УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЗОНДА

Полезная модель относится к устройствам для калибровки чувствительных элементов ультразвуковых (УЗ) дефектоскопов - зондов, имеющих сложные пространственные направления излучения ультразвуковых зондирующих сигналов. Такие зоны используются для исследований объектов сложной формы, например, железнодорожных рельсов. Устройство может быть использовано при изготовлении и эксплуатации УЗ зондов.
При УЗ дефектоскопии объектов используются электроакустические преобразователи (ЭАП), обеспечивающие излучение УЗ зондирующих сигналов и прием УЗ сигналов отраженных от дефектов. [1]. Для исследования всего объема объекта перемещают ЭАП по поверхности объекта, а зондирование осуществляется с шагом, выбранным, исходя из требований по разрешающей способности. Однако дефекты могут оказаться параллельными направлению зондирования, тогда для обнаружения дефектов произвольной ориентации необходимо использовать нескольких ЭАП с разными углами ввода УЗ колебаний и объединенных конструктивно в зонд. Для изменения угла ввода УЗ колебаний в объект ЭАП снабжают преломляющей призмой, обеспечивающей поворот УЗ колебаний на угол α по отношению к оси перпендикулярной к поверхности объекта. Как правило, указанный угол лежит в плоскости перемещения ЭАП.
Для исследования объектов сложной формы, например, рельсов, приходится использовать ультразвуковые зонды, у которых ЭАП повернут на угол γ по отношению к направлению перемещения: [2], [3]. Для достоверного исследования состояния рельсов, как правило, требуется несколько ЭАП, имеющих разные углы ввода УЗ колебаний α и γ, направленных на определенный участок рельса, друг на друга и т.п.
УЗ зонды могут быть выполнены в разных конструктивных вариантах: одиночный ЭАП, зонд в форме «лыжи» [4] или колеса [5], [6], [7].
Наиболее близким к заявляемому является устройство для калибровки ультразвуковых приборов - стандартный образец [8], выполненный в виде объемного тела, имеющего измерительную плоскость и параллельные ей опорную плоскость и внутреннее сквозное цилиндрическое отверстие, стандартный образец снабжен метками углов ввода ультразвукового излучения, такими, что если точка ввода ультразвукового излучения зонда располагается на измерительной поверхности стандартного образца, на метке α, а зонд имеет направление ультразвукового излучения с углом α, лежащее в плоскости зондирования - перпендикулярной образующей отверстия, то ультразвуковое излучение зонда отражается от образующей отверстия в обратном направлении.
Такое устройство позволяет выполнить калибровку ЭАП, т.е. проверить точность изготовления самого ЭАП и призмы, с точки зрения правильности угла α - ввода УЗ колебаний в стандартный образец.
Недостатком данного прибора является ограниченный круг задач - возможность калибровки только таких зондов, у которых направление излучения совпадает с направлением перемещения ЭАП - по одному углу α.
Качество УЗ дефектоскопии рельсов в значительной степени зависит от точности излучения/приема УЗ зондирующих сигналов. Источниками неточностей могут являться качество изготовления ЭАП преобразователя, поворотной призмы, а также точность установки ЭАП в зонде.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью является создание простого и дешевого устройства, обеспечивающего калибровку УЗ зондов различного конструктивного исполнения с пространственным углом ввода УЗ колебаний {α, γ}.
Для решения этой задачи устройство для калибровки ультразвукового зонда, содержащее стандартный образец, выполненный в виде объемного тела, имеющего измерительную плоскость и параллельные ей опорную плоскость и внутреннее сквозное цилиндрическое отверстие, стандартный образец снабжен метками углов ввода ультразвукового излучения, такими, что если точка ввода ультразвукового излучения зонда располагается на измерительной поверхности стандартного образца, на метке α, а зонд имеет направление ультразвукового излучения с углом α, лежащее в плоскости зондирования - перпендикулярной образующей отверстия, то ультразвуковое излучение зонда отражается от образующей отверстия в обратном направлении, дополнительно содержит неподвижную базу, поворотный стол, держатель зонда и метки углового положения поворотного стола, поворотный стол установлен на оси вращения, закрепленной в базе, поворотный стол имеет установочную плоскость перпендикулярную оси вращения, на которой опорной плоскостью размещен стандартный образец, и направляющую для линейного перемещения стандартного образца по опорной плоскости вдоль плоскости зондирования, держатель зонда неподвижно закреплен на базе и выполнен так, чтобы точка ввода ультразвукового излучения зонда находилась в точке пересечения измерительной поверхности стандартного образца с осью вращения поворотного стола.
