния некоторых факторов на измеряемые параметры сигналов показывает, что при соблюдении действующей технологии с сохранением предварительной настройки каналов, при высокоскоростном сканировании можно ожидать значительные (до 80%) отклонения параметров контроля от первоначальных значений, которые могут привести к пропуску опасных дефектов в контролируемом объекте.
Поэтому решения, направленные на сохранение требуемой достоверности УЗ контроля с учетом мешающих факторов и корректировки порогового уровня обнаружения дефектов с учетом текущих параметров сигналов контроля, являются актуальными.
При УЗ контроле ответственных изделий, кроме широко применяемого эхо-метода, возможно использование и зеркально-теневого (ЗТ) метода контроля, признаком обнаружения дефекта в котором является ослабление донного сигнала, отраженного от противоположной (донной) поверхности изделия с эквидистантными поверхностями, ниже заданного порогового уровня. Причем эхо-метод не является достаточно информативным методом при контроле качества некоторых металлоконструкций. Так ряд дефектов в рельсах может быть обнаружен только ЗТ методом [1].
При контроле указанных изделий временные положения донных сигналов относительно зондирующих импульсов имеют постоянные значения, определяемые временем пробега УЗ колебаний от излучателя к донной поверхности и от донной поверхности к приемнику. Для дальнейшей обработки их выделяют с помощью стробирующего импульса с длительностью, обеспечивающей их прием в определенной временной зоне. Так как при реализации ЗТ метода информативным признаком, в основном, является амплитуда донного сигнала, то, как правило, формируют огибающую амплитуд донных сигналов [2].
0
При контроле бездефектного участка в процессе сканирования эта огибающая представляет собой почти горизонтальную линию с незначительной флуктуацией, параллельную оси времени, с уровнем, отображающим среднее значение амплитуды U донных сигналов. При наличии внутреннего дефекта за счет перекрытия дефектом траектории УЗ пучка происходит ослабление амплитуды донного сигнала и отклонение (спад) линии донного сигнала. При снижении амплитуды ниже заданного порога, определяемого нормативно технической документацией, принимают решение о наличии дефекта в контролируемом изделии.
Отметим, что при анализе огибающей донного сигнала, происходит оценка его двукратного ослабления в зоне дефекта: при прохождении УЗ волн от поверхности сканирования до противоположной поверхности и обратно - до поверхности сканирования. В этом принципиальное отличие и преимущество зеркально-теневого от эхо-метода УЗ контроля изделий. При эхо-методе даже от дефектов значительных размеров, ориентированных не перпендикулярно к направлению озвучивания эхо-сигнал может отсутствовать. Для ЗТ метода, независимо от ориентации дефекта, при двукратном пробеге УЗ волн через дефектное сечение, ослабление амплитуды донного сигнала будет заметно.
Практическая реализация ЗТ метода, основанного на регистрации уменьшения амплитуды, прошедшей через контролируемое изделие УЗ волны под влиянием дефекта, затруднена из-за возможных ложных срабатываний по разным причинам: нестабильности акустического контакта и структуры контролируемого объекта, коррозии отражающей (донной) поверхности, непараллельности противоположных поверхностей, смещения ЭАП относительно продольной оси рельса и т.п.Указанные причины вызывают некоторые флуктуации амплитуды донного сигнала и в [1] отнесены к помехам ЗТ метода.
Известны способы зеркально-теневого УЗ контроля по [3, 4, 5], где в процессе сканирования изделия с плоскопараллельными поверхностями прямым или наклонными ЭАП выделяют амплитудную огибающую донных сигналов и по низкочастотной составляющей или крутизне изменения этой огибающей корректируют чувствительность контроля. При этом ЭАП могут быть расположены как в системах скольжение (искательные лыжи), так и в системах качения (УЗ колесные преобразователи RSU) [6]. Недостатками известных способов является низкая достоверность результатов при контроле длинномерных изделий с конструктивными отражателями и при реализации значительных скоростей сканирования.
Известен ЗТ способ УЗ контроля по [7 и 8], использующий две или более пар наклонных ЭАП, расположенных на «оси движения» и формирующий разностный сигнал на выходе пар приемников. Сравнение данного сигнала с браковочным уровнем позволяет частично компенсировать колебания амплитуд сквозного сигнала, вызванные помехами ЗТ метода. Недостатками известного способа являются низкая достоверность контроля из-за значительных габаритов линейного моноблока с ЭАП, не позволяющего сохранить идентичные условия ввода/приема УЗ колебаний между сравниваемыми парами ЭАП. Кроме того, способ обладает значительным неконтролируемым («мертвым») участком по длине рельса в зоне болтовых стыков и стрелочных переводов (когда излучатель находится на одном, а приемник - на другом рельсе в стыке).
