УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ АКУСТИЧЕСКОГО БЛОКА КОЛЕСНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЗОНДА

Устройство для калибровки акустического блока колесного ультразвукового зонда относится к устройствам для испытаний чувствительных элементов ультразвуковых (УЗ) дефектоскопов, использующихся для исследований объектов сложной формы, например, железнодорожных рельсов. Устройство может быть использовано при изготовлении и эксплуатации колесных ультразвуковых зондов.
При УЗ дефектоскопии объектов используются электроакустические преобразователи (ЭАП), обеспечивающие излучение и прием УЗ сигналов. Для обнаружения дефектов используют разные схемы излучения и приема УЗ сигналов [1], стр. 51-74. При этом, Фиг. 1, ЭАП из точки A излучает УЗ сигналы в направлении V в системе координат XYZA, где AX - продольная ось объекта, ось AZ перпендикулярна поверхности объекта, а ось AY дополняет их до ортогональной системы. Вектор излучения (приема УЗ сигналов) V ориентирован под азимутальным углом γ к оси AX, и под углом ввода α по отношению к оси AZ.
Для исследования сложных по форме объектов используют несколько разнонаправленных ЭАП, объединяя их в акустический блок (АБ), например, при исследовании рельсов приходится использовать АБ с более чем десятком ЭАП, на Фиг. 4 приведен вид АБ с 11 ЭАП. Для дефектоскопии объекта по всей длине перемещают ЭАП по его поверхности, а УЗ зондирование осуществляют с шагом, выбранным, исходя из требований по разрешающей способности. Акустический контакт ЭАП с поверхностью объекта обычно обеспечивается за счет смачивания.
Объединение нескольких ЭАП в акустический блок может быть выполнено в разных конструктивных вариантах:
1. В форме «лыжи» [2], скользящей по поверхности рельса.
2. В форме УЗ колеса [3], [4], [5], при этом один или несколько АБ [4], Фиг. 4, устанавливаются неподвижно на оси вращения колесного ультразвукового зонда с жесткими боковыми стенками и с поверхностью катания, выполненной в виде эластичной мембраны с коэффициентом преломления, близким к единице. Внутренний объем колесного ультразвукового зонда заполняется звукопроводящей жидкостью. Жидкость имеет определенный коэффициент преломления УЗ сигналов, в результате чего азимутальный угол γ и угол ввода α УЗ сигналов в объект отличается от соответствующих углов излучения ЭАП. Зондирующие УЗ сигналы ЭАП распространяются через пятно контакта эластичной мембраны с поверхностью рельса. Эластичная мембрана не вносит существенных изменений в направление излучения УЗ сигнала ЭАП, но обеспечивает надежный акустический контакт УЗ колеса с поверхностью рельса при минимальном смачивании или даже без него.
Для калибровки АБ (ЭАП) обычно используются «стандартные образцы» [6] ГОСТ 18576-96, выполненные в виде объемного металлического тела, имеющего внутренние модели дефектов и их поверхностные метки. Внутренние модели дефектов обычно выполняются в виде искусственных отражателей УЗ сигналов, например, цилиндрических сверлений. Метки на поверхности образца позволяют оценить угол ввода УЗ сигналов α от испытуемого ЭАП в объект.
Известен образец для калибровки АБ (ЭАП) [7], в котором для проверки работоспособности АБ (ЭАП) в качестве калибровочного образца используется испытательный участок рельса, в который внесены различные искусственные дефекты. Такой образец приближает испытания УЗ зондов рельсов к реальности, однако, это в этом устройстве сложно оценить направление излучения ЭАП из-за отсутствия меток.
Недостатком устройств [6, 7] является возможность оценки только одного угла α - ввода УЗ сигналов от ЭАП в объект.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для калибровки АБ колесного УЗ зонда [8], содержащее калибровочный образец с искусственно созданными дефектами, а также АБ колесного УЗ зонда, содержащий ЭАП, с возможностью относительного углового и линейного перемещения калибровочного образца и АБ. Такое устройство позволяет проверить пространственные углы γ и α излучения (приема) УЗ колебаний ЭАП.
Общим недостатком устройств [6, 7 и 8] является сложность их использования для калибровки АБ колесных УЗ зондов. Проблема заключается в том, то перед калибровкой АБ колесный УЗ зонд должен быть закреплен на оси колеса, установлены жесткие боковые стенки и эластичная мембрана, а колесо заполнено акустической жидкостью по определенной технологии во избежание образования воздушных пузырей и вспенивания при вращении. При обнаружении в процессе калибровки погрешностей в изготовлении ЭАП и (или) ошибок в их ориентации, колесо должно быть разобрано, устранены недостатки, и вновь собрано. Очевидно, что такая процедура является длительной и трудоемкой.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью является обеспечение простоты калибровки АБ колесных УЗ зондов. Под калибровкой в данном случае понимается оценка азимутального угла γ и угла ввода α УЗ сигналов (пространственной ориентации вектора V), а также амплитуды зондирующих сигналов АБ.