Существенными отличиями заявляемого устройства по сравнению с прототипом являются:
Наличие неподвижной базы с поворотным столом, установленным на неподвижной оси вращения, позволяет изменять угловое положение стандартного образца по отношению к ЭАП. Это обстоятельство позволяет измерять не только угол ввода УЗ колебаний α, но и угол между направлениями излучения и перемещения γ.
В прототипе измеряется только угол α.
Наличие направляющей для линейного перемещения стандартного образца по опорной плоскости поворотного стола вдоль плоскости зондирования позволяет обеспечить высокую точность установки ЭАП и стандартного образца, как по угловым, так и по линейным перемещениям, а, следовательно, провести калибровку ЭАП с высокой точностью.
В прототипе установка и перемещение ЭАП осуществляется вручную «на глаз», т.е. не точно.
Наличие держателя зонда неподвижно закрепленного на базе также позволяет производить измерения с высокой точностью, но по схеме принципиально отличающейся от прототипа: в прототипе перемещают зонд по отношению к стандартному образцу, а в заявляемом устройстве - наоборот.
Кроме того, в заявляемом устройстве имеется возможность калибровки зонда, т.е. устройств различного конструктивного исполнения, в которых размещены ЭАП. Это обстоятельство позволяет проверить не только точность изготовления ЭАП и его призмы, но и качество сборки всего зонда.
Прототип пригоден только для калибровки одиночных ЭАП. Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг.1 - устройство для калибровки ЭАП по углу α, где:
1. Зонд - электроакустический преобразователь.
2. Стандартный образец.
3. Измерительная плоскость.
4. Опорная плоскость.
5. Отверстие.
6. Метки углов ввода ультразвуковых колебаний α.
7. База.
8. Поворотный стол.
9. Держатель зонда.
10. Метки углового положения поворотного стола.
11. Ось вращения поворотного стола.
12. Установочная плоскость.
13. Направляющие.
14. Метка направления излучения ЭАП.
Фиг.2 - устройство для калибровки ЭАП по углу γ.
Фиг.3 - устройство для калибровки зонда в виде «лыжи», где:
15. Зонд в виде «лыжи».
16. Держатель «лыжи».
Фиг.4 - устройство для калибровки зонда в виде «колеса», где:
17. Зонд в виде «колеса».
18. Держатель «колеса».
Электроакустический преобразователь 1 - простейший зонд предназначен для излучения зондирующих сигналов и приема отраженных сигналов. ЭАП 1 имеет призму с углом ввода α для излучения УЗ колебаний в объект при работе и в стандартный образец 2 при калибровке. Любой ЭАП имеет определенную диаграмму направленности излучения УЗ колебаний. Под направлением излучения мы будем понимать ось центрального лепестка, а под точкой ввода - пересечение этой оси с соответствующей поверхностью. ЭАП 1 имеет, фиг.1, на корпусе маркировку угла ввода УЗ колебаний α и метку 14, указывающую на направление излучения по плоскости зондирования. Электроакустический преобразователь 1 выполнен в виде пьезоэлектрической пластины, способной преобразовывать электрические сигналы в акустические волны и наоборот. Для обеспечения акустического контакта ЭАП 1 может снабжаться механизмом прижима, например, пружиной, а, кроме того, поверхность стандартного образца может смачиваться контактирующей жидкостью или специальным гелем.
Стандартный образец 2 предназначен для приема через свою измерительную плоскость 3 УЗ сигналов от ЭАП 1 под углом α, зеркального отражения этого сигнала от цилиндрического отверстия 4 (сверление в стандартном образце) и приема отраженного сигнала ЭАП 1. Стандартный образец 2 имеет метки 6 для установки ЭАП 1 зонда 1, 14 или 16, которые проградуированы в углах α.
Опорная плоскость 4 стандартного образца 2 предназначена для его установки на установочную плоскость 12 поворотного стола 8 и перемещения стандартного образца 2 по его направляющей (им) 13, т.е. по оси X, фиг.1, 2.
Держатель зонда 9 предназначен для фиксации ЭАП 1 на измерительной плоскости 3 стандартного образца 2 на оси вращения 11 поворотного стола 8. Держатель должен обеспечивать акустический контакт ЭАП 1 со стандартным образцом. Конструкция держателя зависит от вида зонда и может иметь вид 16, фиг.3 или 18, фиг.4.