Известен способ [9] динамической калибровки дефектоскопа, основанный на излучении УЗ колебаний, приеме зеркально отраженной от противоположной (донной) поверхности колебаний, анализе амплитуд этих (опорных) сигналов и корректировке порогового уровня срабатывания дефектоскопа, исходя из текущего значения амплитуды опорного сигнала. По существу, донный сигнал ЗТ метода используется в качестве опорного сигнала для настройки других каналов многоканального дефектоскопа.
Недостатком способа [9], принятого за прототип, является низкая надежность и достоверность контроля при УЗ дефектоскопии изделий со значительными скоростями сканирования, при которых в процессе контроля динамично меняются условия ввода и приема УЗ колебаний. Кроме того, применение способа при контроле рельсов, уложенных путь, приведет к существенной перебраковке на участках с различными конструктивными элементами (болтовые отверстия в зоне стыков, сварные стыки, элементы стрелочных переводов и т.п.), так как снижение базового уровня в этих зонах приведет к необоснованной корректировке настройки каналов дефектоскопа.
Задачей, решаемым заявляемым способом, является повышение надежности и достоверности УЗ контроля протяженных изделий с эквидистантными поверхностями за счет введения адаптивного порога обнаружения дефектов.
Для решения этой задачи в способе ЗТ ультразвукового контроля с адаптивным пороговым уровнем, заключающимся в том, что с помощью электроакустического преобразователя с заданным шагом излучают в изделие зондирующие ультразвуковые сигналы, принимают отраженные от противоположной поверхности изделия донные сигналы, оценивают их амплитуды, перемещают электроакустический преобразователь по поверхности изделия, формируют огибающую амплитуд донных сигналов, исходя из текущего значения амплитуд донных сигналов, корректируют пороговый уровень обнаружения дефектов, дополнительно формируют окно анализа, синхронно скользящее с перемещением электроакустического преобразователя, в указанном окне определяют распределение амплитуд донных сигналов, по полученному распределению определяют флуктуационный уровень амплитуд, ниже которого находится заданная доля сигналов с наиболее низкими амплитудами, с учетом донных сигналов, амплитуды которых выше флуктуационного уровня, определяют базовый уровень и относительно него устанавливают пороговый уровень обнаружения дефектов.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение надежности и достоверности ЗТ УЗ контроля длинномерных изделий.
Существенными отличиями заявляемого способа, позволяющими достичь заявляемый технический результат, являются:
1. Формирование окна анализа донных сигналов, синхронно скользящего с перемещением электроакустического преобразователя, позволяет получить среднее значение уровня донных сигналов на определенном (предварительно заданном) участке изделия. В прототипе такое усреднение не предусмотрено.
2. Определение распределения амплитуд донных сигналов в сформированном окне позволяет корректно выбрать флуктуационный уровень донных сигналов. В прототипе такой анализ не проводится.
3. Определение флуктуационного уровня амплитуд донных сигналов позволяет разделить сигналы с незначительными изменениями амплитуд от сигналов с экстремально низкими значениями амплитуд огибающей. В прототипе все
сигналы шумового характера (разнообразные флуктуации - помехи зеркально-теневого метода) и сигналы от возможных ослаблений на дефектах и конструктивных элементах относятся к «текущим значениям амплитуды опорного сигнала», что приводит к необоснованному снижению «порога регистрации амплитуды дефектов».
4. Определение базового уровня с учетом донных сигналов, амплитуды которых выше флуктуационного уровня позволяет избежать необоснованного снижения базового и порогового уровней на участках с ослаблениями, вызванными конструктивными элементами контролируемого изделия (например, болтовыми стыками). В прототипе любое ослабление донного сигнала вблизи анализируемого сечения вызывает ослабление текущего значения базового (в тексте прототипа «опорного») сигнала и приводит к снижению чувствительности контроля.
5. Электроакустический преобразователь в заявляемом способе может представлять собой один ЭАП, работающий в совмещенном режиме (излучает и принимает УЗ колебания), раздельно-совмещенный ЭАП (излучающий и принимаемый элементы (например, пьезопластины) разделены, но находятся в одном корпусе ЭАП) и, наконец, в раздельном режиме, когда элементы излучения и приема разделены друг от друга на определенное расстояние (в основном, при наклонном излучении и приеме УЗ колебаний). В результате предлагаемый способ охватывает все варианты реализации ЗТМ. В прототипе предусмотрен только последний вариант - реализация при наклонном вводе/приеме УЗ колебаний с помощью двух или более ЭАП, что существенно ограничивает область применения прототипа.