Для решения этой задачи в устройстве для калибровки АБ колесного УЗ зонда, содержащем калибровочный образец с искусственно созданными дефектами, а также АБ колесного УЗ зонда, содержащий ЭАП, с возможностью относительного углового и линейного перемещения калибровочного образца и АБ, дополнительно предусмотрена емкость, установленная на калибровочный образец, выполненная из акустически прозрачного материала и заполненная акустической жидкостью колесного УЗ зонда, АБ установлен внутри емкости в пространственном положении идентичном его положению внутри колесного УЗ зонда.
Существенными отличиями заявляемой полезной модели от прототипа являются:
Установка АБ внутри специальной емкости дает удобный доступ к его ЭАП, что обеспечивает простоту изменения их углового положения, замены и т.п.
В прототипе калибровка самого колесного УЗ зонда сопряжена с трудоемкой операцией по его сборке и разборке.
Выполненной емкости из акустически прозрачного материала, заполненной акустической жидкостью колесного УЗ зонда и установка АБ в пространственном положении идентичном его положению внутри колесного УЗ зонда, позволяет создать одинаковые условия распространения УЗ сигналов в емкости и колесном УЗ зонде и за счет этого учесть влияние жидкости колесного УЗ зонда на углы распространения УЗ сигналов простым способом.
В прототипе могут проводиться измерения в воздушной среде с применением сложных расчетов углов излучения УЗ колебаний с учетом коэффициента преломления жидкости.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг 1. - Углы ввода УЗ колебаний V относительно осей ортогональных XYZ, где:
A - точка ввода УЗ сигнала в объект;
Ось X - направление перемещения ЭАП;
Ось Z - перпендикулярна поверхности объекта;
Ось Y - образует ортогональный базис;
Ось Е - симметрии емкости с жидкостью;
V - вектор излучения УЗ колебаний;
XY
YZ
XZ
V, V, V - проекции вектора V на соответствующие плоскости;
α - угол ввода УЗ сигнала в объект по отношению к вертикали;
γ - азимут ввода УЗ сигнала по отношению к оси X;
Фиг. 2 - устройство для калибровки колесных акустических блоков, где:
1. Стандартный образец;
2. Модель дефекта;
3. Метки углов ввода УЗ колебаний;
4. ЭАП;
5. Емкость с жидкостью колеса;
Фиг. 3 - устройство для калибровки колесных акустических блоков, где:
6. Узел крепления акустического блока к емкости.
Фиг. 4 Вид АБ с одиннадцатью ЭАП.
XY
XZ
д
д
Работу заявляемого устройства рассмотрим на примере калибровки АБ, содержащего один ЭАП. Выбирают калибровочный образец 1 вида [6 или 8], Фиг. 2, 3, с искусственно созданными дефектом в виде сверления 2 и его метками 3, которые показывают угол между точкой ввода УЗ колебаний и сверлением 2. Изготавливают емкость 5 из акустически прозрачного материала, например, оргстекла. В соответствии с требуемой схемой прозвучивания (выбранными азимутальным углом γ и углом ввода α) закрепляют АБ 4 внутри емкости 5 в пространственном положении идентичном его положению внутри колесного УЗ зонда с использованием узла крепления АБ к емкости 6. Заполняют емкость жидкостью, которая будет использоваться в колесном УЗ зонде. Устанавливают емкость 5 на образец 1 и поворачивают оси АХ и АЕ друг относительно друга на азимутальный угол γ за счет поворота емкости 5 или образца 1. Таким образом, в идеальном варианте вектор V, Фиг. 1, оказывается направленным по оси АХ. Перемещают емкость 5 или образец 1 по оси АХ, излучая зондирующие и принимая отраженные УЗ сигналы ЭАП 4. Отраженные УЗ сигналы будут получены, когда вектор V окажется направлен на сверление 2. При этом по меткам 3 можно оценить угол ввода а. Изменяя угол между осями АХ и АЕ и перемещая емкость 5 по оси АХ, следует добиться максимальной амплитуды отраженных УЗ сигналов и оценить ее соответствие установленным нормам. При этом следует измерить действительные значения азимутального угла γ и угла ввода α у данного ЭАП 4 в полученном пространственном положении. Если эти значения не соответствуют требуемым, то необходимо изменить ориентацию ЭАП 4 или заменить его. Эту операцию выполнить просто, благодаря доступности ЭАП 4, расположенного в емкости 5.
При наличии нескольких ЭАП в составе АБ, например, Фиг. 4, их калибровку проводят поочередно.
Таким образом, заявляемое устройство для калибровки акустического блока колесного ультразвукового зонда может быть реализовано, обеспечивает простоту калибровки АБ колесных ультразвуковых зондов.
Источники информации:
1. Марков А.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов., 2-е изд. перераб. и доп. - СПб.: Образование - Культура, 2008. 283 с.
2. Патент GB 1506214.
3. Патент RU 89235.
4. Патент WO 9701094.
5. Патент US 6604421.
6. ГОСТ 18576-96.
7. Патент RU 134133.
8. Патент RU 124397.