Метки углового положения поворотного стола 10 в данном случае размещены на базе 7 и позволяют определить угол γ - поворота стандартного образца 2 на поворотном столе 8 относительно
Направляющая 13 в данном случае выполнена в виде параллельных бортов поворотного стола 8.
Зонд может быть выполнен в виде «лыжи» 15, фиг.3, в которой размещаются несколько разнонаправленных ЭАП. Каждый из них имеет крепежные элементы для установки. В этом случае держатель зонда имеет вид 15.
Если зонд выполнен в виде «колеса» 17, фиг.3, то ЭАП 1 располагается внутри акустически прозрачной оболочки колеса, заполненной жидкостью. При этом точка ввода УЗ колебаний располагается в месте контакта колеса 17 с измерительной плоскостью 3 стандартного образца 2. В том случае держатель зонда имеет вид 18.
Рассмотрим работу заявляемого устройства при калибровке одиночного ЭАП 1, фиг.1.
Устанавливают стандартный образец 2 опорной плоскостью 4 на установочную плоскость 12 поворотного стола 8 по направляющим 13. ЭАП 1, имеющий угол ввода УЗ колебаний α, закрепляют в держателе зонда 9, так, чтобы центр излучения ЭАП 1 находился на оси вращения 11 поворотного стола 8, а отметка направления излучения 14 на корпусе ЭАП 1 совпадала с осью X. Перемещают стандартный образец 2 так, чтобы ЭАП 1 оказался по меткам 6 углов ввода ультразвуковых колебаний на метке равной α. Излучают ЭАП 1 УЗ колебания и принимают УЗ сигналы, отраженные от отверстия 5. Перемещают ЭАП 1 по оси Х по направляющим 13 и вращают ЭАП 1, добиваясь максимальной амплитуды отраженного сигнала. Получив такой сигнал, по меткам 6 уточняют реальный угол ввода УЗ колебаний α у измеряемого ЭАП 1, а также точность отметки его направления излучения. При необходимости корректируют положение метки направления излучения 14. При не совпадении объявленного производителем угла излучения α реальному принимают решение о выбраковке ЭАП 1. Данный режим измерений известен и в принципе совпадает с режимом измерений описанным в [2].
Если калибруемый ЭАП 1 будет использоваться с направлением излучения не по оси X, а с углом γ, фиг.2, то по меткам 10 устанавливают поворотный стол 8 на требуемый угол γ и повторяют описанные выше действия. В результате чего на ЭАП 1 будет установлена другая метка 14, соответствующая заданному углу γ, а также оценен реальный угол ввода УЗ колебаний α данного ЭАП 1.
При использовании в качестве зонда - 1 «лыжи», фиг.3 необходимо установить закрепить «лыжу» 15 на базе 7 при помощи держателя 16 так, чтобы центр излучения ЭАП 1 находился на оси вращения 11 поворотного стола 8. При этом продольная ось «лыжи» должна совпадать с осью 19 держателя 16, фиг.2. Перемещая стандартный образец 2 по оси Х по направляющим 13 и, вращая ЭАП 1, добиваются максимальной амплитуды отраженного сигнала.
При использовании в качестве зонда - 1 «колеса», фиг.4 необходимо установить закрепить «колесо» 17 на базе 7 при помощи держателя 18 так, чтобы центр излучения ЭАП 1 находился на оси вращения 11 поворотного стола 8. При этом продольная ось «колеса» должна совпадать с осью 19 держателя 16, фиг.2. Перемещая стандартный образец 2 по оси Х по направляющим 13 и, вращая ЭАП 1, добиваются максимальной амплитуды отраженного сигнала.
В результате этих манипуляций появляется возможность более точно проверить качество изготовления ЭАП и их установки в ультразвуковой зонд.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет произвести калибровку, как одиночных ЭАП, так и ультразвуковых зондов с пространственными углами излучения УЗ колебаний α и γ, а за счет этого повысить качество дефектоскопии объектов сложной формы.
Источники информации:
1. Марков А.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов., 2-е изд. перераб. и доп. - СПб.: Образование - Культура, 2008. 283 с.
2. Патент RU 2184960.
3. Патент RU 2184374.
4. Патент GB 1506214.
5. Патент RU 89235.
6. Патент WO 9701094.
7. Патент US 6604421.
8. ГОСТ 18576-96.