На фиг.1 приведена схема реализации предлагаемого способа на длинномерном изделии с плоскопараллельными (эквидистантными) поверхностями (на примере УЗ контроля железнодорожные рельсов, уложенных в путь), где:
1 - контролируемое изделие;
2 - электроакустический преобразователь (ЭАП);
3 - огибающая амплитуд донных сигналов;
4 - адаптивный пороговый уровень обнаружения дефектов;
5 - постоянный пороговый уровень обнаружения дефектов (известный из уровня техники);
6 - скользящее окно анализа;
D и DS - внутренние дефекты изделия и соответствующие ослабления донных сигналов в зоне дефектов;
W и WS - сварные стыки изделия и соответствующие ослабления донных сигналов в зоне сварок;
JS - сигналы от зон конструктивных элементов изделия (в данном случае зона J болтовых стыков рельсового пути).
Фиг. 2. Схема формирования порогового уровня обнаружения дефектов,
где:
7 - флуктуационный уровень;
8 - базовый уровень огибающей амплитуд донных сигналов.
Фиг. 3. Пример реализации предлагаемого способа с использованием данных УЗ контроля рельсов вагоном-дефектоскопом (на участке пути Волгоград-Астрахань).
Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.
0
1
2
i
i
i
На поверхность сканирования длинномерного изделия 1 (фиг.1а) с плоскопараллельными поверхностями устанавливают ЭАП 2, реализующий ЗТ способ УЗ контроля. По мере перемещения ЭАП 2 принимаются сигналы (донные сигналы), отраженные от противоположной поверхности изделия 1 (от подошвы рельса), и формируется огибающая амплитуд донных сигналов 3 (фиг.1b). Вследствие указанных выше причин (нестабильность акустического контакта, небольшие изменения отражающих свойств противоположной (донной) поверхности, и т.п.), уровень амплитуды донных сигналов несколько флуктуируют относительно некоторого постоянного уровня U. При наезде на участки изделия 1 с внутренними дефектами D и D или с конструктивными элементами (при контроле рельсов зоны сварных W и болтовых J стыков), происходит резкое ослабление амплитуд донных сигналов, выражающееся просадками DS, WS, JS огибающей амплитуд донных сигналов (фиг.1b).
0
0
i
i
Из уровня техники известно, что критерием обнаружения дефекта при ЗТ методе контроля является уменьшение амплитуды донного сигнала в определенное, наперед заданное число раз [1]. На фиг.1b показан адаптивный пороговый уровень 4, равный примерно 0,5U, где U - амплитуды донных сигналов на бездефектном участке изделия. Видно, что ослабления донных сигналов WS в зоне W сварных стыков не пересекают пороговый уровень 4, а в зоне болтовых стыков J (до 6 болтовых отверстий и стыковой зазор) наблюдаются экстремально низкие (до нулевого уровня) значения огибающей амплитуд донных сигналов JS.
1
2
i
От внутренних дефектов D и D изделия также наблюдаются значительные ослабления DS, уровни которых становятся ниже порогового уровня 4, и дефектоскопом (на фиг. не показан) фиксируются как дефектные сечения изделия 1.
Для наглядности (правее сигналов от зон болтовых стыков на фиг.1) показано плавное уменьшение огибающей 3 амплитуд донных сигналов по причине изменения акустического контакта (например, из-за загрязненности поверхности сканирования на участке около 75 м: 3 рельсовых звена по 25 м, соединенные сваркой в рельсовую плеть). При реализации предлагаемого способа эти изменения автоматически отслеживаются и пороговый уровень 4 также уменьшается синхронно с изменением огибающей 3 амплитуд донных сигналов (фиг.1b).
1
2
1
2
При реализации постоянного порога 5 (в соответствии с [1]), ряд ослаблений в зоне сварных стыков были бы ошибочно приняты за дефектные сечения изделия 1, снижая достоверность контроля, так как их амплитуды находятся ниже постоянного порогового уровня 5. В тоже время введение адаптивного порога 4 не привело к потере сигналов от дефектных сечений, так как ослабления DS и DS амплитуд донных сигналов в зоне дефектов D и D находятся ниже адаптивного порогового уровня 4.
В отличие от прототипа [9], где пороговой уровень 4 формируется относительно текущего уровня 8 огибающей 3 амплитуд донных сигналов, значительные ослабления текущего уровня в зоне болтовых стыков JS (фиг.2а), в предлагаемом способе (фиг.2b), не приводит к снижению (к просадке) порогового уровня 4 (фиг.1 и 2). Это удается достичь благодаря особому алгоритму формирования порогового уровня 4 в следующей последовательности:
1. Формируют скользящее окно 6 анализа донных сигналов контроля, охватывающее сигналы на участке протяженностью L (фиг.1) по продольной координате.
2. В данном окне определяют распределение амплитуд донных сигналов (фиг.3b).
3. По полученному распределению определяют флуктуационный уровень 7, ниже которого находится заданная доля k сигналов с наиболее низкими амплитудами (фиг.2).
4. С учетом донных сигналов, амплитуда которых выше флуктуационного уровня 7 определяют базовый уровень 8 (фиг.2).
5. Относительно базового уровня 8 устанавливают пороговый уровень 4 обнаружения дефектов D (фиг.1b и 2).
На фиг.2 приведены примеры реализации прототипа [9] и заявляемого способа. В первом варианте (фиг.2а) в зоне сигналов от конструктивных элементов JS базовый уровень 8 неоправданно занижается, утягивая за собой пороговый уровень 4 и ослабление донного сигнала DS в зоне дефекта не будет обнаружен. Во втором варианте (фиг.2b), за счет того, что экстремально низкие значения огибающей амплитуды отброшены, пороговый уровень 4 остается стабильным и при тех же параметрах дефект D выявляется (уровень сигнала DS ниже порога 4).
Для осуществления отбора выбросов амплитуд донных сигналов, которые можно ассоциировать с полезными сигналами нешумового характера при автоматической обработке данных донного канала используется понятие флуктуационного уровня сигнала.
Флуктуационный уровень 7 сигнала определяется исходя из распределения амплитуд на отрезке дискретизированных данных на участке заданной длины L по продольной координате. Флуктуационный уровень 7 вычисляется как уровень амплитуды, ниже которого находится заданная доля к дискретизи-рованных отсчетов на заданном участке. Таким образом, при определении флуктуационного уровня 7 участвуют два параметра - длина L участка (количество отсчетов на отрезке пути, мощность множества, на котором строится распределение) и доля k отделяемых отсчетов.
Величина первого параметра L определяет адаптивность флуктуационного уровня 7 к изменениям сигнала. Длина L участка должна быть достаточно мала, чтобы оперативно реагировать на изменения основного уровня сигнала, но достаточно велика, чтобы не реагировать на возможные выбросы, которых на локальном, коротком участке может быть достаточно много.
Применительно к скоростному УЗ контролю рельсов, в специально разработанной для проверки предлагаемого способа версии программы автоматического анализа, величина этого параметра выбрана равной L=4,0 м (или 4000 дискретизированных отсчетов - шаг дискретизации донного сигнала по продольной координате равен 1 мм).
Величина второго параметра k определяет максимальную долю экстремальных нешумовых сигналов, которая может потенциально встретиться на участке, длина которого задается первым параметром. Слишком большая доля к будет захватывать шумовые сигналы, что в итоге негативно скажется на установлении истинного базового уровня сигнала, слишком малая доля к будет проявляться в чувствительности флуктуационного 7 и, следовательно, базового уровня 8 к наличию нешумовых сигналов, чего также следует избегать. В специальной версии программы автоматического анализа величина второго параметра установлена на уровне 25%, т.е. на участке длиной 4,0 м, до 1,0 м в совокупности, огибающие 3 амплитуд донных сигналов (фиг.2) могут находиться в экстремальных, сильно отклоняющихся от базового уровня отсчетах.
Фактически флуктуационный уровень 7 устанавливает границу, отделяющую хаотические шумовые всплески сигнала, не несущие никакой полезной информации, от экстремальных всплесков, сильно отклоняющихся от основного уровня, которые такую информацию, возможно, несут. В реальных условиях, флуктуационный уровень 7 захватывает и часть шумовых импульсов, поэтому реальный пороговый уровень 4, отделяющий полезные всплески сигнала, должен находиться несколько ниже, но в качестве основы для разделения полезной и шумовой составляющих сигнала флуктуационный уровень вполне пригоден.
После того, как при помощи флуктуационного уровня 7 на рассматриваемом участке пути отделены экстремальные, нешумовые отсчеты от остальных, формирующих основную часть распределения отсчетов по амплитуде, последние можно использовать для определения базового уровня 8 сигнала. В реализованной версии программы автоматического анализа за базовый уровень 8 берется просто как среднее значение амплитуд, соответствующих отсчетам, входящим в основную часть распределения (фиг.2). Также в качестве базового уровня 8 можно взять медианное значение амплитуд указанных отсчетов. Поскольку после отделения экстремальных отсчетов с сильно отличающимися в меньшую сторону амплитудами, распределение отсчетов по амплитудам становится достаточно симметричным, разницы между средним и медианным значение существенной не наблюдается.
На фиг.3а приведен фрагмент огибающей амплитуд донных сигналов, полученных при контроле участка протяженностью L=4,0 м реального железнодорожного пути вагоном-дефектоскопом на скорости 58 км/ч. Озвучивание сечения рельса по всей высоте, производился прямым раздельно-совмещенным преобразователем (угол ввода УЗ колебаний 0°). Видно, что амплитуда донного сигнала флуктуирует относительно некоторого уровня (на фиг.3 амплитуда огибающей в пределах 7,7 - 10 условных единиц (ед. АЦП). На дефектограмме наблюдаются резкие спады уровня донного сигнала в зоне болтового стыка (JS -сигналы от шести отверстий диаметром 36 мм, от стыкового зазора и от двух отверстий диаметром 10 мм для контактных соединителей рядом с JS), а также спад DS на незначительном дефекте. Для данного фрагмента (окна анализа 6 по фиг.1b) приведено распределение амплитуд донных сигналов (фиг.3b). Заданная доля k=0,25 отнесена к сигналам с наиболее низкими амплитудами, по ней определен флуктуационный уровень 7. Используя сигналы с амплитудами выше уровня 7, определен базовый уровень 8 (как среднее арифметическое значение) (фиг.3). Относительно полученного базового уровня 8 формируется пороговый уровень 4 обнаружения дефектов, который и определяет чувствительность контроля [1] данного дефектоскопического канала.
Выполненные исследования в широком диапазоне скоростей сканирования и приведенный фрагмент реальной дефектограммы (фиг.3), обработанный предлагаемым алгоритмом, подтверждают реализуемость заявляемого способа, в том числе, и в условиях скоростного контроля рельсов. С одной стороны, нечувствительность к резким кратковременным изменениям амплитудной огибающей донных сигналов, с другой - адаптация порогового уровня с учетом среднего базового уровня донных сигналов, позволяют сохранять чувствительность контроля на заданном уровне в сложных производственных условиях контроля протяженных изделий.
В общем случае, как флуктуационный, так и базовый уровни, можно определять в любой момент на любом участке доступных данных. В процессе проезда уровни можно пересчитывать даже при поступлении одного единственного нового отсчета, смещая границу рассматриваемого участка в сторону увеличения продольной координаты на величину шага продольной дискретизации. Но, поскольку процесс вычисления флуктуационного (и определяемого через него базового) уровня является относительно ресурсоемким, имеет смысл пересчитывать уровни с определенным шагом, величина которого определяется потенциальной скоростью изменения значений указанных уровней в ходе проезда. Величина такого шага, равная 100 мм, выглядит вполне оправданной.
Специалисты из области техники, к которой относится настоящее изобретение, понимают, что реализация способа возможна как при нормальном вводе УЗ колебаний (ЭАП 2 на фиг.1), так и при наклонном (ЭАП 2' на фиг.1, где один наклонный ЭАП излучает, а другой принимает преображенные от противоположной поверхности изделия 1 УЗ колебания). В качестве ЭАП могут быть использованы как преобразователи на основе пьезоэффекта (ПЭП), так и на основе электромагнитно-акустического преобразования (ЭМАП). Способ также реализуем при возбуждении УЗ колебаний оптоэлектронным (лазерным) способом возбуждения и приеме акустических колебаний одним из возможных способов (ПЭП или ЭМАП).
В данном описании числовые значения параметров анализа и выбора флуктуационного и порогового уровней приведены в качестве примера. В зависимости от контролируемого изделия и от особенностей проведения контроля (например, высокие скорости сканирования или контроль изделий с локальными поверхностными повреждениями), параметры могут отличаться от приведенных выше значений.
Совокупность существенных признаков заявляемого способа, а именно: анализ амплитудной огибающей донных сигналов в скользящем окне, формирование адаптивного порогового уровня обнаружения дефектов без учета заданной части сигналов с наиболее низкими амплитудами, позволяет повысить надежность и достоверность зеркально-теневого УЗ контроля длинномерных изделий.
Источники информации
1. Гурвич А.К. Зеркально-теневой метод ультразвуковой дефектоскопии. - М.: Машиностроение, 1970. - 34 с.
2. Марков А.А., Максимова Е.А. Анализ амплитудной огибающей донных сигналов - путь к повышению достоверности контроля рельсов // Контроль. Диагностика. 2018, №11. С. 14-24.
3. SU 926591.
4. SU 1497561.
5. SU 1525568.
6. US 10836407.
7. RU 2560753.
8. JP 6408145.
9. RU 2550825.